地鐵裝配式車站防水關(guān)鍵技術(shù)研究

張 建

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

隨著城市人口不斷增加，城市交通壓力日益嚴(yán)峻。只利用公路、輕軌等地上交通并不能有效緩解城市交通壓力，交通持續(xù)擁堵不僅導(dǎo)致城市工作效率降低，甚至?xí)黾影踩鹿孰[患[1]。在這樣的情況下，建設(shè)地鐵系統(tǒng)已經(jīng)成為許多大型城市交通建設(shè)方案的必然選擇。城市地下情況復(fù)雜多變，施工條件困難，因此，為加快地鐵施工建設(shè)，裝配式地鐵建設(shè)成為首選技術(shù)[2]。通過(guò)建設(shè)模塊化、裝配式的地鐵車站，可以提高施工效率，使地鐵系統(tǒng)盡快地投入運(yùn)營(yíng)中，使市民出行更便利。但是，建設(shè)裝配式地鐵車站也面臨復(fù)雜的地下環(huán)境[3]，在設(shè)計(jì)施工階段就需要充分考慮地下環(huán)境的影響，避免建成地鐵車站系統(tǒng)后出現(xiàn)更大的安全隱患。其中，地下水滲漏是影響裝配式車站安全的重要問(wèn)題之一。該文以裝配式地鐵車站為研究對(duì)象，探究其防水所需的關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

1 裝配式地鐵車站密封材料的泡水膨脹性能分析

建設(shè)地鐵車站出現(xiàn)裝配式技術(shù)后，大幅度提高了地鐵車站的建成效率，縮短了施工工時(shí)。在裝配式技術(shù)體系下，地鐵車站的主體分別設(shè)計(jì)重要部件，通過(guò)裝配形成完整的地鐵車站系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，采用裝配式的地鐵車站建設(shè)方法有利于提升建設(shè)地鐵車站的效率，可以大幅度縮短傳統(tǒng)建設(shè)方法的施工周期，從而加快地鐵系統(tǒng)建設(shè)，提升運(yùn)營(yíng)時(shí)間，更好地為人們做好地下交通服務(wù)。地鐵車站的總體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用裝配式的組合和加工方法可以有效地降低各部分的設(shè)計(jì)和開發(fā)難度。

為提高各部分連接的可靠度，各部件間通常采用榫槽連接方式，關(guān)鍵部位配合鋼筋錨加固。因?yàn)檠b配式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要充分考慮結(jié)合處的防水性能。一旦接縫處出現(xiàn)滲漏問(wèn)題，會(huì)給地鐵正常運(yùn)行帶來(lái)巨大隱患，甚至危及乘客的安全。裝配式地鐵車站的接縫防水措施通常包括以下3種：通過(guò)密封墊圈完成防水；通過(guò)嵌縫填充完成防水；通過(guò)注漿處理完成防水。該文重點(diǎn)討論第一種防水技術(shù)及其防水的效果。

密封墊圈的材料通常具有較好的泡水膨脹率。當(dāng)外部環(huán)境出現(xiàn)地下水滲漏時(shí)，密封墊圈可以通過(guò)自身材料膨脹，對(duì)可能滲漏的接縫進(jìn)行填充，有效抵抗外界水壓。

為說(shuō)明問(wèn)題，具體裝配式地鐵車站的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝配式地鐵車站的結(jié)構(gòu)

圖1是典型的裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)，整體由各部分關(guān)鍵部件裝配組合而成。裝配的縫隙是防水設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，如圖1中的虛線所示。在實(shí)際防水設(shè)計(jì)中，圖中虛線處應(yīng)配置密封墊圈。密封墊圈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 密縫墊圈的結(jié)構(gòu)形式

圖2中，密封墊圈結(jié)構(gòu)分為2個(gè)部分，下部采用多孔的三元乙丙材料，上部采用吸水膨脹橡膠。從結(jié)構(gòu)看，雖然吸水膨脹橡膠所占比例較小，但在密封防水過(guò)程中，因吸水產(chǎn)生的膨脹起到了重要的防水作用。

吸水膨脹橡膠材料是一種非常典型的高分子物質(zhì)，并且具有強(qiáng)烈的親水性。當(dāng)吸水膨脹橡膠浸泡在水里時(shí)，其內(nèi)部的親水物質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)和水分子結(jié)合在一起，二者間具有相互吸引的特性，一旦與水分子結(jié)合，親水物質(zhì)和水分子間會(huì)形成非常強(qiáng)的聚合力，短時(shí)間不會(huì)將水排出，在外界水濃度高的情況下，也不會(huì)將水排出。隨著水分子不斷進(jìn)入，吸水橡膠材料體積膨脹，一直持續(xù)到親水物質(zhì)達(dá)成飽和，無(wú)法再吸收水分子為止。

吸水膨脹橡膠在吸水前后的體積變化情況，如公式（1）所示。

式中：V1為吸水膨脹橡膠吸水前的原始體積；V2為吸水膨脹橡膠吸水后的實(shí)際體積；t為吸水膨脹橡膠的吸水時(shí)間；a為吸水膨脹橡膠的體積膨脹率。

根據(jù)公式（1），可以進(jìn)一步計(jì)算吸水膨脹橡膠吸水后的體積增加量，如公式（2）所示。

式中：V1為吸水膨脹橡膠吸水前的原始體積；V2為吸水膨脹橡膠吸水后的實(shí)際體積；ΔV為吸水膨脹橡膠吸水后的體積增加量。

2 裝配式地鐵車站密封材料的壓縮性能分析

由上文研究可知，裝配式地鐵車站中的密封墊圈有非常重要的作用，通過(guò)材料吸水膨脹可以對(duì)裝配部件間的縫隙進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)密閉。這里需要密封墊圈的制造材料滿足壓縮性能。

壓縮性能是材料本身具有的抗壓能力，通常可以通過(guò)承壓能力試驗(yàn)測(cè)出。因?yàn)樯衔囊呀?jīng)選擇吸水膨脹橡膠和三元乙丙作為密封墊圈的材料，所以主要對(duì)該材料的承壓能力進(jìn)行測(cè)試。設(shè)計(jì)密封墊圈主要采用框架和分層結(jié)構(gòu)。不同層次體現(xiàn)不同的功能，內(nèi)層嵌入核心元件可以增加密封性能。而內(nèi)外層結(jié)構(gòu)組合，可以有效地保護(hù)接縫，避免滲入外部環(huán)境水。不僅如此，分層和內(nèi)外結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，也便于安裝和拆卸結(jié)構(gòu)拼接縫中的密封墊圈，從而提高安裝和使用的效率。密封墊圈材料承壓能力測(cè)試裝置，如圖3所示。

圖3 密封墊圈材料承壓能力測(cè)試裝置

測(cè)試密封墊圈材料的承壓能力，需要其在合理的范圍。因?yàn)樵诿芊膺^(guò)程中無(wú)法保證壓實(shí)度，所以承壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致密封墊圈安裝困難。承壓力過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致密封墊圈無(wú)法承載外界環(huán)境的水壓力，在發(fā)揮膨脹密封的效果前，就會(huì)塌陷、破損，從而失去密封的效果。

在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中，要保證測(cè)試裝置表面和密封墊圈表面的清潔度，避免測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。在測(cè)試過(guò)程中，先將密封墊圈安放在測(cè)試裝置中，再將測(cè)試裝置卡緊，并通過(guò)重物壓實(shí)，重物的重力反應(yīng)承壓力值。最后，放置12h后，撤去重物，打開測(cè)試裝置，觀察密封墊圈的復(fù)原情況，即可判別承壓力的實(shí)際值。

按照上述流程，得到該文密封墊圈的承壓力測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。

圖4 密封墊圈的承壓力測(cè)試結(jié)果

圖4橫坐標(biāo)為密封墊圈在承壓力的作用下自身產(chǎn)生的壓縮量，單位是mm，從0mm開始標(biāo)記，以2mm為一個(gè)跨度，記錄到16mm。縱坐標(biāo)為外界承壓力的變化，單位是kN·m，從0kN·m開始標(biāo)記，以5kN·m為一個(gè)跨度，記錄到45kN·m。對(duì)三組不同的密封墊圈進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，圖4中3條曲線分別對(duì)應(yīng)第一次試驗(yàn)結(jié)果、第二次試驗(yàn)結(jié)果和第三次試驗(yàn)結(jié)果。從曲線變化情況可以看出，隨著承壓力不斷變大，密封墊圈的壓縮量也不斷增加。雖然3組密封墊圈存在微弱差異，但當(dāng)承壓力為35kN·m～40kN·m時(shí)，其壓縮量基本均約15mm。由結(jié)果可知，該文使用的密封墊圈承壓力在比較理想的范圍，滿足裝配式地鐵車站的密封需求。

3 裝配式地鐵車站密封材料的防水性能分析

在研究工作中，對(duì)裝配式地鐵車站的密封墊圈的材料性能和壓縮性能進(jìn)行分析，下面將具體探討密封墊圈在裝配式地鐵車站所發(fā)揮的防水性能。從研究工作可知，密封墊圈是通過(guò)材料吸水發(fā)生膨脹來(lái)發(fā)揮防水作用，結(jié)合適宜的承壓力能有效地填充裝配接縫處的縫隙，從而抵御外界水壓力，進(jìn)而避免水滲入。

在該文研究的地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)中，每個(gè)組成部件設(shè)定寬度約為2m，即每隔2m會(huì)形成一個(gè)裝配銜接，從而出現(xiàn)接縫。接縫處需要用密封墊圈完成密封防水。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在外部環(huán)境持續(xù)滲水情況下，密封墊圈可能會(huì)老化，影響原有的密封效果。如果密封材料發(fā)生偏移，有可能導(dǎo)致密封不夠緊密，導(dǎo)致防水性能下降。這種偏移會(huì)使密封墊圈間錯(cuò)臺(tái)，裝配部件的接縫張開，從而導(dǎo)致密封墊圈的抗水壓力下降出現(xiàn)滲水情況。因此，該文提出在3種錯(cuò)臺(tái)量的情況下，對(duì)比密封墊圈防水性能，結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種錯(cuò)臺(tái)量情況下密封墊圈防水性能的對(duì)比

圖5橫坐標(biāo)為接縫張開量，從4mm開始標(biāo)記，以2mm為標(biāo)記間隔，記錄到10mm。縱坐標(biāo)為防水能力，即抗水壓力值，從0MPa開始標(biāo)記，以0.5MPa為標(biāo)記間隔，記錄到3.5MPa。分別設(shè)置3種錯(cuò)臺(tái)量，圓圈標(biāo)志的直線：錯(cuò)臺(tái)量為0mm，即沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)臺(tái)量。方塊標(biāo)志的直線：錯(cuò)臺(tái)量為5mm，三角形標(biāo)志的直線：錯(cuò)臺(tái)量為10mm。防水壓力的極限值為0.68MPa，低于該數(shù)值會(huì)滲水或漏水。

從圖5中3組曲線的變化情況可以看出，錯(cuò)臺(tái)量越大，密封墊圈的防水壓力值越小，即防水性能越差。但隨著接縫張開量不斷增加，錯(cuò)臺(tái)量對(duì)防水性能的影響差異逐漸變小直至趨同。因此，當(dāng)接縫張開量較小時(shí)，錯(cuò)臺(tái)量越大，密封墊圈的防水性能越差。當(dāng)接縫張開量較大時(shí)，密封墊圈的防水性能也越差，并且這時(shí)的防水性能主要取決于接縫張開量。

4 結(jié)論

裝配式地鐵車站很大程度上提高了地鐵系統(tǒng)的建設(shè)效率，是目前興建地鐵的關(guān)鍵技術(shù)之一?？紤]地下環(huán)境影響，裝配式地鐵車站必須充分考慮防水性能。該文提出裝配式地鐵車站的密封墊圈選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并分析了吸水膨脹性能、壓縮性能和防水性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該文設(shè)計(jì)的密封墊圈吸水膨脹率高、承壓力范圍適中，密閉防水性能較好。當(dāng)存在錯(cuò)臺(tái)量時(shí)，錯(cuò)臺(tái)量越小，防水性能越好。當(dāng)存在接縫張開量時(shí)，接縫張開越小，防水性能越好。