上海地铁6号线区间防水技术浅析1 工程概述 上海地铁6号线北起港城路站南至主题公园站,全长31.6km,共设28个站台、27个区间,建成后将成为上海浦东地区重要的轨道交通线路。6号线区间分为高架段和地下段两部分,地下区间分别采用了明挖、双圆盾构和单圆盾构等不同的施工工艺。 单圆盾构区间采用了单层装配式预制钢筋混凝土衬砌(旁通道部位为钢管片),外径6.2m,内径5.5m,厚350mm,通缝拼装。隧道管片在全环分成一块大封底D(84°)、两块标准块B(65°)、两块邻接块L(65°)和一块封顶块K(16°),见图1。结构设计采用1.2m环宽,有效减少了环缝和漏水环节,提高了施工进度。本文就单圆盾构区间防水设计进行论述。
2 防水技术要求 盾构区间防水贯彻“以防为主,突出重点防线,综合治理”的原则,采用高精度钢模制作高精度管片,以管片结构自防水为根本、接缝防水为重点,确保隧道整体防水。所谓的综合治理,是指不但要从防水设计、施工着手,还要从衬砌的结构设计、管片拼装质量、控制隧道后期不均匀沉降等多方面进行综合治理,主要包括:1)管片结构自防水、管片外防水;2)衬砌接缝防水;3)注浆孔、螺栓孔防水;4)隧道与车站端头井、旁通道防水;5)管片制作的强度、精度,盾构施工拼装质量及其他现场管理等方面的综合治理。 6号线区间隧道及旁通道采用高于二级的防水标准,即每昼夜渗水量不大于0.06L/m2,每昼夜任意100m2渗水量≤10L;隧道顶部不允许滴水,侧墙表面允许有少量、偶见湿渍,隧道内表面的潮湿面积≤4/1000的总内表面积,任意100m2湿渍不超过4点,任一湿渍面积≤0.15m2;衬砌接头不允许漏泥沙和滴漏,拱底块在嵌缝作业后不允许有渗水。3 管片结构自防水和制作精度3.1 管片结构自防水 结构自防水是首选的防水措施,主要方法为管片材料采用防水混凝土。6号线区间管片采用了耐久性较好的高性能自防水混凝土,通过外掺剂改性提高混凝土的抗渗性。混凝土管片抗渗等级≥S10,同时还要求检测管片混凝土的渗透系数或氯离子扩散系数,使管片混凝土抗渗系数≤5×10-13 m/s,氯离子扩散系数≤8×10-9cm2/s。 在有腐蚀性介质或隧道埋深较深的地层中,需在管片外弧面涂刷外防水涂层,以保证管片混凝土渗透系数≤5×10-14m/s,氯离子扩散系数≤2×10-9 cm2/s(涂刷后检测)。混凝土管片衬砌每两环需取一块管片进行检漏试验,即在0.8MPa水压维持3h条件下,渗水进入管片外背高度≤5cm。3.2 采用高精度管片 根据国内外隧道施工实践,采用高精度钢模、提高管片精度是装配式钢筋混凝土管片防水中很重要的环节。因为如果衬砌管片制作精度差,加上衬砌拼装的累计误差,将导致衬砌接缝不密贴而出现较大的初始缝隙,此时如果接缝防水材料的弹性变形量不能适应缝隙要求就会出现漏水。另外,当衬砌制作精度不够时,衬砌容易在盾构推进时被顶碎和崩落,从而导致漏水。因此6号线对管片制作精度提出了要求:单块检验允差:宽度±0.5mm, 弧弦长±1.0mm,管片外半径0～2mm,内半径±1mm,螺栓孔直径与孔位±1mm;整环拼装检验:相邻环环面间隙不得大于1.0mm,纵缝相邻块块间隙不得大于0～2mm(纵缝内需垫压缩至2mm厚的传力衬垫),对应的环向螺栓孔不同轴度小于1mm。4 管片接缝防水 管片接缝防水包括管片间的弹性密封垫防水、隧道内侧相邻管片间的嵌缝密封防水以及必要时向接缝内注浆等,弹性密封垫防水最重要也最可靠,是接缝防水的重点[1]。4.1 弹性密封垫防水 国际上常用的弹性密封垫主要有两大类型[2]:一种是以欧洲为代表的谢斯菲尔德型非膨胀合成橡胶,靠弹性压密,以接触面压应力来止水,以耐久性见长;另一种是以日本为代表的遇水膨胀橡胶,靠其遇水膨胀后的膨胀压来止水,其特点是密封材料较薄、施工方便,但耐久性尚待验证。上海地铁经过长期实践,在接缝防水上主要采用将两者相结合的复合型弹性密封垫型式。 与地铁一、二号线采用的氯丁橡胶和遇水膨胀橡胶的复合型弹性密封垫不同,6号线防水设计中,采用了多孔特殊断面三元乙丙橡胶(其技术指标见表1)与遇水膨胀橡胶(其技术指标见表2)复合的框形弹性密封垫(见图2)。 采用三元乙丙胶作为接缝弹性密封垫的主材料,其优点有[3]: 1)应力松弛较氯丁、丁苯、天然胶都低。根据阿累尼乌斯公式热老化试验,其100a的松弛值为12%,比氯丁橡胶小。 2)低温不发生晶格变密、材料发硬、压缩应力剧增的现象。而氯丁橡胶结晶温度为5℃,上述现象明显,致使冬季施工时送下井的管片若马上拼装,橡胶密封垫难以还暖转软,压应力剧升,密封垫沟槽外沿混凝土会被压碎。 3)其他耐久性优良,其技术性能指标参见表1。 为了防止在拼装封顶块时弹性密封垫被挤出,在封顶块和邻接块的纵缝处采用了遇水膨胀橡胶和氯丁橡胶相结合的密封垫型式(见图3),大大减薄了弹性密封垫的厚度,并要求封顶块两侧的弹性橡胶密封垫应在拼装前涂表面润滑剂,以减少封顶块插入时弹性橡胶密封垫间的摩阻力。而在旁通道的钢管片等局部区域,则采用了两道遇水膨胀橡胶薄片进行防水。 由于弹性橡胶密封垫顶面嵌入的遇水膨胀橡胶遇水和潮气会膨胀,所以要求逢雨天或霉雨季节,在其上覆盖塑料薄膜或在表面涂缓膨胀剂。在盾构推进过程中,盾构容易积水,从而使底部弹性密封垫过早遇水膨胀,使防水能力下降,因此要求拱底块弹性橡胶密封垫的表面必须涂刷缓膨胀剂3度。 此外,为加强管片的角部防水,还在管片角部橡胶条表面设计了丁基橡胶腻子薄片。在变形缝处,则采用弹性橡胶密封垫表面加贴遇水膨胀橡胶的方式加强止水性能(见图2)。4.2 嵌缝防水 嵌缝防水即在管片内侧嵌缝槽内设置嵌缝材料,构成接缝防水的第2道防线。 嵌缝槽的形状要考虑拱顶嵌缝时,不致使填料坠落、流淌。嵌缝材料应具有良好的水密性、耐侵蚀性、伸缩复原性以及硬化时间短、收缩小、便于施工等特性。变形缝的嵌缝槽形状和填料必须满足在变形情况下亦能止水的要求。上海曾对不定型自粘丁基橡胶腻子、遇水膨胀橡胶腻子(用氯丁胶乳水泥加封)、制品型海绵橡胶为芯材外包遇水膨胀橡胶的圆形嵌条以及内插塑料扩张芯材的特殊齿型嵌条进行实验,认为遇水膨胀橡胶腻子较好。 嵌缝作业应在衬砌变形稳定后,在无千斤顶推力影响的范围内进行。嵌缝前要将嵌缝槽内的油、锈、水清除干净,必要时用喷灯烘干,不得在渗水情况下施工,并应在涂刷底层涂料后再进行填塞填料、捣实。嵌缝要特别注意拱顶的嵌填质量,因为此处在运营后难以补救。 6号线防水设计中,结合以往盾构区间隧道嵌缝的经验,根据衬砌环变形要求的不同,设置了相应的嵌缝方式。对于变形要求较大的部位,采用了能承受一定变形量的柔性嵌缝方式;对于没有特殊变形要求的部位,采用了刚性嵌缝方式。即在嵌缝范围拱顶45°、整环变形缝、钢管片环与钢管片环之间整环环缝、钢管片环与混凝土管片环之间整环环缝及钢管片环上的纵缝处,采用聚乙烯泡沫条加封高模量聚氨酯密封胶的嵌填方式(见图4);在拱底86°,进出洞各20环整环纵、环缝嵌填(扣除变形缝环),联络通道钢管片衬砌中心环缝前后各2环(扣除钢管片环、变形缝环)整环纵、环缝处,采用遇水膨胀密封胶加封氯丁胶乳快硬水泥的嵌填方式(见图5)。4.3 环、纵缝设置丁腈软木衬垫 在缝间设置软木衬垫可使管片接缝保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力,以适应隧道一定量的不均匀沉降以及长期处于“蠕动”状态而产生的接缝张开和错动,保证管片接缝的防水效果。因此,在6号线防水设计中,在管片的纵缝中设置了厚3mm的丁腈软木衬垫。衬垫不仅有填缝隙的作用,还能对局部应力起缓解作用。5 注浆孔、螺栓孔防水 螺栓与螺栓孔或压浆孔之间的装配间隙也是渗漏多发处,所采用的堵漏措施就是用塑性(合成树脂类、石棉沥青或铅)和弹性(橡胶或聚氨酯水膨胀橡胶等)密封圈垫。在拧紧螺栓时,密封圈受挤压变形充填在螺栓和孔壁之间,达到止水效果(见图6)。 密封圈的设计要点是:1)密封圈与其沟槽外形应相匹配;2)充分考虑密封圈在螺栓偏心位置下的抗水压密封性;3)密封圈断面尺寸应与螺栓尺寸相适应。 在6号线区间防水设计中采用了遇水膨胀橡胶密封圈(其技术指标见表2),利用其压密和膨胀双重作用来满足注浆孔、螺孔的防水要求。6 隧道与车站端头井防水 盾构出洞时,采用铰链型密封件与帘布橡胶圈防止漏泥装置,辅以井圈注浆止水的临时接头防水、钢筋混凝土永久接头防水,其与井壁、管片的接缝也应由预留全断面出浆的注浆管与单组分聚氨酯密封胶等多道柔性防水材料密封。7 旁通道防水 旁通道防水设计包括通道与隧道接缝处的防水设计和旁通道本体防水设计两部分。旁通道与隧道接头处防水:加强旁通道与隧道接头处的防水,分别于支护层与结构层中预留兜绕成圈的缓膨型遇水膨胀橡胶条和预埋全断面出浆的注浆管,通过止水条的遇水膨胀功效、注浆管压注化学浆液的止水功效,来保证接头的水密性。旁通道本体防水首要是做到结构自防水:采用C35高性能混凝土,并通过添加高效减水剂、外加剂,限制胶凝材料中氯离子的总量,防止碱集料反应,加强养护等措施,确保结构混凝土的自防水性能,改善高性能混凝土的抗拉强度与弹性模量。此外还通过在支护层和结构层之间的夹层中设置复合防水层来达到加强防水的目的(见图7)。8 结语 目前地铁6号线已经推进完成的区间有:高清路工作井—成山路站上行线、成山路站—滨洲路站上行线、主题公园站—长清路工作井上行线等区间,施工完成后的隧道防水效果良好,基本达到了设计要求,证明所采用的防水措施是行之有效的。参考文献[1]小泉淳,小林亨.盾构隧道最新防水技术.隧道译丛,1993(4):50-64[2]张萍,朱祖熹.浅论黄浦江观光隧道衬砌防水技术的先进性.中国建筑防水,2002(1):24-26[3]温竹茵,张庆贺,等.盾构法隧道防水堵漏技术.施工技术,1999(4):13-14
2 防水技术要求 盾构区间防水贯彻“以防为主,突出重点防线,综合治理”的原则,采用高精度钢模制作高精度管片,以管片结构自防水为根本、接缝防水为重点,确保隧道整体防水。所谓的综合治理,是指不但要从防水设计、施工着手,还要从衬砌的结构设计、管片拼装质量、控制隧道后期不均匀沉降等多方面进行综合治理,主要包括:1)管片结构自防水、管片外防水;2)衬砌接缝防水;3)注浆孔、螺栓孔防水;4)隧道与车站端头井、旁通道防水;5)管片制作的强度、精度,盾构施工拼装质量及其他现场管理等方面的综合治理。 6号线区间隧道及旁通道采用高于二级的防水标准,即每昼夜渗水量不大于0.06L/m2,每昼夜任意100m2渗水量≤10L;隧道顶部不允许滴水,侧墙表面允许有少量、偶见湿渍,隧道内表面的潮湿面积≤4/1000的总内表面积,任意100m2湿渍不超过4点,任一湿渍面积≤0.15m2;衬砌接头不允许漏泥沙和滴漏,拱底块在嵌缝作业后不允许有渗水。3 管片结构自防水和制作精度3.1 管片结构自防水 结构自防水是首选的防水措施,主要方法为管片材料采用防水混凝土。6号线区间管片采用了耐久性较好的高性能自防水混凝土,通过外掺剂改性提高混凝土的抗渗性。混凝土管片抗渗等级≥S10,同时还要求检测管片混凝土的渗透系数或氯离子扩散系数,使管片混凝土抗渗系数≤5×10-13 m/s,氯离子扩散系数≤8×10-9cm2/s。 在有腐蚀性介质或隧道埋深较深的地层中,需在管片外弧面涂刷外防水涂层,以保证管片混凝土渗透系数≤5×10-14m/s,氯离子扩散系数≤2×10-9 cm2/s(涂刷后检测)。混凝土管片衬砌每两环需取一块管片进行检漏试验,即在0.8MPa水压维持3h条件下,渗水进入管片外背高度≤5cm。3.2 采用高精度管片 根据国内外隧道施工实践,采用高精度钢模、提高管片精度是装配式钢筋混凝土管片防水中很重要的环节。因为如果衬砌管片制作精度差,加上衬砌拼装的累计误差,将导致衬砌接缝不密贴而出现较大的初始缝隙,此时如果接缝防水材料的弹性变形量不能适应缝隙要求就会出现漏水。另外,当衬砌制作精度不够时,衬砌容易在盾构推进时被顶碎和崩落,从而导致漏水。因此6号线对管片制作精度提出了要求:单块检验允差:宽度±0.5mm, 弧弦长±1.0mm,管片外半径0～2mm,内半径±1mm,螺栓孔直径与孔位±1mm;整环拼装检验:相邻环环面间隙不得大于1.0mm,纵缝相邻块块间隙不得大于0～2mm(纵缝内需垫压缩至2mm厚的传力衬垫),对应的环向螺栓孔不同轴度小于1mm。4 管片接缝防水 管片接缝防水包括管片间的弹性密封垫防水、隧道内侧相邻管片间的嵌缝密封防水以及必要时向接缝内注浆等,弹性密封垫防水最重要也最可靠,是接缝防水的重点[1]。4.1 弹性密封垫防水 国际上常用的弹性密封垫主要有两大类型[2]:一种是以欧洲为代表的谢斯菲尔德型非膨胀合成橡胶,靠弹性压密,以接触面压应力来止水,以耐久性见长;另一种是以日本为代表的遇水膨胀橡胶,靠其遇水膨胀后的膨胀压来止水,其特点是密封材料较薄、施工方便,但耐久性尚待验证。上海地铁经过长期实践,在接缝防水上主要采用将两者相结合的复合型弹性密封垫型式。 与地铁一、二号线采用的氯丁橡胶和遇水膨胀橡胶的复合型弹性密封垫不同,6号线防水设计中,采用了多孔特殊断面三元乙丙橡胶(其技术指标见表1)与遇水膨胀橡胶(其技术指标见表2)复合的框形弹性密封垫(见图2)。 采用三元乙丙胶作为接缝弹性密封垫的主材料,其优点有[3]: 1)应力松弛较氯丁、丁苯、天然胶都低。根据阿累尼乌斯公式热老化试验,其100a的松弛值为12%,比氯丁橡胶小。 2)低温不发生晶格变密、材料发硬、压缩应力剧增的现象。而氯丁橡胶结晶温度为5℃,上述现象明显,致使冬季施工时送下井的管片若马上拼装,橡胶密封垫难以还暖转软,压应力剧升,密封垫沟槽外沿混凝土会被压碎。 3)其他耐久性优良,其技术性能指标参见表1。 为了防止在拼装封顶块时弹性密封垫被挤出,在封顶块和邻接块的纵缝处采用了遇水膨胀橡胶和氯丁橡胶相结合的密封垫型式(见图3),大大减薄了弹性密封垫的厚度,并要求封顶块两侧的弹性橡胶密封垫应在拼装前涂表面润滑剂,以减少封顶块插入时弹性橡胶密封垫间的摩阻力。而在旁通道的钢管片等局部区域,则采用了两道遇水膨胀橡胶薄片进行防水。 由于弹性橡胶密封垫顶面嵌入的遇水膨胀橡胶遇水和潮气会膨胀,所以要求逢雨天或霉雨季节,在其上覆盖塑料薄膜或在表面涂缓膨胀剂。在盾构推进过程中,盾构容易积水,从而使底部弹性密封垫过早遇水膨胀,使防水能力下降,因此要求拱底块弹性橡胶密封垫的表面必须涂刷缓膨胀剂3度。 此外,为加强管片的角部防水,还在管片角部橡胶条表面设计了丁基橡胶腻子薄片。在变形缝处,则采用弹性橡胶密封垫表面加贴遇水膨胀橡胶的方式加强止水性能(见图2)。4.2 嵌缝防水 嵌缝防水即在管片内侧嵌缝槽内设置嵌缝材料,构成接缝防水的第2道防线。 嵌缝槽的形状要考虑拱顶嵌缝时,不致使填料坠落、流淌。嵌缝材料应具有良好的水密性、耐侵蚀性、伸缩复原性以及硬化时间短、收缩小、便于施工等特性。变形缝的嵌缝槽形状和填料必须满足在变形情况下亦能止水的要求。上海曾对不定型自粘丁基橡胶腻子、遇水膨胀橡胶腻子(用氯丁胶乳水泥加封)、制品型海绵橡胶为芯材外包遇水膨胀橡胶的圆形嵌条以及内插塑料扩张芯材的特殊齿型嵌条进行实验,认为遇水膨胀橡胶腻子较好。 嵌缝作业应在衬砌变形稳定后,在无千斤顶推力影响的范围内进行。嵌缝前要将嵌缝槽内的油、锈、水清除干净,必要时用喷灯烘干,不得在渗水情况下施工,并应在涂刷底层涂料后再进行填塞填料、捣实。嵌缝要特别注意拱顶的嵌填质量,因为此处在运营后难以补救。 6号线防水设计中,结合以往盾构区间隧道嵌缝的经验,根据衬砌环变形要求的不同,设置了相应的嵌缝方式。对于变形要求较大的部位,采用了能承受一定变形量的柔性嵌缝方式;对于没有特殊变形要求的部位,采用了刚性嵌缝方式。即在嵌缝范围拱顶45°、整环变形缝、钢管片环与钢管片环之间整环环缝、钢管片环与混凝土管片环之间整环环缝及钢管片环上的纵缝处,采用聚乙烯泡沫条加封高模量聚氨酯密封胶的嵌填方式(见图4);在拱底86°,进出洞各20环整环纵、环缝嵌填(扣除变形缝环),联络通道钢管片衬砌中心环缝前后各2环(扣除钢管片环、变形缝环)整环纵、环缝处,采用遇水膨胀密封胶加封氯丁胶乳快硬水泥的嵌填方式(见图5)。4.3 环、纵缝设置丁腈软木衬垫 在缝间设置软木衬垫可使管片接缝保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力,以适应隧道一定量的不均匀沉降以及长期处于“蠕动”状态而产生的接缝张开和错动,保证管片接缝的防水效果。因此,在6号线防水设计中,在管片的纵缝中设置了厚3mm的丁腈软木衬垫。衬垫不仅有填缝隙的作用,还能对局部应力起缓解作用。5 注浆孔、螺栓孔防水 螺栓与螺栓孔或压浆孔之间的装配间隙也是渗漏多发处,所采用的堵漏措施就是用塑性(合成树脂类、石棉沥青或铅)和弹性(橡胶或聚氨酯水膨胀橡胶等)密封圈垫。在拧紧螺栓时,密封圈受挤压变形充填在螺栓和孔壁之间,达到止水效果(见图6)。 密封圈的设计要点是:1)密封圈与其沟槽外形应相匹配;2)充分考虑密封圈在螺栓偏心位置下的抗水压密封性;3)密封圈断面尺寸应与螺栓尺寸相适应。 在6号线区间防水设计中采用了遇水膨胀橡胶密封圈(其技术指标见表2),利用其压密和膨胀双重作用来满足注浆孔、螺孔的防水要求。6 隧道与车站端头井防水 盾构出洞时,采用铰链型密封件与帘布橡胶圈防止漏泥装置,辅以井圈注浆止水的临时接头防水、钢筋混凝土永久接头防水,其与井壁、管片的接缝也应由预留全断面出浆的注浆管与单组分聚氨酯密封胶等多道柔性防水材料密封。7 旁通道防水 旁通道防水设计包括通道与隧道接缝处的防水设计和旁通道本体防水设计两部分。旁通道与隧道接头处防水:加强旁通道与隧道接头处的防水,分别于支护层与结构层中预留兜绕成圈的缓膨型遇水膨胀橡胶条和预埋全断面出浆的注浆管,通过止水条的遇水膨胀功效、注浆管压注化学浆液的止水功效,来保证接头的水密性。旁通道本体防水首要是做到结构自防水:采用C35高性能混凝土,并通过添加高效减水剂、外加剂,限制胶凝材料中氯离子的总量,防止碱集料反应,加强养护等措施,确保结构混凝土的自防水性能,改善高性能混凝土的抗拉强度与弹性模量。此外还通过在支护层和结构层之间的夹层中设置复合防水层来达到加强防水的目的(见图7)。8 结语 目前地铁6号线已经推进完成的区间有:高清路工作井—成山路站上行线、成山路站—滨洲路站上行线、主题公园站—长清路工作井上行线等区间,施工完成后的隧道防水效果良好,基本达到了设计要求,证明所采用的防水措施是行之有效的。参考文献[1]小泉淳,小林亨.盾构隧道最新防水技术.隧道译丛,1993(4):50-64[2]张萍,朱祖熹.浅论黄浦江观光隧道衬砌防水技术的先进性.中国建筑防水,2002(1):24-26[3]温竹茵,张庆贺,等.盾构法隧道防水堵漏技术.施工技术,1999(4):13-14
