地铁车站渗漏水防治设计优化研究

2019-10-21牛江威

现代城市轨道交通 2019年9期

牛江威

摘要：在总结地铁车站渗漏危害及特点基础上，分析设计、施工、结构形变、侵蚀环境对渗漏的影响以及现行防水技术规范的适用局限，提出“反滤+引排”防水设计新思路及小微构件的自防水措施等优化方案，解决车站施工缝、离壁沟等部位渗漏问题，在应用中取得良好效果，同时可丰富防水技术规范适用性的研究。

关键词：地铁车站;渗漏水;施工缝;离壁沟; 反滤层;引排

中图分类号：TU761.1+1∶U239.4

0 引言

渗漏水是地铁工程常见质量问题，对地铁结构、设备运行产生极大安全隐患，且影响乘客。此外，在运营期间治理渗漏水不仅费用较高，而且难以解决根本问题。本文以地铁车站施工缝、离壁沟等渗漏多发部位为研究对象，以某城市地铁1号线及2号线为例，从土建阶段入手，对设计、施工、结构形变、侵蚀环境等渗漏因素进行分析研究，指出现行防水技术规范存在施工缝防水设计适用性局限问题，并根据反滤层设计在地铁防水设计中比较鲜见的情况，灵活运用“防、排、堵、截”原则提出了“反滤+引排”施工缝防水设计新思路，以及混凝土自防水在离壁沟等小微构件的运用等设计优化措施，在地铁工程实践中收到了良好效果，对地铁防水设计提升、渗漏水防治及其防水技术规范适用性研究具有一定参考价值。

1 渗漏及危害

1.1 渗漏特点

某城市地铁1号线开通运营以后，车站出现了较为严重的渗漏水问题。渗漏集中出现在主体结构与外挂区衔接的施工缝（图1）及车站离壁沟（图2）等部位，具有渗流不确定、影响范围广、涉及专业多、治理费用高、技术难度大等特点。虽然车站防水设计在2号线做了改进，但是设计人员不重视、设计不合理、施工质量差、结构形变对策欠缺、材料防蚀功能不全等问题仍然存在。

1.2 渗漏危害

1号线车站因为渗漏造成多次设施损坏和设备故障及多起乘客投诉，车站装饰装修材料多处出现腐蚀霉变。例如：渗漏造成屏蔽门光电感应模块失效无法正常开关门（图3），以及渗漏造成吊顶腐蚀、墙体涂料剥落、地板石材浸渍等（图4）。据相关部门了解，1号线24个车站开通10个月累计渗漏故障多达2 000多个，质保期渗漏治理费用超过千万元。

2 渗漏分析

2.1 施工缝渗漏分析

2.1.1 设计因素

1号、2号线施工缝防水设计如图5所示，迎水面铺设高分子自粘性防水卷材（厚度1.5 mm，高密度聚乙烯HDPE，防窜水性0.6 MPa不窜水，浸水剥离强度≥1.5 N/mm，静态极限荷载20 kg），延伸至施工缝

1000mm以外，侧墙及顶板设置土工布缓冲层，防水卷材在转角处搭接250 mm，在施工缝中预埋注浆管，注浆管上下分别设置制品型遇水膨胀止水条（邵尔A硬度45±7，体积膨胀倍率≥400%，扯断伸长率≥350%）。

防水设计依据GB50108-2008《地下工程防水技术规范》中4.1.25（止水条、注浆）、4.3.5（防水卷材），本身并不违反规范规定。据相关部门了解，1号线24个车站在施工缝位置均出现程度不一的渗漏水。2号线依然沿用了该设计，施工结束即出现渗漏（图6）。造成防水失效的设计的原因主要有以下2个方面。

（1）设计人员对结构防水重要性、材料选用和设计方式认识不够，认为地下工程渗漏水不影响结构安全，设计方案结合结构特征研究不充分，设计时完全局限于规范要求而不考虑区域差异，这是不合理的，应该结合规范要求根据结构特征和所处的具体部位有针对性地进行合理设计。

（2）遇水膨胀止水条作为止水防线，在地下工程变形缝的维修中作为已经失效的中埋式止水带的弥补更为合适，在新建工程中则稍为勉强[1]。由于车站主体结构和围护结构之间无法施作中埋式止水带，采用“注浆管+止水条”的设计方式虽然满足防水技术规范要求，但是无法满足结构变形要求。防水技术规范中“防水卷材+注浆管+止水条”防水模式注重于“防”，但在防水卷材失效的前提下，单独依靠止水条与注浆显然无法达到防水效果，所以，现行防水技术规范在指导设计活动方面存在适用局限问题。

2.1.2 结构形变因素

车站主体结构基础为桩基，外挂区与主体结构采用后浇带连接，后浇带基础为围护结构未拆除部分、天然地基，外挂区基础为天然地基。结构体主要承受以下2类外力作用，从而发生形变。

（1）地下结构环境不均匀变形对防水体系失效起较大作用，这是众所周知的事实，其原因比较复杂，主要体现在地下环境特殊的外力（塑性地压、围岩松弛地压、偏压、承载力不足、地震等）施加，造成结构产生不均匀变形甚至开裂，致使防水层局部承受较大压力、剪力和拉伸力的作用而破坏。防水层由于地下结构环境不均匀变形所产生的破坏主要体现在防水层的物理性质上，一旦某项力学指标超过允许值，防水层的完整性将发生破坏，其耐久性也将发生变化，即在力的作用下加速了材料本身老化失效的速率[2]。

（2）施工过程中一般都需要降水，根据地下水动力学及一维固结理论，在疏干排水过程中含水层中的泥砂等固体物质大量被带出，水位下降使得地层孔隙中的净水压力减少会导致地面沉降。施工完毕，水位在恢复的过程中地铁结构迎水面水位壅高，根据太沙基极限理论地下水会产生一定的浮力作用，使得土体有效重力减小，承载力降低[3]。

由此可见，不同基础形式的结构在外力作用下发生差异沉降，产生结构变形，从而导致施工缝“防水卷材+浆体+止水条”防水结构发生破坏失效。

2.1.3 侵蚀环境因素

1号、2号线所处的侵蚀环境根据GB50021-2001《岩土工程勘察规范》（2009年版）按Ⅰ類环境及B类条件进行判定，地下水对混凝土结构具有中等腐蚀、对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀。根据GB50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》，综合判定场区地下水一般环境作用等级为Ⅰ-C;由于与海域连通，海洋氯化物环境作用等级按Ⅲ-C考虑;化学腐蚀环境作用等级为Ⅴ-C。有研究表明，地铁沿线地下水对混凝土结构的腐蚀性以微腐蚀和中腐蚀为主，弱腐蚀为次要[4]。防水结构在侵蚀环境中主要发生以下2类侵蚀作用。

（1）有研究指出，高分子防水材料与腐蚀性介质在长期作用下，高分子材料内部的低分子物质发生溶出和提抽作用，材料发生膨胀、软化或溶解，导致功能失效。

（2）在类似的环境试验中指出，水泥浆液在结晶性腐蚀的作用下，地下水中的硫酸盐类与混凝土中的固态游离石灰质或水泥石结合作用，产生含水结晶体，由于结晶体的形成使浆液体积增大，产生膨胀压力，导致注浆体胀裂破坏[5]。

综上所述，施工缝采用常规“防水卷材+注浆+止水条”形成的复合防水设计在物理化学力作用下，防水长期效果并不理想。

2.1.4 施工因素

（1）施工中注浆管经常发生设置位置不当、堵塞、位移、变形，导致后期无法注浆到位，外包防水卷材由于施工开挖破坏无法与新建结构有效连接，基面平整度不满足要求，有尖锐突起刺破防水材料造成防水卷材破裂失效[6]。

还有其他人为原因，诸如抢工期质量下降，现场施工人员责任心不强、质量意识淡薄、技术不过关、不按照图纸施工[7]，监理人员把关不严等，造成防水卷材处于断开状态，止水条和注浆管形同虚设，从而形成渗漏隐患。

2.2 离壁沟及孔洞口渗漏分析

2.2.1 设计因素

离壁沟、孔洞口挡水坎属于小微构件，经常在设计时被忽视，设计措施较为简单，如未合理配筋及设置合理的施工接缝（图7），造成挡水坎混凝土凝固后在温度应力的作用下发生收缩[8]，产生开裂，形成渗水通道，无法达到混凝土自防水效果。未设置阴角防水，未有效切断渗水通道，没有采取有效措施进行二次被动防水。

2.2.2 施工因素

离壁沟、孔洞口（电梯井、楼梯口、电缆井等）等部位水沟挡水坎混凝土采用二次浇筑，设计高度×宽度为100 mm×200 mm，由于截面尺寸较小，所以，施工时无法使用机械振动器振捣，只能采用人工振捣，由于振捣频次、振捣力无法达到要求导致混凝土疏松不密实，形成内部结构性渗漏通道，无法达到混凝土自防水的密实度要求。挡水坎基面未清理干净、毛化处理不到位[9]以及模板加固不牢固，造成根部漏浆形成“烂根”，在挡水坎底部形成渗漏通道，从而形成渗漏水（图8）。

3 优化方案

3.1 施工缝防水设计优化措施

地下工程防水的设计和施工应遵循“防、排、截、堵”相结合、刚柔相济、因地制宜、综合治理的原则[10]。在设计阶段，充分考虑防水的设防高度和设防形式，结合后浇带统筹考虑，设置卷材防水，预埋注浆管、中埋式止水带以及嵌缝止水填缝材料，形成超前止水的多道防线构造，充分发挥刚柔相济的防水集成效应[11]。从“排”的角度来说，要从“反滤+引排”两个方面进行考虑。

首先是“引排”。由于结构体在施工过程中，拆除围护结构难以避免会对主体结构外包防水卷材造成破坏，使防水卷材无法有效衔接，从而产生卷材防水失效。这个问题可以采用 “引排”的思路进行解决。“引排”是在结构表面沿垂直施工缝环向设置排水系统，端头采取防堵措施，将结构渗水由内向外引排至结构表面，沿顶板、侧墙设置引水槽，将渗漏水引排至侧墙底部纵向排水沟，在底板上距离施工缝两侧50 mm处设置200 mm×100 mm混凝土擋水坎，形成横向截水沟，沟宽100 mm，沿截水沟预埋3根50塑料引流管并适当调整角度，端头采用防堵措施，将底板施工缝渗水经截水沟引排至纵向排水沟，端头采取防堵地漏，与车站排水系统衔接，可及时排除施工缝渗漏水。采用该优化措施，在2号线2个车站8个出入口施工缝施作排水系统，并经过排水试验，底板渗漏水沿引流管引流至横向截水沟，顶板及侧墙渗水通过引水槽向下引排，最终汇排至纵向排水沟，及时排除，避免了渗漏水下渗，排水范围内无明显积水，排水效果较为理想（图9）。

其次是“反滤”。反滤是在结构迎水面设置过滤系统，目的是防止因引排造成被保护土体发生失水流变。有研究表明，地铁车站位于典型的花岗岩风化残积土地区[12]，土体渗透系数在3×10-6～9×10-5 m/s之间，渗透稳定性较差，应注意防止渗透变形，尤其是管涌和流土[13]。所以，为防止结构外土体因引排失水发生流变，需要在结构迎水面设置反滤层。反滤层的设计应根据太沙基理论[14]，按结构所在地层被保护土体的性质和颗粒组成确定控制粒径、等效粒径、不均匀系数，根据滤料的不同选定滤层和层厚，从而实现反滤层滤土、排水减压的反滤设计功能[15]。需要指出的是，反滤层设计在地铁结构防水设计中还比较鲜见，希望以后有更多工程实践活动来丰富设计理论，提升工程防水质量。

3.2 离壁沟、孔洞防水设计优化措施

措施1：离壁沟挡水坎采用上翻梁做法，与中板整体设计、配筋，并与中板同步浇筑和合理设置接续，以结构自防水为根本，充分利用混凝土自防水功能进行主动防水，沟内敷设防水材料，增设地漏，根据地漏分布分段找坡，在施工中严格把关施工质量，加强过程验收管理，提高施工质量，减少离壁沟渗漏。

措施2：孔洞口部位采用中埋式止水带，距离孔口100 mm埋入中板混凝土，止水带沿孔口周围封闭设置，拦截渗水，阻断渗水通道，并在阴角涂刷防水材料，进行二次被动防水，施作完毕与铺装垫层整体敷设。

4 小结

地铁车站渗漏问题原因复杂，因此，需要根据具体情况综合分析，对症下药。针对施工缝及离壁沟渗漏问题，本文提出：

（1）主体结构与外挂结构衔接的垂直施工缝防水设计，在防水技术规范基础上，补充反滤层以及引排系统;

（2）离壁沟挡水坎与中板整体设计，同步浇筑，合理接续，增设地漏，分段找坡;孔洞口采用中埋式止水带，并与铺装层整体敷设，进行渗漏水拦截。

上述优化措施在地铁2号线试验后取得了良好效果，车站施工缝、离壁沟渗漏水大幅减少，降低了渗漏水治理费用，并在后续线网进行了推广。本文率先指出了防水技术规范存在的适用性局限问题，并提出了对应解决措施，拓宽了地铁防水设计思路，在地铁车站渗漏水防治方面具有一定参考价值，并为丰富防水技术规范的设计适用性研究提供参考。

参考文献

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