北京地铁暗挖隧道渗漏的危害及预防措施

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  【摘要】通过对北京地铁区间暗挖隧道产生渗漏的原因进行分析,对渗漏产生的危害进行阐述,并针对渗漏产生的原因总结预防措施,为以后的北京地铁区间暗挖隧道施工总结施工经验。
  【关键词】北京地鐵区间暗挖隧道;渗漏的危害;渗漏的原因;预防措施
  Abstract: to analyze the cause of leakage through the Beijing subway tunnels, harm to the leaks were described, and the causes of leaks summarize the preventive measures, for the future of Beijing subway undermining tunnel construction experience summary.
  Keywords: tunnel excavation of Beijing metro; seepage hazards; leakage; prevention measures
  中图分类号:U231+.92文献标识码:A
  概述
  随着北京市交通压力逐渐增大,增大地铁投资、加快地铁建设成为北京市缓解交通压力重要措施之一。在地铁 的快速建设中表现出了许多问题,其中地下工程的渗漏问题尤为突出。虽然在最近几年在地下工程施工中不断的加大对防水的研究和投入,取得了一定的成效,但渗漏问题仍然普遍存在,许多已经运营的线路渗漏产生的危害也在逐步显现出来,本文通过我这几年的地铁施工经验总结几点渗漏产生的原因及防治措施,为以后的地铁区间暗挖隧道施工防渗漏提供一些参考。
  渗漏产生的危害
  (一)地下工程渗漏水,特别是当水质具有侵蚀性,如含盐、碱、硫、硫酸根等离子时,可能造成隧道侵蚀破坏,容易导致混凝土结构中的钢筋发生锈蚀,并会加快结构混凝土的碱骨料反应,危害隧道结构的耐久,从而影响到结构安全,缩短了工程的使用年限。 
  (二)隧道渗漏使电绝缘失效、短路、跳闸,影响安全运营,引发漏电伤人事故;少数隧道,暴雨后隧道铺底破损涌水,造成淹没轨道,冲空道床,影响行车安全;水害还会引发基底裂损、翻浆冒泥等病害,导致铁路线路轨距水平变形超限,冻胀引发洞内线路起伏不平,以及洞内漏水潮湿降低轮轨粘着力,均会影响行车安全;在寒冷地区,尤其是严寒地区,隧道衬砌渗水反复冻融循环,在衬砌内部造成衬砌混凝土冻胀开裂破坏;隧道漏水还将使隧道拱部和侧墙产生冰凌侵入净空,恶化隧道的营运条件,危及行车安全。
  (三)隧道渗漏水还将极大地降低隧道内各种设施的使用功能和寿命,增加维修费用。由于隧道渗漏水,增加了隧道内空气的湿度,造成钢轨、通讯、照明等设施的损坏,据铁路工务部门统计,渗漏水隧道钢轨的使用周期约为正常状态下的一半;
  (四)隧道渗漏水还可能降低地下水位,如渗漏量较大且没有得到有效的治理,常年的渗漏势必影响到周围地层的沉降,对周围地层管线造成威胁,对生态环境造成破坏;
  (五)地下工程的渗漏,须常年采用机械排水和使用抽湿机或用吸湿剂除湿,均会造成能耗损失,成本飙升。
  二、工程概况
  本文以北京地铁某段区间暗挖隧道为例进行分析,此区间暗挖隧道采用复合式衬砌结构,初期支护由喷射混凝土、钢筋网、钢格栅拱架等支护形式组成,初期支护厚度为25cm,二次衬砌采用模筑钢筋混凝土,二次衬砌厚度为30cm,两层衬砌之间铺设防水层,防水层为土工布400g/m2+1.5mmPVC防水板,隧道防水等级为二级。本区间覆土深约9.6~12.6m,主要穿越地层为粉质粘土、粘土、细砂层。本区间地下水赋存于埋深7~15m的范围内的粉土、粉砂、细砂层中。地下水的主要补给来源是大气降水入渗、侧向径流补给,该层水在整个施工场地普遍分布。图纸设计开挖前进行降水。
  (一)地铁区间暗挖隧道渗漏特征发生的原因分析
  通过观察统计发现地铁区间隧道渗漏形式主要有点渗、面渗和缝渗等3种,渗漏程度可分为潮湿、慢渗、快渗、急流等4种,据统计潮湿约占渗漏点总数的85%以上,其余3 种形式所占的比例分别小于10%、5%和1%。至于渗漏部位,主要为环向或纵向施工缝渗漏,占总数的90%以上,变形缝渗漏约占5%,其余为结构裂缝及其它渗漏。结合区间暗挖隧道的设计图纸及施工过程资料总结隧道产生渗漏的原因主要有以下几方面的因素。
  1、地质地形原因:区间隧道修建前,地下水渗流场处于一个动态平衡的状态。随着隧道开挖和临空面的形成,地下水向隧道区域汇集、渗出、形成隧道渗水。
  2、设计原因:①区间隧道主要穿越地层为粉质粘土、粘土、细砂层。此区域内的地下水大部分赋存于细砂层中,虽然在隧道区间外侧有降水措施,但粘土层与细砂层交界处存在的层间滞水水量也很丰富,而且降水措施对层间滞水的排除效果很差。②二次衬砌水平施工缝处采用打两道遇水膨胀止水胶的作法无法起到确切的防水效果,例如止水胶暴露时间内提前膨胀失去止水效果、浇筑混凝土时对止水胶造成冲击造成止水胶不连续、错位局部失去止水效果。
  (二)施工原因:
  1、初期支护阶段。有的工人在喷射混凝土工艺中水、外加剂的用量控制不到位,有的需要分层喷射的一次喷完;在喷射混凝土的过程中,混凝土的自重使得初期支护与围岩面之间形成空隙,从而形成初期支护内的渗漏水通道;另外混凝土在凝结过程中势必会有收缩,造成裂缝,形成渗漏通道。
  2、防水板施工阶段。地铁区间隧道外防水设计主要为土工布缓冲层(400g m2)+PVC防水板(厚1.5mm)+背贴式分区止水带(宽30mm),采用全封闭形式,主要目的是在迎水面形成一个隔水屏障,将水封堵在结构之外,但在实际施工过程中会由于下列原因而造成破损:①初期支护基面处理不到位,混凝土面凹凸不平、有突出物、清理不干净;②钢筋绑扎时未采取有效的保护措施,使防水板整体性存在缺损;主要表现为钢筋端头刺穿防水板、钢筋焊接时易被焊渣烧穿等。③防水板搭接处焊接质量有缺陷,对不能采用双焊缝焊接的部位如拐角、破损处等采用手工热熔焊接,而且对进行的手工热熔焊接部位很难检测是否合格,所以这些类似部位的焊接质量很难保证。
  3、二衬施工阶段。①隧道开挖断面、喷射混凝土后断面的不平顺,防水板铺设时与初支基面不密贴,浇筑混凝土时受力破损; ②在台车支模及端头封堵时也可能造成防水板的破坏,而且一旦破坏防水板就很难修补;③混凝土浇筑阶段。混凝土灌注时捣固不密实或漏捣,造成混凝土内部疏松,形成孔眼; 采用台车浇筑二衬混凝土靠预留振捣插入窗口和外部附着式振动器振动,此工艺只能保证混凝土能在台车内自由流动,对混凝土的振捣密实度无法保证,这是工艺自身存在的缺陷;采用台车进行浇筑进料口处因钢筋的阻挡是混凝土的粗细骨料分布发生变化,满足不了抗渗混凝土对骨料级配要求,且强度不均匀,在混凝土的凝结过程中及混凝土受力后很容易产生裂缝,形成渗漏隐患。④养护阶段。抗渗混凝土养护至关重要 ,混凝土浇筑完成后,不按规范进行养护,有的不进行养护,水分蒸发造成毛细管网相互连通,形成渗水通道。
  4、施工缝变形缝的处理
  施工缝、变形缝处理时,操作不细,防水材料形同虚设。施工缝、变形缝是隧道防水的重点,也是隧道渗漏水的多发部位,必须进行认真细致的处理。 但在实际施工中,存在着马虎、粗糙的现象:(1)中埋式止水带固定不牢,浇筑混凝土时有卷起现象。(2)止水胶安放不规范,不按规定镶入槽内,而是随意粘贴或直接打在接头混凝土表面,造成扭曲、变形;即使设了镶嵌槽,也不把灰土和浮碴清理干净。(3)施工缝、变形缝处混凝土振捣不到位,止水带和止水条与混凝土不密贴。由于以上原因,隧道二衬浇筑完成后施工缝、变形缝渗漏水几率最高。
  (三)区间隧道渗漏的预防措施
  针对上述暗挖隧道产生渗漏的原因分析,施工原因占主要方面,应采用以下几个方面的预防措施。
  加强初期支护施工的操作工人的技术交底,并由质检人员过程监督,保证在工人操作过程中能严格按规范实施;优化初支混凝土配合比,在初支混凝土內掺入性能可靠、使用方便的膨胀剂,使初支混凝土锚喷层具有可膨胀性,用于补偿混凝土在凝结过程中产生的体积减少,从而控制混凝土的收缩,避免产生收缩裂缝,达到初支混凝土的自防水效果;初支在喷射过程中由混凝土的自重与周围围岩产生的空隙应及时采用初支背后回填注浆的工艺消除,在防水板施工之前要做到初支表面无明显渗水,拱顶干燥,如不能达到要去应进行二次回填注浆,直到合格为止。
  防水板施工前必须对初支表面进行验收,对初支表面存在的尖突物进行剔除修补,防治刺破防水板,最好对初支进行找平处理,消除凹凸不平部位,是后续防水板都能与初支表面充分密贴,以防后续浇筑二衬混凝土时造成防水板的破坏;钢筋绑扎过程中对所有钢筋端头进行包裹保护,搬运安装钢筋过程中要轻拿轻放,二衬钢筋尽量避免使用焊接工艺,如不能避免必须使用焊接时要对已完成的防水板做好保护措施,确保在钢筋安装过程中不对已施工完成的防水板造成破坏;加强防水层的施工工艺水平,提高柔性防水层的作用,防水板铺设之前铺设缓冲层,防水板之间采用自行走式热合机进行焊接,双焊缝之间必须在充气压力试验合格后方可进入下道工序;对造成破损部位的修补必须出处理方案,处理完成后由质检人员严格检查后方可后续施工。
  二次衬砌是区间暗挖隧道的防水体系的最后一道防线。在二衬施工过程中端头板的加固非常重要,端头板安装时,所用端头板材料不能有尖锐的突出,与防水层的接触面进行保护,并且加固牢固,防治浇筑过程中端头板移位对防水板造成破坏,加固不牢还容易造成跑模,在后续多余混凝土剔除是很容破坏防水层。浇筑二衬用的混凝土需对原材料进行严格把关,优化混凝土的配合比,应采用补偿收缩混凝土,加入膨胀剂,并适当提高抗渗标号。在混凝土浇筑过程中应注意几个问题:①二衬台车应适当增加工作窗的数量,是进入模型内部的混凝土充分振捣,可减少进料口处与其它部位混凝土的粗骨料级配差异,保证混凝土的匀质性。②加强混凝土的振捣施工控制,受二衬浇筑使用台车的工艺限制,二衬混凝土的振捣主要依靠外部附着式振动器振捣,在混凝土的浇筑过程中除控制好塌落度外,应使用插入式振捣棒从工作窗出配合振捣,用于加强混凝土的振捣质量。③二衬混凝土的浇筑控制好分层厚度及浇筑的速度,速度太快容易造成振捣不充分,模板侧压力增大而胀模,浇注速度太慢,不能保证上下层混凝土充分结合,出现施工冷缝。④二衬浇筑还需要注意观察计算,保证模板内混凝土灌满,尤其是拱顶部位也要保证混凝土的密实,二衬混凝土浇筑完成后及时进行二衬后注浆,充分消除初支与二衬之间的空隙,阻断渗漏通道。⑤二衬模板拆除后及时养护,使用喷洒的方式,保持混凝土表面湿润,养护时间不少于14天,以补充混凝土凝结过程中水分的损失,可以防止混凝土在硬化过程中产生干缩裂缝。
  施工缝及变形缝处要认真处理,施工中要将施工缝处清理干净,涂刷界面剂,并按要求安装止水带或止水条,并在施工缝处预埋注浆管,如有渗漏及时注浆处理。此段地铁暗挖隧道区间纵向施工缝处理如图1:
  
  按原设计纵向施工缝采用遇水膨胀止水胶的工艺,如止水胶的安装不规范很难保证止水效果,根据以往经验这种工艺施工缝处渗漏现象还很普遍。施工单位采用图2做法:
  
  采用图2做法施工完成后纵向变形缝渗漏预防效果非常明显,基本无明显渗漏。
  环向施工缝、变形缝也是渗漏水几率最高的部位,有关资料表明,施工缝、变形缝渗漏水占隧道总渗漏水的60%以上,所以施工缝、变形缝处的渗漏预防也应该是我们控制的重点,设计方面也很重视,环向施工缝、变形缝处采用中埋式钢边止水带一般如图3所示:
  
  为了减少施工缝、变形缝的渗漏风险,必须要保证变形缝、施工缝处所用材料性能合格,止水带具有较好的抗变形、耐久、密封等性能,以防在变形缝的拉伸、不均匀沉降过程中能不被破坏,起到切实的防水效果。止水带要安装牢固,其中心要与变形缝重合,不能在后续的混凝土浇筑过程中扭曲变形,影响止水效果。混凝土浇筑前要预埋注浆导管,后期如有渗漏及时注浆治理。
  三、结束语
  对于北京地铁区间暗挖隧道普遍的渗漏水状况,其彻底消除的关键在于设计和施工的共同努力。设计方应充分考虑地质、地形的因素,要坚持因地制宜、综合治理的原则,切实的消除设计因素的渗漏隐患,建立起全面防水的第一道防线。施工方关键是控制好防水层的施工质量及二衬混凝土的浇筑质量,以便从源头上消除渗漏水隐患。另外,有效的控制好施工工序,提高混凝土以及防水层施工质量,才能从根本上杜绝出现渗漏水现象,才能防患于未然,做到一劳永逸,从而真正达到节约成本、优质高效的工程目标,使渗漏水不再是隧道及地下结构的质量通病。
  參考文献:
  地下防水工程质量验收规范(GB50208-2011)
  地下工程防水技术规范(GB 50108-2008)
  地下铁道工程施工及验收规范(GB 50299-1999)
  混凝土结构耐久性设计规范(GB∕T 50476-2008)
  锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB_50086-2001)
  城市轨道交通技术规范(GB50490-2009)
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