深圳地鐵7號線工程結構自防水設計探討

呂寶偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司城交分院，天津 300251)

1 工程概況

1.1 設計概述

深圳地鐵7號線東西向橫穿深圳市區,線路布局呈“V”形。線路起自南山區麗水路,途經南山區、福田區、羅湖區3個行政區,終至羅湖區太安路,線路全長約30.31 km。全線共設車站28座,其中設11座換乘站,全部為地下車站。在西麗站、安托山站、下沙站分別設置與5、2、9號線的聯絡線。在深云站東側及安托山站北側引出出入線分別與安托山停車場和深云車輛段銜接。

1.2 工程及水文地質條件

深圳市地鐵7號線工程沿線位于沖洪積平原、臺地及丘陵,地下水位高、補給來源豐富,地下水對混凝土和鋼筋具有不同程度的腐蝕性。地鐵結構基本修建在含水和透水地層中,砂層厚、回填土石多、滲透系數大。根據深圳市地鐵7號線工程沿線地下水賦存條件、含水介質及水力特征分析,地下水主要有2種基本類型,分別為松散巖類孔隙水和基巖(構造)裂隙水。

根據水質分析和侵蝕性CO2測定。根據水質分析成果資料,按照相應的評價條件,綜合評價地下水對建筑材料的腐蝕性。 按照國家標準《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)第12.2條規定,對地下水水樣進行了腐蝕性評價：地下水對混凝土結構具微腐蝕性～中等腐蝕性；對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性；對鋼結構具微腐蝕性。

2 設計中需要解決的主要問題

地鐵結構防水是一項系統工程,包括結構自防水、接縫防水、附加防水加強層及附屬措施等子項目,各子項目的防水效果均會影響地鐵結構整體防水質量。地下工程應以混凝土結構自防水為主,以接縫防水為重點,并輔以附加防水層加強防水,滿足結構使用要求[1]。

針對深圳地鐵工程存在的防水難題,結合深圳地鐵一、二期工程經驗教訓,深圳地鐵7號線工程設計中需要重點解決的問題為混凝土結構自防水。

3 混凝土結構自防水

做好混凝土結構自防水,主要需要解決防水混凝土的抗滲等級、裂縫控制及混凝土的耐久性3個問題。

3.1 深圳地鐵一期工程結構防水的研究過程及結論

地鐵結構防水作為世界難題一直困擾著地鐵工程建設,深圳地區曾多次組織專家開展專題研究,也曾搜集和整理了國內外近50年來地鐵及地下工程結構的各種不同防水方案,早期注意力主要集中在防水材料上,主要有剛性防水材料、柔性防水材料、卷材、涂料等,并對眾多材料進行了認真研究,為此也耗費了大量的人力、物力、財力。然而,解決了材料的質量而解決不了施工工藝,即優良環境下的高級材料實驗、惡劣環境下的低級質量施工；理想完善的防水方案、現實缺陷的防水效果,總是無法實現設計意圖,達不到較理想的防水效果。

深圳地鐵一期工程針對普遍存在的防水難題,在抗滲、抗裂高性能混凝土方面進行了深入研究,得出如下結論。

(1)地鐵結構防水根本在于“混凝土結構自防水”

地鐵結構防水須從源頭抓起,從設計理念做起。防水設計原則是地鐵結構設計的基本出發點。各地的防水設計原則為：上海地鐵“以防為主,多道設防,因地制宜,綜合治理,防排結合”；廣州地鐵“以防為主、剛柔相濟、多道設防、因地制宜、防堵結合、綜合治理”；香港地鐵：“以混凝土自防水為主,防排結合”。從中可以看出，只有香港地鐵明確指出“以混凝土自防水為主”。而國內地鐵防水設計,往往重防水材料,輕防水混凝土,造成防水效果往往事與愿違。

在深圳地鐵一期工程設計之初,進行了長達1年多的方案設計論證,通過數10次專題技術研討會,終于基本達成共識：地鐵工程結構防水的根本在于“鋼筋混凝土結構自防水”,這是其他任何防水措施都無法替代的。

經過大量的現場實驗,無論是采用全包防水還是采用局部防水,其最終防水效果都取決于混凝土自身的防滲、抗裂質量。因此,應當樹立以混凝土自防水為防水之本的設計理念,確保防水混凝土達到規定的密實性、抗滲性和抗裂性,才能有效地防水、防腐,從而提高耐久性。

(2)混凝土實際強度偏高是結構防水效果不良的主要原因

提到混凝土質量,人們自然想到的重點是如何提高強度指標和抗滲指標。造成這一概念的原因是多方面的,包括受到規范的制約,以及防水混凝土檢測標準不科學等因素的影響。實際上這是一個誤區,因為強度、抗滲等級越高,越容易開裂。在C30、P8防水混凝土施工中,經常出現“指標”達標,但防水效果卻不達際的現象。由于重視“強度指標”、“抗滲指標”而無抗裂檢測標準和手段,以及片面追求高強度和高抗滲性能,最終得到的卻是低抗裂的混凝土。因此,正確的途徑應當是如何提高防水混凝土的抗裂性。大量實踐證明,要解決地下結構防水、防腐,必須徹底解決裂縫問題。否則一旦開裂,結構的抗滲、防腐、耐久性都成為空話。

混凝土實際強度偏高是造成地下結構防水混凝土出現規律性開裂的主要原因,在深圳地鐵部分出現開裂的車站中,對主體結構C30、P8防水混凝土實際強度的不完全統計發現：試塊強度代表值介于54～60 MPa,達到設計標準強度的183%～200%。C30、P8混凝土的實際平均強度為標準強度的190%,嚴重超強。如表1所示。

表1 部分出現開裂的車站主體結構混凝土強度統計

由于車站主體結構C30、P8防水混凝土的實際強度大大超出設計強度,對混凝土抗裂性能非常不利。隨著混凝土齡期增長,以及各種環境因素的變化,造成地下結構普遍出現龜性開裂。

(3)水泥用量和坍落度是影響混凝土開裂的2個主要因素

根據大量混凝土自防水技術措施和施工工藝的調研,并通過對混凝土實際強度偏高的眾多因素進行的對比實驗,發現水泥的用量和坍落度是混凝土產生裂縫最敏感的2個因素。

①水泥用量

眾所周知,水泥用量越多、強度越高,抗裂性越差。因此,深圳地鐵將人、財、物集中在防止混凝土開裂的科技攻關,經過深入研究發現：大幅度降低水泥用量而同時增加優質粉煤灰用量是最有效的防滲、抗裂措施之一。見表2。

表2 某車站裂縫實測記錄

②混凝土坍落度

通常為了施工方便會將混凝土坍落度提高,通過現場調研發現：降低混凝土坍落度是解決裂縫的另一個有效的途徑。在同等條件下,混凝土坍落度越小,施工后主體結構出現的裂縫越少。不同坍落度混凝土各齡期收縮見表3。

表3 不同坍落度各齡期收縮

現場實例：在深圳地鐵某車站主體結構施工時,混凝土坍落度控制在 150 mm以內,發現其車站主體結構 100 m的內墻就出現裂縫 4條。而在同等條件下,當特別要求其混凝土坍落度控制在 120 mm以內時,該車站主體結構104.4 m的內墻僅出現裂縫2條,裂縫減少了50%。

3.2 系統解決方案

根據前述的研究分析,對地鐵結構防水制定了系統解決方案,首先將深圳地鐵一期工程防水原則“以防為主”修改為“以混凝土結構自防水為主”,并提出以下具體措施。

(1)嚴格控制主體結構的實際強度

在滿足荷載條件的前提下,盡可能選用中低強度的混凝土。

(2)優化配合比設計

膠凝材料用量應根據混凝土的抗滲等級和強度等級選用,其總量不宜小于320 kg/m3,在滿足混凝土抗滲等級、強度等級和耐久性條件下,水泥用量不宜小于260 kg/m3[2]。

(3)嚴格控制混凝土的坍落度

注意在降低坍落度時必須配置相應的施工設備,明確坍落度的最高限值,防水混凝土采用預拌混凝土時,入泵坍落度宜控制在120～120 mm；坍落度每小時損失值不應大于 20 mm以內。坍落度總損失值不應大于40 mm[2]。為達到此目標,目前國產混凝土輸送泵的質量是降低坍落度的最大障礙,故建議采用進口混凝土輸送泵。

4 結論及建議

4.1 結論

通過對深圳地鐵車站結構防水的研究以及實踐應用,對地鐵結構自防水問題歸納總結出了以下系統解決方案。

(1)防止混凝土開裂為重點；

(2)減少混凝土中水泥用量增加優質粉煤灰,降低混凝土的坍落度。

4.2 建議

由于地鐵結構抗裂是地鐵工程質量的關鍵,確保每一個施工環節優質可靠,在主體結構的施工中應做出以下規定。

(1)主體結構施工縫間距宜控制在16 m以內,底板、邊墻、中板、頂板應分別灌注,嚴禁板、墻同時灌注混凝土。

(2)嚴格控制混凝土的入模溫度不宜高于35 ℃,應盡可能避免在高溫時段灌注混凝土。

(3)結構防水混凝土施工必須無水作業,以確保混凝土質量。

(4)主體結構施工時應采取的防止混凝土開裂措施主要有：拆模時間不宜過早；混凝土的養護要及時到位；全面推廣混凝土養護自動水噴淋系統等。

(5)使用優質、高效的混凝土輸送泵,控制混凝土的坍落度。

[1] GB50157—2003 地鐵設計規范[S].

[2] GB50108—2008 地下工程防水技術規范[S].

[3] SJG05—96 深圳地區建筑深基坑支護技術規范[S].

[4] GB50446—2008 盾構法隧道施工與驗收規范[S].

[5] TB10003—2005 鐵路隧道設計規范[S].