摘要: 结合工程实践, 通过与传统刚性防水层的对比, 介绍了喷射纤维混凝土作为刚性内防水层在单层衬砌地铁车站应用中的配合比、施工准备、施工控制项目、防水效果等。
关键词: 喷射纤维混凝土; 单层衬砌地铁车站; 刚性内防水层;聚丙烯纤维
1 单层衬砌地铁车站的结构考虑
在上海这一类高水位、软土地基的城市, 为了保证地铁车站在施工过程中对周边建筑物、管线等环境的影响降低到足够的安全范围之内, 围护结构一般采用加厚的地下连续墙。在这种情况下, 如果还是采用传统的双层衬砌(即围护结构加内衬墙)的结构形式,加厚的地下连续墙虽然解决了车站基坑的安全稳定问题, 但同时也会加宽车站的限界, 并增加结构的一次性投资。在一些施工环境相当狭小的地区、车站限界无法加宽的情况下, 单层衬砌的地铁车站便应运而生。
图 1 所示是一个典型的单层衬砌地铁车站的横剖面。地下连续墙在施工阶段就作为基坑开挖过程中的围护结构, 当车站的顶、底板及中楼板与地下墙浇筑在一起之后, 地下连续墙就作为车站永久结构的侧墙部分。
2 单层衬砌地铁车站侧墙内防水的基本考虑
地下连续墙的混凝土是在护壁泥浆中浇筑的[1,2],致使墙体内表面夹杂泥砂现象严重, 如果不做适当处理, 则与车站模筑的顶板、底板的高性能混凝土相比,其使用年限难以达到设计要求; 又受所处地质环境影响, 地下墙的成槽质量具有一定的不确定性, 因此地下墙在开挖后的平整度差异会很大。在实际单层衬砌地铁车站施工过程中, 地下墙的内表面都要求凿平处理。在地下墙表面凿平的过程中, 施工单位为了保证将墙体内表面夹杂泥砂的不密实混凝土清除干净, 往往就会把所有墙体内侧的保护层全部凿除, 直至露出地下墙的钢筋。以往通常采用刚性防水砂浆来充当地下墙的内保护层及找平层。
根据《地下工程防水技术规范》的要求, 地铁车站是需要设置全包防水的, 其中单层衬砌的侧墙也不例外。由于地下连续墙的特殊施工工艺, 决定了其迎土(水)面的外防水层是几乎无法施做的, 因此只能在整个车站主体结构完成后, 在地下连续墙的内侧设置内防水层。考虑到地下墙内保护层及找平层的因素, 地下墙的内防水自然应为刚性内防水层。
在车站的使用全寿命过程中, 应对地下墙的刚性内防水层做定期的维护检查, 在必要的情况下, 还需要进行大面积维修。维修的周期根据刚性防水砂浆的质量、结构本体渗漏情况及环境劣化程度而定。
3 单层衬砌地铁车站侧墙内防水的传统处理方法
早在上海地铁 1、2 号线中就有单层衬砌地铁车站的设计, 其中的侧墙内防水层均采用“四层刚性抹面”的方法[3]。四层刚性抹面防水层的设计与施工是较为传统的方法( 见图 2 所示), 主要是利用素灰( 即较稠的纯水泥浆)和水泥砂浆分层交叉抹面而达到防水目的。但四层刚性抹面防水层从强度来看, 很难达到地下墙混凝土的强度等级, 因此作为地下墙内保护层比较勉强; 其防水效果除了要按正确的配合比配置水泥浆及水泥砂浆以外, 主要还是取决于施工人员正确的施工方法及地下墙的渗漏情况、堵漏措施等因素。所以工序繁复的四层刚性抹面防水层在不同工程项目中, 甚至在同一项目中的不同部位的防水效果也会有所不同。
4 喷射纤维混凝土在单层衬砌地铁车站侧墙内防水工程中的应用
上海地铁 2 号线西延伸段的虹桥临空园区站为地下二层的地铁车站, 总长约 400 m, 宽约 20 m。车站主体结构为单层衬砌, 其横向剖面与图 1 相似, 原设计地下墙内侧采用四层刚性抹面作为内防水层。车站施工总承包单位中铁十六局为了保证施工工期,提出采用喷射纤维混凝土替代四层刚性抹面作为地下墙的内防水层。经过设计、监理、业主等多方论证,同意了施工总承包单位的建议。
4.1 喷射纤维混凝土的配合比
依据《地下工程防水技术规范》, 工程提出了对喷射纤维混凝土的技术要求: 抗压强度≥ C30( 与结构设计强度相当)、抗渗等级≥S8。对于喷射纤维混凝土的强度要求, 主要出于要承担起地下墙内表面的找平层和保护层作用的考虑; 当然, 作为结构刚性内防水层的抗渗要求更是必不可少的, 因本车站的埋深均在 20 m 以内, 抗渗等级≥S8 即可。
根据设计要求, 施工单位做了大量的试验, 最终确定了如表 1 所示的喷射纤维混凝土的施工配合比。喷射混凝土配合比主要参照的标准有: 《锚杆喷射混凝土支护技术规范》、《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准》等。由于喷射混凝土的特殊施工工艺,要求混凝土必须掺加速凝剂, 速凝剂的选用主要参照《喷射混凝土用速凝剂》中的规定。又考虑到防水抗裂的要求, 选择了掺加抗渗微晶防水剂和聚丙烯纤维, 其中聚丙烯纤维是根据《纤维混凝土结构技术规程》的有关规定选用的。
与地下结构防水混凝土的设计原则相一致, 喷射纤维混凝土也首先考虑了控制水胶比。通过表 1 可知, 喷射纤维混凝土的水胶比为 0.39￣0.41 左右, 均高于普通防水混凝土水胶比≤0.45 的要求。通过检测, 喷射纤维混凝土的 3 d、28 d 的抗压强度分别达到 18.7 MPa 和 38.5 MPa, 抗渗等级也≥S8, 均满足设计要求。
4.2 喷射纤维混凝土施工前的准备工作
只有在整个单层衬砌地下车站主体结构全部完成、且结构早期变形稳定后, 才能着手地下连续墙喷射纤维混凝土施工前的准备工作。准备工作主要包括: 凿平地下连续墙面、地下连续墙的堵漏与墙面清理等工作。在这些准备工作中, 最重要的是地下连续墙的堵漏工作。
地下连续墙的渗漏大致分为两类: 一类为墙缝渗漏, 另一类为墙面渗漏。地下连续墙作为单层衬砌,地铁车站侧墙的接头一般采用十字钢板 ( 见图 3 所示)。十字钢板和先浇地下墙的钢筋笼焊接在一起,而和后浇墙幅的钢筋笼无任何连接, 这就导致了车站主体结构变形时, 地下墙的接缝成为渗漏的顽疾。特别是车站结构处于高水位的地基环境下, 受环境温度循环变化的影响, 墙缝的变形也有个反复变化的过程, 因此地下墙缝的堵漏也要经历一个相对漫长的过程, 并不能一蹴而就。相对于墙缝的渗漏处理, 墙面的渗漏受结构的约束, 基本不会有反复, 因此可以选择适当的时机一次性处理即可(不包括地下连续墙本身的质量问题)。
喷射纤维混凝土在施工之前, 要求混凝土基面湿润, 以便能和混凝土基面结合紧密, 所以喷射纤维混凝土对于一般墙面渗漏( 湿渍) 的处理要求不高。但如果混凝土表面有明水渗漏, 则会影响喷射纤维混凝土与混凝土基面的结合及防水性能。
地下墙缝是渗漏的多发区域, 即使在经过多次堵漏之后, 如果结构发生变形, 墙缝发生渗漏的概率仍然很大; 并且多起工程实践表明, 堵漏所需的时间并不能得到保障, 所以喷射纤维混凝土在墙缝处要采取特殊处理。工程实施中, 在地下墙缝 50 cm 范围内采用配有 Φ8@200( 双向) 钢筋网片的喷射纤维混凝土,作为地下墙缝的补强措施, 见图 4 所示。
4.3 喷射纤维混凝土施工的主要控制项目
除了对喷射纤维混凝土材料质量控制之外, 施工过程的关键是如何控制好喷射纤维混凝土的回弹率、厚度等问题。
和模筑混凝土不同, 在缺少模板约束的条件下,喷射混凝土在凝结过程中会发生回弹现象。从材料控制来讲, 可以依靠喷射混凝土中的速凝剂加速混凝土凝结来控制一部分喷射混凝土的回弹率; 但速凝剂的掺加是有限的, 喷射混凝土的回弹率主要还是靠调整混凝土的配合比、喷射机械、喷射速度、喷射距离等施工综合因素来控制。所以施工单位在正式喷射混凝土施工前, 一定要针对控制喷射混凝土回弹率做好试喷试验。实践表明, 和一般喷射混凝土回弹率的控制要求不同, 作为刚性内防水层的喷射纤维混凝土的回弹率要求控制在 15%以内为宜。
喷射纤维混凝土的喷射厚度也是控制施工质量的重要项目之一。喷射纤维混凝土作为地下墙内侧保护层, 厚度要求不得小于 5 cm; 作为地下墙内侧找平层, 根据地下墙平整度不易控制的实际情况, 最厚处应达到 10 cm。综合喷射纤维混凝土作为地下墙保护层、找平层、防水层等各种工程需要, 结合喷射纤维混凝土的材料性能、施工工艺等各种因素, 确定厚度应控制在 5~10 cm, 平均厚度为 8 cm。这种厚度控制基本能保证地下墙内侧“大平小不平”, 防渗性能满足车站一级防水要求, 同时也能照顾到施工单位对喷射纤维混凝土厚度控制较难的实际情况。
4.4 喷射纤维混凝土在工程应用中的优点
喷射纤维混凝土在工程应用中主要的优点为: 施工速度快、材料匀质性好、强度高、抗渗性能好、与混凝土基面结合紧密。
相对于刚性四层抹面的传统施工工艺, 喷射纤维混凝土基本为机械化施工, 在对主要施工人员进行简单的机械操作培训后, 即可上岗操作。施工机械的喷射速度、强度均可恒定, 能有效地保证施工效率和施工质量。相对于刚性防水砂浆, 喷射纤维混凝土的强度大大提高, 混凝土的密实度及与混凝土基面的结合强度也随之提高, 使喷射纤维混凝土的防水性能基本能达到现浇混凝土的效果。在本工程总喷射面积2 100 m2 的范围内, 在喷射混凝土之前, 据统计墙面原有 120 多处渗水湿渍; 经喷射纤维混凝土处理后,渗水湿渍减少到 40 多处, 没有一处湿渍面积超过0.15 m2, 总湿渍面积约 2.6 m2 左右, 占整个墙面的1.3/1000。因为喷射纤维混凝土与混凝土基面结合紧密, 不会发生窜水现象, 而喷射纤维混凝土施工后遗留的渗漏点可以直接从喷射纤维混凝土表面打孔至地下墙进行堵漏处理。
5 喷射纤维混凝土在单层衬砌地铁车站中的推广应用
上海地铁 2 号线虹桥临空园区站的喷射纤维混凝土施工竣工距今已一年有余, 其防水效果十分稳定。上海地铁 8 号线四平路站的结构内防水借鉴了上述经验并加以发展, 目前 1 000 多 m2 的喷射面积已基本完成。
在上海地铁 2 号线虹桥临空园区站喷射纤维混凝土试验阶段, 为了加强喷射纤维混凝土与地下墙混凝土结合紧密, 曾经采用混凝土界面剂涂刷于地下墙的表面, 但效果并不理想。在上海地铁 8 号线四平路站喷射纤维混凝土施工前, 采用了水泥基渗透结晶型防水涂料(CCCW) 喷涂于地下墙表面, 用量为 1.2 kg/m2, 并做短期养护。CCCW 对地下墙基面的渗漏封闭起到了很好的作用, 为喷射纤维混凝土与地下墙基面的紧密结合带来帮助。
在上海地铁 2 号线虹桥临空园区站的喷射纤维混凝土中, 采用了抗渗微晶作为防水剂。虽然对喷射纤维混凝土抗渗防水性能有所改善, 但抗渗微晶以掺在防水砂浆中的应用居多, 上海地铁 8 号线四平路站的喷射纤维混凝土则采用了内掺型的 CCCW 替代了抗渗微晶。通过检测氯离子渗透系数、电通量等手段,证明了内掺型的 CCCW 对提高混凝土的抗渗性具有显着功效。
从设计角度看, 在地下墙缝处如能采用刚柔并济的方式, 或许会取得更好的防水效果。图 5 中所示的处理方法, 就是对地下墙缝处进行特殊处理的一些想法, 由于工程案例有限, 还有待于在今后的工程实践中加以验证和完善。
6 结语
1) 喷射纤维混凝土这种传统材料在单层衬砌地下结构中作为刚性内防水的新工艺, 得到了新的应用, 在国内还未见报道。
2) 喷射纤维混凝土作为刚性内防水层的应用还刚刚开始, 与混凝土基面间的界面材料、喷射纤维混凝土中的纤维、内掺防水剂、施工工艺等还有待进一步探索、完善和规范。
3)由于单层衬砌车站存在耐久性等问题, 并不被推广, 但喷射纤维混凝土作为地下结构刚性内防水层, 在其他防水材料无法实施时不失为一种选择。
参考文献
[1]叶可明.上海建筑施工新技术.北京: 中国建筑工业出版社,1999
[2]丛霭森.地下连续墙的设计施工与应用.北京: 中国水利水电出版社, 2001
[3]朱馥林.地下防水工程施工与验收手册.北京: 中国建筑工业出版社, 2006.3