北京城市鐵路雙連拱隧道防排水施工綜合技術
摘 要 簡要論述北京城市鐵路14 標段地下區間雙連拱隧道防排水系統的綜合施工技術,根據具體工 程,提出施工建議。關鍵詞 城市鐵路 雙連拱隧道 防排水
北京城市鐵路主要采用地上高架橋形式,本工程為全線唯一的地下區間隧道,地質情況惡劣、地下水位較高,且由于隧道為雙連拱結構形式,施工工序多,施工縫、沉降縫及天梁等特殊節點多,因此有效的防排水系統就成為本工程施工的關鍵。
1 工程概況隧道位于北京市二環路的東北部, 全長1175. 2 m , 埋深8 ～ 12 m , 土丘地段的埋深達到15 m 。斷面為雙連拱隧道、鋼筋混凝土結構,開挖寬度為12. 05 m , 開挖高度為7. 397 m 。采用淺埋暗挖中洞法開挖、復合式襯砌,施工步序為:中洞分部開挖支護→施作中洞防水層、中隔墻襯砌→左、右側洞分部開挖支護→ 破除中洞初支、施作側洞防水層和二襯(圖1) 。地層變化復雜,由地表向下依次為人工堆積層、雜填土層、素填土層、粘質粉土層、粉質粘土層、砂質粉土層、粉細砂層、細中砂層、圓礫層等。地下水水圖1 隧道施工步序示意圖位在地下2. 5～6. 5 m , 賦存于雜填土層,主要補給來源為大氣降水的垂直滲透與管道滲漏;潛水水位在地下2. 98～7. 45 m , 高出隧道開挖拱頂,主要補給來源為側向徑流;承壓水埋深18. 53 m , 隧道底板局部地段位于承壓水位以下。就本工程防排水系統而言,最不利地段為長120 m 的穿越護城河段和長55 m 的斜穿蓋板河段。
2 防排水系統
防排水系統遵循“ 以防為主、防排結合、多道防線、剛柔相濟、因地制宜、綜合治理”的原則,設計防水等級為二級,即隧道不允許漏水,可以有少量、偶見的濕漬。地下區間隧道防排水系統設置見圖2。
圖2 隧道防排水系統示意圖
2. 1 防水系統地下區間隧道采用復合式襯砌結構,防水采用3 道防線: 第一道防線:初期支護加背后注漿; 第二道防線:設置1. 2 mm 厚ECB 高分子合成樹脂防水卷材及4 mm 厚PE 閉孔泡沫塑料襯墊作為夾層防水層; 第三道防線:二次模筑防水混凝土襯砌,采用微膨脹補償收縮防水混凝土,即摻適量HEO 單一型混凝土外加劑,抗滲等級不小于0. 8 MPa 。
2. 2 排水系統由于本工程為暗挖法施工,地下水較豐富,工況復雜,防水層的預留搭接較多,結構的施工縫也較多,在施工階段對防水卷材可能造成破壞,為確保區間在無滲漏的情況下運營,故在防水層和二襯之間用MF7 隧道專用塑料管排水。在拱頂與邊墻交界處、邊墻與仰拱施工縫處、側洞拱頂與中洞拱頂施工縫處設置3 道縱向排水盲管;在邊墻上每6 m 設一道環向排水管,與各縱向管相連,將滲水引出,流至道床上。
2.2. 3 變形縫、施工縫的防水變形縫:本隧道每隔50～60 m 設置一道變形縫,縫寬30 mm 。在結構內部的中部設置埋入式橡膠止水帶,結構內側(背水面) 預留300 mm ×30 mm 的凹槽,待變形縫兩側的混凝土澆注完并養護完畢, 在縫內用雙組份聚硫橡膠密封膏嵌縫,在凹槽內固定1mm 厚鋼板做成“U”型接水盒,然后用聚合物水泥砂漿把凹槽填實抹平。具體設置詳見圖3 、4 。
圖3 隧道底板變形縫防水示意圖
圖4 隧道邊墻、頂板變形縫防水示意圖
本隧道有縱向和環向施工縫。縱向施工縫在天梁兩側各1 條,條形基礎兩側各1 條,左、右側洞的鋪底與邊墻交接處各1 條;環向施工縫在每組襯砌斷面處。施工縫采用在結構斷面中部安放20 mm ×30 mm 遇水膨脹膩子條的方法進行止水。
3 防排水系統的施工
3. 1 結構基面的處理由于防水板鋪設前不允許結構內表面有漏水現象,因此首先根據結構的不同部位分別進行了堵漏處理:中洞和側洞的拱部沿隧道每5 m 一排、每排3 根,布置< 42 的注漿管,注水泥-水玻璃漿,填充拱部初支背后空隙止水;在中洞拱部(天梁) 加大注漿壓力,增加注漿量,從而確保注漿范圍高出側洞拱頂,避免該部位日后形成積水帶;對邊墻漏水部位進行重點注漿止水處理;對基底出水部位根據出水量大小分別采用注漿止水或暫時引排的方法,確保基面干燥。
基面找平,檢查基面上有無鋼筋、鐵絲和鋼管等尖銳突出物,若有則從根部割除,并在割除部位用水泥砂漿抹成圓曲面;在中洞中線至左、右側洞中線外300 mm 的拱部范圍內,施作剛性防水兼找平層,主要施工工序為:涂刷一道界面劑→ 抹EVA 防水砂漿10～15 mm → 搓毛→ 抹EVA 聚合物灰漿2 mm →二道抹平、壓密、壓實→灑水養護。界面劑配合比為:普硅水泥:
EVA∶FS -P 防水劑= 1∶0. 37∶水∶0. 13∶0. 08 ; EVA 防水砂漿配合比為: 普硅水泥: EVA∶ FS -P 防水劑∶ 0. 12∶水∶中砂= 1∶0. 5∶0. 08 ;EVA 聚合物灰漿配合比為:普硅水泥∶EVA∶ 0. 13∶水= 1∶0. 37 。
對于結構邊墻根據不同情況分別處理,在滲水明顯部位(如穿越護城河地段和斜穿蓋板河地段) 同施作剛性防水,在一般地段則局部采用1∶1.2. 5 的水泥砂漿找平即可;對于隧道底板基面,在有明顯起伏, 采用1∶2.2. 5 的水泥砂漿找平;隧道斷面變化或轉彎時的陰陽角須采用水泥砂漿抹成R > 50 mm 的圓弧。
3. 2 PE 閉孔泡沫塑料襯墊的施工在初支與防水板之間采用4 mm 厚PE 閉孔泡沫塑料襯墊做防水板的緩沖層。泡沫襯墊采用水泥釘和塑料圓墊片固定在噴射混凝土的基面上,固定點之間呈梅花形布設,固定點之間的間距為: 拱部500～ 800 mm ; 邊墻800～ 1000 mm ; 底部1500～ 2000 mm 。襯墊之間的搭接寬度為50 mm , 搭接部位采用熱風焊槍進行焊接。襯墊須采用環向鋪設, 不能拉得過緊,以免影響防水卷材的鋪設,并在搭接部位預留不少于200 mm 的搭接余量。
3.3. 3 ECB 高分子合成樹脂防水板的施工防水板的焊接是防水施工最重要的工藝,用雙焊縫熱合機將相鄰卷材熱熔焊接,卷材之間的搭接寬度為100 mm , 接縫為雙焊縫,焊縫寬度不小于2 mm , 中間留出空間以進行充氣檢查;焊縫應平順、無波紋、顏色均勻、無焊焦、燒糊或夾層;檢查時的充氣壓力為0. 12～0. 15 MPa , 穩定時間不大于5 分鐘,允許壓力下降20 % ; 當縱向焊縫與環向焊縫十字相交時(十字形焊縫),事先須對縱向焊縫外的多余搭接部分削去,將臺階修理成斜面,削去的長度≥ 130 mm , 以確保焊接質量和焊機通過順利;鋪設防水板前先在拱頂的襯墊上標出隧道縱向中心線,由拱頂向兩側下垂鋪設卷材,邊鋪設邊焊接;注意保護防水層在下一施工段的連接部分,避免污染和破損, 并在搭接前將接頭處擦拭干凈。分段鋪設的卷材邊緣部位預留至少500 mm 的搭接余量。防水板采用無釘孔鋪設固定,即利用熱風焊槍將裁剪好的卷材粘貼在塑料圓墊片上,固定時要注意不得拉得過緊或出現大的鼓包。尤其是陰陽角的卷材一定要與轉角部位密貼,以免影響灌注混凝土的厚度或將卷材拉破。固定點呈梅花形布設,間距為: 拱頂500～ 800 mm ; 邊墻800 ～ 1000 mm ; 底板1500 ～ 2000 mm 。
3. 4 隧道排水系統的施工本工程排水系統采用MF7 隧道專用型塑料管,
管之間的連接使用訂書釘狀勾嵌入,釘勾由<3～ <5 的不銹鋼絲制成。排水管設在夾層防水卷材上,用
生產廠家提供的特制鐵件固定,并用8# 鐵線牢固捆扎鐵件與結構鋼筋。由于預埋管,因此在襯砌前要做好標記,一旦脫模,立即將管口掏出清理干凈。
3. 5 變形縫、施工縫防水層的施工變形縫是為結構不均勻受力和混凝土脹縮設置的縫隙,它是防水處理的難點,也是結構自防水中的關鍵環節。本區間共設置變形縫12 道, 縫寬30 mm , 防水材料選用中置橡膠止水帶,聚苯板充填縫隙內部,而在變形縫口部采用雙組份聚硫橡膠密封膏封填,厚度不小于20 mm 。橡膠止水帶的施工要求: ⑴ 按照設計要求確定止水帶的準確位置及尺寸規格; ⑵ 橡膠止水帶安裝必須用模板固定。先安裝一端,澆筑混凝土,同時另一端應用廂型木板保護,待混凝土達到一定強度拆除模板和另一端止水帶的廂型保護; ⑶ 在止水帶中央圓孔的上下方混凝土基面上涂刷粘結劑并固定填縫用的聚苯板; ⑷ 把另一端的止水帶固定在鋼筋上,支模澆筑混凝土; ⑸ 施工中必須保證止水帶的準確位置和混凝土的澆搗質量,保證混凝土與止水帶的緊密貼合; ⑹ 止水帶的接頭部位采用現場硫化的方法,接頭處選在結構應力較小的部位。水平施工縫與環向施工縫是結構自防水的薄弱環節,處理的好壞將會直接影響結構的防水質量,因此須認真做好該處的防水處理。本隧道施工縫采用LJ-2 型遇水膨脹橡膠膩子條(20 × 30 mm) 進行止水。由于止水條釘過緊容易折斷,過松則不能保證與混凝土密貼,容易造成灌注砼鉆入止水條下部而失去止水效果,因此在施工中采用了襯砌堵頭板背面釘設適當厚度及寬度的木條,混凝土灌注后拆模時將木條一起取出,即形成一道凹槽, 并配合加密了射釘的釘設間距,從而保證了施工縫的防水效果。
2.3. 6 二襯防水混凝土的施工二襯混凝土為微膨脹補償收縮防水混凝土,標號C30P8 , 采用HEO 單一型外加劑,摻量為10 % 。在施工中我們針對混凝土的防水要求,不僅加強管理,嚴格施工工藝,選好供應商,對混凝土施工進行全過程控制,而且特別注意了以下幾點: ⑴ 嚴格控制水灰比:水灰比是對抗滲性起決定作用的因素, 增大水灰比,混凝土的密實度降低,相對滲透系數就顯著增大,因此須嚴格控制水灰比,本工程所采用的水灰比為不大于0. 6 。⑵ 防水混凝土的運輸:由于地處二環主路,按照北京市規定必須采用商品混凝土,因此我們優先選擇了就近的攪拌站,并安排專人負責統一調度安排,以縮短運輸距離和等待時間,避免出現砼離析,還根據不同氣候、不同時間計算出運輸過程中坍落度的損失,提前予以考慮,從而保證了砼澆注時有良好的和易性。⑶ 混凝土振搗:本工程結構防水混凝土振搗采用插入式振搗棒,振搗時,振搗棒等距離地插入、均勻地搗實全部混凝土,插入點間距小于振搗半徑的1. 5 倍,振搗棒的作用范圍應相互重疊,避免漏搗和過搗,振搗時不得觸及鋼筋和模板,尤其是嚴禁觸及防水板。⑷ 混凝土的養護:根據防水混凝土的特性,本工程規定混凝土的裂縫寬度不得大于0. 2 mm , 而得當的養護措施能最大限度減少混凝土的開裂,因此在防水混凝土灌注完畢及終凝后及時采用噴、灑水養護,待拆模后,對結構表面及時進行灑水養護,保持混凝土表面濕潤,養護期確保不少于14 天。
3. 7 二襯背后回填注漿由于混凝土的凝固收縮特性,在二襯混凝土與防水板之間一般會存在5～10 mm 的縫隙,再加上泵送混凝土、模板臺車灌注的襯砌施工特點,在拱頂處無法振搗密實,這樣縫隙肯定會進一步加大,還可能在局部地段出現一定的空洞,容易造成地下水到處流竄侵蝕結構和腐蝕鋼筋,因此,在二襯結束后進行背后回填注漿是必不可少的一道工序。本隧道在施做二次襯砌防水混凝土時,沿隧道每間距10 m 預埋一組注漿管,每組兩根,注漿管垂直于結構表面設置,一根指向側洞拱頂,另一根指向中洞拱頂。根據結構滲漏水情況,本工程采取了先全面注漿后重點注漿的施工方案。在全面注漿階段,采用摻加XPM 外加劑的普通水泥漿液,施工水灰比為1∶2.1. 5 , XPM 外加劑摻量按水泥用量的10 % 控制,該漿液具有流速快、流動性好、抗滲指標高的特點,最大優點是漿液凝固后基本無收縮。注漿順序為由低處向高處、由無水段向有水段、跳躍間隔式注漿;在重點注漿階段,針對仍然存在滲水的地段進行再次注漿,并在個別較嚴重的出水點周圍增補注漿管和采用摻加XPM 外加劑的超細水泥漿液進行注漿。
4 有關輔助施工措施
由于本工程結構形式復雜、技術難度大、防水要求高,因此我單位多次邀請設計單位和有關專家進行專題探討,還選派技術人員去兄弟單位學習取經, 并在施工過程中不斷總結發揚,從而在防水板的質量保證和保護方面形成一些值得推廣的輔助施工措施。
4. 1 二襯混凝土鋼筋的冷擠壓連接鋼筋連接采用鋼套筒冷擠壓的技術,僅是在房建施工中個別采用,這是因為該工藝對鋼筋加工安裝尺寸要求較高,鋼套筒長180 mm , 鋼筋對接時若過長則需現場截斷,若過短則不能保證連接強度,甚至無法對接;另外鋼筋擠壓連接設備重達80 多斤, 移動不便,所以從未在隧道工程中得以使用。在本隧道尚處于中洞開挖期間,由于開挖分部較多,鋼格柵連接部位很多,造成電焊時間過長,導致洞內空氣污濁、環境惡劣,而且違背了淺埋暗挖法“快封閉”的施工原則,因此,為了保護職工的身體健康和形成隧道快速支護能力,就使用了鋼筋冷擠壓連接工藝,眾所周知,鋼格柵需要盡量緊貼圍巖輪廓,而由于開挖斷面的不確定性,造成鋼筋基本上無法實現順利對接,該項新技術當時未獲成功。但是,我們也意識到在襯砌施工中,由于二襯鋼筋加工安裝尺寸比較精確,完全可以采用這種辦法來避免電焊火工操作,從而有效地保護防水板不會損壞,因此及時進行了摸索總結,并最終在襯砌中獲得成功,現將兩種方法的優劣予以比較:
(1) 鋼筋采用冷擠壓連接,從根本上避免了電焊火工操作方式,不會出現防水板、排水盲管等塑料、橡膠制品被電焊火花燒壞的現象,這是對隧道防排水系統的極大保護;
(2) 鋼筋冷擠壓連接速度較快,熟練情況下可保證平均1. 5 分鐘完成一個接頭,而以本隧道二襯結構主筋( <28 鋼筋) 為例, 單面搭接滿焊的長度為280 mm , 基本上一個接頭需耗時5 分鐘,明顯看出冷擠壓連接可以大幅度提高工效;
(3) 在鋼筋被冷擠壓前,均可用紅漆先做上標記,如果標記在擠壓后仍然顯露在外面,即說明擠壓長度不足,而且鋼筋擠壓壓力可以在氣壓表上予以清楚顯示,還可以通過擠壓痕跡的深度進行尺量判斷;而電焊連接質量基本依賴于作業人員的操作水平和工作責任心,這說明鋼筋冷擠壓在質量可靠度和便于檢查驗收方面均遠勝一籌;
(4) 鋼筋冷擠壓連接采用液壓設備,不會產生任何空氣污染,有效地保護了職工的身體健康,對于提高職工勞動積極性極為有利;
(5) 在經濟效益方面,一個鋼筋套筒為12 元,而焊接一個<28 鋼筋接頭,所用電焊條和鋼筋搭接的材料費約為9 元,雖然冷擠壓連接費用稍高,但如果考慮到它有效保護了防水層,節省了通風費用,提高了工效,有益于工人的身體健康,鋼筋擠壓的總體費用肯定遠低于電焊連接費用。鋼筋冷擠壓連接工藝的操作困難及對策:
(1) 鋼筋冷擠壓設備重,在洞內移動使用不便, 我們利用防水板施工臺架增設了一個鋼管軌道,使其懸吊在上面,并可以前后滑動,即較好地解決了這個問題;
(2) 雖然僅在二襯結構鋼筋連接方面使用,但由于鋼筋加工和安裝工藝落后,經常會發生鋼筋或長或短而導致無法連接的現象,通過加強管理和提高操作水平,采用手持式鋼筋切割機,克服了這個困難。
4. 2 防水砂漿由于本隧道需穿越護城河及蓋板河,大部分地段地面又無降水條件,造成地下水位較高,雖然經過初期支護背后注漿處理,仍有較多部位出現滲水,使防水板焊接時達不到規定的溫度,導致粘結時效性差,易出現假焊現象,因此我單位主動投入,在滲水地段增加了涂抹防水砂漿工序,使防水板焊接時巖面處于干燥狀態,從而保證了防水板的防水效果。
2.4. 3 其他保護措施在襯砌結構鋼筋的洞內運輸和安裝過程中,由于隧道狹窄,施工人員經常無意中使鋼筋頭擊穿或刮爛防水板,還不易發現,從而影響防水板的整體防水效果。后來我們在市場上定購了一批易安易卸的小橡膠帽,安裝在已加工好的鋼筋兩頭再將鋼筋運至洞內,在鋼筋安裝前,還在防水板上縱向固定若干根5 ×5 cm 的木條,使鋼筋安裝距防水板有一定距離,從而得以妥善保護防水板不被破壞。
5 施工體會
(1) 由于地下隧道施工環境惡劣,防水板的整體封閉質量很難保證,難免會由于防水板的破損而出現漏水點,而且在注漿堵水處理過程中,經常出現這邊堵水、那邊漏水的現象,顧此失彼,無法找準出水點進行集中治水,筆者認為如果在地下工程的防水系統中增加分段封閉的措施,雖然會增加一部分投資,但不會出現防水系統“ 一點破損、全面失效”的后果,另外對以后的注漿堵漏也便于集中處理。
(2) 在本工程防水專題研討過程中,曾有些人提出可以取消排水系統,僅依靠防水系統完全實現堵水目的,但是根據長期一線施工實踐,由于目前從隧道施工工藝、防水材料可靠性、作業人員的實際操作水平來說,均還處于較低水平,筆者認為在以后相當長的時間內,還是要以“防排結合,多層設防、以防為主,適量排放”為原則來指導地下工程防排水系統的施工。
(3) 雙連拱隧道在中洞天梁位置為V 型結構形式,使該處形成人為積水區,是治水的極大隱患,雖然在施工過程中,給予了高度重視,采用中洞拱頂初支背后回填注漿的方法,使該位置注漿后實際高于側洞拱頂,目前效果尚好,但注漿量極為驚人,投入太大,而且由于加大了注漿壓力和注漿量,在中洞初支破除過程中發現,大量漿液實際竄入中洞邊墻部位,造成極大浪費,還增加了破除施工難度,而且天梁位置為結構最復雜、施工最困難、受力最薄弱位置,對于隧道各方面施工均不利,筆者建議能否考慮取消這種雙連拱結構形式(除車站超寬斷面以外), 這樣雖然增加了一定的開挖方量,但可以一勞永逸, 從而徹底消除這個施工隱患。
(4) 本隧道初始設計時,認為排水盲管所排出的水量較少,考慮使其漫流到道床,自然風干,因此本工程采用的是在道床中央設置中心排水溝,主要排放消防用水或其他廢水,但實際上目前在少量盲管出水后,造成道床上水堿、水跡明顯,個別部位還存在積水現象,極大影響了隧道整體外觀效果,我單位為順利通過竣工驗收,又重新組織人力、物力在已灌注完成的道床上鑿槽埋入盲管,而如果在前期施工中即預留足夠長的盲管,待道床砼灌注時予以埋設, 并引入中心排水溝,則將事半功倍。
(5) 本工程在側洞襯砌前需要先破除中洞初期支護,而此時中洞頂部、底板防水板和中隔墻襯砌均已經施工完成,為保護該部位的防水板,設計采用了在防水板上面預先設置一塊厚1 mm , 寬800 mm 的鐵皮,但由于中洞初支采用的是人工風鎬破除和電焊割除鋼筋的辦法,極容易擊穿鐵皮,繼而損壞防水板,尤其是基底的鐵皮和防水板更是經常被拱部掉下的砼塊砸爛,雖然在施工中制定了強硬的獎罰措施,還是無法杜絕,筆者認為用鐵皮保護防水板的思路是正確的,但鐵皮過薄,而未起到有效的保護作用。
