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1、2004 年 3 月 第 33 卷第 3 期 施工技术 CONSTRUCTION TECHNOLOGY 北京地铁新线工程地下结构防水技术 摘要正在兴建的北京地铁新线工程 (含 5 号线、 4 号线、 10 号线及奥运支线等) 多为地下线, 均在市中心区第四系 北京冲洪积平原下的多层粘性土、 砂砾及卵石互层的地层中修建, 受上层滞水、 潜水及承压水的影响甚大。为确保 地铁结构不渗不漏, 满足运营安全和结构使用年限要求, 做好地铁结构永久防水至关重要。本文就北京地铁新线 工程概况、 防水原则、 防水方法及技术措施等作了较详尽的阐述。 关键词地下铁路; 防水技术; 车站防水; 隧道防水; 复合式衬砌
2、 中图分类号TU761.116文献标识码A 文章编号1002-8498 (2004) 03-0009-05 Waterproof Technology for Underground Structures of Beijing Metro New Line Projects CuI Jiu-jiang (The Second Artillery Project Design Institute,Beijing100011, China) Abstract:Many parts of Beijing Metro new line projects,which include the No.5 L
3、ine,the No.4 Line and the Olympic Branch Line and so on,are underground structures,are constructed in clay soil,gravel and cobble strata which are under the Beijing Quaternary Alluvial-proluvial Plain,and are influenced much by above stagnant water,underwater and confined water.The perma- nent water
4、proof measures of Beijing Metro are very important to ensure no seepage and leakage and to satisfy transportation safety and structure operational life requirements. In this article,the author introduces some aspects of Beijing Metro new projects such as general institution,waterproof principles,wat
5、erproof methods and technical measures and so forth. Key words:metro;waterproof technology;station waterproof;tunnel waterproof;composite lining 收稿日期2004-02-12 作者简介崔玖江 (1934) , 男, 山东日照人, 第二炮兵工程设 计研究院教授级高级工程师, 北京市人民政府专家顾问, 北京安 德里北街 18 号100011, 电话:(010) 66339802 1工程概况 北京市把城市轨道交通建设作为基础设施工程的 重点, 截止 2003
6、 年底, 北京轨道交通运营线路总里程 达到 113.96km, 居全国各大城市之冠; 同时, 正在兴建 地铁5 号线、 4 号线、 10 号线及奥运支线, 即将兴建9 号 线一期工程及首都机场线。上述几项工程均在 2008 年奥运会召开前夕建成通车, 届时北京市区将新增轨 道交通线路约达 154km。现将北京地铁 5 号线、 4 号 线、 10 号线及奥运支线工程基本情况阐述如下。 1.1地铁 5 号线 地铁 5 号线全长 27.6km、 其中地下线为 16.9km, 共设车站 22 座, 车辆基地 2 处。 1.1.1车站布设及修建方法 全线 22 座车站中, 采用明挖法修建的有 8 座、
7、浅 埋暗挖法修建的 4 座、 明挖与浅埋暗挖法相结合修建 的 4 座、 地面高架车站 5 座及地面站 1 座。 1.1.2区间隧道修建方法 5 号线地下区间隧道大部分在现状道路下方或在 道路红线拓宽范围内的建筑下方通过。现状道路交通 繁忙, 地下管线密布; 道路红线拓宽范围内建筑物密 集, 破旧程度不一, 且建筑物的拆迁不可能全部与地铁 工程同步实施。此外, 所设地铁车站大部分为双层, 因 而导致区间隧道埋置较深, 以及受地质条件和施工场 地的限制, 故大部分区间隧道采用浅埋暗挖法或盾构 法修建, 其中采用浅埋暗挖法修建的隧道有 7.99km, 采用 盾 构 法 修 建 的 5.928km,高
8、 架 及 地 面 线 路 10.89km。 1.2地铁 4 号线 地铁 4 号线全长 28.162km, 全部为地下线, 设车站 24 座, 车辆基地 2 处。 1.2.1车站布设及修建方法 全线 24 座车站中, 采用浅埋暗挖法修建的有 5 座、 明挖或盖挖与浅埋暗挖法相结合修建的 5 座、 明挖 或盖挖法修建的12 座、 地面站1 座, 改造利用车站1 座。 9 1.2.2区间隧道修建方法 地面线路长 0.173km, 采用明挖法修建的隧道长 1.750km, 采用浅埋暗挖法修建的隧道长 7.491km, 采用 盾构法修建的隧道长 12.7958km。 1.3地铁 10 号线 地铁 10
9、号线全长 32.9km, 其中地下线 32.05km, 路 堑及地面线 0.85km。该条线分两期建设, 一期工程线 路全长 24.59km, 全部为地下线, 共设车站 22 座。 1.3.1车站布设及修建方法 全线 22 座车站中, 采用浅埋暗挖法修建的有 7 座、 明暗挖法结合修建的 5 座、 明挖法修建的 9 座、 地 面站 1 座。该线换乘车站多, 初期实现换乘有 6 座, 仅 预留换乘条件的车站 6 座。 1.3.2区间隧道修建方法 采用明挖法修建的隧道长 2.693km, 采用明暗结合 法修建的隧道长 1.949km, 采用浅埋暗挖法修建的隧道 长 9.684km, 采用盾构法修建
10、的 7.685km。 1.4奥运支线 奥运支线长 5.91km (包括联络线长度) , 全部为明 挖地下线, 设明挖法修建的车站 4 座。 2工程、 水文地质条件 2.1工程地质 新建地铁线路地下车站与区间隧道埋置深度均在 20 余 m, 皆在第四系的粘性土、 砂及卵砾石层中修建, 易坍塌变形, 若有水则更易发生拱顶塌落, 导致地层发 生变位。 2.2水文地质 新建地铁线路沿线第四系地层中赋存上层滞水、 潜水及承压水。总体上看, 地下水位为北高南低, 北部 地下水埋深一般为 3 6m, 南部地下水埋深 5 14m, 局 部地段起伏较大。上层滞水普遍存在于地表以下浅部 位的杂填土、 粉质粘土、
11、砂质粉土及粉质粘土中, 其水 位及水量变化受大气降水、 地下管道渗漏等因素影响, 水位埋深 3 10m; 潜水存在于粉细砂、 中粗砂、 砾砂及 卵石层孔隙之中, 埋深 5 16m; 承压水存在于中粗砂、 砾砂及卵石层孔隙之中, 埋深 12 26m。鉴于车站及 区间隧道埋置较深, 均受上述 3 层地下水影响, 为确保 工程顺利建成, 必须妥善处理地下水对工程施工带来 的问题; 同时要确保新线工程地铁车站与区间隧道结 构防水质量, 做到不渗不漏。 3地下结构防水等级及标准 根据 地下铁道设计规范 GB50157-2003、地下铁 道工程施工及验收规范 GB50299-1999、地下工程防水 技术
12、规 范GB50108-2001、 铁 路 隧 道 设 计 规 范 TB10003-2001、 J117-2001 及 地下防水工程质量验收规 范 GB50208-2002, 以及北京地铁 5 号线、 4 号线及 10 号 线初步设计技术要求, 防水等级及标准如下: (1) 地铁车站 地下车站及人行通道均按一级 防水等级要求设计, 车站和通道结构不允许出现渗水 部位, 结构表面不得有湿渍;车站的风道、 风井等部 位均按二级防水等级要求设计, 结构不允许有漏水, 结 构表面可有少量、 偶见的湿渍, 总湿渍面积不大于总防 水面积的 6/1000, 单个湿渍的最大面积不大于 0.2m2。 (2) 区间
13、隧道 浅埋暗挖法修建隧道工程 (包括 辅助线隧道及联络通道) 的结构防水等级定为二级, 结 构不允许漏水, 隧道顶部不允许滴水, 侧墙表面允许有 少量、 偶见的湿渍, 总湿渍面积不大于总防水面积的 6/ 1000, 单个湿渍的最大面积不大于 0.2m2;盾构法施 工的隧道按二级防水标准的要求进行设计, 各部位防 水等级应满足表 1 要求。 表 1 盾构法修建隧道防水等级及标准 防水等级渗漏标准工程部位 A不允许渗漏水, 结构表面偶见湿渍点隧道上半部 B 有少量漏水点, 不得有线流和漏泥砂, 实际渗漏量 0.1L/ (m2 d) 隧道下半部、 联络 通道、 洞门 4地下结构防水原则 北京地铁新线
14、工程地下结构防水原则如下:应 按照 “以防为主, 刚柔结合、 多道设防、 因地制宜、 综合 治理” 的原则进行设计; 应坚持以混凝土结构自防水 为主, 柔性附加防水为辅;结构自防水为第 1 道防 线, 柔性附加防水层为第 2 道防线, 对于暗挖法修建的 车站与区间, 二衬与防水层之间的回填注浆为第 3 道 防线; 加强对变形缝、 施工缝、 穿墙管等特殊部位的 防水处理; 应选择具有良好的物理、 化学性能, 抗渗 性和无毒性、 耐刺穿性的防水材料, 防水材料的寿命应 尽量与结构混凝土寿命相匹配; 搞好降水与堵水, 必 须在无漏水条件下施做防水层。 5地下结构防水方法及技术措施 5.1浅埋暗挖法修
15、建地铁车站及区间隧道防水 采用复合式衬砌结构。 5.1.1复合式衬砌防水机理 复合式衬砌系分内外 2 层先后施做的隧道或车站 衬砌, 即在隧道开挖后立即施作喷射混凝土配合超前 小导管注浆、 网构钢架、 挂钢筋网作为初期支护, 对于 盖挖法修建车站则是连续墙或钻孔桩围护结构, 经监 控量测确认围岩及初期支护基本稳定后, 即铺设防水 隔离层, 防水隔离层多采用不透水、 表面光滑的塑料板 材; 然后, 立即灌注防水混凝土, 作为二次衬砌。复合 式衬砌防水构成 3 道防水防线: 初期支护、 防水层及二 次衬砌模注防水混凝土, 三者相辅相成, 缺一不可。防 水层不仅起到防水作用, 而且对初期支护喷射混凝
16、土 01 施工技术第 33 卷 和二次衬砌的模注混凝土来说, 起到隔离和润滑作用, 防止二次衬砌模注防水混凝土开裂, 保护和发挥二次 衬砌的模注防水混凝土的防水作用。隧道或车站复合 式衬砌中, 如不用表面光滑的塑料板材作防水层, 由于 模注防水混凝土在硬化过程中, 内部存在温度应力、 收 缩应力, 使防水混凝土产生变形, 但由于初期支护喷射 混凝土表面粗糙、 凹凸不平则对模注防水混凝土有着 相当大的约束力, 阻止其变形, 于是就产生了拉应力, 当此拉应力大于模注防水混凝土抗拉强度时, 混凝土 被拉裂, 特别是在隧道起拱线应力集中区产生的裂缝 最多。国内外大量工程实践证明, 隧道采用复合式衬 砌
17、结构, 在初期支护喷射混凝土和二次衬砌模注防水 混凝土之间采用高分子树脂板材 (如 ECB、 EVA 板材 等) 作防水隔离层, 其防水效果好。复合式衬砌防水层 做法如图 1、 2 所示。 图 1 浅埋暗挖法修建地铁车站复合式衬砌防水做法 图 2 浅埋暗挖法修建区间隧道复合式衬砌防水做法 5.1.2防水层材料的选择 北京地铁复 - 八线区间复合式衬砌隧道防水层选 用厚 0.8mm LDPE (低密度聚乙烯膜) 、 车站选用厚 1.2mm ECB (乙烯-醋酸乙烯沥青共聚物) 板和厚 4mm PE 泡沫塑料垫衬作缓冲层。经工程实际检验, 厚 0.8mm LDPE 膜偏薄, 抗刺穿能力较差。因此,
18、 北京地 铁新线工程区间复合式衬砌隧道防水除二次衬砌仍采 用抗渗等级不小于 S8 的自防水混凝土外, 在初期支护 与二次衬砌之间所设置的全包防水板宜采用抗拉强度 高、 断裂伸长率大、 具有一定抗刺穿性能的 ECB 防水 板, 厚度不得小于 1.5mm。铺设防水层前需在喷射混 凝土初衬表面铺设缓冲层, 缓冲层采用不小于 400g/m2 的土工布。 ECB 防水板相对密度 0.99, 拉伸强度纵向 19MPa、 横向 17.3MPa, 断裂延伸率纵向 748%、 横向 778%。上述 指标及抗刺穿性能均优于 LDPE膜、 EVA 膜及 PVC板。 因地下车站与地下区间隧道全部为钢筋防水混凝 土,
19、基于 ECB 防水板除具有抗拉强度、 延伸率大等性能 外, 还具有一定抗刺穿能力, 故车站选用厚 2.0mm ECB 防水板, 区间隧道选用厚 1.5mm ECB 防水板, 缓冲层均 选用 400g/m2土工布。 5.1.3车站及区间隧道结构防水做法 车站及区间隧道主体结构应全部采用防水混凝土 进行结构自防水, 防水混凝土强度等级为 C30, 抗渗等 级根据结构的埋置深度确定, 但不得小于 S8; 防水混凝 土结构底板的混凝土垫层强度等级不应小于 C15, 厚 度不应小于 150mm; 防水混凝土结构的厚度不得小于 25cm; 裂缝宽度不得大于 0.2mm, 并且不得出现贯通裂 缝; 防水混凝
20、土结构迎水面钢筋保护层的厚度不应小 于 50mm; 结构自防水混凝土在设计和施工过程中, 要 求采取切实有效的防裂、 抗裂措施, 并保证混凝土良好 的密实性、 整体性, 减少结构裂缝的产生, 提高结构自 防水能力。 5.1.4车站与区间隧道防水层做法及衬砌背后注浆 (1) 铺设防水层的初期支护表面不得有明水流, 否 则应对喷射混凝土初衬背后进行注浆堵漏处理 (超前 管棚支护段或漏水量较大的部位) 或表面刚性封堵处 理 (一般渗漏部位) ; 底板喷射混凝土基面上如有积水, 可在初支表面的最低处设置排水盲管进行引排。 (2) 防水板铺设必须应用无钉铺设工艺及板间接 缝为热熔双焊缝。 (3) 区间隧
21、道内设置防水封闭区, 利用在施工缝部 位设置的背贴式止水带将隧道分割成各自独立的防水 区域。在每个防水封闭区内设置 2 3 个预埋注浆管, 注浆管固定在防水层表面, 便于后续注浆堵漏处理; 注 浆材料可选用水灰比为 1: (0.4 0.5) 的普通水泥浆, 在水泥浆中添加 2% 3%的微膨胀剂; 注浆压力根据 实际情况确定, 但不小于 0.2MPa。 (4) 对车站顶纵梁初支背后进行注浆处理, 防止此 部位形成积水区域。鉴于车站顶拱部位的模注混凝土 不易浇注密实, 为避免在此部位产生积水, 应对顶拱结 构背后 (防水层和二衬模注混凝土之间) 采用水泥浆进 行注浆。 (5) 暗挖车站顶、 底纵梁
22、部位的防水措施浅埋暗 挖法施工的车站采用分步分块开挖支护的施工方法, 防水层和模注混凝土均须分步施工, 在破除导洞和临 112004 No.3 崔玖江: 北京地铁新线工程地下结构防水技术 时支撑以及预埋钢筋时对防水层的预留搭接部位的破 坏比较严重, 因此采取如下措施对防水层进行保护: 铺设缓冲层和防水板前, 先铺设 0.6 1mm厚的外侧钢 板保护层, 钢板保护层用水泥钉直接固定在基面上, 但 要求水泥钉头部不得突出, 避免硌破防水层。外侧钢 板要求能够压在模注混凝土中至少 20cm, 未压入的部 分宽度不得小于 60cm;按要求铺设缓冲层材料和防 水板, 缓冲层和防水板的预留搭接宽度不大于
23、60cm; 在防水板表面固定内侧保护钢板, 不得采用水泥钉 穿透防水板, 应采取措施将钢板固定在结构的外侧钢 筋上, 但要求内侧钢板紧贴在防水层表面, 必要时在防 水板和保护钢板之间增设 1 道土工布保护层;二衬 模注混凝土拆模后, 将内外侧保护钢板和防水层以及 缓冲层均向洞内弯起并固定在二衬模注混凝土上, 防 止后续施工对防水板的破坏;导洞或临时支撑拆除 后, 进行防水板的搭接铺设。 5.1.5车站与区间隧道施工缝、 变形缝防水措施 (1) 施工缝车站与区间隧道分段浇注的混凝 土施工缝分为纵向和环向 2 种, 采用遇水膨胀腻子条 和预埋注浆管的方法进行加强防水处理, 当施工缝部位 出现渗漏水
24、时, 可利用预埋注浆管进行注浆堵漏处理。 (2) 变形缝车站的变形缝设置在车站和区间、 车 站和出入口以及车站和风道的接口部位, 区间隧道的 变形缝则设置在区间隧道与车站、 区间隧道与联络通 道接口部位。变形缝的宽度一般为 20 30mm。采取 以下处理措施:在变形缝部位的模注混凝土外侧设 置背贴式止水带, 利用背贴式止水带表面突起的齿条 与模注防水混凝土之间的密实咬合进行密封止水, 同 时在背贴式止水带两翼的最外侧齿条的内侧根部固定 注浆管, 利用注浆管表面的出浆孔将浆液均匀地填充 在止水带齿条与混凝土的空隙部位, 达到密封止水的 目的。注浆液可以采用水泥浆, 也可以采用化学浆液。 背贴式止
25、水带同时起到在隧道内形成防水封闭区的作 用。在变形缝部位设置中埋式止水带, 可采用橡胶 止水带或钢边橡胶止水带。变形缝内侧采用密封膏 进行嵌缝密封止水, 密封膏要求沿变形缝环向封闭。 5.2盾构法修建区间隧道防水 盾构法修建区间隧道系采用机械开挖、 钢筋混凝 土管片衬砌。北京地铁新线工程采用盾构法修建区间 隧道为圆形, 内径 5.4m, 外径 6.0m, 管片厚 0.3m, 长 1.2m, 每环由 6 片管片组成, 管片间用弯螺栓连接, 环 向每接缝有 2 个螺栓, 纵向设 16 个螺栓。钢筋混凝土 管片采用防水混凝土, 管片接缝采用橡胶密封垫止水, 对螺栓孔、 注浆孔等特殊部位要进行防水密封
26、处理。 (1) 衬砌自身应具有良好的防水能力, 管片混凝土 强度等级为 C50、 抗渗等级 S10。 (2) 盾构区间隧道与旁通道接口的防水要重点加 强, 因区间隧道的联络通道采用浅埋暗挖法施工, 因此 可按复合式衬砌防水做法进行处理。 (3) 应加强盾构隧道与端头井的接头防水, 包括施 工阶段的临时接头与竣工后的永久接头防水。临时接 头主要由帘布橡胶圈及其压紧装置构成, 辅以井圈注 浆堵水。永久接头为钢筋混凝土接头, 它与井壁、 管片 的接缝也应由多道柔性防水材料密封。 (4) 特殊部位防水措施 衬砌管片外弧设置 1 道防水弹性密封垫; 弹性密封垫在管片张开量为 5mm 时应能承受 0.6M
27、Pa 的水压; 衬砌管片内弧侧预留嵌 缝槽, 管片拼装完毕后在预留凹槽内采用密封胶进行 嵌缝密封; 对每个螺栓孔、 注浆孔均设置密封垫圈; 衬砌管片环向密封垫圈选用三元乙丙橡胶, 螺栓孔 密封垫圈和注浆孔密封垫圈选用缓膨胀遇水膨胀橡 胶; 在盾构隧道变形缝部位的密封垫表面粘贴 1 道 遇水膨胀橡胶条进行加强防水处理;区间联络通道 两端采用背贴式止水带和预埋注浆管的方法进行防水 处理。 5.3盖挖法修建地铁车站防水 所谓盖挖法是先短时占路, 施作车站支护结构和 顶盖或临时顶盖, 恢复地面交通, 然后在支护结构和顶 盖的保护下进行地下土方开挖和施作防水、 衬砌结构 的修建地铁车站或地下构筑物的一种
28、方法。盖挖法做 衬砌结构的施作顺序又分为盖挖逆作法和盖挖顺作 法。盖挖逆作法防水及衬砌结构由上而下施作, 盖挖 顺作法防水及衬砌结构系由下而上施作。 5.3.1盖挖逆作法 顶板一般采用 2 层厚 4.0mm SBS 卷材作防水层, 边墙及顶板应采用厚 2.0mm ECB 板 + 400g/m2土工布 作防水层。由于 ECB 防水板含有沥青材料, 故顶板 SBS 卷材可与 ECB 热熔成为一体。盖挖逆作法防水板 施工接头多, 衬砌混凝土施工缝多, 因此严格施工工艺 和管理对于保证防水层质量十分重要。 5.3.2盖挖顺作法 盖挖顺作法的结构防水同敞口明挖车站的结构防 水做法。 5.4敞口明挖车站及
29、区间隧道防水 采用钻孔灌注桩支护敞口明挖车站防水做法如图 3 所示。 5.4.1主体结构防水技术措施 (1) 车站与区间结构的顶板、 侧墙和底板采用防水混 凝土进行结构自防水, 防水混凝土的抗渗等级根据结构 的埋置深度确定, 但车站不得小于 S8, 区间不得小于 S6。 21 施工技术第 33 卷 图 3 桩支护敞口明挖车站防水做法 (2) 防水混凝土结构的厚度不得小于25cm; 裂缝宽 度不得大于 0.2mm, 并且不得出现贯通裂缝。 (3) 防水混凝土结构迎水面钢筋保护层的厚度不 应小于 50mm。 (4) 结构自防水混凝土在施工过程中, 要求采取切实 有效的防裂、 抗裂措施, 并保证混凝
30、土良好的密实性、 整 体性, 减少结构裂缝的产生, 提高结构自防水能力。 (5) 除结构自防水外, 在结构外侧铺设柔性全包防 水层, 顶板防水层采用与结构密贴的防水材料, 侧墙和 底板采用 “外防外贴” 法铺设防水层, 防水层宜采用与 结构表面粘贴的防水材料, 并根据选用的防水材料的 种类采取相应的保护措施。 5.4.2施工缝、 变形缝防水技术措施 (1) 施工缝 墙体纵向施工缝不得留在剪力与 弯矩最大处或底板与侧墙的交接处, 应留在高出底板 表面不小于 300mm的墙体上。分段浇注的混凝土施工 缝为纵向施工缝和环向施工缝 2 种, 均采用 1 道防线 进行防水处理。环向施工缝的间距不宜过大,
31、 避免 两施工缝之间的结构出现收缩裂缝引起渗漏水, 环向 施工缝的间距不宜大于 24m。纵向施工缝和环向施 工缝既可采用缓膨胀型遇水膨胀腻子条进行防水处理, 也可以采用中埋式止水带进行防水处理。遇水膨胀腻 子条应固定在施工缝表面预留的凹槽内, 后续混凝土 浇注前, 凹槽外的施工缝表面须凿毛处理后涂刷界面 剂。中埋式止水带可采用钢板和遇水膨胀腻子的复合 止水带或钢边橡胶止水带与膨胀腻子的复合止水带。 (2) 变形缝 在变形缝部位的模注混凝土外侧 设置背贴式止水带, 利用背贴式止水带突起的齿条与 模注防水混凝土之间的密实咬合进行密封止水, 同时 在背贴式止水带两翼的最外侧齿条的内侧根部固定注 浆管, 利用注浆管表面的出浆孔将浆液均匀地填充在 止水带齿条与混凝土的空隙部位, 达到密封止水的目 的, 注浆浆液可采用水泥浆或化学浆液。在变形缝 部位设置中埋式止水带, 止水带可以采用橡胶止水带, 也可以采用钢边橡胶止水带, 无论采用哪种止水带, 均 要求在止水带的表面现场粘贴缓膨胀型遇水膨胀腻子 条。变形缝内侧采用双组分聚硫橡胶进行嵌缝密封 止水。 312004 No.3 崔玖江: 北京地铁新线工程地下结构防水技术
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