深圳地铁7号线工程结构自防水设计探讨

吕宝伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院，天津 300251)

1 工程概况

1.1 设计概述

深圳地铁7号线东西向横穿深圳市区,线路布局呈“V”形。线路起自南山区丽水路,途经南山区、福田区、罗湖区3个行政区,终至罗湖区太安路,线路全长约30.31 km。全线共设车站28座,其中设11座换乘站,全部为地下车站。在西丽站、安托山站、下沙站分别设置与5、2、9号线的联络线。在深云站东侧及安托山站北侧引出出入线分别与安托山停车场和深云车辆段衔接。

1.2 工程及水文地质条件

深圳市地铁7号线工程沿线位于冲洪积平原、台地及丘陵,地下水位高、补给来源丰富,地下水对混凝土和钢筋具有不同程度的腐蚀性。地铁结构基本修建在含水和透水地层中,砂层厚、回填土石多、渗透系数大。根据深圳市地铁7号线工程沿线地下水赋存条件、含水介质及水力特征分析,地下水主要有2种基本类型,分别为松散岩类孔隙水和基岩(构造)裂隙水。

根据水质分析和侵蚀性CO2测定。根据水质分析成果资料,按照相应的评价条件,综合评价地下水对建筑材料的腐蚀性。 按照国家标准《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)第12.2条规定,对地下水水样进行了腐蚀性评价：地下水对混凝土结构具微腐蚀性～中等腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性；对钢结构具微腐蚀性。

2 设计中需要解决的主要问题

地铁结构防水是一项系统工程,包括结构自防水、接缝防水、附加防水加强层及附属措施等子项目,各子项目的防水效果均会影响地铁结构整体防水质量。地下工程应以混凝土结构自防水为主,以接缝防水为重点,并辅以附加防水层加强防水,满足结构使用要求[1]。

针对深圳地铁工程存在的防水难题,结合深圳地铁一、二期工程经验教训,深圳地铁7号线工程设计中需要重点解决的问题为混凝土结构自防水。

3 混凝土结构自防水

做好混凝土结构自防水,主要需要解决防水混凝土的抗渗等级、裂缝控制及混凝土的耐久性3个问题。

3.1 深圳地铁一期工程结构防水的研究过程及结论

地铁结构防水作为世界难题一直困扰着地铁工程建设,深圳地区曾多次组织专家开展专题研究,也曾搜集和整理了国内外近50年来地铁及地下工程结构的各种不同防水方案,早期注意力主要集中在防水材料上,主要有刚性防水材料、柔性防水材料、卷材、涂料等,并对众多材料进行了认真研究,为此也耗费了大量的人力、物力、财力。然而,解决了材料的质量而解决不了施工工艺,即优良环境下的高级材料实验、恶劣环境下的低级质量施工；理想完善的防水方案、现实缺陷的防水效果,总是无法实现设计意图,达不到较理想的防水效果。

深圳地铁一期工程针对普遍存在的防水难题,在抗渗、抗裂高性能混凝土方面进行了深入研究,得出如下结论。

(1)地铁结构防水根本在于“混凝土结构自防水”

地铁结构防水须从源头抓起,从设计理念做起。防水设计原则是地铁结构设计的基本出发点。各地的防水设计原则为：上海地铁“以防为主,多道设防,因地制宜,综合治理,防排结合”；广州地铁“以防为主、刚柔相济、多道设防、因地制宜、防堵结合、综合治理”；香港地铁：“以混凝土自防水为主,防排结合”。从中可以看出，只有香港地铁明确指出“以混凝土自防水为主”。而国内地铁防水设计,往往重防水材料,轻防水混凝土,造成防水效果往往事与愿违。

在深圳地铁一期工程设计之初,进行了长达1年多的方案设计论证,通过数10次专题技术研讨会,终于基本达成共识：地铁工程结构防水的根本在于“钢筋混凝土结构自防水”,这是其他任何防水措施都无法替代的。

经过大量的现场实验,无论是采用全包防水还是采用局部防水,其最终防水效果都取决于混凝土自身的防渗、抗裂质量。因此,应当树立以混凝土自防水为防水之本的设计理念,确保防水混凝土达到规定的密实性、抗渗性和抗裂性,才能有效地防水、防腐,从而提高耐久性。

(2)混凝土实际强度偏高是结构防水效果不良的主要原因

提到混凝土质量,人们自然想到的重点是如何提高强度指标和抗渗指标。造成这一概念的原因是多方面的,包括受到规范的制约,以及防水混凝土检测标准不科学等因素的影响。实际上这是一个误区,因为强度、抗渗等级越高,越容易开裂。在C30、P8防水混凝土施工中,经常出现“指标”达标,但防水效果却不达际的现象。由于重视“强度指标”、“抗渗指标”而无抗裂检测标准和手段,以及片面追求高强度和高抗渗性能,最终得到的却是低抗裂的混凝土。因此,正确的途径应当是如何提高防水混凝土的抗裂性。大量实践证明,要解决地下结构防水、防腐,必须彻底解决裂缝问题。否则一旦开裂,结构的抗渗、防腐、耐久性都成为空话。

混凝土实际强度偏高是造成地下结构防水混凝土出现规律性开裂的主要原因,在深圳地铁部分出现开裂的车站中,对主体结构C30、P8防水混凝土实际强度的不完全统计发现：试块强度代表值介于54～60 MPa,达到设计标准强度的183%～200%。C30、P8混凝土的实际平均强度为标准强度的190%,严重超强。如表1所示。

表1 部分出现开裂的车站主体结构混凝土强度统计

由于车站主体结构C30、P8防水混凝土的实际强度大大超出设计强度,对混凝土抗裂性能非常不利。随着混凝土龄期增长,以及各种环境因素的变化,造成地下结构普遍出现龟性开裂。

(3)水泥用量和坍落度是影响混凝土开裂的2个主要因素

根据大量混凝土自防水技术措施和施工工艺的调研,并通过对混凝土实际强度偏高的众多因素进行的对比实验,发现水泥的用量和坍落度是混凝土产生裂缝最敏感的2个因素。

①水泥用量

众所周知,水泥用量越多、强度越高,抗裂性越差。因此,深圳地铁将人、财、物集中在防止混凝土开裂的科技攻关,经过深入研究发现：大幅度降低水泥用量而同时增加优质粉煤灰用量是最有效的防渗、抗裂措施之一。见表2。

表2 某车站裂缝实测记录

②混凝土坍落度

通常为了施工方便会将混凝土坍落度提高,通过现场调研发现：降低混凝土坍落度是解决裂缝的另一个有效的途径。在同等条件下,混凝土坍落度越小,施工后主体结构出现的裂缝越少。不同坍落度混凝土各龄期收缩见表3。

表3 不同坍落度各龄期收缩

现场实例：在深圳地铁某车站主体结构施工时,混凝土坍落度控制在 150 mm以内,发现其车站主体结构 100 m的内墙就出现裂缝 4条。而在同等条件下,当特别要求其混凝土坍落度控制在 120 mm以内时,该车站主体结构104.4 m的内墙仅出现裂缝2条,裂缝减少了50%。

3.2 系统解决方案

根据前述的研究分析,对地铁结构防水制定了系统解决方案,首先将深圳地铁一期工程防水原则“以防为主”修改为“以混凝土结构自防水为主”,并提出以下具体措施。

(1)严格控制主体结构的实际强度

在满足荷载条件的前提下,尽可能选用中低强度的混凝土。

(2)优化配合比设计

胶凝材料用量应根据混凝土的抗渗等级和强度等级选用,其总量不宜小于320 kg/m3,在满足混凝土抗渗等级、强度等级和耐久性条件下,水泥用量不宜小于260 kg/m3[2]。

(3)严格控制混凝土的坍落度

注意在降低坍落度时必须配置相应的施工设备,明确坍落度的最高限值,防水混凝土采用预拌混凝土时,入泵坍落度宜控制在120～120 mm；坍落度每小时损失值不应大于 20 mm以内。坍落度总损失值不应大于40 mm[2]。为达到此目标,目前国产混凝土输送泵的质量是降低坍落度的最大障碍,故建议采用进口混凝土输送泵。

4 结论及建议

4.1 结论

通过对深圳地铁车站结构防水的研究以及实践应用,对地铁结构自防水问题归纳总结出了以下系统解决方案。

(1)防止混凝土开裂为重点；

(2)减少混凝土中水泥用量增加优质粉煤灰,降低混凝土的坍落度。

4.2 建议

由于地铁结构抗裂是地铁工程质量的关键,确保每一个施工环节优质可靠,在主体结构的施工中应做出以下规定。

(1)主体结构施工缝间距宜控制在16 m以内,底板、边墙、中板、顶板应分别灌注,严禁板、墙同时灌注混凝土。

(2)严格控制混凝土的入模温度不宜高于35 ℃,应尽可能避免在高温时段灌注混凝土。

(3)结构防水混凝土施工必须无水作业,以确保混凝土质量。

(4)主体结构施工时应采取的防止混凝土开裂措施主要有：拆模时间不宜过早；混凝土的养护要及时到位；全面推广混凝土养护自动水喷淋系统等。

(5)使用优质、高效的混凝土输送泵,控制混凝土的坍落度。

[1] GB50157—2003 地铁设计规范[S].

[2] GB50108—2008 地下工程防水技术规范[S].

[3] SJG05—96 深圳地区建筑深基坑支护技术规范[S].

[4] GB50446—2008 盾构法隧道施工与验收规范[S].

[5] TB10003—2005 铁路隧道设计规范[S].