淺論地鐵工程動(dòng)態(tài)防水摘要:針對(duì)地鐵工程不同于地面建筑的特點(diǎn),提出地鐵防水應(yīng)動(dòng)態(tài)適應(yīng)不斷變化的地下工程環(huán)境,進(jìn)行動(dòng)態(tài)防水;并從材料和工藝兩個(gè)方面分析了如何實(shí)現(xiàn)地鐵工程的動(dòng)態(tài)防水。關(guān)鍵詞:地鐵工程;動(dòng)態(tài)防水 地鐵防水與地面建筑防水相比具有以下特點(diǎn):第一,地鐵建造期和運(yùn)營(yíng)期內(nèi)圍巖應(yīng)力、變形都處于不斷調(diào)整中,由于地層圍巖的不均勻性,導(dǎo)致圍巖應(yīng)力、變形沿隧道縱向和環(huán)向的分布不均勻。第二,地鐵結(jié)構(gòu)通常建于地下水位以下,結(jié)構(gòu)被有壓地下水所包圍,防水材料稍有破損就可能導(dǎo)致滲漏,在水壓力作用下滲漏量和滲漏范圍有加大趨勢(shì)。第三,地鐵開(kāi)挖、支護(hù)面不規(guī)則,導(dǎo)致防水層敷設(shè)面凹凸不平,這要求防水材料必須具有較大的變形能力以適應(yīng)不規(guī)則結(jié)構(gòu)面。第四,初期支護(hù)和二次襯砌在圍巖的作用下,也處于不斷變形中,防水層必須具有適應(yīng)其變形的能力。因此,地下結(jié)構(gòu)防水較地面建筑防水更復(fù)雜,可控制性更差,這就要求防水材料及防水結(jié)構(gòu)能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)不斷變化的地下工程環(huán)境,從而達(dá)到動(dòng)態(tài)防水的目的。1動(dòng)態(tài)防水理念及特性 所謂動(dòng)態(tài)防水,就是根據(jù)滲入地鐵結(jié)構(gòu)的地下水情況或結(jié)構(gòu)的變形情況,依靠結(jié)構(gòu)及防水材料自身特點(diǎn)或采用特殊工藝措施,適時(shí)地進(jìn)行主動(dòng)防水。動(dòng)態(tài)防水是根據(jù)地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性提出來(lái)的,筆者認(rèn)為其特性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):1)防水的自我調(diào)節(jié)性 自我調(diào)節(jié)性能是指防水材料根據(jù)外部環(huán)境情況的變化,自我調(diào)節(jié)其物理、化學(xué)性能,達(dá)到最佳防水狀態(tài)的能力。其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①利用材料的物理性能止水,包括材料的吸水膨脹特性、滲透擴(kuò)散特性、抗拉壓能力及耐伸縮疲勞性等;②利用材料的化學(xué)反應(yīng)性能止水,包括材料與水反應(yīng)結(jié)晶沉淀、吸水生成膠粘體及耐侵蝕性物質(zhì)等;③利用材料的構(gòu)造性能止水,如采用可排水式止水帶,其自身攜帶的排水管可將外部水排入排水設(shè)施,消除作用在止水帶上的外水壓力。2)適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形的能力 由于支護(hù)結(jié)構(gòu)面凹凸不平,防水材料鋪掛后,在混凝土澆注過(guò)程中會(huì)對(duì)防水材料產(chǎn)生較大的張拉應(yīng)力,同時(shí),外水壓力的存在也會(huì)對(duì)材料施加較大張拉作用力。另一方面,對(duì)于粘附型防水材料,圍巖變形導(dǎo)致支護(hù)基面混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂或內(nèi)襯混凝土開(kāi)裂,在開(kāi)裂區(qū)域?qū)Ψ浪畬赢a(chǎn)生應(yīng)力集中,這些都要求防水材料具有較大的適應(yīng)變形的能力。材料的變形適應(yīng)能力包括:①改善自身的抗拉強(qiáng)度來(lái)抵抗外荷載作用;②提高自身的延伸率來(lái)適應(yīng)較大的結(jié)構(gòu)變形。3)材料本身的自我修復(fù)能力 防水材料在施工過(guò)程中可能會(huì)被基面尖銳物體刺破;結(jié)構(gòu)變形超過(guò)材料變形能力時(shí),防水材料會(huì)開(kāi)裂,此時(shí),需要防水材料在發(fā)生微小損傷的情況下具有自我修復(fù)功能,及時(shí)封閉損傷部位,發(fā)揮正常防水功能。2動(dòng)態(tài)防水的分類 可簡(jiǎn)單地將動(dòng)態(tài)防水分為材料動(dòng)態(tài)防水和結(jié)構(gòu)工藝動(dòng)態(tài)防水,如圖1所示。材料動(dòng)態(tài)防水是利用和發(fā)揮某些材料在防水方面的某些優(yōu)勢(shì),達(dá)到有效堵水的目的;結(jié)構(gòu)工藝動(dòng)態(tài)防水就是通過(guò)采取某些工藝措施,來(lái)控制防水層外部水環(huán)境,為更好地發(fā)揮防水材料的性能創(chuàng)造有利條件。2.1材料動(dòng)態(tài)防水1)利用材料的水化學(xué)反應(yīng)特性 結(jié)構(gòu)混凝土或防水材料中的化學(xué)成分與水等外界物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成體積較大的新成分,逐漸沉積于材料裂縫位置,填充微小裂紋空隙,從而達(dá)到堵塞滲水通道的目的?；炷亮芽p的自愈現(xiàn)象是混凝土中的化學(xué)成分與水、空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),自動(dòng)堵塞裂縫滲水的例子,其原理是混凝土裂縫處的CaO與水化合形成Ca(OH)2,游離的Ca(OH)2溶解于水,并沿裂縫向洞內(nèi)浸出,與洞內(nèi)空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng),形成體積較大的CaCO3白色沉淀物;CaCO3白色沉淀物在裂縫內(nèi)部則封閉裂縫,在結(jié)構(gòu)表面則形成白色斑痕。當(dāng)裂縫寬度在0.1～0.2mm左右,水頭壓力不大(水頭<15～20m)時(shí),容易出現(xiàn)自愈現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)滲漏隨時(shí)間而逐漸減緩直至全部自封。當(dāng)外水壓力大或裂縫寬度超過(guò)0.2～0.3mm時(shí),裂縫滲漏量會(huì)逐漸加大,乃至發(fā)展為嚴(yán)重滲漏水,因此此類裂縫一般不會(huì)自愈。2)利用材料的遇水膨脹特性 材料的遇水膨脹特性是指材料中含有吸水性物質(zhì),遇水后能吸收周圍的水分,使體積明顯脹大,從而達(dá)到擠壓裂縫空隙、堵塞滲水通道的目的。遇水膨脹是該類材料的一種物理屬性,常見(jiàn)的遇水膨脹橡膠就是這種材料,通常用于制作止水條及止水帶。以BW型止水條為例,它是以橡膠、無(wú)機(jī)及有機(jī)吸水材料、高粘性樹(shù)脂等十余種材料經(jīng)密煉、混煉、擠制而成,斷面為四方形的條狀自粘性遇水膨脹型止水條。該材料依靠自身的粘性直接粘貼在混凝土施工縫界面,遇水后會(huì)逐漸膨脹,一方面堵塞可能存在的毛細(xì)孔隙,另一方面使其與混凝土界面的接觸更加緊密,從而產(chǎn)生較大的抗水能力,具有優(yōu)良的阻水抗?jié)B性能。BW型止水條的膨脹率最高可達(dá)300%～500%,膨脹時(shí)間在1～4h,因此,要保證該類止水材料在施工前與水隔離,裂縫張開(kāi)量不能超出材料的膨脹范圍。 還如,膨潤(rùn)土防水板中的膨潤(rùn)土具有強(qiáng)大的膨脹力,遇水后會(huì)自動(dòng)追尋縫隙,填補(bǔ)這些縫隙,使混凝土的密實(shí)性得到提高。由于和水分接觸,膨潤(rùn)土顆粒迅速膨脹到原來(lái)大小的10～15倍,形成一層凝膠狀態(tài)的不透水層。當(dāng)施工、地震等因素影響使結(jié)構(gòu)位移,造成膨潤(rùn)土板移動(dòng)或斷裂時(shí),新暴露出來(lái)的膨潤(rùn)土也能由于水的作用而形成一層新的防水凝膠層。這種在地下閉合環(huán)境里形成的薄膜狀防水凝膠層,具有粘膠特性,在地下構(gòu)筑物外壁面的縫隙中發(fā)揮永久的自封能力,不因時(shí)間推移而失效。3）利用材料較大的斷裂延伸特性 從斷裂延伸率的定義可以看出,防水材料的斷裂延伸率越大,對(duì)建筑物基層裂縫的變形適應(yīng)能力越強(qiáng)。對(duì)于塑料防水板材,鋪掛施工時(shí),由于支護(hù)面的不規(guī)則,斷裂延伸率必須具有足夠的富余量。對(duì)于粘附于基層上的噴涂類防水材料,當(dāng)?shù)撞陌l(fā)生裂紋時(shí), 覆蓋在底材上的防水層可以隨同裂紋擴(kuò)展一起伸長(zhǎng)而不斷裂,此種伸長(zhǎng)稱為零檔伸長(zhǎng),它是構(gòu)成材料動(dòng)態(tài)防水性能的重要因素。零檔伸長(zhǎng)也可稱為耐龜裂性或抗裂性。零檔伸長(zhǎng)和防水層的某些特征參數(shù)存在如下關(guān)系[1]: 式中:L———零檔伸長(zhǎng)(cm);RS———防水層的伸長(zhǎng)能力;d———防水層的厚度;TS———防水層對(duì)底材的剪切粘結(jié)力。其中: 式中:σ———防水層的抗拉強(qiáng)度;E———防水層的延伸率;Em———防水層的斷裂伸長(zhǎng)率。 從式(1)可以看出,防水層越厚,彈性(伸長(zhǎng)能力)越大,零檔伸長(zhǎng)就越大。相反,粘結(jié)強(qiáng)度越大,零檔伸長(zhǎng)就越小。對(duì)噴涂類防水材料,要取得較好的動(dòng)態(tài)防水性能,一方面,在防水層厚度一定的條件下,必須選擇那些彈性(拉伸強(qiáng)度和延伸率)好、粘結(jié)強(qiáng)度小、耐久性佳的材料;另一方面,在材料選定的情況下,可適當(dāng)提高防水材料的施工厚度。當(dāng)然,粘結(jié)強(qiáng)度的降低是在保證防水材料與基面的有效粘附條件下的降低。(4)利用微細(xì)材料的滲入特性 防水材料的滲入特性是利用防水材料中的微細(xì)成分,以水為載體向混凝土內(nèi)部滲透,在混凝土中形成不溶于水的結(jié)晶體,填塞毛細(xì)孔道,從而使混凝土致密防水。水泥基滲透結(jié)晶型防水材料是此類材料的典型代表,它是由水泥、石英砂、活性化學(xué)物質(zhì)等材料組成的白色或灰色粉末狀材料,在水的引導(dǎo)下,以水為載體,借助強(qiáng)有力的滲透性,在混凝土微孔及毛細(xì)管中進(jìn)行傳輸、充盈,發(fā)生物化反應(yīng),形成不溶于水的枝蔓狀結(jié)晶體,其結(jié)晶體與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合成封閉式的防水層整體,能堵塞來(lái)自任何方向的水流及其他液體侵蝕,其產(chǎn)品分為涂料型和防水劑兩大類。水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料是一種粉狀材料,經(jīng)與水拌和可配成刷涂或噴涂在水泥混凝土基面的漿料,亦可將其以干粉撒覆并壓入未完全凝固的水泥混凝土表面;水泥基滲透結(jié)晶型防水劑則是一種摻入混凝土內(nèi)部使用的粉狀材料。 有試驗(yàn)表明,水泥基滲透結(jié)晶防水材料能長(zhǎng)期承受強(qiáng)水壓。在50mm厚的混凝土試件上涂刷兩層水泥基滲透結(jié)晶防水材料,即可承受高達(dá)123.4m的水頭壓力(1.2MPa);將試件放置在戶外半年,其滲透深度可達(dá)10～15cm左右,且滲透深度會(huì)隨時(shí)間而逐漸增大;另外,如后期產(chǎn)生新的裂縫,此類材料中的催化劑遇水可激活內(nèi)部呈休眠狀態(tài)的活性物質(zhì),產(chǎn)生新的結(jié)晶體將縫隙堵塞,對(duì)小于0.4mm的裂縫都可自我修復(fù)[2]。(5)利用材料的特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式 通過(guò)對(duì)防水材料的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),可消除外部環(huán)境對(duì)防水材料的不利影響,最大限度地發(fā)揮材料的防水功能。例如,可排水型復(fù)合橡膠止水帶解決了現(xiàn)有內(nèi)置式止水帶存在的兩點(diǎn)不足:一是不具備排水卸壓能力,即當(dāng)?shù)叵滤畯膰鷰r滲入襯砌三縫并遇止水帶阻礙時(shí),滲水沿縫下滲較難,使止水帶外側(cè)水壓增加而導(dǎo)致滲水繞止水帶滲漏;二是混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的干縮,使止水帶與其周圍混凝土結(jié)合不夠密實(shí),容易造成滲水沿止水帶與混凝土的界面滲出。可排水型復(fù)合橡膠止水帶能通過(guò)自身帶有的排水通道排水降壓,并通過(guò)遇水膨脹橡膠條提高止水帶與混凝土界面的抗?jié)B能力,真正做到隧道堵排結(jié)合、無(wú)壓防水。2.2結(jié)構(gòu)工藝動(dòng)態(tài)防水(1)結(jié)構(gòu)縫隙設(shè)置遇水膨脹型防水材料 結(jié)構(gòu)的“三縫”———施工縫、伸縮縫和沉降縫是滲漏水的多發(fā)地帶,防水設(shè)計(jì)時(shí),在這些縫隙間設(shè)置遇水膨脹型防水材料是十分必要的。通過(guò)該類材料的自身遇水膨脹擠密縫隙兩壁,可達(dá)到堵水、截水的目的。(2)控制結(jié)構(gòu)外水壓力 很多防水材料在水壓較低的條件下,可以很好地堵水,但當(dāng)水壓升高到某一水平時(shí)便降低或失去防水作用,因此,控制結(jié)構(gòu)外水壓力在某一合理水平上,對(duì)發(fā)揮防水材料性能的作用較大。水壓控制式的排水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以解決上述問(wèn)題,通過(guò)在排水系統(tǒng)出水口設(shè)置水壓控制式閘閥,當(dāng)水壓超過(guò)某一限值時(shí),閘閥自動(dòng)開(kāi)啟排水;當(dāng)水壓低于這一限值時(shí),閘閥則自動(dòng)關(guān)閉。另外,當(dāng)外界滲水量較小和排水對(duì)環(huán)境不造成破壞時(shí),可直接采用防排結(jié)合類型防水結(jié)構(gòu),消除作用在防水材料上的水壓。3幾點(diǎn)注意事項(xiàng) 地鐵結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)防水主要通過(guò)發(fā)揮防水材料本身特有的防水性能來(lái)適應(yīng)不斷變化的外部環(huán)境,保持結(jié)構(gòu)的防水能力,同時(shí)合理的防水構(gòu)造形式及減少外部環(huán)境對(duì)防水材料影響的工程措施都有助于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)防水。具體實(shí)施時(shí)必須注意以下幾點(diǎn): 1)避免遇水膨脹型防水材料施作前遇水。遇水膨脹型防水材料在購(gòu)買后要妥善存放在干燥陰涼處,鋪掛粘貼時(shí)要嚴(yán)禁被水潤(rùn)濕,防止預(yù)先膨脹。在選材時(shí),可選用緩膨脹型材料。 2)減小材料膨脹空間,加強(qiáng)周圍約束。無(wú)論是遇水膨脹型防水材料,還是滲透結(jié)晶型防水材料,都是靠體積的膨脹來(lái)填充縫隙、堵塞滲水通道,達(dá)到止水目的的。通過(guò)采取工程措施控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度,對(duì)發(fā)揮防水材料的功能很重要;對(duì)明挖法外貼防水材料,加強(qiáng)外圍約束強(qiáng)度也很必要;對(duì)暗挖法防水,對(duì)襯砌背后及內(nèi)部空隙進(jìn)行回填注漿,可減小潛在的膨脹空間;在“三縫”部位設(shè)置背襯材料,支頂和填充“三縫”空隙,約束防水材料沿縫的切向膨脹,對(duì)更大限度地發(fā)揮其沿縫垂向膨脹功能也是很必要的。 3)控制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形。以上討論的防水材料的動(dòng)態(tài)特性都是在結(jié)構(gòu)微小變形的情形下發(fā)揮作用的,因此,要注意控制結(jié)構(gòu)施作的合理時(shí)間和施工、養(yǎng)護(hù)期間過(guò)大的荷載作用。 4)注意防水材料特殊性能對(duì)結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響。任何事物有利必有弊,防水材料也是一樣,選材時(shí)要認(rèn)真分析特殊性能材料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響,分析其特性對(duì)其他物理化學(xué)性能的影響。4結(jié)語(yǔ) 地鐵動(dòng)態(tài)防水是對(duì)地鐵防水思路的新探索,它通過(guò)發(fā)揮防水材料的某些動(dòng)態(tài)特性,結(jié)合結(jié)構(gòu)工藝,來(lái)使防水材料的這些特性得到充分發(fā)揮,從而達(dá)到主動(dòng)防水的目的。地鐵動(dòng)態(tài)防水的主角是防水材料,基礎(chǔ)是合理、嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)防水工藝,關(guān)鍵是材料和工藝的有機(jī)結(jié)合。參考文獻(xiàn)[1]程驍,俞志強(qiáng).從材料的動(dòng)防水性談?dòng)凶冃瘟芽p地下工程墻面的防滲.中國(guó)建筑防水,1997(2):20-21[2]呂康成,崔凌秋等.隧道防排水工程指南.北京:人民交通出版社,2004