若干重大工程的防水创新技术

1、第三届中国防水技术与市场研讨会 2003 China Waterproofing Technology & Market若干重大工程的防水创新技术上海市隧道工程轨道交通设计研究院 朱祖熹摘要:文章介绍了近年在华东地区建设的：南京玄武湖明挖暗埋法隧道；上海大连路越江盾构法隧道；上海泰和路外环水下沉管隧道；上海轨道交通4号线、M8线车站等重大地下工程,在混凝土结构自防水（即采用粒化高炉矿渣微粉与优质粉煤灰“双掺”等技术，以抗渗性、耐久性为目的的高性能混凝土，同时注重其耐久性指标K（混凝土渗透系数）、Dcl¯（氯离子扩散系数）的检测）、隧道连络通道复合防水层、隧道运营“健康”与安全

2、监测、车站混凝土结构接缝防水等防水新材料、新技术的设计与施工应用(包括若干防水材料的标准及其相关工程防水标准的协调处理)，从多方面剖析、研讨了它们的功效与意义。1. 上海大连路、复兴路越江隧道管片混凝土耐久性指标的检测反映高性能混凝土耐久性的主要指标在满足抗渗等级要求的前提下，用混凝土渗透系数K、氯离子扩散系数Dcl-个最能科学地反映混凝土耐久性的指标进行控制，其中氯离子扩散系数Dcl-尤其宜在有腐蚀性解质的地层用以检测。混凝土渗透系数是由混凝土渗透系数检测仪测的，氯离子扩散系数可由ASTM C1202直流电量法检测, 但快而误差大，目前多用自然扩散法和电迁移法(即NEL法)两类方法,前者时间

3、长但正确。下面是我们在大连路、复兴路二盾构隧道预制管片混凝土、外环沉管隧道管段检测混凝土渗透系数、或氯离子扩散系数的设计与实测值。从这些数据可以看出我国盾构隧道管片的密实性、耐久性是高的，沉管隧道预制管段的抗渗性也是高的。(1) 大连路越江隧道江中段管片混凝土渗透系数、氯离子扩散系数设计指标: K=10-13, m/s, 或 DCl-=10-8cm2/s，（未涂刷外防水涂层时），用自然扩散法(浓度曲线法)实测的D.Cl-10-8cm2/s（岩芯取样测）;(2) 复兴路越江隧道江中段管片混凝土渗透系数设计指标:K=10-13m/s, 实测的K=10-13m/s（制作现场取混凝土样）;（3）泰和路

4、外环沉管隧道管段混凝土渗透系数、氯离子扩散系数达到如下指标: K10-12m/s（未涂刷外防水涂层时）,D.Cl-5×10-8cm2/s（未涂刷外防水涂层时）;以NEL法实测D.Cl-3×10-8cm2/s（未涂刷外防水涂层）;附： 东京湾横断道路盾构隧道管片混凝土渗透系数达到如下指标: K=0.43.9310-13 m/s (管片用胶凝材料:水泥280kgm3、粉煤灰280 kgm3)丹麦大海峡盾构隧道管片混凝土渗透系数达到如下指标:K=0.25.310-13 m/s Dcl-=6310-9cm2/s以上两盾构隧道都处于海水环境，管片未涂外防水涂层。由此可见，大连路、复兴

5、路隧道虽然处于非腐蚀介质的地层，但对它们管片的K, D.Cl-要求并不低。2.玄武湖隧道、西湖隧道的防水施工南京玄武湖隧道的防水比较成功，其主要原因是借鉴以往隧道工程渗漏的经验教训，自工程一开始就从建设、设计、施工、监理各环节狠抓防水，并设立了以工程院院士为首的防水专家组，针对工程防水立了多项防水或与防水紧密相关的课题，发挥了积极的作用。杭州西湖隧道在建设也坚持设计、施工、监理共攻防水关的做法。这里谈谈在玄武湖隧道湖中段变形缝、西湖隧道顶板外防水层和泵房内防水层的设计和施工，及其与有关标准的协调。2.1 可注浆式止水带在变形缝的应用图1图22.1.1原理与特点：在钢边橡胶止水带有利用钢片和混凝

6、土咬合止水、橡胶与海绵橡胶适应三向变形的优点防水的基础上，进一步设置配套的注浆管路，并在钢片端头粘设海绵条（结皮表面可防水泥浆渗入），利用预埋注浆管压注堵水浆液（一般化学浆液）,靠注浆压力在海绵条与混凝土中挤出一通道，浆液注入并密封此间隙便可堵止变形缝流入的渗漏水。2.1.2使用要则:1)海绵条必须结皮，谨防破损造成水泥浆浸入变硬而注浆时无法压缩；2)吊环螺杆在压注浆液前不应受损而致无法拆卸,故预埋长度要控制好；3)注浆管的埋设距离要得当，以免注浆压力过高或压注过频。2.2 关于防水层的设计和施工，及其与有关标准的协调。2.2.1 涂料（有机涂料、聚合物水泥涂料）防水层的技术标准与地下工程防水

7、规范的协调在“地下工程防水技术规范”（GB50108-2001）中，对于有机防水涂料的长期防水性要求增加三项技术性能指标：耐水性、潮湿面粘结、砂浆迎（背）水面抗渗；在此后制订的材料及其施工规范应参照其要求适当增加相应的项目。实际上，聚合物水泥涂料的新规范（JC/T 894-2001）就添加了砂浆背水面抗渗、潮湿面粘结的指标，基本反映了地下工程的要求。但新编的聚氨酯涂料规范（GBT-2003）只多了一项潮湿面粘结强度的指标，似嫌不足。今后新编防水材料的标准时，应与巳制订的地下工程的技术规范相协调，防止矛盾。另外，作为地下工程用的聚合物水泥应参照2型的技术指标,仅要求材料的断裂延伸率80%,因这时

8、聚合物水泥涂料可施作内防水层，所以是合适的，但当它在变形缝位置施工时也就必须有特殊的处理方式，这往往是设计与施工忽视的。2.2.2 不同的有机防水涂料的保护层应有区别根据“地下工程防水技术规范”（GB50108-2001）,有机防水涂料的保护层是一致的，差别仅在顶、侧、底面等不同位置。但实际上，聚合物水泥涂料（尤其目前国外还常在涂层中掺细砂）与水乳型涂料的保护层应是有区别的:作为顶、底板用，在设置隔离层后，可直接浇细石混凝土保护层（5cm厚即可）而不必先浇水泥砂浆层。在西湖隧道中控室泵房底板的内防水层即是这般处理的。在顶扳以上上翻涂料层的保护层可有条件地（如：加强软保护层的强度、增加粘合固定点

9、）提倡软保护层。2.2.3 遇水膨胀橡胶(或橡胶腻子)的缓膨胀性与耐久性检测应按工程特点确定对膨胀类止水条是否提出缓膨胀要求。材料达到缓膨胀的基本要求：7d膨胀率小于60%。在实际发挥作用时，至少还有40%的膨胀率起止水作用。主要措施：1).在高密度膨润土中加添油脂、纤维等；用封闭聚合物的亲水性基团；改变膨胀性树脂的PH值(缓胀型遇水膨胀止水条制品),2).缓膨胀剂涂在遇水膨胀止水条上(缓膨胀剂涂膜+遇水膨胀橡胶),两者机理迥异，要求相同, 各有利弊。缓膨胀性能的测试方法:1) 选定实样试件或标准试件、试件尺寸；2) 达到最大（终）膨胀率的时间要确定；3) 规定膨胀率计算的基准。由于在这方面可

10、有多种提法，故注意目前对缓膨胀性能的测试方法尚未统一规定，建议橡胶业及早提出与国标“高分子防水材料（第三部分遇水膨胀橡胶）”GB18173.3-2002互补的缓膨胀性试验规定。图3涂刷缓膨胀剂的遇水膨胀腻子止水条同样，膨胀橡胶的耐久性则有两类检测法：1) 根据材料长期浸水的析（溶）出物的量(包括热水加速溶出), 此法日本较多采用；2) 根据材料反复多次干湿循环后的力学性能指标的变化值，此为我国标准规定。两者各有长处。3.上海外环沉管隧道防水安全监测不论是已竣工的上海外环隧道、宁波常洪沉管隧道，还是上海大连路盾构隧道、复兴路盾构隧道等在建隧道，对各大城市的公路隧道都要进行“健康”监测，包括防水安

11、全监测。这是以往工程所忽视的，如今项目竣工、运营开始均应制订、确定这种充分最化的技术监测的规定。下面以外环沉管隧道接头防水安全监测为例，说明之。3.1关于GINA止水带根据“柔性接头防水试验”中压缩剪切试验曲线，可以推演压缩量在70120mm的任意位置时的水平剪力与水平位移。当水平（剪切）位移超过80mm时，GINA鼻尖变为滑动。图3.1GINA止水带双向变形示意图（i为接头号；0为竣工初始值）（1）止水带在70120mm压缩量范围内，只有位移超过80mm时GINA鼻尖才开始滑动，才有可能滑出端钢壳。见图3.2-1 GINA止水带双向变形示意图。（2）钢端壳H=560mm，设计的GINA鼻尖理

12、论上应在280mm位置（即中心位置）。因此，根据鼻尖与端钢壳中心的错位的监测结果, 其报警值设为：X0+X-80160，为危险；X0+X-80140，为警告；Z0+Z-80160，为危险；Z0+Z-80140，为警告。需要指出的是X0是竣工时的初始值，X0+X是总的位移量。8个接头的横向、竖向初始值分别为X10X80、Z10Z80。（3）符合上式对GINA而言，是完全安全的，这里已考虑到GINA止水带的“肩”移出钢端壳的危害（此时，在侧墙位置的OMEGA止水带应已被剪坏）。（4）根据浦西E1E7浦东共8个接头底部水压力计GINA Y1tY8t（纵向即轴向）最不利工况下的压缩量数值见原设计图。控

13、制接头张开处必须保有的各接头GINA止水带的最小压缩值见表3.1。表3.1控制管段接头GINA止水带的最小压缩量 浦西E1E1E2E2E3E3E4E4E5E5E6E6E7E7浦东(1)45.139.541.240.138.033.828.726.7(2)40.134.536.235.433.028.823.721.7以GINA止水带的最小压缩值Yt报警，各接头通过接缝变形测点布置的三向位移计进行沉管接头纵X、横Y、竖直Z检测。Yit压缩量等于以上(1)值时是警告。Yit压缩量等于以上(2)值时，对各接头为危险。以GINA止水带的最大压缩值Yt报警，各接头通过接缝变形测点布置的三向位移计进行沉管

14、接头纵X、横Y、竖直Z检测。Yit压缩量等于以上(1)值时是警告（该控制值为设计值的1.12倍）。Yit压缩量等于以上(2)值时是危险（该控制值为设计值的1.2倍。）3.2关于OMEGA止水带（1）根据不同管节不同埋深(见表3.2)。OS-300/70型OMEGA止水带的三向变形能力，分别为X1、Y1、Z1（浦西与E1接头）X8、Y8、Z8（浦东与E7之接头）。见表3.2。表3.2 管段接头底板处水深浦西段E1E1E2E2E3E3E4E4E5E5E6E6E7E7浦东管段底板管段底板水深(m)22.926.930.029.325.621.317.012.7表3.3OMEGA止水带(OS-300/

15、70型产品)适应三向变形能力水压力X（mm）±Y（mm）±Z（mm）±1.57070702.06060602.56050503.05040403.5503030表3.4管段接头OMEGA止水带适应三向变形能力 接头坐标方向j1j2j3j4j5j6j7j8X5040304040506070Y6050505050606070Z5040304040506070（2）根据浦东E7E1浦西共8个接头底部水压力，OMEGA止水带三向变形能力见表3.2-4OMEGA止水带各向变形，凡达到表3.4中的数值时，表示危险；当达到该表数值的80%时，为警告。见图3.2 OMEGA止水带

16、各向变形示意图。图3.2OEMGA止水带各向变形示意图4.上海地铁明珠二期、一号线北延伸、M8 线防水的改进4.1 M8线车站防水混凝土的双掺技术按照国标“地下工程防水技术规范”（GB50108-2001）4.1的规定，防水混凝土中粉煤灰的掺量不宜大丁20%，而掺有活性掺合料时，水泥用量不得少于280kg/M3 这对传统的防水混凝土是正确的。然而，由于在泵送混凝土中早已引入了胶凝材料的概念，对于大体积混凝土，尤其地下工程中，粉煤灰、粒化高炉矿渣微粉等活性掺合料都广泛作为以耐久性为主要目标的高性能混凝土的组成，在一些地方标准、行业标准中；如：上海市标准“粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中的应用技术规

17、程”（DG/TJ08-521-1999）、“粉煤灰混凝土应用技术规程”（GBJ146-90），早已允许在胶凝材料中粉煤灰、粒化高炉矿渣微粉分别占40%与50%，而水泥用量甚至可低于200 kg/M3, 如果不予改变，势必不利防水混凝土的耐久性，又因目前市场水泥多为普硅、纯硅水泥，标号多为425级，结果是强度大大超标，显然不甚合理。 总之，在确定低水胶比（0.45）、低用水量（185 kg/M3）的同时，要降低水泥用量、进行“单掺”或“双掺”，既降低成本、减少发热量、又抗裂耐久，M8线车站防水混凝土就是按此理念调整原材料的组成的。4.2 明珠二期、一号线北延伸地铁区间隧道联络通道防水地铁盾构区间

18、隧道联络通道是用以地铁隧道发生险情发生时疏散乘客的。同时,也作为设置排水泵房用。从这个理念出发，它应与圆隧道结构同寿命。而喷射混凝土加现浇内衬混凝土的耐久性是难以与高精度钢模预制的高性能混凝土管片耐久性相当因此，设置隔层防水层对防水性、耐久性是必要的。从图4-1可以看出，除采用EVA或PVC防水膜与土工布复合防水板作为支护层与结构层之间的双缝焊夹层防水层（经抽真空检测验证接缝密封）外，现加强了(1)聚丙烯土工膜宜双向设置，同时应要求初次衬砌的平整度满足D/H10;（2）在内衬混凝土中预埋回填注浆管，通过后注超细水泥浆,加强拱顶部的密实性; (3) 由于防水扳及其内外保护层、缓冲层在圆隧道接头处

19、的收口密封是关键。尤其应注重圆隧道(钢管片膨胀)与通道(初次衬砌喷射混凝土与二衬现浇混凝土)接头相贯线处关键的防水,全断面出浆的注浆管、遇水膨胀腻子条（或单组分遇水密封胶）是较有效的防线。图4 地铁隧道通道复合防水层及接头防水值得指出的是:在遇到隧道处于流砂地层时，必须权衡通道耐久性、防水性与联络通道建造速度。安全性的轻重利弊，绝不可强调了防水而影响施工期内防水层。发言人简介朱祖熹 上海市隧道工程轨道交通设计研究院 防水室主任, 教授级高工。长期从事地下工程；尤其软土地层的盾构法、明挖法、沉管法、顶管法等特殊施工法工程的防水设计、施工与研究，是一系列这类工程防水设计负责人，也是上海市建委授予的

20、防水学科带头人。New waterproofing technologies of important and large underground engineeringDirector of waterproofing division of Shanghai tunnel and engineeringZhuzuxi Abstract: The paper introduces some important and large underground engineering constructed in the east area of China in recent years, suc

21、h as the cut and cover tunnel of Xuanwu lake in Nanjing, the cross-river shield tunnel of Dalian road in Shanghai, the outer ring line immersed tunnel of Taihe road in Shanghai, the underground station of Shanghai rail transit line 4 and Shanghai rail transit line 8.It presents the design and constr

22、uction application of new material and new technology of concrete waterproofing-self (in the other word ,the high characteristic concrete is applied by the sophistication technology of the scoria micronization and high quality coal dust, to the aim of high penetration resistance and wear and is also emphasized to inspect the characteristic of the wear, K(the concrete penetration coefficient),Dcl¯(chlorine ion diffusion coefficient),composite waterproofing layer of the tunnel linkage passage, safety inspection and operation in gear of the tunnel, joint waterproof