盾构法隧道的嵌缝防水

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l 嵌缝概述
1．1 嵌缝的作用
一般而言，盾构法隧道防水的原则是“以防为主、多道防线、综合治理”。其防水施工的内容主要包括：衬砌自防水、衬砌外防水涂层、衬砌接缝防水(弹性密封垫防水、嵌缝防水)、螺栓孔防水、渗漏处理(盾尾充填注浆等)。
嵌缝施工作为一道防水措施的主要作用是将接缝允许渗漏量的水引导至规定位置，也就是说它是一种泄水方法，而不是堵水方法。 盾构法隧道防水的根本在于衬砌自防水和衬砌接缝的弹性密封垫防水。若这两道防水措施出现问题，比如钢筋混凝土管片抗渗能力不足、拼装时管片碎裂或是弹性密封垫放置不当(如水膨胀橡胶提前膨胀，接缝夹浆)，这时地下水就会进入隧道内部。若渗漏量较小，在嵌缝范围内的渗漏水会沿着嵌缝槽内沿流至端部排出，以保证嵌缝范围内无水渗出。若渗漏量较大超过允许值，则必须采取堵止措施。
有的施工单位以为嵌缝能堵止渗漏水，其实目前采用的嵌缝型式虽然能在潮湿基面上施工，但若嵌缝槽有冒水、滴漏现象应先堵漏止水，再行施工。 根据国标《地下工程防水技术规范》，防水等级共分4级，而按市标《盾构隧道防水技术规程》只有要求达到一级防水的工程，嵌缝防水才是必选项目。因此，除重要的城市道路隧道和地铁隧道(也只是防水等级2级的工程)外，许多盾构法隧道衬砌并不嵌缝或仅在局部区段嵌缝。
1．2 嵌缝设计简介
1．2．1 嵌缝的材料
嵌缝作业是依靠嵌缝材料的充填和粘接力达到密封防水的目的。一般要求嵌缝材料与基面有良好的粘接性(以承受衬砌外壁的静水压力)，较好的弹性(以适应隧道变形)，并且它的材料性能须保持稳定。
嵌缝材料种类繁多，上海地铁2号线中，选用了水膨胀腻子加封氯丁胶乳水泥的方案。 当地下水从接缝渗入时，腻子遇水膨胀堵住渗水路径。为防止水膨胀腻子膨胀应力过度，使用了工字型的膨胀控制材料(用高密度聚乙烯HDPE制作)。这样不仅能控制膨胀倍，还能控制膨胀方向，同时使腻子处于双向受力状态，减少了发生剪切破坏的可能性。率槽口外封Ω形的氯丁胶乳水泥，可加固工字条而自身不易碎裂。
1．2．2 嵌缝的范围
盾构隧道单层衬砌全部嵌缝是极为少见的。一般认为，水是无孔不入的，由于盾构法装配式衬砌隧道有无数的管片接缝，因此要做到全封闭防水是很困难的，防水层上的任何瑕疵都会成为地下水渗入的途径。所以就目前的看法，全断面的嵌缝作业也是没必要的。 上海地铁2号线工程的嵌缝范围通常为拱底86°，拱顶43°(这被称作“标准环嵌缝”)。拱底需浇捣道床混凝土，若有地下水渗入到管片与道床之间，会影响道床的浇筑质量，进而造成道床混凝土与拱底块间存有夹水层；而拱顶有地铁列车架空供电线，对应的道床面有轨道，若出现滴漏水点，将造成严重腐蚀。
在盾构出洞和进洞口(即每条区间隧道与车站联结的两端)各25m(环)、联络旁通道两侧各5m(环)仍需实行衬砌全断面嵌缝(即“整环嵌缝”)。这是为了适应不均匀沉降和温度变化引起的变形，保证该区段隧道的防水效果。
当环缝处于变形缝位置时，应采用柔性防水材料(聚氨酯密封胶)嵌填整条环缝。
钢管片的情况比较特殊。上行线和下行线两条区间隧道间通常要设联络旁通道，不过，旁通道是否设置，各区间情况各不相同，故钢管片部分的嵌缝也不一样。若需要设置旁通道，则钢管片的接缝将被焊死，而钢管片与钢筋混凝土管片的接缝则用聚氯酯密封胶嵌填；若不再设置旁通道，则用细石混凝土将钢管片肋腔填充，钢管片的接缝用聚氨酯密封胶嵌填，嵌填范围同标准环嵌缝。 1．2．3 其它作业内容
对地铁隧道衬砌内表面的外露铁件应作防腐蚀处理。这是为了防止电化腐蚀和隧道内渗漏水对铁件的化学侵蚀。这部分作业内容通常与嵌缝作业一并完成。隧道下半断面范围内的手孔用细石混凝土充填以使螺栓隔绝空气。上半断面范围内的手孔浇筑困难比较大，故采取加封快凝水泥并套塑料保护罩的方法。
另一项对嵌缝作业影响较大且需要与嵌缝同时展开的施工内容是渗漏水治理。(其情况复杂又不在本文论题之内，故不作展开。)
2 嵌缝施工
2．1 施工前的准备工作
2．1．1 施工工具的准备
首先应准备一段有足够长度的橡胶管。一端连接设置在竖井边缘的漏斗上，另一端伸至隧道内，以便将砂石料由端头井下到隧道口。若没有橡胶管。也可用塑料波纹管代替，不过塑料管易断。
 
地铁隧道直径较大(内径5．5m)，为便于施工必须制作活动操作平台(车架)。除了要考虑车架的强度问题和稳定向题外，还要使它尽可能地简便，便于人员上下和手推车通过。其具体形式目前仍由施工队凭经验确定。
嵌缝时需加封Ω形的氯丁胶乳水泥，就得加工特殊形状的泥刀。泥刀的加工尺寸必须精确，并且制作泥刀的材料应有足够强度。
2．1．2 渗漏水及其它病害的调查
原则上在嵌缝作业前必须先进行渗漏水治理，而渗漏水调查是治理过程中的首要环节。 调查的内容一般侧重于漏水或漏泥的位置和型式、混凝土管片的损坏情况等。主要是查清渗漏水的原因和水的渗入途径，并由此制定渗漏水治理方案(关于渗漏水治理和调查的要求参见《盾构法隧道防水技术规程》DBJ08—50—96)。
盾构法圆环隧道的渗漏水治理效果很大程度上取决于堵漏作业人员的经验。而缺少严格、正确的渗漏水调查也是堵漏失败的一大原因，这一点必须得到足够的重视。
2．2 嵌缝作业
2．2．1 作业步骤与工艺要求
(1) 修补嵌缝槽管片拼装时，其角部和边缘的嵌缝槽有时会碎裂，严重的甚至露出钢筋。这样地下水就会绕过接缝的弹性密封垫通过管片裂缝直接进入隧道，同时造成钢筋锈蚀，影响结构强度。修补用的材料有NC混凝土快速修补剂等。修补时应将损坏的管片修复至原来的尺寸，尤其是嵌缝槽的形状和尺寸。
(2) 清缝用钢丝刷除去嵌缝槽内的泥沙杂物，用清水冲洗干净。若槽壁上有积灰，则水膨胀腻子与管片基面间会形成渗水路径，使嵌缝失效。
(3) 工字条安设这里所指的工字条已加入水膨胀腻子条。
2号线的管片有［R］、［XR］两种，其嵌缝槽的形状和尺寸都不相同。
［R］型管片嵌缝槽内大外小，故采用的工字条是不等边翼缘的。嵌入时应注意窄面(17mm)朝里，宽面(19mm)朝外，嵌好后留余深约10mm。若倒置，会使水膨胀腻子吸水后向外膨胀，影响其与管片基面的粘接，而且可能胀裂外封的氯丁胶乳水泥。［XR］型管片采用的工字条为等边翼缘，故不存在上述问题。
在嵌入工字条时，最好使用专用填塞木质工具，使工字条能达到预定深度并紧密服贴，表面应平整无歪斜和扭曲。嵌入的顺序应为先环后纵。环缝中的工字条应尽量减少接头，接头外的工字条应连接紧密无间断，环纵缝相交处的十字接头尤其需要加强。
若缝槽过宽，应补充水膨胀腻子，若缝槽过窄，应裁去工字条多余宽度。 (4) 涂刷界面处理剂。这里采用YJ—302双组份界面处理剂。以甲组：乙组：水泥=1：3：3的配合比例入容器拌匀。涂刷范围是缝槽内壁、纵缝两侧各15mm范围和环缝两侧各16mm范围内。每次拌和的界面剂应在2小时内用完。涂刷界面剂是为了使氯丁胶乳水泥与管片牢固结合不脱落且无缝隙。
(5) 加封氯丁胶乳水泥。氯丁胶乳水泥的配合比为氯丁胶乳：水泥 = 0.4：1。在界面剂干燥前，将配好的氯丁胶乳水泥封填入嵌缝槽压密，并继续用Ω形封口，以增加保护层厚度。拱底凡被道床混凝土掩埋的嵌缝槽口可不必突出。
(6) 变形缝。若环缝处在变形缝位置，那么清缝后要用密封胶嵌填。先将聚乙烯泡沫条(一般为圆形)填入缝槽，然后涂刷底油，最后嵌注高模量聚氨酯密封胶。施工前要求基面干燥，这一点与普通嵌缝不同。施工后要求表面平整美观。
2．2．2 施工中的问题
(1) 关于工字条与嵌缝槽
在实际工程中，嵌缝槽的尺寸常与设计不符。造成尺寸不符的一般有以下情况：①纵缝接缝一般设置有传力衬垫，而环缝接缝中常粘贴纠偏楔子以控制隧道轴线，这都会造成缝槽过宽；②嵌缝槽被损坏后未能按正确尺寸修补，造成缝槽过宽或过窄；③还有一种情况比较特殊，就是［XR］型管片和［R］型管片混排。这两种管片的嵌缝槽在轨床转折处不一致，混排会造成在该位置的嵌缝槽宽度极小，这对嵌缝产生了很大的影响。
与之相对的是，工字条的加工尺寸一般比较精确。因此，施工中常出现工字条无法适应嵌缝槽的情况，使工字条的防水功能无从发挥。
若缝槽较宽，应补充水膨胀腻子。但实际上施工队会觉得这很麻烦、一旦工期较紧、往往不按规定的要求做。若缝槽太窄，一般只能强行嵌入(在现场要对工字条的翼缘宽度进行精确裁割几乎是不可能的)。这往往造成工字条被击断或是翘曲不服贴，有时工字条中的水膨胀腻子条会被挤出，完全失去防水能力。对于轨床转折极窄的一段嵌缝槽现场施工中全部用水膨胀腻子填实，但这一位置仍然是嵌缝防水的薄弱环节。 (2) 关于Ω形氯丁胶乳水泥保护层(简称“Ω线条”)
 
隧道内一般湿度较大，Ω线条的养护往往被忽视。事实上，处在较好通风位置的Ω线条常会开裂。另外。氯丁胶乳用量太少以及为了提高抗渗效果而采用快凝水泥都会造成Ω线条的开裂。若拱顶Ω线条碎裂脱落，后果将十分严重。由此看来，已完成的Ω线条应注重养护，令其表面保持湿润。若Ω线条开裂不太严重，还没有水迹出现，可以用氯丁胶乳拌合少量水泥涂刷，促其自愈；若开裂严重，则只能将其凿去重新施工。 Ω线条与管片基面的粘接必须紧密而不留缝隙，否则，地下水会从这些缝隙渗出。拱底块上的嵌缝在被道床混凝土掩埋的部分，氯丁胶乳水泥仅填平嵌缝槽而不突出。这样。因水泥层厚度不足，常常无法阻止地下水渗出，而不得不对其加厚。另外，Ω线条的端部不能被堵死，不然，水无法从端部泄出，就会从嵌缝的薄弱环节渗出，处理起来很麻烦。一般只要端部渗出的水不至于挂淌过长(不超过50cm)，可不用处理；若出水量过大则应注浆堵止。
2．3 防腐蚀作业
2．3．1 作业步骤和工艺要求
(1) 清浮锈管片拼装所用的螺栓都经过电镀锌、热浸锌等表面处理，但寿命有限，又因现场的各种损伤、少数螺栓会出现明显锈蚀。而所有这些锈渣和浮渣及表面污物都必须被清除。 (2) 涂刷防锈漆一般拱底块所有螺栓外露部分都要除刷防锈漆，其它位置的螺栓若有锈蚀也要涂刷。对于所使用的防锈漆，其它位置的螺栓若有锈蚀也要涂刷。对于所使用的防锈漆，建议采用水性带锈涂料。这类涂料施工方便，用量少，并且能带锈施工，降低了除锈工作的难度。
(3) 手孔充填充填前，先用界面处理剂YJ—302涂刷手孔内表面。细石混凝土充填后，一般要求表面平整光滑，但整体道床范围内的手孔可无此要求。
(4) 套塑料保护罩隧道上半断面的螺栓外露部分要用快凝水泥严密封头，并套上塑料保护罩。塑料保护罩应垂直孔口壁面，螺帽、垫圈不得外露。塑料保护罩内面有螺旋线，罩底上钻有小孔，以利排气，进而加强水泥咬合，防止脱落。在施工中，常有塑料保护罩坠落、这主要是由于水泥用量偏少。
另外，邻接块上安装隧道临时用照明灯架的螺栓不能覆盖塑料保护罩，此外肋腔涂刷YJ—302界面处理剂后用硫铝酸盐微膨胀水泥填实。施工中应加强安全绝缘措施。
2．3．2 施工中的问题
手孔中充填的细石混暖土级配通常是C15，但设计中未提任何抗掺要求，因为充填手孔的目的仅在于隔绝空气。但事实上手孔中常有渗出的积水。
手孔中的渗水主要来自两方面。一方面，地下水越过弹性密封垫进入管片接缝内侧后，又因螺孔密封圈失效(密封圈外径太小或是遗漏末放置)而从螺栓孔中渗入手孔。另一方面，手孔处的管片壁较薄(地铁2号线衬砌厚35cm，手孔一般深15cm左右，则该处管片仅厚20cm)，若管片抗渗能力略有不足，则地下水会直接渗入手孔。因此，首先应采取措施堵止渗漏水。
针对以上渗水情况，可先更换螺孔密封圈，并将螺母拧紧，然后用快凝水泥充填手孔。若仍有水从快凝水泥表面渗出，就只能凿槽埋管注浆将其堵止。 这些措施都是针对已有明显渗漏水的手孔的。但有时，有的手孔在充填细石混凝土前并无渗漏现象，充填后却发现有水从其表面渗出。由此看来，还是需要细石混凝土有一定抗渗能力的。故应保证其施工质量以达到这一要求。细石混凝土的选料与配合比必须符合设计要求。充填时用插棒捣实，使其尽可能密实。细石混凝土表面应多次收水压光抹平，以确保其边缘不出现裂缝。
对于细石混凝土，设计虽未提抗渗要求(强调对螺栓的密封)，但只要施工质量过关，它仍有一定抗渗能力。
目前，每块拱底块4只手孔不必充填细石混凝土。这是出于提高道床混凝土整体性的考虑。不过，这同时也使这些手孔的清理工作变得麻烦。拱底手孔中容易落入各种杂物，若有积水也难以分辨其来源，常常需要反复清理以保证每道工序的实施。因其清理不易，故施工单位常在验收前对其突击清理，而在此之前任由手孔积水，易导致螺栓锈蚀。
3 结束语
对于隧道嵌缝防水，主要有以下几点体会：
(1) 整条隧道推进和拼装的质量必须得到保证，这是前提条件。如有的隧道在盾构推进时轴线控制不佳、经常出现较大纠偏动作，影响了管片拼装质量，使隧道衬砌因出现开裂或接缝张开过大而渗漏水。很难想像、一条原本渗漏水严重的隧道可以通过嵌缝施工而面貌一新。
(2) 要选择合理的施工时期。通常要求嵌缝应在隧道变形稳定以后进行，而且最好安排在枯水期施工。但事实上，受制于工期和现场条件，这往往很难做到。
(3) 设计要合理，施工应精心。一方面，设计要便于施工。防水设计应从现场的实际情况出发．以达到规定的防水要求。选取的方案既要考虑到防水的效果．又要考虑其实际的可操作性。另一方面，施工应严格遵循设计的要求。每一道工序都要加强检查，确保其达到规定的工艺要求。有些隧道的嵌缝防水效果不佳，这固然有现场情况变化复杂的因素，施工质量的欠缺同样不可忽视。设计再巧妙，若是施工不力，那么一切防水措施都是形同虚设的。 总的来说，防水作为隧道的一项基本要求，应贯彻于工程的全过程中，仅靠专项的防水施工要达到理想的效果是很困难的