地铁隧道复合式衬砌防水施工技术综述

对地铁区间隧道复合式初砌的防水机理、防水层结构设计、防水材料与缓冲层材料的选用、防水施工工艺、防水层的保护等， 作了系统的介绍。
当前， 多数地铁区间隧道采用了复合式衬砌结构， 防水一般共设三道防线， 第一道是初期支护加背后注浆， 第二道是设置封闭防水板， 第三道是二次衬砌， 并对施工缝、变形缝等作专门处理。大量工程实践表明， 复合式衬砌结构的防水效果基本是可靠的， 但由于防水材料本身和防水施工工艺等方面的问题， 导致第二道防水线时常会出现严重的缺陷。因此， 为提高隧道复合式衬砌防水的可靠性， 选用合适的防水层（缓冲层）材料、适当的防水层结构设计以及严格的防水施工工艺， 是完全有必要的。
1、复合式初砌防水机理及防水层结构设计
（1）防水机理隧道
复合式初砌是分内外两层先后施作的隧道衬砌结构， 即在隧道开挖后立即施作网喷混凝土作为初期支护， 经监控量测确认围岩及初期支护基本稳定后再铺设防水层， 最后浇筑二次衬砌防水混凝土。
复合式衬砌防水主要依靠全封闭的防水层和二次衬砌混凝土， 两者相辅相成， 缺一不可。二次衬砌防水混凝土在硬化过程中， 内部存在着温度应力和收缩应力， 这些应力的存在会使防水混凝土产生变形； 而初支混凝土表面粗糙、凹凸不平， 必然会对二次衬砌混凝土产生相当大的约束力， 阻止其变形， 于是就产生了拉应力。当拉应力大于二次衬砌混凝土抗拉强度时， 混凝土即被拉裂， 特别是在隧道起拱线应力集中区产生的裂缝最多。如果设法消除或减弱初期支护喷射混凝土对二次衬砌混凝土的约束， 使其自由变形或约束力减小， 所产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度， 二次衬砌混凝土就不会产生裂缝。因此封闭的防水层多选用不透水、表面光滑的塑料片材， 它不仅起到防水作用， 而且还能隔离、润滑初支喷射混凝土和二次衬砌混凝土， 减少二次衬砌混凝土的开裂。
（2）防水层结构设计
地铁隧道要根据工程所处地质、水文条件及不同的使用要求， 采用不同的防水层结构设计。一般大城市地铁隧道多埋置于地面以下， 有水不能自流排出，宜采用全封闭型防水结构。防水层设计主要有两种形式： 一是单层防水板（膜）铺设于初期支护喷射混凝土上， 用于无水地段； 二是双层结构， 先铺设一层较柔软且具有相当强度的片材作缓冲层， 克服初支喷射混凝土基面凹凸不平、易损伤防水板（ 膜） 的弊病， 然后在其上再铺设防水板（膜）， 用于防水要求高的隧道及有水地段。
2、防水材料的选择
目前， 隧道复合式衬砌防水层主要选用 PVC（ 聚氯乙烯）、ECB（ 乙烯- 共聚物沥青）、LDPE（ 低密度聚乙烯）、HDPE（ 高密度聚乙烯） 和 EVA（ 乙烯- 醋酸乙烯共聚物）等防水板（膜）， 应用最多的是 EVA 膜。常用防水材料的主要性能指标见表 1.由表 1 中可看出： EVA、LDPE、HDPE 及 ECB 技术性能皆优于 PVC板； 从价格看 LDPE 膜最低， 其技术性能也较好。因此， 在满足防水要求的前提下， 地铁隧道宜采用LDPE 膜或 EVA 膜作防水层， 厚度 0.8 mm， 这样能做到防水可靠、施工方便及造价适中。
缓冲层材料的选择可供选择的缓冲层材料主要有无纺布和聚乙烯泡沫塑料衬垫（以下简称 PE 衬垫）两种。无纺布是用合成纤维材料经热压针刺无纺工艺制成的土木工程用卷材， 厚度 3～5 mm， 幅宽 2 m， 按单位面积质量有300 g/m2、400 g/m2、500 g/m2 及 600 g/m2 几种。PE 衬垫是由化学交联、化学发泡制成的团孔 PE 泡沫塑料材料， 其厚度一般为（4±0.5） mm， 幅宽一般为（1 200±50） mm， 表观密度为（45±5） kg/m3， 拉伸强度≥0.4MPa， 断裂伸长率≥100%.由于 PE 衬垫具有良好的弹性和物理力学性能，易于铺设且价格较低， 所以隧道复合式衬砌结构一般选用其作为缓冲层材料。
3、防水施工工艺要点
隧道复合式衬砌防水除选择合适的材料外， 采取严格的防水施工工艺也至关重要。
（1）喷射混凝土基面处理
由于喷射混凝土基面粗糙、凹凸不平， 表面可能存在锚杆头外露等现象， 会对铺设的防水层带来很大的损害， 因此必须先对混凝土基面突出物进行处理。当喷射混凝土基面有突出的钢筋、铁丝时，按图1所示进行施工处理； 当喷射混凝土基面有钢管突出时，则按图 2 所示进行处理； 当锚杆端部外露较长时， 则在末端切断时预留 5 mm， 并在割除部位用砂浆抹成圆曲面， 以免防水层被扎破，同时， 喷射混凝土基面平整度需满足 D/L≤1/6、拱顶 D/L≤1/8 （L——喷混凝土相邻两凸面间的距离； D——喷混凝土相邻两凸面与凹面之差），方可铺设防水层。隧道遇断面变化或转弯时的阴角应抹成R≥5 cm 的圆弧。防水层施工时基面不得有明水， 如有明水应采取措施封堵或引排。
（2）缓冲层处理
先在喷射混凝土隧道拱顶部位正确标出隧道纵向的中心线， 将 PE 衬垫的横向中心线与隧道纵向中心线相重合， 从拱顶部开始向两侧下垂铺设； 再用塑料胀管、木螺丝和热塑性塑料圆垫片将 PE 衬垫固定在喷射混凝土上， 有时也可用热风塑料焊枪将 PE 衬垫热粘在基面上， 翘凸处及其它必要点可进行加强固定； 布设热塑性塑料圆垫片时， 按照拱顶每隔 50cm、边墙每隔 100 cm、底板每隔 150 cm 的梅花形布置。缓冲层 PE 衬垫和塑料垫片的施工。
（3）防水板的铺设与焊接
首先裁剪卷材， 要考虑搭接接头的预留部分； 然后在隧道拱顶部位 PE 泡沫塑料垫衬上标出隧道纵向中心线， 再使防水板的横向中心线与该中心线相重合，从拱顶开始向两侧下垂铺设， 边铺边与塑料圆垫片热熔焊接； 铺设时要注意与喷混凝土表面凹凸不平相密贴，并不得拉得太紧，一定要留出搭接余量。用塑料热合机进行焊接材质较薄的防水膜时， 还可采用反弯法进行施工。即首先将两层膜对接，然后热合焊接，当双焊缝经检查合格后，将其弯向一侧点焊在卷材上，这样可避免焊缝180°剥离。
目前，常用的 EVA、LDPE、ECB 等防水板幅宽一般为 2.1 m， 接缝焊接是否严密直接关系到防水效果的可靠性。施工过程中，一般选用国产自动爬行热合机。两层膜搭接100mm， 焊成双焊缝，每条焊缝宽10 mm， 中间留有空腔供充气检查焊缝之用， 见图6所示。对热合的双焊缝进行严密性检验时，一般采用充气法， 所用设备包括空心针、空压机、压力表和连接管等，它的工作原理是利用充气设备向焊缝空腔里加压，在气压达到 0.1￣0.15 MPa 后停止充气。压力表读数保持 5 min 左右不下降或下降不超过 10%， 说明焊缝质量合格； 如压力下降较多， 说明有未焊好之处，可用肥皂水涂在焊接缝上， 产生气泡的地方用热风焊枪和电烙铁等补焊， 直到不漏气为止。焊缝检验时一般焊接1 000 延米抽检1处焊缝。
4、防水层的防护
防水层施工完后， 必须注意严加防护， 否则极易被人为破坏， 导致防水质量下降乃至完全失效。在没有保护层部位（如拱顶、侧墙）绑扎钢筋时， 必须注意不得破坏防水层； 焊接钢筋时必须在此周围用石棉水泥板进行遮挡， 以免溅出火花烧坏防水层； 在浇筑二衬混凝土时， 振捣棒要特别注意不得接触防水层， 因为由振捣棒引起的对防水层的破坏不易被发现、也不易修补。