地铁工程结构缝渗漏原因分析及其应对1号线为例
——以福州市轨道交通

江道镨

(福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建福州 350025)

0 引言

结构缝系指为避免温度胀缩、地基沉降和地震碰撞等而在相邻两建筑物或建筑物两部分之间设置的伸缩缝、沉降缝和防震缝等总称。在地铁工程中设置较多的是变形缝、施工缝和诱导缝。长期以来，地铁工程结构缝渗漏一直让工程界的专家学者们困扰，成为当前地铁工程的主要病害之一。渗漏水不仅会降低混凝土结构的耐久性，而且还会加速地铁设备、钢轨和扣件的锈蚀，损害道床和基础，缩短地铁工程的使用寿命，给地铁的安全及运营带来极大隐患。地铁工程渗漏主要出现在裂缝、施工缝、变形缝、诱导缝、孔洞、连续墙交接缝、凸出基层管道根部等这些部位，预制衬砌隧道主要在混凝土结构盾构法隧道的连接通道及内衬、沉管法隧道管段和顶管法隧道管节等部位出现渗漏。

在实际的轨道交通工程混凝土施工中，由于原材料、配合比、外加剂、施工质量等因素的影响，导致混凝土的微裂缝普遍存在，尤其是地铁工程的混凝土结构绝大部分是属于地下隧道工程，均属于大体积混凝土工程，多年来隧道混凝土开裂现象一直存在，如果裂缝进一步扩展，就会出现渗漏现象。混凝土结构由于内外因素的作用而产生的物理结构变化，进而产生裂缝，导致混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低。这类因后期才产生的裂缝可以归类未知裂缝，而因设计和施工工艺预留的结构缝归为已知裂缝。

地铁工程结构缝渗漏涉及到多个方面的原因，有设计、施工、材料、工艺及地质环境等因素。结构缝产生的渗漏中，有结构设缝间的渗漏、不同结构接缝处的渗漏及结构裂缝产生的渗漏。在地铁工程进行渗漏治理时，要分清不同的缝产生渗漏，对渗漏的原因进行分析，区别对待，做到有的放矢，才能取得更好的治理效果。

1 结构设缝及接缝处渗漏的原因分析

1.1 既有防水设计合理性分析

地铁工程防水遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则进行设计[1]。部分地铁工程结构缝防水构造设计无法完全按照该原则进行设计，存在一些可商榷的地方,部分构造未做好则可能导致渗漏。为了对地铁工程结构缝渗漏水产生的设计原因进行分析，本文以福州市轨道交通1号线工程(一期)明挖结构防水通用图防水构造做法为例进行探讨。

(1)施工缝

施工缝防水构造图中防水的做法为：横向垂直施工缝在顶板、底板、侧墙设置一道可全断面出浆的注浆管和双通道遇水膨胀止水胶。中楼板施工缝设置一道遇水膨胀橡胶止水条。侧墙的纵向水平施工缝设置一道镀锌钢板止水带和一道遇水膨胀止水胶。施工缝构造做法能够满足车站一级防水要求。

(2)变形缝

变形缝防水构造图中防水的做法为：采用三道防水构造做法，顶板、侧墙和底板中间均设置中埋式钢边橡胶止水带；背水面为高模量聚氨酯密封胶和不锈钢接水槽；在迎水面，底板和侧墙采用外贴式橡胶止水带，顶板上则预留嵌缝槽并以低模量聚氨酯密封胶嵌填如图1～图2所示。

图1 侧墙变形缝防水构造

图2 底板变形缝防水构造

图纸构造存在以下情况：①底板防水构造中的中埋式钢边橡胶止水带V字形方向朝上，这是考虑止水带呈托盘形态，有效汇集浆液，但也与水流方向一致，起不到阻挡水流前进作用，将V字形方向朝下是否对防渗漏更有利；②侧墙和底板迎水面均采用外贴式橡胶止水带加预铺防水卷材或膨润土防水毯，在未考虑福州水文地质的情况下，侧墙和底板水压力不同，底板水压力较大，侧墙水压力较小，底板迎水面防水构造设置应比侧墙强，两处防水予以区别对待，其防水作用是否更好些；③变形缝所用密封材料及橡胶止水带,必须经受得起长期的压缩和拉伸,抗振动疲劳等外力作用。根据福州已完成的几条线路地质环境调查分析情况，存在变形缝两边的土质差异情况，极端时如一边持力层为岩石，另一边持力层为粘土层，这就导致变形缝的两侧的差异沉降往往较大，当计算差异沉降大于地铁工程防水规范[2]30mm限值要求时，此时的一些防水措施，如橡胶止水带、密封胶等极易失效，应采取专门的处理措施。图纸中防水构造设计应对福州的地质差异情况进行考虑，采取些增强措施。

(3)车站主体诱导缝

诱导缝防水构造图中防水的做法同变形缝，也采用三道防水防线，顶板、侧墙和底板诱导缝内均设置中埋式钢边橡胶止水带。中楼板诱导缝中间设置遇水膨胀橡胶止水条，面层局部设置嵌缝槽嵌填低模量聚氨酯密封胶。侧墙和底板诱导缝迎水面连续设置外贴式橡胶止水带。顶板诱导缝迎水面设嵌缝槽，以低模量聚氨酯密封胶嵌填。顶板诱导缝背水面横向设置排水槽。防水构造设计存在的问题与变形缝类似。

(4)车站与出入口通道接缝

复合墙车站洞口防水层预留洞做法及通道口侧墙和顶板防水层、底板防水层预留保护做法节点大样中(图3～图4)存在以下情况：

图3 复合墙车站洞口防水层预留做法

图4 车站侧墙与通道侧墙接头防水构造

(1)接缝处预铺防水卷材或膨润土防水毯，但膨润土防水毯在出现渗漏水为污水时，起不到防水效果；如果膨润土材料防水层两侧的密实度(一般85%以上)不够,膨润土不能正常发挥止水功能。另外，因种种原因导致结构外表面不密贴，也会在结构物表面形不成胶体隔膜,达不到防水目的。

(2)通道顶板、底板、侧墙与车站侧墙连接处防水构造，在图纸设计中按施工缝防水构造来设置，设一道注浆管和双通道遇水膨胀止水胶。因现场施工存在技术难度，在车站主体顶板、底板与围护结构相连处防水很难完全达到要求，导致按施工缝的防水构造来做连接处的防水，防水效果存在一定的不足。先建的车站侧墙与后建的通道顶板、底板、侧墙连接处由于施工工艺等原因无法保证混凝土施工质量，遇水膨胀止水胶与先建的车站侧墙连接紧密等存在困难，造成接头处的防水效果不好。

(3)在车站围护结构与车站结构沉降较大时，因防水层防水构造做法较简单，较易产生破坏，从而导致防水层失效。

1.2 施工质量原因分析

1.2.1结构设缝处渗漏的原因分析

对结构设缝处渗漏的原因，主要从施工缝、变形缝及诱导缝等方面进行分析。

(1)施工缝：①施工缝的位置留设不当；②施工缝处先浇混凝土表面凿毛处理不到位或残渣未清理，造成新老混凝土的粘结性不佳，新老结合面在后期产生裂缝；③止水带或止水条安装不准确、固定不牢靠，或后期施工时位置移动，不能起到很好的止水作用；④施工缝处未做企口，或下料方法不当，骨料集中在施工缝处；⑤遇水膨胀胶条与混凝土面粘贴不密实，或在浇筑混凝土前胶条受水侵蚀先行膨胀，后期无法起到作用等；⑥没有采用补偿收缩混凝土,接搓部位易产生收缩裂缝等原因。

(2)变形缝：地铁工程结构缝两侧往往不是同时施工，在前期施工时埋入的橡胶止水带易在后期施工过程中受到损坏或止水带发生脱开现象；另，后期变形缝变形随时间增大，若连接的钢筋由于质量或受力不均而断开，导致止水带移位变形等，在变形缝处易造成渗漏。

(3)诱导缝：相较于施工缝、诱导缝渗漏情况，诱导缝处更易开裂，加上设计施工不当，更容易出现渗漏现象。另外，外包防水层由于防水卷材、防水涂料未能有效的形成密闭结构，也导致出现窜水层，致使整体防水层失效渗漏。

此外，其它结构缝也对渗漏产生不同程度的影响，并与施工工艺、施工方法、施工设备等均有很大的关系。主要有[3]：①止水部分周边混凝土结构有蜂窝、磨面、孔洞等缺陷形成的渗漏通道；止水部分或止水部分周边混凝土在终凝前受到扰动而形成渗漏通道等；②止水部分材料本身存在质量缺陷,如型材出现破损、孔洞，加上施工时的脱焊、反转的质量问题。另外，管片接缝处同步注浆存在问题，未在外围形成较好的防水层；管片封顶块插入间隙过小，管片角部受损形成渗水通道等。

1.2.2不同结构接缝处渗漏的原因分析

地铁车站与区间隧道、区间隧道与始发井、吊出井接口，联络通道与区间隧道接口及地铁车站与联络通道等接缝位置容易渗漏。由于其之间施工的先后顺序不同，防水等级不同，施工方法及措施也存在不同，若在两个建筑物的接缝处防水措施未做好则不可避免地会出现渗漏。

接缝处渗漏原因主要有：①接缝处止水带老化、埋设位置不准确或未妥善保护产生局部破损，止水带接头处理不到位等质量问题；②现场因条件限制或钢筋过密砼振捣不密实导致止水带与砼接触面处气泡或缝隙；③变形缝处用止水条安装跑位、后期施工时止水条已受水侵蚀先行膨胀，后期无法起到作用；④外包防水预留的搭接长度不够或其它因素，导致防水材料无法很好的连接；⑤侧墙防水板在区间隧道断开处，未在隧道轮廓外设置止水带收口止水；⑥在主体结构与后浇洞口环梁间及盾构管片与后浇洞口环梁间未设置相应的排水措施等；⑦洞口环梁采用的钢筋混凝土强度、抗渗等级达不到要求等；⑧未按设计方案施工或者防水方案的多道设防未做好，存在防水涂料涂刷厚度、次数不够，止水条粘贴不牢固等问题。

1.3 水文地质环境条件对渗漏影响分析

地铁工程结构缝渗漏产生的原因除了设计、施工外，水文地质环境条件也会对其产生较大的影响，如地质差异沉降较大、地下水埋深等情况，都会不同程度地影响着地铁工程结构缝的渗漏，以福州地铁线路为例进行分析。

(1)地质差异沉降对结构缝渗漏影响

福州地铁路线[4]自北向南穿越的地层北段和南段为硬岩(花岗岩、花岗斑岩、流纹质凝灰熔岩等)，分布广泛的风化岩层、孤石发育的花岗岩残积层；中部主要为冲淤积平原，其间夹杂着山前剥蚀丘陵。区间隧道自北向南要多次穿越杂填土(素填土、填土与砂砾或混凝土等混合)，淤泥或淤泥质土、粉质粘土或粘土、含泥细砂或粉砂、淤泥夹粉细砂、粉砂、细砂、中砂、卵石、残积土、残积砂质、砾质土、散体状强风化花岗岩、强风化至微风化花岗岩、花岗斑岩、凝灰熔岩等软硬不均，上软下硬的复杂地层。

地铁路线下既有巨厚淤泥层，又有遇水后力学性质显著降低的花岗岩残积土层。淤泥层具有含水量高、孔隙比大、强度低、灵敏度高、易扰动等特点，围护结构稳定性差，坑底易产生隆起。花岗岩残积土兼具粘性土和砂土的工程特性，在天然状态下具有较低的压缩性、较高的承载力和较大的抗剪强度，但遇水后力学性质显著降低。福州地下水丰富且埋藏浅，易导致花岗岩残积土层遇水发生软化崩解。

这些复杂的地质环境条件，将导致不同结构接缝处的地质沉降差异较大，而根据地下工程防水技术规范，现浇混凝土结构沉降变形缝的最大允许差异沉降不应大于30mm，防水构造设计中往往很难考虑到福州的地质差异情况进行有针对的构造方案设计，而此时的一些常规防水措施，如橡胶止水带、密封胶等极易失效，导致结构缝处渗漏。

(2)地下水压力对结构缝渗漏影响

福州地铁规划场区主要位于平原区，场区内地下水类型主要以第四系松散层孔隙潜水和承压水为主，少量涉及风化残积孔隙裂隙水和基岩裂隙水。

福州地区水位埋深浅(1m～4m)，地铁隧道一般埋深于地表以下15m～21m的深度范围，越江段埋深为20m～26m，隧道结构体处于地下水位以下。区内富水含水层主要分布于沿江、沿海一带的砂层及砂砾卵石层中，大部分路段的地铁隧道需穿越该层，这就直接导致结构缝内承受较大的地下水压力，结构缝防水构造措施要考虑这种大水压力的作用。

(3)地下热水对结构缝渗漏影响

福州多条地铁规划路线经过地热田区[5]。福州地热田主要发育两种性质不同的热储层：一为花岗岩类岩石构造裂隙脉状承压热水，二为第四系孔隙层状承压热水。基岩裂隙脉状承压热水，主要富水带沿断裂构造带分布，储存深度一般在70m以下，上部覆盖有40m～65m厚度的第四系地层，孔口最高水温97.5℃，孔底最高水温108℃，深部热储温度可达130～155℃；第四系孔隙层状热水含水层由泥质砂砾卵石组成，热储层厚度为10m～25m，埋深一般在15m以下，该层地热水温度一般可达45～65℃。地热田区的热水温度都比常温要高很多，位于这些地段的地铁工程防水所选用的材料还应通过耐温水试验，并要求严格控制混凝土及原材料的耐腐蚀性能。若防水材料达不到耐温水试验要求，就容易影响防水材料的耐久性，导致结构缝处渗漏。

综之，地铁工程在设计、施工中，要对工程周围的水质、水源、土质等情况进行调查，掌握水位随季节变化的规律和地表水的情况，以确定工程所承受的最大水压，对不同结构缝所处地质差异沉降进行充分分析研究，采取不同的防渗构造措施。此外，地铁工程在渗漏治理时还应了解与之相连的生产用水、生活用水的上下管道是否完好，以便查明引起渗漏的原因，为制定防水堵漏方案与切断水源提供依据。

2 结构未知缝部分渗漏原因分析

按防水工程的重要性，地铁工程防水分为两个等级，首要的是结构自防水，也是根本防线。在地铁结构施工中分析影响防水混凝土防水效果的相关因素，分析结构未知缝产生的原因及受力机理，采取相应预防措施，改善混凝土自身的抗渗能力，成为结构未知缝(裂缝)防渗漏的重点。

结构裂缝产生的原因错综复杂，从技术的角度主要有以下几个方面[6]：设计原因引起的裂缝；混凝土材料缺陷引起的裂缝；施工质量问题引起的裂缝；使用维护不当引起的裂缝；由于环境侵蚀而产生的化学破坏裂缝；偶然力作用后产生的残余裂缝。结构产生裂缝，在有外水的情况下，不可避免就出现渗漏。

地铁工程混凝土结构由于诸多因素的作用，导致开裂问题，排除了设计、施工等主观因素引起的裂缝外，其客观因素主要分为3种：收缩引起的开裂、耐久性下降引起的开裂和使用过程引起的开裂。

而收缩引起的开裂及其成因有：水泥水化导致的混凝土温差开裂、混凝土硬化过程中的收缩开裂。耐久性下降引起的开裂及其成因有：渗透开裂、锈蚀开裂。

混凝土结构裂缝的出现，不但降低混凝土抗疲劳性和抗渗能力产生渗漏，加速混凝土的碳化及内部配置钢筋的锈蚀，导致整体结构耐久性下降和使用寿命严重缩短，还会影响结构的整体性和安全性。为保证地铁车站正常运营，一是必须在做好预防措施，包括做好混凝土结构自防水和结构外防水，通过如材料精选、配合比设计优化、附加非固化防水材料、设置电极等方法；二是裂缝监控措施；三是有效的修复措施。

3 结语

地铁工程渗漏水主要发生结构缝位置处，渗漏原因非常多，本文从设计、施工及地质环境等因素对地铁工程结构已知设缝、不同结构接缝及未知产生的裂缝处渗漏原因进行分析。在设计上要注意防水构造设置科学合理，以免导致后期渗漏；在施工上，渗漏原因主要有混凝土施工质量缺陷、止水设施存在问题等因素；而地质环境对地铁工程渗漏的影响主要有3个方面，地质差异沉降、地下水压力及地下热水等。地铁工程结构裂缝产生的客观因素主要有：收缩引起的开裂、耐久性下降引起的开裂和使用过程引起的开裂。本文对地铁工程结构缝渗漏原因分析总结，为后续治理提供参考依据。