孫劍平，馬瑞琪，王軍，朱士豪，楊位珂

（1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南 250000；2.山東建筑大學工程鑒定加固研究院有限公司，山東濟南 250000；3.中鐵十四局集團建筑工程有限公司，山東濟南 250000）

0 引 言

為了緩解我國城市交通擁擠，提高城市公共交通能力，地鐵建設空前發(fā)展。隨著地鐵工程的大規(guī)模建設，地鐵車站滲漏水問題也變得突出，成為影響地鐵運維的難題之一。

針對地鐵車站滲漏水病害，國內外學者開展了一系列研究。馬宏旺等[1]采用施加預應力的方法限制地鐵車站結構頂板的開裂滲水，并成功應用于上海地鐵某車站。吳祥祖等[2]通過對上海地鐵已建成車站進行研究，指出滲漏是地鐵車站的常見病以及多發(fā)病，長期滲漏會影響車站的正常使用甚至嚴重情況下會造成災難性事故。Han[3]深入研究地鐵車站結構滲漏水誘發(fā)病害機理，揭示了地下水在地鐵車站結構中的滲透發(fā)展及病害過程。張永利[4]結合廣州三號線地鐵車站，從設計施工和材料等方面對地鐵工程防水有關問題進行了論述。

以上文獻對地鐵車站滲漏水開展了深入研究，取得豐富的研究成果，但是對地鐵車站的系統(tǒng)成因和治理新技術研究還有不少值得完善的空間。本文針對目前地鐵車站滲漏水問題開展了總結分析，研究了車站滲漏水特征、成因、治理方法，同時提出了一種改進型堵漏材料，并開展了相關試驗研究。

1 地鐵車站滲漏水特征及成因分析

1.1 地鐵車站滲漏水特征

地鐵車站滲漏水的主要表現(xiàn)形式為：結構面、結構縫和特殊部位滲漏水[5-7]。表1 為滲漏水主要分類及表現(xiàn)。

表1 滲漏水分類及表現(xiàn)

結構面滲漏水是地鐵工程常見的滲漏水類型，常見于側墻處垂直裂縫滲漏水、頂板處井字形分塊裂縫滲漏水、底板裂縫并伴有滲漏水。結構面滲漏水往往表現(xiàn)為局部點漏、線漏、成片（面）滲漏，按滲漏水嚴重程度有濕漬、滲水、水珠、滴漏以及線漏等幾種。

結構縫滲漏水主要表現(xiàn)為施工縫、變形縫帶等部位滲漏水。施工縫滲漏水常見于分階段澆筑的混凝土結構接縫位置，通常表現(xiàn)為接槎錯臺處的沿縫線狀滲漏水。變形縫滲漏水出現(xiàn)于地鐵車站與站間、出入口相連處以及主體和風亭/風道等位置，冬季降溫時滲水量會有明顯增加。

特殊部位滲漏水包括預埋管道周圍、穿墻線管等位置處滲漏水。這類滲漏水會對地鐵車站內部環(huán)境和設備的正常使用造成影響。

地鐵車站滲漏水位置一般為主體結構的施工縫、側墻、頂板和底板，圖1、圖2 為不同地鐵車站滲漏水位置統(tǒng)計結果[5-6]，其中結構面和結構縫處滲漏水現(xiàn)象最為常見，結構面中側墻位置是最容易發(fā)生滲漏水的地方。

圖1 地鐵車站滲漏水位置所占比例

圖2 結構面滲漏水占比情況

1.2 地鐵車站滲漏水成因分析

地鐵車站滲漏水病害成因復雜多樣，根據(jù)地鐵滲漏水調查病害成因統(tǒng)計結果如表2 所示，主要包括施工操作、混凝土自身、止水帶失效以及外包防水不合理等方面[5-8]。

表2 部分地鐵車站滲漏水成因占比

地鐵車站結構面滲漏水的主要原因是混凝土自應力裂縫，這些造成滲漏水病害的裂縫出現(xiàn)原因可分為：（1）水泥用量大、水泥強度等級過高產生的收縮裂縫；（2）經(jīng)過季節(jié)循環(huán)、受到溫度變化而引起的溫度裂縫；（3）由于沉降變形產生的塑性裂縫；（4）因堿-集料反應或鋼筋銹蝕而引起的膨脹裂縫；（5）結構裂縫。這些混凝土結構面裂縫都會影響混凝土自身的防滲效果，從而造成混凝土結構面滲漏水。

地鐵車站結構縫滲漏水的主要原因有：（1）混凝土未按操作規(guī)程振搗，施工時漏振或振動時間不足；（2）施工縫施工時，原有混凝土基礎表面沒有進行鑿毛處理或鑿毛后未清理干凈；（3）在設計中未考慮到后澆帶的排水問題而導致后澆帶處長期積水；（4）變形縫兩側混凝土中摻雜異物、廢渣以及混凝土空鼓；（5）變形縫處不正確的防水材料設置；（6）施工過程中止水帶安裝不牢固，造成后期止水帶移位；（7）止水帶埋設不規(guī)范等。

除表2 所示的主要滲漏水原因外，特殊情況如巖溶區(qū)地鐵車站滲漏水[9]，主要原因有巖溶區(qū)地下水豐富、承壓水水頭高而致溶巖地下水經(jīng)裂縫進入地鐵內部；巖溶發(fā)育引起的地鐵結構不均勻沉降；地鐵車輛振動及周邊建筑工程施工所產生的外加荷載、抽排水等造成的巖溶發(fā)育加速，甚至破壞原有溶洞的穩(wěn)定，造成坍塌等。

2 地鐵車站滲漏水防治技術研究

2.1 地鐵車站防水技術

新建地鐵車站防水一般遵循“以防為主，剛柔相濟，多道設防，因地制宜，綜合治理”的原則，一般以結構自防水為根本，主要防水措施如表3 所示[10-13]。

表3 地鐵車站的主要防水方法

地鐵車站結構面防水關鍵在于提高混凝土本身密實度，并抑制和減少混凝土裂縫的產生。提高混凝土自防水能力措施主要有：（1）合理選擇材料，對砂率、含泥量等進行嚴格控制；（2）摻加外加劑，減少收縮性裂縫；（3）適量添加有機纖維，提高混凝土柔韌程度、延長混凝土使用壽命；（4）在合適溫度下安排混凝土澆筑，嚴格控制養(yǎng)護時間。

地鐵車站結構縫部位是滲漏水高發(fā)區(qū)域，該部位防水措施通常會采用防水板、鋼板止水帶等多重防水措施以確保該部位的防水效果，在施工中采取針對性的措施并嚴格各施工工序的過程把控。

結構縫處防水主要注意幾點：（1）施工縫施工時須嚴格遵循設計章程和施工規(guī)范標準，選擇合適的止水帶材質、性能與型號，并保證材料的密封性；（2）針對后澆帶的防水，在接縫處兩側安裝鋼板止水帶，必要時采用促凝膠漿、高壓注漿等方法進行防水；（3）針對變形縫可以采用止水與適應變形的復合防水技術，采用中埋式止水帶、嵌填密封材料和外貼防水層等多種止水材料構成多重復合防水防線。

特殊部位如穿墻管件處，可將鋼板止水環(huán)與主管焊接，并采用膨脹止水條等提高防滲能力。

2.2 地鐵車站滲漏水治理技術

地鐵工程滲漏水治理應遵循“防、排、截、堵”相結合的綜合治理方法。滲漏治理時應遵循“先小后大，先易后難，先頂板后側墻底板，先點滲后面滲”的順序，要根據(jù)地區(qū)環(huán)境的不同、工程自身特點、使用要求以及滲漏的原因、位置、程度等具體情況，制定最佳的滲漏處理方案。

地鐵車站滲漏水治理技術主要分為2 類，剛性材料滲漏水治理和化學注漿滲漏水治理。

剛性材料滲漏水治理主要是以修補滲漏位置為主，使用聚合物水泥防水砂漿、纖維聚合物水泥防水砂漿和水泥基滲透結晶型防水材料等，通過阻斷水源、清理工作面、修補孔隙以及平整處理等施工流程，達到滲漏修補的目的。相較于化學注漿法，使用剛性材料具有強度高、與基面能結合成整體、施工方便以及耐久性好、成本低的優(yōu)點；但因材料本身沒有延展性，容易產生二次開裂而導致短期內需要重復治理。

化學注漿是目前地鐵車站滲漏水治理最常用的方法，相較于剛性材料，化學注漿材料具有種類多、可塑性、延展性、抗拉伸性能好等優(yōu)點，具有更好的適應性和防水抗?jié)B效果。堵漏材料應根據(jù)其對應的部位和相關的功能進行選擇，根據(jù)滲漏部位狀況主要有丙烯酰胺類、聚氨酯類、環(huán)氧樹脂類、丙烯酸鹽等材料[14-16]，表4 為常用化學注漿材料優(yōu)缺點及其適用情況。

表4 常用化學注漿材料優(yōu)缺點及其適用情況

地鐵車站的滲漏水處理應重視混凝土的整體結構處理，不僅要止漏止?jié)B，還要進行補強處理。

針對地鐵車站滲漏水防治處理的問題，新型防水材料研究仍是目前的一項重要工作。

3 丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料堵漏試驗研究

在城市地鐵工程中，有相當一部分裂縫長期處于動水條件下，在治理這類裂縫滲漏水時，采用無機材料時會因凝結時間較長易被動水沖刷流失導致堵漏效果差，采用有機材料堵漏時堵漏效果好但其耐久性往往較差；同時，裂縫長期處于動水條件下，注漿材料進入后在流動水的快速稀釋下，往往無法達到預期的配比，從而嚴重影響堵漏效果。

針對動水條件下滲漏材料因凝結時間長或膠凝體易分散而導致的注漿堵漏效果不佳的問題，可以采取先用快速堵漏的有機材料在結構迎水面外側將滲水通道封堵，再用無機材料對裂縫通道進行注漿封堵的辦法，通過利用有機材料凝膠快形成的不分散膠凝團，消除裂縫通道內的動水環(huán)境，營造無水環(huán)境以便進行水泥基等高耐久性堵漏材料的注漿堵漏。

本試驗以丙烯酸鹽和吸水樹脂為原材料進行堵漏試驗探索，以期得到一種粘結性能良好、凝膠快速且膨脹性能好的復配材料，作為動水環(huán)境下的地下結構迎水面的堵水材料。

3.1 丙烯酸鹽-吸水樹脂復配試驗設計

為研究丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料固化物的粘結強度、凝膠時間、遇水膨脹等特性的變化規(guī)律，通過調整吸水樹脂（宜興市可信的化工有限公司產）的添加、丙烯酸鹽A/B 組分（南京天奈防水材料有限公司產）漿液配合比以及用水比例等對復配材料進行試驗研究，試驗設計配比見表5，并且每組都設有未添加吸水樹脂的純丙烯酸鹽材料（包含丙烯酸鹽A、B 組分）為對比組。漿液配合比指丙烯酸鹽A 組分與B 組分的質量比，用水比例為總用水量與丙烯酸鹽A、B 組分總量的質量比。依據(jù)前期驗證性試驗研究，當吸水樹脂摻量較少時，漿液長時間呈流動狀態(tài)，難以凝結成固化物；而當吸水樹脂摻量過多時，會有部分吸水樹脂不能參與吸水膨脹而剩余，并且影響固化物的整體性及吸水膨脹能力，綜合所用吸水樹脂吸水性能以及與丙烯酸鹽復配等因素，將復配材料試件的吸水樹脂添加比例均定為m（吸水樹脂）∶m（水）=1∶200。

表5 丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料復配試驗配比情況

3.2 試驗方法及結果

3.2.1 凝膠時間試驗

滲水封堵材料的凝膠時間對外部封堵的效果至關重要，凝膠時間越短，其封堵效果越好。凝膠時間參照JC/T 2037—2010《丙烯酸鹽灌漿材料》進行測試：以加入吸水樹脂快速攪拌均勻后，反應器即燒杯傾斜成45°，漿材滯流所用時間定為漿材的凝膠時間。

圖3為純丙烯酸鹽材料與添加吸水樹脂后復配材料的凝膠時間對比。

圖3 吸水樹脂對凝膠時間的影響

由圖3 可以看出，吸水樹脂的加入可有效縮短凝膠時間，凝膠時間比不添加吸水樹脂的純丙烯酸鹽材料最長可縮短47%。

用水比例及漿液配合比對凝膠時間的影響如圖4 所示。

圖4 用水比例及漿液配合比對凝膠時間的影響

由圖4 可知：

（1）在相同用水比例下，隨著A 組分含量的增加，復配材料凝膠時間呈先延長后縮短的趨勢；其中在水的用量為丙烯酸鹽摻量4 倍、漿液配合比為5∶1 或8∶1 時，材料凝膠時間最短，最短時間僅為10 s。

（2）用水比例對丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料的影響明顯，在漿液配合比相同情況下，隨著用水比例的增加，凝膠時間延長，在用水比例大于6∶1 時，凝膠時間延長更為明顯?？筛鶕?jù)實際情況，并參照粘結強度和膨脹情況，適當增加或減少丙烯酸鹽A 組分和用水量來調節(jié)凝膠時間，以滿足施工需要。

3.2.2 粘結強度試驗

材料與基材具有良好的粘結力，是保證材料防水封堵效果的基礎。粘結強度試驗采用高精度錨桿拉拔儀進行正截面拉伸粘結試驗。首先，在基材混凝土表面粘貼帶有50 mm×50 mm 洞口的5 mm 厚塑料板模板，將調配好的材料漿液澆入模板中心的洞口內，成型50 mm×50 mm×5 mm 的棱柱試塊，澆入漿液后在漿液上方放置水泥薄塊，使之與丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料粘結，水泥塊上表面涂有高強膠并粘結帶環(huán)小鋼板，將高精度錨桿拉拔儀放置在試塊上方并與小鋼板連接，緩緩轉動儀器上方把手施加拉力直至材料斷裂，記錄此時力的最大值，根據(jù)接觸面積由式（1）計算粘結強度：

式中：P——拉伸粘結強度，kPa；

F——破壞荷載，kN；

S——試件接觸面積，m2。

待材料漿液凝膠后，立即對復配材料及單純丙烯酸鹽材料的初始粘結強度進行試驗。用水比例及漿液配合比對粘結強度的影響如圖5 所示。

圖5 用水比例及漿液配合比對粘結強度的影響

由圖5 可知：

（1）在用水比例一定的情況下，隨著A 組分含量的增加，復配材料固化物粘結強度變化并不明顯，可見漿液配合比對材料粘結強度影響很小。

（2）在漿液配合比一定的情況下，增加水的用量，復配材料固化物粘結強度呈先提高后降低的趨勢，當用水比例為6∶1且漿液配合比為5∶1 時，復配材料固化物的粘結強度最高，為118 kPa。

圖6為丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料固化物與基材交界面受拉破壞的斷口。

圖6 材料受拉破壞斷口

由圖6 可見，斷裂位置位于丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料本身，而不是材料與基材混凝土的交界面。丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料對水泥基材具有一定的粘結能力，很容易粘附在其表面，并且固化物與混凝土表面的粘結強度高于材料自身斷裂強度。

3.2.3 遇水膨脹率試驗

丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料的堵水方式主要是利用材料吸水膨脹作用，從而在迎水面有效封堵滲漏水，故其遇水膨脹率是影響封堵效果的重要特性。遇水膨脹率采用排水法進行測試，配制好的漿液形成凝膠后，取出固化物，切割成等分的4 個試件，4 個試件為1 組。先在量筒內裝入一定量的水，讀取水的體積V，然后將凝膠體試件放入量筒中，待水面穩(wěn)定后讀取此時固化物和水的總體積V0，V0-V 即為凝膠體的初始體積。測完初始體積的試件放入盛有水的托盤中，完全浸于水中養(yǎng)護，如圖7 所示。采用上述方法定期測試固化物體積，直至固化物體積相對穩(wěn)定。遇水膨脹率按式（2）計算：

圖7 水中養(yǎng)護的丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料試件

式中：Vx——試件在水中浸泡養(yǎng)護后按照一定時間測得的固化物與水的總體積，cm2。

遇水膨脹率試驗共設計了9 組對照工況，如表6 所示。

表6 丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料遇水膨脹率試驗配比

參照體積測試結果，調整測試間隔時間，以便更準確地描述丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料吸水膨脹過程。根據(jù)體積測試的結果，將體積測試間隔時間定為1、2、3、5、7、9、11、13、15、17、19、22 d。根據(jù)各時間點測試的體積，計算繪制得到固化物吸水過程中遇水膨脹率隨時間的變化曲線如圖8 所示。

圖8 各漿液配合比下吸水樹脂對遇水膨脹率的影響

由圖8 可知，在各配比情況下，復配材料的遇水膨脹率均要大于純丙烯酸鹽固化物的膨脹率。丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料試樣的最終膨脹率范圍在86%~123%，波動范圍較大，但總體遵循一定規(guī)律：隨著時間的延長，材料固化物在水環(huán)境下的吸水膨脹過程相似，遇水膨脹率變化趨勢大致相同，即材料第1 d 的膨脹變化最為明顯，各配比下膨脹率都在30%以上；在2~17 d 內，材料遇水膨脹率一直都有上升，且呈現(xiàn)前期變化較快，后期增幅逐漸減緩的趨勢；從17 d 開始，材料的膨脹趨于平穩(wěn)。丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料的最終膨脹率為86%~123%，比單純丙烯酸鹽材料的吸水最終膨脹率最大提高了55%，復配材料具有更好的膨脹性能。

3.2.4 掃描電鏡分析

在滲漏水治理過程中，堵漏材料主要粘附于混凝土表面，為了研究丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料與混凝土表面的粘結微觀形貌，選取上述試驗中效果較優(yōu)的一組配比，進行掃描電鏡觀察分析。制作厚度約3 mm、直徑最大處5 mm 的粘結面處試樣，因掃描電鏡樣品要極度干燥且必須導電，所以對試件進行了烘干及噴鍍金處理，故所拍攝微觀形貌照片為干燥后試件與混凝土粘結面情況。圖9 為固化物與混凝土粘結面放大2000 倍后的微觀形貌照片。

圖9 固化物與混凝土粘結面微觀形貌

由圖9 可見，在經(jīng)歷干燥處理后，丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料形成的固化物仍能與混凝土緊密粘結，且未發(fā)現(xiàn)明顯的分界面。

4 結 論

（1）地鐵車站滲漏水的主要表現(xiàn)形式有結構面、結構縫和特殊部位滲漏水，其中施工縫是最容易出現(xiàn)滲漏水的位置。造成地鐵車站滲漏水的主要原因在材料、施工、混凝土自身防滲能力以及結構變形等方面。

（2）地鐵車站防水以提升材料抗?jié)B性能的結構自防水為根本，以變形縫、施工縫等接縫防水為重點，采用剛柔并濟的防水設計。滲漏水治理主要分為剛性材料處理與化學注漿處理2 方面，并輔以裂縫補強以保證滲漏水治理效果。

（3）丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料凝膠時間最短可達到10 s，與單純丙烯酸鹽材料相比凝膠時間最多可縮短47%；丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料固化物的遇水膨脹率可達到86%~123%，比純丙烯酸鹽材料的遇水膨脹率最大提高了55%，復配材料具備更好的膨脹性能。

（4）丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料固化物粘結強度隨著用水量增加呈先提高后降低的趨勢，粘結強度最高可達到118 kPa。掃描電鏡觀察顯示，丙烯酸鹽-吸水樹脂復配材料形成的固化物與混凝土有著良好的界面膠結能力，復配材料固化物能夠緊密粘結在混凝土表面。