混凝土噴射法與模筑法在地鐵車站基坑防水方面的優(yōu)劣分析

劉歡其

（中鐵一局集團(tuán)廈門建設(shè)工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

城市軌道交通工程因其自身設(shè)計(jì)和城市建設(shè)用地的整體規(guī)劃要求，位于中心城區(qū)的線路、主體結(jié)構(gòu)基本都設(shè)置在地下。作為地下工程，如何合理、有效地解決防水問題是一項(xiàng)永久性課題。按照規(guī)范規(guī)定，地鐵車站防水等級(jí)為Ⅰ級(jí)[1]。一般來說，除了通過使用高等級(jí)的防水混凝土等方案使得結(jié)構(gòu)自身的防水滿足設(shè)計(jì)要求外，還需通過基坑止水帷幕、基坑初期支護(hù)、結(jié)構(gòu)外包防水卷材等相關(guān)工序的共同作用，才能確保工程在整個(gè)壽命周期獲得良好的防水效果[2]。車站基坑開挖過程中，常用的防水方案有以下兩種：一是坑內(nèi)側(cè)壁支護(hù)樁間采用掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)（主要針對(duì)樁間土等支護(hù)）及基坑防水（止水帷幕作用深度有限，隨著基坑深度超過止水帷幕作用區(qū)域，基坑側(cè)壁滲漏水現(xiàn)象明顯增加），兼做防水卷材的施工基面；二是隨基坑開挖，采用模筑法分層分段進(jìn)行基坑側(cè)壁支護(hù)及基坑防水，兼做防水卷材的施工基面。本文基于廈門地鐵2 號(hào)線、3 號(hào)線部分基坑工程，采取查閱國(guó)內(nèi)相關(guān)成果、調(diào)研相關(guān)工程、實(shí)施模筑法方案等辦法，分別從工程質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、工期長(zhǎng)短、社會(huì)效益等方面進(jìn)行對(duì)比分析，研究上述兩種防水方案的適用條件及應(yīng)用范圍，以期為類似工程選擇最優(yōu)方案時(shí)提供參考。

1 噴射混凝土方案應(yīng)用

國(guó)內(nèi)目前常用的基坑防水方案大部分為噴射混凝土方案。在部分地區(qū)，該工藝相對(duì)成熟，通過合理的混合料配合比、成熟的濕噴工藝等，能夠取得良好的防水效果。薛鵬[3]提出的樁間噴射混凝土施工技術(shù)在地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)工程中取得了較好的應(yīng)用效果；戴亞軍等[4]以長(zhǎng)沙地鐵6 號(hào)線謝家橋站地鐵基坑邊坡穩(wěn)定控制為背景，通過分析研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，證明噴射混凝土在配合掛網(wǎng)、錨桿等技術(shù)條件下，有效地保證了基坑的穩(wěn)定及安全；吳全立[5]以青島地鐵試驗(yàn)段工程為背景，闡述了通過優(yōu)化噴射混凝土配合比，嚴(yán)格控制濕噴工藝及分層噴射施工，配合排水盲管等設(shè)施綜合進(jìn)行基坑防排水，達(dá)到了Ⅱ級(jí)防水的設(shè)計(jì)要求。因此，廈門地鐵在施工中，部分基坑工程同樣采用了噴射混凝土方案。本文通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，就噴射混凝土成品質(zhì)量、工后效果、結(jié)構(gòu)滲漏水現(xiàn)象等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

從工后成品的平整度、密實(shí)度、滲漏水情況等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，采用噴射混凝土進(jìn)行基面處理方案的項(xiàng)目，因本地區(qū)土層穩(wěn)定性差，基坑開挖過程中樁間土松散掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，而由于整面墻體噴射混凝土厚度無法人為調(diào)整，導(dǎo)致其工后基面隨樁面、樁間變化呈現(xiàn)波浪狀，凹凸不平，毫無平整度可言（見圖1）。

圖1 噴射混凝土工藝施工的基坑側(cè)壁

在噴射混凝土工后施工防水卷材前，雖然對(duì)基面局部凹陷過大區(qū)域進(jìn)行了人工砂漿貼補(bǔ)，但因有效的可貼補(bǔ)厚度有限，卷材與基坑側(cè)壁之間的脫空無法全部消除，尤其是在支護(hù)樁樁間位置，脫空現(xiàn)象尤為突出（見圖2）。

圖2 卷材與基坑側(cè)壁間存在脫空現(xiàn)象

另外，在調(diào)查噴射混凝土作為基坑初期支護(hù)的車站結(jié)構(gòu)滲漏水情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)大部分均位于支護(hù)樁樁間。分析其原因，滲漏水區(qū)域集中在防水卷材脫空部位，脫空后的卷材與基坑側(cè)壁之間形成了“水包”，結(jié)構(gòu)完成后極易形成支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間的存水點(diǎn)。因卷材與基面之間存在較大空鼓，卷材的松弛度設(shè)置不夠，在結(jié)構(gòu)混凝土澆筑時(shí)，受壓張拉撕裂，地下水沿車站主體結(jié)構(gòu)混凝土的孔隙、裂縫等滲漏。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分地鐵車站采用噴射混凝土工藝，其表面平整度、鋼圍檁脫空現(xiàn)象、防水卷材脫空現(xiàn)象以及主體結(jié)構(gòu)滲漏水現(xiàn)象較嚴(yán)重（見圖3）。實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析見表1。

表1 車站防水工程調(diào)查分析表

圖3 車站主體結(jié)構(gòu)滲漏水嚴(yán)重

2 模筑混凝土方案應(yīng)用

廈門屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，濕潤(rùn)多雨，年平均降雨量約1 200 mm，降水對(duì)地下表層水的補(bǔ)給量大，地下水豐富。鉆探發(fā)現(xiàn)，雙十中學(xué)站站址區(qū)穩(wěn)定水位埋深為2.5～3.6 m，年變幅約1～3 m。車站主體結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高低于地下水位標(biāo)高，站體整體位于地下水埋藏區(qū)域，工程的基坑防水質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)防水質(zhì)量滿足合格率要求的控制難度較大。另外，站址區(qū)地層自穩(wěn)能力差，基坑開挖過程中，樁間土松散掉塊嚴(yán)重，樁間凹陷較大。因此，基于調(diào)查發(fā)現(xiàn)的問題，參考國(guó)內(nèi)其他地區(qū)類似工程環(huán)境的基坑防水方案，決定在廈門地鐵3 號(hào)線雙十中學(xué)站采用模筑混凝土方案，并在實(shí)施過程中統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)指標(biāo)，研究其在近海復(fù)雜地層環(huán)境下的適用性和可行性。

2.1 施工工藝

模筑混凝土施工與基坑土方開挖配套，交替循環(huán)進(jìn)行，每開挖一段、一層土方，模筑混凝土及時(shí)施作一段、一層。需要注意的是，為了避免土方開挖施工中，作業(yè)機(jī)械損壞模筑混凝土，單層模筑混凝土縱向分段長(zhǎng)度宜小于基坑開挖的分段長(zhǎng)度1～2 m。

模筑混凝土主要施工工藝流程為：基坑第一層土方開挖→測(cè)量放樣→缺陷樁處理、基面處理→植筋（網(wǎng)片定位筋、模板錨固螺栓）→鋼筋網(wǎng)片安裝→模板安裝、加固→混凝土澆筑→拆模、養(yǎng)護(hù)→下一個(gè)循環(huán)→施工縫處理。

2.2 施工控制要點(diǎn)

模筑混凝土主要包括施工準(zhǔn)備、掛網(wǎng)、模板安裝及混凝土澆筑等工序。

2.2.1 施工準(zhǔn)備階段

施工準(zhǔn)備階段主要工作為施工前的支護(hù)樁侵限處理及樁間松動(dòng)土石清理。支護(hù)樁侵限處理是為了避免鋼筋網(wǎng)安裝平整度受影響及確保模板安裝平順度要求，以保證模筑混凝土厚度滿足要求。樁間殘留的松動(dòng)土塊及散碎渣土存在掉塊傷人的安全隱患，還易造成模筑混凝土施工后側(cè)壁附著力降低，后背脫空，存在剝落隱患，影響模筑混凝土質(zhì)量及工后效果。因此，施工前必須及時(shí)處理樁間散碎松動(dòng)渣土。

2.2.2 掛網(wǎng)

為確保模筑混凝土的附著力及整體穩(wěn)定性，且滿足能承受一定側(cè)向土壓力的要求，具備一定的抗裂性能，通過在模筑混凝土內(nèi)部設(shè)鋼筋網(wǎng)片來滿足相關(guān)要求（見圖4）。

圖4 鋼筋網(wǎng)片安裝示意圖（單位：mm）

2.2.3 支模及澆筑要點(diǎn)

模板支模采用“內(nèi)拉外撐”方案。

“內(nèi)拉”系統(tǒng)由φ14 mm 高碳鋼拉條錨入樁身混凝土內(nèi)為受力主體（經(jīng)計(jì)算及抗拉拔試驗(yàn)，拉條錨入樁體不小于30 cm，豎向間距不大于60 cm，橫向間距按樁間距）。每段模筑混凝土支模施工前，對(duì)拉條按比例進(jìn)行抗拉拔試驗(yàn)，以確?；炷翝仓^程中模板穩(wěn)固安全，防止爆模（見圖5）。

圖5 拉條植筋實(shí)例圖

“外撐”體系由模板外側(cè)的斜撐鋼管組成。斜撐鋼管沿模板縱向方向，分別在1/3 模板高度、2/3 模板高度處布置，以加強(qiáng)模板整體穩(wěn)定性（見圖6）。斜撐鋼管采用φ48.3×3.6 mm 普通鋼管制作。

圖6 模板“內(nèi)拉外撐”體系示意圖（單位：mm）

混凝土澆筑時(shí)，因結(jié)構(gòu)自身厚度小，作業(yè)空間有限，宜采用C20 細(xì)石混凝土。為確保澆筑質(zhì)量，混凝土的和易性要求必須良好，施工坍落度以（200±20）mm為宜。

根據(jù)模筑混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工工藝，混凝土只能從上一層結(jié)構(gòu)的預(yù)留位置灌入，因此，需在上一層結(jié)構(gòu)底部預(yù)留一個(gè)30 cm×30 cm、橫向間距2 m左右的“窗口”。下層混凝土可從此“窗口”內(nèi)灌入澆筑（見圖7）。

圖7 模筑混凝土澆筑

因模筑混凝土分層施工，其上下層間連接處的施工縫為防水薄弱點(diǎn)，工后易出現(xiàn)肉眼可見的空隙或出現(xiàn)滲漏。除了工后采用人工打磨鑿除錯(cuò)臺(tái)、蜂窩及較大的空隙，并用摻有微膨脹劑的水泥砂漿進(jìn)行缺陷修復(fù)外，還應(yīng)在窗口位置、必要的空隙位置預(yù)埋、安裝注漿管。注漿管伸入樁間土體，在施工縫部位發(fā)生滲漏的情況下，采用常壓注漿方案進(jìn)行防水封堵。對(duì)上下層之間預(yù)留的“窗口”及施工縫，拆模后需及時(shí)采用C20 微膨脹混凝土及高標(biāo)號(hào)砂漿進(jìn)行填充、找平修飾。

3 方案對(duì)比

3.1 工程質(zhì)量

車站實(shí)施模筑混凝土方案，工程質(zhì)量可控，自身具有良好的防水效果，方便防水卷材施工，局部滲漏點(diǎn)后期處理方便。模筑混凝土若發(fā)生局部滲漏，滲漏點(diǎn)清晰明確，可直接在滲漏部位注漿，止水后封堵注漿孔即可達(dá)到防水要求。既避免了盲目堵漏“耗時(shí)耗力”且效果不佳，同時(shí)也避免了因盲目大量鉆孔而破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性。再者，因模筑混凝土整體性好，且堵漏用的漿液能在一定程度上提升其與基坑側(cè)壁的附著力，加固樁間松散土體，從而提高了基坑的整體穩(wěn)定性（見圖8）。

圖8 工后整體效果

本站實(shí)施模筑混凝土方案進(jìn)行基坑側(cè)壁支護(hù)及防水。模筑混凝土施工過程中，分階段對(duì)工程表面平整度進(jìn)行抽檢統(tǒng)計(jì)，并與周邊車站采用的噴射混凝土工后質(zhì)量抽檢數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)模筑混凝土表面平整度合格率高，平均合格率達(dá)到95%，遠(yuǎn)高于經(jīng)人工二次處理后的噴射混凝土表面平整度75.5%的平均合格率。

模筑混凝土表面平整度合格率統(tǒng)計(jì)圖見圖9，模筑混凝土與噴射混凝土平整度對(duì)比見圖10。

圖9 模筑混凝土表面平整度合格率統(tǒng)計(jì)圖

圖10 模筑混凝土與噴射混凝土平整度對(duì)比統(tǒng)計(jì)圖

采用模筑混凝土的車站基坑，在模筑混凝土施工完成后，大部分樁間滲漏水已被封堵，局部施工縫位置的滲漏點(diǎn)經(jīng)有效的注漿處理，在防水卷材施工前就能夠達(dá)到無滲水、局部存在少量濕漬的要求。這些區(qū)域在車站主體結(jié)構(gòu)完成后，在防水卷材和主體結(jié)構(gòu)防水混凝土的共同作用下，主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的濕漬面積能夠滿足Ⅰ級(jí)防水要求（見表2）。

表2 主體結(jié)構(gòu)濕漬檢查統(tǒng)計(jì)表

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

本站初支設(shè)計(jì)數(shù)量共計(jì)2 472.1 m3。按第三方審定預(yù)算，計(jì)算采用掛網(wǎng)噴射混凝土方案及模筑混凝土方案的費(fèi)用。

3.2.1 C20 噴射混凝土施工費(fèi)用審定預(yù)算

（1）人工費(fèi)+機(jī)械費(fèi)：450 元/m（3勞務(wù)合同價(jià)）×2 472.1 m3=111.24 萬元。

（2）材料費(fèi)：449.83 元/m3（混凝土信息價(jià)）×2 472.1 m3=111.20 萬元。

（3）噴射混凝土材料損耗費(fèi)（損耗率20%）：449.83×2 472.1×20%=22.24 萬元。

（4）速凝劑材料費(fèi)：5 300 元/（t采購(gòu)價(jià)）×27 kg/m3（設(shè)計(jì)配合比摻量）×2 472.1 m3×1.2（損耗系數(shù)）/1 000=42.45 萬元。

（5）基面砂漿處理（抹面厚度2cm）：人工費(fèi)28 元/m2，材料費(fèi)5 元/m2；小計(jì)抹面費(fèi)用為：（28+5）元/m2×24 721 m2=81.58 萬元（初支數(shù)量為體積，初支結(jié)構(gòu)厚度為10 cm，人工抹面按面積計(jì)算單價(jià)，因此折算初支結(jié)構(gòu)面積為2 472.1 m3/0.1 m=24 721 m2）。

費(fèi)用合計(jì)：（1）＋（2）+（3）+（4）+（5）=111.24+111.20+22.24+42.45+81.58=368.71 萬元。

3.2.2 C20 模筑混凝土施工費(fèi)用審定預(yù)算

（1）人工費(fèi)+機(jī)械費(fèi)：75.9 元/m（2勞務(wù)合同價(jià)）×24 721 m2=187.63 萬元（模筑混凝土工程單價(jià)按面積計(jì)算，此處按面積計(jì)算總費(fèi)用）。

（2）材料費(fèi)：384.83 元/m（3信息價(jià)）×2 472.1 m3=95.13 萬元。

（3）模筑混凝土材料損耗費(fèi)（損耗率2%）：384.83×2 472.1×2%=1.90 萬元。

費(fèi)用合計(jì)：（1）＋（2）+（3）=187.63+95.13+1.90=284.66 萬元。

綜上可知，采用模筑混凝土工藝，工程節(jié)約直接費(fèi)用=368.71-284.66=84.05 萬元。

3.3 工期效益

噴射混凝土作為初期支護(hù)方案，其優(yōu)點(diǎn)是施工工序少，且前期強(qiáng)度上升快，具有一定的速凝作用。但是，綜合工后整修耗時(shí)等影響，噴射混凝土工藝整體耗時(shí)相對(duì)模筑混凝土工藝并不具備優(yōu)勢(shì)。基坑工程按分層分段的開挖要求，按每層深度2.0 m，每段開挖長(zhǎng)度20～25 m 計(jì)算，初期支護(hù)工程每層每段為一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)施工面積約200 m2。在施工資源配置最優(yōu)、施工環(huán)境基本一致的情況下，不同工藝每個(gè)循環(huán)的工效指標(biāo)見表3。

表3 每200 m2 基坑初期支護(hù)不同工藝工效指標(biāo)對(duì)比表 單位：d

本站基坑大致可分為9 層10 段，初期支護(hù)的循環(huán)數(shù)量為9×10=90 個(gè)，模筑混凝土工藝相對(duì)于噴射混凝土工藝，工期節(jié)約值約為90×4.0-90×3.6=36 d。

3.4 社會(huì)效益

模筑混凝土具有結(jié)構(gòu)密實(shí)、自防水性能良好的先天性優(yōu)點(diǎn)。其外觀質(zhì)量良好，線型平順，表面平整，利于防水卷材鋪設(shè)，消除了卷材背后空鼓隱患，同時(shí)易于控制卷材鋪貼松弛度，防止卷材撕裂；另外，基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)鋼圍檁安裝時(shí)，其背后極少出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，標(biāo)高及軸線位置便于控制，最大限度地提升了支撐施工安全系數(shù)，使其接近設(shè)計(jì)要求；再者，模筑混凝土工藝有效縮減了防水卷材基面的二次找平施工工序，在一定程度上加快了施工進(jìn)度。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，在施工中亦形成了本項(xiàng)目的一處亮點(diǎn)工程，在一定范圍內(nèi)獲得了較好評(píng)價(jià)，一定程度上提升了企業(yè)的社會(huì)信譽(yù)。

4 結(jié)語

（1）噴射混凝土支護(hù)工藝作為地下結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)及基坑防水，具有施工簡(jiǎn)便、快速、靈活，前期強(qiáng)度上升快等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)大部分內(nèi)陸地區(qū)、地下水水位標(biāo)高相對(duì)較低且土層穩(wěn)定的區(qū)域，在對(duì)噴射混凝土面工后二次處理工作量小的情況下，其工期效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著，且符合基坑開挖中“開槽先撐、先撐后挖”以及及時(shí)封閉基坑側(cè)壁臨空面的安全原則。

（2）對(duì)于近海這種特殊復(fù)雜環(huán)境下的地鐵車站基坑工程，由于其土層穩(wěn)定性差，土體富水且地下水位較高，采用模筑混凝土支護(hù)工藝，利用其自身密實(shí)度高、防水效果好、表面平整度高，方便防水卷材施工等特點(diǎn)，同條件下，對(duì)比噴射混凝土施工工藝，具有綜合工期短、經(jīng)濟(jì)效益高、社會(huì)效益良好的優(yōu)點(diǎn)，是一種可靠的復(fù)雜環(huán)境下的基坑支護(hù)及防水施工工藝。