地鐵裝配式車站防水關鍵技術研究

張 建

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

隨著城市人口不斷增加，城市交通壓力日益嚴峻。只利用公路、輕軌等地上交通并不能有效緩解城市交通壓力，交通持續擁堵不僅導致城市工作效率降低，甚至會增加安全事故隱患[1]。在這樣的情況下，建設地鐵系統已經成為許多大型城市交通建設方案的必然選擇。城市地下情況復雜多變，施工條件困難，因此，為加快地鐵施工建設，裝配式地鐵建設成為首選技術[2]。通過建設模塊化、裝配式的地鐵車站，可以提高施工效率，使地鐵系統盡快地投入運營中，使市民出行更便利。但是，建設裝配式地鐵車站也面臨復雜的地下環境[3]，在設計施工階段就需要充分考慮地下環境的影響，避免建成地鐵車站系統后出現更大的安全隱患。其中，地下水滲漏是影響裝配式車站安全的重要問題之一。該文以裝配式地鐵車站為研究對象，探究其防水所需的關鍵技術，并通過試驗對其進行驗證。

1 裝配式地鐵車站密封材料的泡水膨脹性能分析

建設地鐵車站出現裝配式技術后，大幅度提高了地鐵車站的建成效率，縮短了施工工時。在裝配式技術體系下，地鐵車站的主體分別設計重要部件，通過裝配形成完整的地鐵車站系統。由此可見，采用裝配式的地鐵車站建設方法有利于提升建設地鐵車站的效率，可以大幅度縮短傳統建設方法的施工周期，從而加快地鐵系統建設，提升運營時間，更好地為人們做好地下交通服務。地鐵車站的總體結構比較復雜，采用裝配式的組合和加工方法可以有效地降低各部分的設計和開發難度。

為提高各部分連接的可靠度，各部件間通常采用榫槽連接方式，關鍵部位配合鋼筋錨加固。因為裝配式的結構特點，需要充分考慮結合處的防水性能。一旦接縫處出現滲漏問題，會給地鐵正常運行帶來巨大隱患，甚至危及乘客的安全。裝配式地鐵車站的接縫防水措施通常包括以下3種：通過密封墊圈完成防水；通過嵌縫填充完成防水；通過注漿處理完成防水。該文重點討論第一種防水技術及其防水的效果。

密封墊圈的材料通常具有較好的泡水膨脹率。當外部環境出現地下水滲漏時，密封墊圈可以通過自身材料膨脹，對可能滲漏的接縫進行填充，有效抵抗外界水壓。

為說明問題，具體裝配式地鐵車站的結構如圖1所示。

圖1 裝配式地鐵車站的結構

圖1是典型的裝配式地鐵車站結構，整體由各部分關鍵部件裝配組合而成。裝配的縫隙是防水設計的重點，如圖1中的虛線所示。在實際防水設計中，圖中虛線處應配置密封墊圈。密封墊圈的結構如圖2所示。

圖2 密縫墊圈的結構形式

圖2中，密封墊圈結構分為2個部分，下部采用多孔的三元乙丙材料，上部采用吸水膨脹橡膠。從結構看，雖然吸水膨脹橡膠所占比例較小，但在密封防水過程中，因吸水產生的膨脹起到了重要的防水作用。

吸水膨脹橡膠材料是一種非常典型的高分子物質，并且具有強烈的親水性。當吸水膨脹橡膠浸泡在水里時，其內部的親水物質結構會和水分子結合在一起，二者間具有相互吸引的特性，一旦與水分子結合，親水物質和水分子間會形成非常強的聚合力，短時間不會將水排出，在外界水濃度高的情況下，也不會將水排出。隨著水分子不斷進入，吸水橡膠材料體積膨脹，一直持續到親水物質達成飽和，無法再吸收水分子為止。

吸水膨脹橡膠在吸水前后的體積變化情況，如公式（1）所示。

式中：V1為吸水膨脹橡膠吸水前的原始體積；V2為吸水膨脹橡膠吸水后的實際體積；t為吸水膨脹橡膠的吸水時間；a為吸水膨脹橡膠的體積膨脹率。

根據公式（1），可以進一步計算吸水膨脹橡膠吸水后的體積增加量，如公式（2）所示。

式中：V1為吸水膨脹橡膠吸水前的原始體積；V2為吸水膨脹橡膠吸水后的實際體積；ΔV為吸水膨脹橡膠吸水后的體積增加量。

2 裝配式地鐵車站密封材料的壓縮性能分析

由上文研究可知，裝配式地鐵車站中的密封墊圈有非常重要的作用，通過材料吸水膨脹可以對裝配部件間的縫隙進行填充，實現密閉。這里需要密封墊圈的制造材料滿足壓縮性能。

壓縮性能是材料本身具有的抗壓能力，通常可以通過承壓能力試驗測出。因為上文已經選擇吸水膨脹橡膠和三元乙丙作為密封墊圈的材料，所以主要對該材料的承壓能力進行測試。設計密封墊圈主要采用框架和分層結構。不同層次體現不同的功能，內層嵌入核心元件可以增加密封性能。而內外層結構組合，可以有效地保護接縫，避免滲入外部環境水。不僅如此，分層和內外結合的設計方式，也便于安裝和拆卸結構拼接縫中的密封墊圈，從而提高安裝和使用的效率。密封墊圈材料承壓能力測試裝置，如圖3所示。

圖3 密封墊圈材料承壓能力測試裝置

測試密封墊圈材料的承壓能力，需要其在合理的范圍。因為在密封過程中無法保證壓實度，所以承壓力過大會導致密封墊圈安裝困難。承壓力過小又會導致密封墊圈無法承載外界環境的水壓力，在發揮膨脹密封的效果前，就會塌陷、破損，從而失去密封的效果。

在實際測試的過程中，要保證測試裝置表面和密封墊圈表面的清潔度，避免測試結果不準確。在測試過程中，先將密封墊圈安放在測試裝置中，再將測試裝置卡緊，并通過重物壓實，重物的重力反應承壓力值。最后，放置12h后，撤去重物，打開測試裝置，觀察密封墊圈的復原情況，即可判別承壓力的實際值。

按照上述流程，得到該文密封墊圈的承壓力測試結果，如圖4所示。

圖4 密封墊圈的承壓力測試結果

圖4橫坐標為密封墊圈在承壓力的作用下自身產生的壓縮量，單位是mm，從0mm開始標記，以2mm為一個跨度，記錄到16mm。縱坐標為外界承壓力的變化，單位是kN·m，從0kN·m開始標記，以5kN·m為一個跨度，記錄到45kN·m。對三組不同的密封墊圈進行測量試驗，圖4中3條曲線分別對應第一次試驗結果、第二次試驗結果和第三次試驗結果。從曲線變化情況可以看出，隨著承壓力不斷變大，密封墊圈的壓縮量也不斷增加。雖然3組密封墊圈存在微弱差異，但當承壓力為35kN·m～40kN·m時，其壓縮量基本均約15mm。由結果可知，該文使用的密封墊圈承壓力在比較理想的范圍，滿足裝配式地鐵車站的密封需求。

3 裝配式地鐵車站密封材料的防水性能分析

在研究工作中，對裝配式地鐵車站的密封墊圈的材料性能和壓縮性能進行分析，下面將具體探討密封墊圈在裝配式地鐵車站所發揮的防水性能。從研究工作可知，密封墊圈是通過材料吸水發生膨脹來發揮防水作用，結合適宜的承壓力能有效地填充裝配接縫處的縫隙，從而抵御外界水壓力，進而避免水滲入。

在該文研究的地鐵車站裝配式結構中，每個組成部件設定寬度約為2m，即每隔2m會形成一個裝配銜接，從而出現接縫。接縫處需要用密封墊圈完成密封防水。經驗數據表明，在外部環境持續滲水情況下，密封墊圈可能會老化，影響原有的密封效果。如果密封材料發生偏移，有可能導致密封不夠緊密，導致防水性能下降。這種偏移會使密封墊圈間錯臺，裝配部件的接縫張開，從而導致密封墊圈的抗水壓力下降出現滲水情況。因此，該文提出在3種錯臺量的情況下，對比密封墊圈防水性能，結果如圖5所示。

圖5 三種錯臺量情況下密封墊圈防水性能的對比

圖5橫坐標為接縫張開量，從4mm開始標記，以2mm為標記間隔，記錄到10mm。縱坐標為防水能力，即抗水壓力值，從0MPa開始標記，以0.5MPa為標記間隔，記錄到3.5MPa。分別設置3種錯臺量，圓圈標志的直線：錯臺量為0mm，即沒有發生錯臺量。方塊標志的直線：錯臺量為5mm，三角形標志的直線：錯臺量為10mm。防水壓力的極限值為0.68MPa，低于該數值會滲水或漏水。

從圖5中3組曲線的變化情況可以看出，錯臺量越大，密封墊圈的防水壓力值越小，即防水性能越差。但隨著接縫張開量不斷增加，錯臺量對防水性能的影響差異逐漸變小直至趨同。因此，當接縫張開量較小時，錯臺量越大，密封墊圈的防水性能越差。當接縫張開量較大時，密封墊圈的防水性能也越差，并且這時的防水性能主要取決于接縫張開量。

4 結論

裝配式地鐵車站很大程度上提高了地鐵系統的建設效率，是目前興建地鐵的關鍵技術之一。考慮地下環境影響，裝配式地鐵車站必須充分考慮防水性能。該文提出裝配式地鐵車站的密封墊圈選材和結構設計，并分析了吸水膨脹性能、壓縮性能和防水性能。試驗結果表明，該文設計的密封墊圈吸水膨脹率高、承壓力范圍適中，密閉防水性能較好。當存在錯臺量時，錯臺量越小，防水性能越好。當存在接縫張開量時，接縫張開越小，防水性能越好。