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地铁地下车站涌水涌沙病害及治理措施
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内容提示：结合北京某地铁车站涌水涌沙病害的工程实例,指出地铁隧道结构病害和道床病害是导致地铁车站涌水涌沙病害的主要因素,分析该地铁车站涌水涌沙病害可能的发生机理,分别针对紧急抢修和彻底根治两种不同的要求和方案提出治理地铁车站涌水涌沙病害的一些可行措施。
摘 要 结合北京某地铁车站涌水涌沙病害的工程实例,指出地铁隧道结构病害和道床病害是导致地铁车站涌水涌沙病害的主要因素,分析该地铁车站涌水涌沙病害可能的发生机理,分别针对紧急抢修和彻底根治两种不同的要求和方案提出治理地铁车站涌水涌沙病害的一些可行措施。（参考《建筑中文网》）
关键词 地铁隧道结构 地铁道床 涌水涌沙病害 病害机理 治理措施
自20世纪60年代起,我国就开始修建地铁。地铁线从开始运营至今,已经有了相当长的运营时间,到了一定的时期,不可避免地会出现一些病害。北京某地铁车站就在近期出现了涌水涌沙病害。此病害治理工程是国内地铁车站病害治理很具代表性的案例,我们应该认真分析涌水涌沙病害的成因,并提出对此类病害进行治理的一系列措施。
1 病害概况
该地铁车站主体结构长约208m,东侧有长约153m的喇叭口区段(明挖矩形结构)。车站自西向东以3‰的坡度下降,宽22.3m,高16.4m。车站为矩形双层3跨框架结构,顶板埋深约4.8m,顶板结构厚1.5m,侧墙厚1.1m,底板厚1.3m。车站框架结构采用C35混凝土,结构外防水为五毡六油防水层,变形缝处采用合成胶片和紫铜片加强。轨道系统是于车站主体结构完成之后,在底板结构上增设道床,而后铺设完工。道床厚0.28m,为C30素混凝土结构。
病害现象为在车站及站端明挖区间底板道床向外涌水、涌沙。经现场勘察,在大约450m范围内,从隧道结构变形缝及道床开裂缝中向外涌水涌沙,共发现21个渗漏点,涌水涌沙量大小不一。其中北侧道床13处,7处处于变形缝位置;南侧道床8处,1处处于变形缝位置。渗漏点均有泥沙涌出,有的点涌沙量较大,且发展速度较快。道床开裂现象较为严重,局部区域道床与底板明显脱开。另外,通过调查历史资料,该车站主要穿越杂填土层、沙质粉土层、细沙层、圆砾层及粘质粉土层,结构底板坐落在沙质粉土层上。场区范围内第四纪地层含有3层地下水,分别为上层滞水、潜水、承压水。
病害并未达到威胁地铁运营安全的地步,但绝对不能任其发展,必须找到原因,针对病害采取相应措施。
2 原因分析
通常来说,地铁日常的维修和养护主要集中在检修轨道和消除安全隐患两个方面,但是对于地铁隧道结构和现浇混凝土整体道床的维修和养护,往往是很少甚至没有的。因此,地铁隧道结构和道床就成为病害发生的薄弱环节,这两者一旦发生病害,也就成为地铁车站涌水涌沙病害的主要病害因素。
2.1 隧道结构的病害因素
隧道结构可能引起地铁车站涌水涌沙病害的诱发因素主要集中在三个方面:结构的各种构造缝、结构钢筋混凝土自身的质量以及隧道坐落位置的地质条件变化。
隧道结构在施工的过程中,为了方便施工会留有施工缝,考虑温度变化,会预留伸缩缝。此外,还包括其他一些构造缝。这些缝隙很可能成为结构的薄弱环节,如果防水措施不利,甚至在防水措施有利的情况下发生防水部分老化严重,这些缝隙就可能成为结构的裂缝。如果结构发生裂缝,那么这些裂缝就为结构以外的水和沙上涌提供了前提条件。
使用若干年后的钢筋混凝土质量可以根据以下几个指标来衡量:混凝土强度、混凝土碳化深度、混凝土保护层厚度、混凝土密实度、混凝土的抗渗性能和钢筋的锈蚀状况。这些指标都是衡量钢筋混凝土质量的非常重要的指标,对于地铁隧道结构的钢筋混凝土来说,以上任何一项指标如果出现异常,都会进一步导致整个地铁隧道结构出现病害,形成裂缝,对行车不利。
隧道结构所在地点的地质条件变化也是造成结构病害的一个很可能的潜在因素。地下水水位的变化或者其他一些扰动,可能造成结构基底的沙土软化疏松,如果沙土疏松达到一定程度,极容易在结构底板下方出现空洞,如图1所示。这就使得原来整体座落在坚实基底上的隧道结构出现部分的悬空,相当于一架架空在底板空洞上方的桥梁,当地铁车辆通过时,在振动荷载的作用下,空洞上方的结构底板的振辐和应力远远大于其他部位,结构很容易出现裂缝等病害。
2.2 道床的病害因素
根据国内外的经验,地铁道床普遍使用素混凝土浇筑而成,施工方法是把结构底板凿毛后将混凝土与洞体结构现浇在一起,这就造成了两方面的隐患。
首先,道床与结构底板的结合方式是通过将结构底板凿毛后与洞体结构现浇,这种结合方式整体性较差。一旦道床与结构底板之间出现局部裂缝,很可能导致道床与结构底板的局部脱开甚至大面积脱开。其次,由于道床为素混凝土,它的抗拉性能十分有限,一旦道床与结构底板之间出现脱空现象,道床极容易在拉力的作用下开裂,使整体道床的整体性受到影响。除了会直接危及轨道的结构和几何形位,对行车安全造成威胁以外,也提供了水和沙上涌的途径。
2.3 该车站涌水涌沙病害的原因
隧道结构的病害因素和道床的病害因素共同作用引起涌水涌沙病害。经过讨论研究,该地铁车站涌水涌沙病害可能有以下两种原因。
(1)大量的生活用水通过道床裂缝及结构已经出现破损的变形缝进入结构底板下的地基土中,多年的累积使得地基土趋于饱和。在列车动荷载的作用下,粉土发生液化,当列车经过时,在活塞效应之下,饱和水带着粉土中的粉沙颗粒便沿着结构缝涌入道床。道床的整体性受到破坏,涌水涌沙病害出现,危及行车安全。如图2所示。
(2)潜水或承压水也可能沿着结构的薄弱处(结构破损的变形缝或新旧结构接口防水措施较差的薄弱地带等)通过结构外侧渗流到地基土中,使地基土饱和。水压力使得道床与结构底板脱开,水携带着沙在道床与结构之间的缝隙流动,涌水涌沙病害出现,危及行车安全。如图3所示。
3 治理措施
地铁病害一旦出现,应该立即予以治理。治理的方案一般应包括两套:紧急抢修措施和根治措施。紧急抢修措施是为保证地铁的运营在安全的前提下不发生间断,根治措施是保证地铁运营的长期安全。图4示意了地铁出现病害之后可以采取的一个治理流程。
(1)根据具体的病害情况,紧急抢修方案包括轨道及线路设施和土建结构两大方面的抢修。地铁车站涌水涌沙病害的紧急抢修措施有如下内容:①在病害出现地段及前后各一段距离的区间内限速运营,减小列车振动所产生的活塞效应,以防止更多的水和沙上涌;②增设轨距拉杆,保证轨道的几何形位不受到影响;③增设防脱护轨,避免意外发生;④道床与底板松动脱开部位进行灌浆处理,避免道床与底板之间出现较大空洞;⑤对道床裂缝进行修补,阻止道床裂缝扩大;⑥对轨道结构高程及水平位置进行监测,及时维修恢复;⑦对渗漏部位的隧道结构裂缝进行灌浆处理,保证隧道结构的整体性;⑧对底板结构沉降进行监测。
通过以上紧急抢修手段,一方面可以保证行车的安全,不会发生地铁车辆的脱轨掉道,另一方面也保证了运营的顺畅。
(2)在列车的安全运行得到保证之后,必须采取根治措施对病害进行根本治理,以保证地铁运营的长期安全。在进行根治之前,通过现场监测、环境调查、结构评价、方案制定四个步骤拿出方案,然后对方案进行实施。
在制定根治方案之前,应该组织专门会议进行讨论。先讨论出可能的病害原因,然后针对可能的病害原因进行现场检测、环境调查和结构评价,做到有的放矢。在查找病害源头的过程当中,必须进行大量的观察和监测,收集足够的数据,找准病害的源头,万万不可凭借主观的判断,错误估计病害发生的机理,否则采取的治理措施很可能造成大量的浪费,甚至对地铁的运营安全起到负面作用。同样,针对本车站涌水涌沙病害,通过现场勘察和会议讨论,一致认为应该从紧急抢修和彻底根治两方面同时入手,制定紧急抢修和彻底根治两套方案。
(3)对于紧急抢修方案,该车站病害治理采取的抢修措施包括轨道及线路设施抢修和土建结构抢修两个方面。轨道及线路设施抢修措施有:限速25km/h运营、增设轨距拉杆、增设防脱护轨、道床与底板脱开部位进行灌缝处理、道床裂缝修补和对轨道结构高程及水平位置进行监测,及时维修恢复。土建结构抢修措施有:对渗漏部位灌注水泥浆液和对底板结构沉降进行监测。
对于彻底根治方案,一方面,该车站的涌水涌沙病害通过紧急抢修之后,涌水涌沙现象已停止,收到了十分良好的效果。另一方面,还由于我们国家地铁运营的历史较短,治理地铁病害的经验不足,所以根治方案可以先进行长期而准确的观测,积累数据的同时不断积累经验,等到时机成熟之时再采取恰当准确的根治措施。
4 小结
地铁隧道结构和道床存在着潜在的病害因素。随着地铁的老化,结构的各种构造缝、结构钢筋混凝土的质量、地质条件的变迁、道床与地铁洞体结构的相互作用等潜在因素在外界不利条件的激励之下,很可能使个别病害因素单独加剧或者几个病害因素共同加剧,进而形成病害,该车站的涌水涌沙病害就是一例。病害出现之后,我们需要从抢修和根治两个角度入手,采取相应的措施,保证地铁的运营安全。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200806/8946.htm
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