地下工程防水的系统设计

王芳

[ 摘要 ] 　　地下工程防水是系统工程，需要多方配合才能确保质量。其中防水设计是质量保证的前提。本文结合多年来从事地下工程防水设计的经验，探讨如何从工程建设的源头 — 设计阶段开始保证地下工程防水的系统性。

[ 关键词 ] 　地下工程 防水 防水材料 施工工艺 防水系统

目前在我国城市的基建项目中，地下工程的数量及面积较以前有了明显的增加，尤其在民用建设项目的建设中，由于土地价格的上升，为了提高土地的利用率，高层建筑随之增多，而一般的高层建筑均设置地下室。另外，利用公园、广场、绿地等修建地下人防工程、地下停车场工程也逐步成为一种发展趋势。在实际设计工程中，笔者便接触了较多的此类工程，如丽水花园、金色港湾四期、东湖大郡五期等。此类项目地下工程的共同点在于：一是项目规模大。单层地下工程建筑面积达到一万甚至两万平米；二是地质情况复杂。如金色港湾紧靠三角湖，东湖大郡毗邻金鸡湖；三是地下室上部往往连接着多个单体，有大量的变形逢或后浇带需要进行防水处理。众多的地下工程设计，使笔者在地下工程防水领域有了一定的实践感受，也对地下工程防水技术产生了浓厚的兴趣。

近十几年来地下工程建设飞速发展，尤其是国内外的土木界非常重视我国专家最近提出的 “ 地下空间可持续发展 ” 概念，即认为 21 世纪是人类大力开发、利用地下空间的世纪，地下工程防水技术也变成了学术界和工程界十分关注的热点问题。大量工程实践证明，一个地下工程项目的成败，在很大程度上取决于对地下水治理的效果如何。这其中涉及到防水设计、防水材料、施工工艺以及岩土环境条件和地下结构构造等多方面因素的合理选择及相互协调。因此， 尽管国内外的一些学者及工程技术人员投入了大量的精力、物力和财力，从防水技术可能涉及的各专业领域分别进行了深入研究，也取得了丰硕的成果，但由于地下工程本身的特点及防水技术还涉及很多从目前的理论及技术发展水平来说不易很好定量控制的因素，因此，仍然有很多工程甚至是重要的地下工程存在渗漏水隐患或已导致事故。

地下工程防水质量的优劣与设计（包括景观设计）、选材、施工、监理等环节都有关系，只有这几个环节管理好，设计、施工、监理三者统一思想，严格按规范办事，才能确保地下工程的防水质量。鉴于此，在现有技术条件特点的基础上，将防水工程的各个阶段整体考虑，进行系统的防水设计，成为解决地下工程防水问题的必由之路。以下就从分析防水技术应用中存在的问题出发，详细阐述防水的系统设计思路。

一、地下工程渗漏水病害分析

就目前我国地下工程渗漏水病害现状来说，主要存在以下几方面的问题：

1 、设计因素

⑴ 　设计时不能仅考虑现有的地下水位的高低。因为地下工程使用期较长，施工和使用过程中地下水位会出现变化。比如说，地面降水特别是强降水会通过地下工程的各种孔口倒灌入地下工程中；地表水（降水、城市绿化用水等）会通过土壤渗透进入地下工程；城市给排水系统也有发生损坏的可能性，特别是大压力、大流量的给水管一旦发生泄漏，将会成为地下工程渗漏的另一危险水源；各地相继出台的停采或限采地下水政策，国家正实施的大规模调水工程等，也会影响地下水位发生变化。由于对地下水的运动规律认识不足，工程防水标高确定不合理，再加上忽视了上层滞水危害，该设防的未予设防，从而造成了工程渗漏。

⑵ 　防水层的受力分析不能满足工程要求。例如防水设计中，防水涂料保护层往往被设计成防水涂膜层上撒砂作为与砂浆的结合层，对于 2.0 ｍｍ厚的防水层来讲，当砂浆达到一定强度后 ，往往形成一块带有许多突出毛刺的硬板面，在外力作用下，防水薄膜很容易被刺穿。

⑶ 　选用的防水方案没有考虑到当时的使用条件，如果与本工程的结构特点不相适应，也将造成工程渗漏水。如地下通廊的设计中一般只取通廊的横断面计算，纵向均为构造配筋。因此长达几 十米 的通廊刚度较小，虽然设置了变形缝，但混凝土仍可能出现环向裂缝而漏水。

⑷ 　结构细部防水设计不详细。如变形缝、穿墙管等细部构造不当，以及选材不妥，使之成为地下工程渗漏水的主要隐患。

⑸ 　不能因地制宜地选择防水或堵漏方案，片面地采用全堵法或灌浆法，造成堵漏失败。

⑹ 　对地下水的浮力作用认识不足，施工中没有采取足够的抗浮措施。地下工程进行防水设计时，不仅要考虑工程建成后地下水浮力对工程的影响。新建工程若规模较大、施工周期较长，在地下工程主体结构完工后，地面建筑施工却还需一段时日，不能及时回填。如此时暴雨来临，带来地下水位的上升，将可能导致地下工程主体结构上浮，而水位下降稳定后，工程会因产生不均匀沉降引起断裂，最终造成工程渗漏。又如某工程一室外钢筋混凝土清水池设计选用国家通用图 , 施工后较长时间空置未用 , 结果地下水位上升后 , 水池上浮 , 并成倾斜 ( 若可先在水池上加载 , 也可避免水池上浮 ) 这些都是深刻的教训 .

2 、材料因素

⑴ 　随着商品混凝土的推广应用，防水混凝土配制原则难以实现。特别是泵送混凝土塌落度较大，水灰比往往超过限值，有的则以增加水泥用量的方法来满足大塌落度的要求，对施工要求更高；否则由于混凝土收缩增大，易出现裂缝而造成渗漏。

⑵ 　对新型防水材料的性能、作用和如何应用认识不清。如在防水混凝土中不管是矿渣水泥还是普硅水泥，都机械地应用ＵＥＡ复合膨胀剂、明矾石、膨胀水泥等，施工养护仍按传统施工工艺，未能取得预期效果。

⑶ 　材料质量达不到设计要求造成渗漏。十多年来，我国的建筑防水材料发展很快，但在地下工程特殊环境下使用尚有局限性。

⑷ 　材料选择忽视工程特点，例如建筑拒水粉用于地下工程，由于拒水粉防水原理与地下工程防水不相适应而造成渗水。

3 、施工因素

⑴ 　地基产生不均匀沉降，造成结构断裂。

⑵ 　防水卷材粘接不牢，拐角、留槎接槎处理不好或防水层碰伤等而造成渗漏。

⑶ 　浇注防水混凝土时，只注重级配和外加剂而忽略了施工质量，水灰比控制不严，振捣不实，产生蜂窝、麻面、孔洞等而造成渗漏。

⑷ 　变形缝或穿墙管等部位的施工，未认真将橡胶止水带、塑料止水带部位进行定位；浇注两侧混凝土时，任意碰撞，形成止水带偏斜、搭接不良而造成渗漏。

⑸ 　对混凝土浇水养护不够。防渗混凝土规范要求浇筑 10 ～ 12h 后，至少浇水养护 14d 。拆除模板后的浇水养护更为重要，它可以大大减少硬化收缩，从而提高混凝土的强度，否则易产生干缩裂缝而渗漏。

⑹ 　回填土质量的好坏对地下工程的防水性能有很大的影响。当回填土不密实时，由于大气降水和周围地表水的补给，回填土层就会形成含水量大的上层滞水层。这层滞水对工程产生静水压力，如遇防水薄弱环节，则易造成工程渗漏。

⑺ 　地下工程的外墙防水难度大，因外墙距基坑护壁距离小，使防水施工困难。

4 、其它因素

⑴ 　对防水工程的认识问题。防水工程作为主体工程的子工程，对其重要性往往认识不足。

⑵ 　防水造价是影响防水工程质量的一个因素。

⑶ 　管理不当造成渗漏。

⑷ 　监理人员对防水不熟悉。

二、 地下工程防水的系统设计思路

为了依靠现有的防水理论、技术条件有效地解决上述各种问题，笔者认为，需要引入一种贯穿于设计、施工甚至隐患治理等各个阶段的全新的防水设计思路：以地下工程防水涉及的主要物理过程或现象为基础，通过定性或半定量的物理概念来判断各主要防水影响因素在某一具体工程中的重要性地位、相互间的适应性关系，最后决策设计方案、材料选择、施工工艺过程以及地下结构主体之间的协同工作或匹配问题。笔者将这种设计方法称之为 “ 地下工程防水的系统设计 ” 。该方法的核心就是：综合考虑防水工程的各个环节，以物理概念为起点，因素匹配为手段，因素共同作用为目的，其中又以各主要影响因素之间的匹配问题最为关键。所以下面主要就匹配问题展开论述。

匹配，顾名思义就是两者之间互相适应。这里所说的匹配就是指防水设计、材料和施工工艺与建筑物相适应。举例来说，具有优良防水性能的三元乙丙片材，如果没有良好的施工工艺和施工质量相配合也会导致渗漏水。防水施工方法不外乎喷射、涂刷、抹压、注浆、粘贴等，防水材料可分为沥青基、橡胶类、塑料类、水泥基及聚合物等。不论采用何种施工工艺和材料，都要与建筑物基面相接触。所以从这一角度考虑，防水质量控制，必须重视防水层与基面粘接和适应性这两个概念。从物理化学概念分析，粘附作用涉及粘接剂本身性能与基面条件两方面。结构上的防水层，可以看作防水层粘附在结构上。防水材料要取得良好的防水性能，首先要很好地粘附。当然有时在变形较大的地方 ( 如屋面伸缩缝 ) 常采取与基底脱离的办法，但两侧仍要很好地粘附。如果材料粘附性能不好或达不到要求，则要采取界面处理或附加措施。

那么防水材料如何与结构更好地粘附？这里不能不就混凝土结构基面特性作一番探讨。例如地下建筑结构物表面，存在水的渗透与蒸发动态平衡过程。如果渗透大于蒸发，则结构基础呈湿润状态；相反，基面则呈干燥状态，但表面还存在散湿，此时散湿量约 0.024 L ／（ m 2 · d ），并在基面呈强碱状态（ pH ＞ 12 ），因此选择材料需适应这种特殊环境。要使防水材料具有良好的性能，必须选择与基面相适应、匹配的材料。

地下建筑渗漏水，主要是 “ 三缝 ” （裂缝、施工缝、变形缝）渗漏和大面积渗漏。常采用封缝材料、修补材料、嵌缝材料、注浆材料等，这些材料同样存在与基面匹配的问题。概括起来可分为两大类：⑴设计与施工匹配问题；⑵材料与结构物匹配问题。

1 、设计与施工匹配

防水设计往往根据工程所在地水文地质情况、工程质量要求等，从防水原理出发，根据工程结构特点，选择合适的设计方案，然后经过施工技术人员努力来达到理想的设计意图。这就需要考虑设计与施工的互相匹配问题。在实践中经常出现试验室成果好而在工程应用时达不到预期效果的现象，解决这个问题，要处理好以下几个方面的关系：

⑴ 　设计与施工技术相匹配

对于一种防水方案，它有一定的技术要求，如果施工人员缺乏这种技术或经过努力 有了 这种技术，但在现场仍难以达到要求的水平时，设计人员应该更换方案。

例如，在实际 工程设计 中，设计师常常希望能采用外防水方案，可由于受到工期、施工质量等因素的影响，往往会采用地下室底板内防水 + 顶板、侧壁外防水方案，如笔者所设计的丽水花园、金色港湾等项目。只有在施工工期允许，施工质量能得到保证的时候，才能采用外防水系统，如东湖大郡五期等项目。

东湖大郡五期底板防水施工现场

⑵ 　设计与施工质量匹配

设计一种方案，要考虑到偶然因素及人为影响。在变形缝等重点部位设计时，要采用多道防线，就是这个原因。

在东湖大郡项目中，由于采用的是地下室外防水方案，因此，许多部位都需要加强防水处理，如底板结构桩头处与侧壁设备管线穿越处等。

桩头防水节点

穿墙管采用套管式防水法，套管加焊止水环，如下图所示：

⑶ 　设计与施工组织、工程难易程度匹配

大型工程施工时，由于工序繁杂，尤其在工程紧的情况下，施工负面影响较大。如某大型工程，结构型式为双层衬砌还夹有柔性防水层，结果还是发生了多处渗漏。究其原因就是在于工序多、时间紧的情况下，影响因素互相干扰，严重降低了防水质量。 因此，在设计阶段就更需要对每个细节都特别关注，从源头进行控制。如在丽水花园项目中，笔者曾尝试对施工过程进行防水控制，如侧壁结构主体浇筑时节点的处理。

对拉螺栓节点处理

2 、材料与 结构 物匹配

材料与结构物匹配是防水设计、施工中经常要考虑的问题，一般又可分为以下几个方面：

⑴ 　封缝材料与基底的粘接封缝材料是通常用于裂缝渗漏水处理的止漏材料，有快凝水泥、防水浆等。这些材料具有快凝特点，但由于都有一定的收缩性，堵水后不能作为最后一道防水防线，只能作为临时堵水措施，最后还须采取附加防水措施。

⑵ 　修补材料与基面匹配

修补材料与 基面 匹配就是要选择与基面相适应的材料。当修补对象是混凝土结构时，应采用在荷载和温度作用下变形性能基本一致的无机材料或以无机材料为主体的复合材料进行修补，才会有较好的耐久性。而对于单纯树脂类有机材料，虽然本身强度高，但由于其弹模、变形系数与主体结构有较大差别以及透气性差等问题，导致结合层的耐久性差。

⑶ 　嵌缝 材料 与基面粘接

地下工程缝隙的基面不能保证干燥，致使反应型密封材料与基面粘接强度与 试验室 数据相差甚远，这就是材料与基面不相匹配的问题。如在某大型工程中，选用聚氨酯嵌缝膏，虽然价格昂贵，但实际效果不理想。究其原因，就是材料与基面难以很好粘接。如果选择既能与基面很好粘接又与嵌缝材料粘附的过渡界面材料，效果就大不一样。这就表明在研究嵌缝材料的同时，也要探讨嵌缝材料和基面相匹配的问题。

3 、附加防水层与基面匹配

建筑物表面作附加防水层时，不论是柔性或刚性防水层都存在与基面相适应的 问题 。混凝土结构是相对不透水的，但当水分蒸发时，内部水分会迁移、扩散至表面，如果使用非渗透性材料进行大面积修补，水分会通过基底混凝土扩散到不透水材料和基底混凝土接触面上，易使修补材料失效。例如兰州地区某公路隧道处于寒冻区，由于采用聚氨酯防水涂料作附加防水层，使水分迁移阻塞通道，水分积聚在涂膜内，冬季结冰时造成冻胀破坏。有机类防水涂料易脱皮；水泥类刚性防水层施工质量与作业人员技术水平、责任性关系极大，而且材料本身特性与基面粘结性也存在不少问题。所以必须改进此类材料及其与基面的粘接状况，如采用丙乳水泥砂浆、胶乳水泥砂浆等。建筑物结构基面可采用涂界面处理剂或采用掺加聚合物水泥净浆，然后抹上同类防水材料的办法，即可达到使两者更好结合的目的。

目前地下建筑基面要达到基本干燥是困难的，这就提出了使用快凝聚合物水泥砂浆 防水层 的问题。采用喷射方法，将改性聚合物水泥砂浆迅速喷上基面，利用聚合物与基面良好的粘接特性及改性后快凝的特点，使材料与基面接触后迅速改变触变性能，不流淌，并迅速固化，这样为后续防水层施工创造了良好的作业条件，更能保证质量。快凝聚合物水泥砂浆研究与应用是工程上亟待解决的问题，目前正在推广应用中。

4 、注浆材料与基面的匹配

注浆材料种类较多，从材料性能分有聚氨酯、丙烯酰胺、环氧树脂、水泥、水玻璃几大类，这些材料性能各异，使用时要根据工程特点、材料性能而选用。例如大同云岗石窟的某窟檐修补采用环氧类材料，该材料 粘结力 大、强度高，应该是较理想的修补材料。但云岗石窟是砂岩岩基，修补材料线胀系数与砂岩差距较大，强度差异亦大。修补后温度变化时，使原来１条裂缝变成２条裂缝。聚氨酯类注浆材料用于堵水时，也易出现与基面接触粘结性差的问题，最终发生渗漏，不得不采用其它防水措施补强。

三、结语

地下工程的防水设计，在选择防水材料和设计方案时，必须充分了解材料特性和基面性能，并要与施工方法相结合，慎重地进行施工方案设计，妥善选择方案，方能取得良好效果。 “ 地下工程防水的系统设计 ” 是笔者在 从事 防水设计工作中逐步认识并形成的一种思路，但还有待进一步发展、完善。

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________________________________________________________________［2007第1期］