地下工程防水科技与施工案之探讨

海峽兩岸岩土工程/地工技術交流研討會（2002年4月22-24日，上海）論文集地下工程防水科技與施工案例之探討洪明瑞1袁榮宏2葉清松1施正元1張惠文3郭來松41明志技術學院營建管理系2台灣馳發實業股份公司3中央大學土木工程學系4清雲技術學院土木系摘要地下電廠、儲油槽、污水處理廠、隧道以及地下車站等結構體之防水工程，傳統上係於開挖壁體背面舖設不透水布後再回填粒料；惟此施工方式往往因防水材本身之劣化、搬運與施工過程之破損以及舖設或搭接方式不當等因素而形成滲漏途徑，進而造成壁體之漏水或析晶現象，導致空間使用品質與效能之降低。有鑑於此，本文針對在諸多地區已廣泛應用之「結晶滲透型防水材」塗膜工法，將其特有之結晶滲透與裂縫癒合等能力在地下結構體之使用、防水效能以及工程案例等相關問題，作一簡要的介紹與探討，期能有助於工程師在設計分析上之選擇與參考，以提昇國內地下工程防水施工之品質。DISSCUSIONOFWATERPROOFINGTECHNIQUEANDCONSTRUCTIONCASEFORUNDERGROUNDENGINEERINGHOUNGM.J.1YUANJ.H.2YEHC.S.1SHIHJ.Y.1CHANGH.W.3KUOL.S.41MINGCHIINSTITUTEOFTECHNOLOGY2RESOUNDINGADVANCEENT.CO.,LTD.3NATIONALCENTRALUNIVERSITY4CHINGYUNINSTITUTEOFTECHNOLOGYABSTRACTTraditionalwaterproofingmethodforundergroundpowerplants,oilstoragetanks,sewageplants,tunnelsandsubstationsistoapplyanimperviousmembraneontotheexternalfaceofawallandbackfilledwithsoil.However,itmaynotbeeffectiveifthewaterproofingmaterialdeteriorateswithtime,orifthemembraneisdamagedduringhandling,orduetoimproperoverlapping.ThisPaperintroducesawaterproofingtechniquebycrystallization,whichhasbeenusedextensivelyaroundtheworld.Discussionisfocusedonthemechanismsofcrystallizationpermeationandcrackself-repair.SeveralcasesusedinTaiwanarereported.Itishopedthattheconceptsandengineeringpracticeofwaterproofingbycrystallizationwillbehelpfultoengineers.一、前言隨著社會經濟之發展與生活形態之演變，世界各國都會區鐵路地下化工程、大眾捷運系統以及地下車站、地下污水處理廠、地下電廠、儲油槽以及隧道等重大建設陸續地推案，顯示人類活動範疇有逐漸往地下空間發展的趨勢；然對於具有大量水、土壓力作用之地下結構而言，防水品質的良窳不但攸關著建物之使用性能，更與工程設施本身之壽命週期息息相關。理論上，若混凝土配比、施工、養護以及品管等作業得宜，混凝土Page1of1本身即是一種良好的防水材料；然事實上，由於混凝土後天環境中之自生性收縮（Shrinkage），乾濕交替與熱脹冷縮之潛變（Creep）以及因外力或地震等作用，無可避免的造成混凝土內部之細微孔徑（Fissure）或裂縫，水份便藉此滲透至結構體中，進而導致混凝土之中性化與鋼筋之腐蝕。故欲以混凝土本身作為防水任務而不輔以其他防水材料，其功效往往不被預期。而滲、漏水後續所引發之析晶（Efflorescence，俗稱白華或壁癌）、腐蝕以及發霉等種種病變，不但須經常翻修或抓漏而深深困擾著住戶，更嚴重降低居住品質與空間之使用效能。台灣地處亞熱帶氣候區，春、夏期間雨量豐沛，加以環太平洋地震帶上頻仍之振動對結構體之損傷，無可避免的導致防水層之破損、鬆脫或變形，因而造成居家建物普遍之漏水現象；故在防水材料與施工技術日新月異的現今，該如何尋求一經濟、可靠且耐用之地下防水工法，實為現代工程人員必須審慎思索之課題。有鑑於此，本文就歐、美、日等先進國家普遍採用的結晶滲透防水工法（WaterproofingbyCrystallization），將其特有之結晶滲透與自我修復等能力在地下工程之應用、防水效能以及工程案例等相關問題，作一簡要的介紹與說明，期能有助於工程師在防水設計上之參考。二、地下結構之防水2.1結構防水系統與防水材料建築物之防水功能依使用材料及施工方法之不同，主要可區分為軀體防水（BodyWaterproof）、表面（Outside）防水以及線（Filament）防水等三種類型；意即防水係利用結構體本身之阻障與表面材料之疏導，以避免水份或濕氣藉由裂隙等途徑滲入內部。因此，結構防水系統之形成，必須藉由結構體與防水材料間之共同作用，結合軀體防水、表面防水以及線防水的功能，方能形成多道阻隔水路的防水屏障，如圖一所示。此外，依ACI515.1R-79有關混凝土防水材料之定義，則區分為防水性防水系統（WaterproofingBarrierSystems）、防濕性防水（DampproofingBarrier）系統、保護性防水（ProtectiveBarrier）系統以及裝修性防水（DecorativePaintBarrier）系統等四類，各有其防水標的與適用場合。然以台灣地區經常有暴雨或雷陣雨的天候情況，往往在短時間即可積水造成壓力水頭，或雨水聚集速度快於其排降速度所形成之坑窪（Ponding）效應，故結構體之防水系統應該具備Waterproofing的能力，而非僅止於Dampproofing，才能達到完全的阻水效果。覆蓋層（面磚、砂漿、石材等）隔熱層瀝青防水材（含底油）結構體（素地面）層Ⅰ層Ⅱ層Ⅲ層Ⅳ圖一建物防水系統示意圖層Ⅰ及層Ⅱ為保護鋪面工法中防水層上方之保護材，通常不考慮其防水能力；層Ⅲ為防水材，以其進行表面或線防水，為防水之主體；層Ⅳ為結構體，屬於軀體防水，除非為水泥系防水工法，否則其能力通常不被預期土木工程上之防水建材玲琅滿目，各有不同之防水機制、施工方法及適用場合，若非擁有相當之實務經驗，往往無法有效掌握各類防水建材之適用性。據筆者之經驗，諸多防水不良案例，究其因並非導因於施工技術或品質管理問題，而係防水材選用及材質搭配不當等所引起。防水建材種類雖然眾多，惟依防水機制與材質本身的特性，則可簡要區分為軀體防水材（防水材於混凝土拌合過程加入或壁體形成後再塗抹於表面）、面防水材（結構體成形後方施作於表面）以Page2of2及線防水材（施作於結構體間縫隙）等三大類型。其中，軀體防水材有「混凝土添加劑」及「水泥系防水材」兩大類，前者利用添加劑提高混凝土水密性，而水泥系防水材則包含「水泥砂漿防水劑」、「矽酸質系塗佈防水材」及「水和凝固型塗膜防水材」等三種；面防水材依材料形式有「片狀防水材」、「塗膜防水材」及「皂土（Bentonite）系防水材」等三類，主要係利用本身之不透水性、抗張性及可撓性等性能，彌補軀體或接縫防水之缺陷，於結構體表面形成一道防水層以阻斷水份入侵；線防水材之使用場合包括結構單元之接合與裝修部位、施工縫與伸縮縫等之處理，主要有「墊片防水材（襯墊條防水、止水帶）」與「填縫材」兩種。上述各類防水材料之性能、優缺點、適用性及施工方法等資訊，讀者可自行參考「日本社團法人全國防水工事業協會」或台灣地區「內政部建築研究所」建築物防水設計手冊等文獻之詳盡說明。2.2地下防水之環境條件防水材料的最大剋星莫過於紫外線之照射、溫度變化之熱脹冷縮及雨水之長期浸潤等作用，故對於易受地震、風力以及溫、濕度變化影響之地上結構物而言，因其處於較不穩定之防水環境，在防水技術與品質要求上，自不同於較穩定之地下結構；此即用於內部或地下單元之防水材料，往往不適合直接應用於室外或屋頂之防水，各種軀體防水材之使用即為一例。雖然地下空間在客觀的防水條件上，其所受之紫外線、臭氧、溫溼度變化及地震搖擺等外在干擾較為單純，相對的有較為安定之防水環境；然就其施工過程與作業條件而言，因受到開挖空間之限制，地下水滲入作業面之泥濘現象，回填與夯實過程粒料之磨擦接觸，以及基礎或地層沉陷之拖曳等作用，經常造成防水層不可預期之變形、穿刺、鬆脫或破損。故相對於地上結構而言，其反而具有施工上之困難性與防水品質之不確定性等不利因素。2.3地下工程防水標準與等級地下工程之防水標準與等級之需求，往往隨工程類型、內部設施與其使用性能等特性而異，且不同的國家或地區之要求標準亦有所差異。以目前大都會區交通運輸所倚賴的地下捷運隧道與車站為例，防水工程不良所形成之滲漏水可能進一步導致週邊地下水位之永久洩降、結構體及內部設施之損壞、機電與系統安全性之降低、內部裝修與使用性能之降低、長期抽水費用與營運維護費用之大量提高等。顯見地下工程防水品質之良窳，不但決定其後續之營運品質與維護費用，更關係著其工程壽命與永續經營。表一歐洲隧道防水標準等級要求適用場合漏水量（不得大於）0.001liter/m2/day一級防水完全乾燥儲藏室及旅客設施0.01liter/m2/day二級防水大部分乾燥捷運隧道段毛細濕氣捷運及電車隧道0.1liter/m2/day三級防水0.5liter/m2/day四級防水輕度滴水火車隧道1.0liter/m2/day五級防水滴水衛生下水道表一所示為歐洲隧道之防水標準（GIRNAU,1985），依其適用性分為五個等級，各有不同之最大滲漏量要求[張瑞佳等人，1991]。美國捷運系統之防水標準，諸如舊金山（BART）、華盛頓D.C（WMATA）及亞特蘭大（MARTA）等城市，行車隧道滲漏水限制為0.71~0.82liter/m2/day，波士頓及水牛城之滲漏水限制則分別為1.7liter/m2/day及0.19liter/m2/day[張瑞佳等人，1991]。至於，台北市捷運系統（TRTS）之防水標準，依其土木工程設計手冊（CEDM,Rev.9）之規定，區分為A、B及C三個等級，如表二所示；另依其標準規範（S.T.S/S.S）以及地下結構防水章節等之規定，對各Page3of3表二TRTS地下結構物防水等級結構單元之防水標準、添加劑（Admixture）之使用亦均有詳盡的說明，讀者可自行參考。此外，美國國家屋面工程承商協會（NationalRoofingContractorsAssociation，簡稱NRCA）（如表三）及美國混凝土學會（ACI）出版之No.ACI504.1R-82等，則對結構之防水材料與接縫處理等提出建議，經常亦被引用作為地下工程防水之標準。地下設施防水單元等級要求A頂版底版、側牆B車站集水坑C頂版、底版B通風井電纜豎井側牆BA頂版車站出入口人行地下道底版、側牆B頂版B車行線底版、側牆、集水坑C2.4地下結構體防水工法與檢驗頂版、底版A牽引及配電變電站側牆A建物地下室底版、側牆A匝道上覆頂版B擋土牆（排水除外）C匝道出土段底版C場鑄混凝土襯砌隧道橫向通道、集水坑C環片式混凝土襯砌隧道BA級：完全無漏水、無滲水、無濕塊B級：允許少量漏水，但僅限混凝土施工縫或隧道預鑄櫬砌接縫處之輕微濕塊，不得有肉眼可見之流入水C級：允許漏水，但僅限混凝土表面及水平施工縫之濕塊和垂直施工縫之少量滲水，不得有滴水或噴流水表三NRCA防水材料使用建議表雖然地下結構設施有較穩定的防水環境，但因開挖面與作業空間之侷限等因素，往往對防水施工造成極大的不便與挑戰性。傳統的地下構造物防水工法，端視防水層施工位置、作業空間之寬裕性以及基礎開挖工法等特性，進而採用不同之施工方式，如表四所示。至於，有