地下通道結(jié)構(gòu)變形縫設(shè)置的若干思考

謝明

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

地下通道結(jié)構(gòu)變形縫設(shè)置的若干思考

謝明

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

針對目前明挖施工地下通道存在的變形縫滲漏水問題,擬從加大變形縫間距、減少變形縫道數(shù)方向出發(fā),達(dá)到降低滲漏水風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的目的。為此根據(jù)地下通道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與混凝土自身特性,針對加大變形縫間距與早期混凝土收縮、季節(jié)性溫差的關(guān)系進(jìn)行了分析及有限元模擬計(jì)算,并提出加大變形縫間距所需采取的技術(shù)措施。經(jīng)分析研究,在對溫度作用進(jìn)行分析并采取可靠的技術(shù)措施前提下,適當(dāng)加大變形縫間距技術(shù)可行。

地下通道;變形縫;滲漏;防水

0 引言

隨著城市人口與車輛數(shù)量的急劇增長,交通越來越成為影響城市發(fā)展與人民生活品質(zhì)提高的重要問題。各大中型城市充分利用地下空間,通過建設(shè)地下道路形成快速通道,從而大大緩解地面道路的擁堵,改善了城市通行條件。但是受目前材料與工藝水平所限,高水位地區(qū)的地下通道工程中往往存在滲漏水通病,尤其是作為防水薄弱環(huán)節(jié)的變形縫滲漏情況更為常見。本文擬從設(shè)計(jì)角度對變形縫設(shè)置問題進(jìn)行若干思考,以求為提高地下通道工程防水效果提供一定思路。

1 變形縫設(shè)置規(guī)范要求與現(xiàn)狀問題［1］

地下工程變形縫可分為伸縮縫和沉降縫,變形縫的設(shè)置目的是為了適應(yīng)地下通道結(jié)構(gòu)由于溫度變化、混凝土收縮與徐變而產(chǎn)生的水平變位,以及地基不均勻沉降引起的垂直變位,通過變形縫的設(shè)置使地下通道分割成若干個獨(dú)立單元,以釋放結(jié)構(gòu)內(nèi)部因水平變位和垂直變位可能產(chǎn)生的次應(yīng)力。

由于地下通道是斷面較規(guī)則的狹長結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)自身重量通常都小于被挖除的土體重量,所以除了特殊部位,地下通道結(jié)構(gòu)一般情況下沒有必要設(shè)置專門的沉降縫,因此本文以地下通道伸縮縫為主要研究對象。

為了減少混凝土由于早期水化熱和季節(jié)性溫差引起體積變化導(dǎo)致混凝土開裂,現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定結(jié)構(gòu)伸縮縫間距見表1。

表1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距

規(guī)范中同時(shí)規(guī)定,在采取相關(guān)設(shè)計(jì)與施工措施情況下,伸縮縫間距可適當(dāng)增大,當(dāng)間距增大較多時(shí),尚應(yīng)考慮溫度變化和混凝土收縮對結(jié)構(gòu)的影響。

在上海軟土地區(qū)的明挖地下通道設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員根據(jù)規(guī)范條文確定變形縫的間距一般不大于30 m。由于明挖地下通道施工條件較差,而防水工藝要求高,變形縫施工中操作稍有不慎,就會為后期地下通道滲漏留下隱患。筆者曾參與上海某明挖地下通道滲漏水治理工作,經(jīng)現(xiàn)場摸排,整個隧道滲漏點(diǎn)12處,10處為變形縫滲漏,占全部滲漏點(diǎn)的83%以上;全長1.6 km的明挖隧道內(nèi)共設(shè)58條變形縫,出現(xiàn)滲漏的變形縫約占變形縫總量的17%左右。經(jīng)查設(shè)計(jì)資料,這些變形縫內(nèi)均采取了差異沉降控制措施(底板榫槽及側(cè)墻剪力棒),現(xiàn)場觀測均未見明顯不均勻沉降現(xiàn)象,但滲漏情況呈現(xiàn)夏季減輕、冬季加重的現(xiàn)象,表明變形縫滲漏與結(jié)構(gòu)伸縮、縫寬變化有明顯關(guān)系。因此在強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)現(xiàn)場防水施工操作規(guī)范的同時(shí),能否在設(shè)計(jì)中通過相應(yīng)措施加長通道變形縫間距、減少變形縫道數(shù),從源頭控制潛在滲漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)量,是需要地下通道設(shè)計(jì)者認(rèn)真考慮的問題。

2 加大變形縫間距產(chǎn)生的問題與措施［2-5］

混凝土結(jié)構(gòu)由于其材料特點(diǎn),具有出早期水化熱產(chǎn)生溫升溫降引起體積變化、使用期隨著季節(jié)溫度變化發(fā)生脹縮的現(xiàn)象,同時(shí)受到來自外部以及內(nèi)部的各種約束。外部約束如周邊地層對結(jié)構(gòu)表面的約束、先澆圍護(hù)結(jié)構(gòu)對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的約束,以及先澆底板對后澆側(cè)墻的約束等;內(nèi)部約束如如厚板承受非均勻受熱或非均勻收縮,大體積混凝土的內(nèi)表的溫差變形等?；炷馏w積變化受到約束制約,即在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生約束拉應(yīng)力,當(dāng)約束拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度,混凝土結(jié)構(gòu)即出現(xiàn)裂縫。

加大變形縫間距無疑增大了混凝土體積變化及約束力的大小,因此需針對地下通道結(jié)構(gòu)早期與使用期的體積變形特性進(jìn)行分析研究。

2.1 早期混凝土收縮與變形縫間距的關(guān)系

混凝土早期體積變形主要包括混凝土尚未凝固時(shí)的塑性收縮、水化作用引起的自收縮、以及在干燥環(huán)境下水分散失造成的干燥收縮,同時(shí)還有伴隨著水化過程中溫度變化而產(chǎn)生的溫度變形。

塑性收縮發(fā)生時(shí),混凝土尚未完全凝固,不具有強(qiáng)度和剛度,因此不產(chǎn)生應(yīng)力。自收縮是混凝土與外界環(huán)境不發(fā)生水分交換的情況下發(fā)生的,包括水泥水化后水化產(chǎn)物體積縮小的化學(xué)收縮和水泥水化消耗漿體內(nèi)部水分而產(chǎn)生的自干燥收縮兩部分。干燥收縮是在相對濕度小于RH100%和恒定溫度下,混凝土向外界環(huán)境水分散失而導(dǎo)致的隨時(shí)間變化的體積減小。自收縮和干燥收縮是混凝土結(jié)構(gòu)體積變化的主要原因。

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定,混凝土收縮的影響可用降低溫度的方法計(jì)算。對于分段澆筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在考慮徐變的影響下,其效應(yīng)相當(dāng)降低15℃。為此建立雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)斷面模型(見圖1),用降溫方式模擬30 m、40 m、50 m、60 m長度結(jié)構(gòu)段收縮應(yīng)力。模型中底板、側(cè)墻加設(shè)土層切向彈簧模擬土層約束,同時(shí)考慮底板→側(cè)墻→頂板的先后施工順序,賦以一定溫差模擬結(jié)構(gòu)間內(nèi)部約束。為考慮徐變引起的應(yīng)力松弛影響,當(dāng)按彈性體計(jì)算混凝土構(gòu)件的溫度應(yīng)力時(shí),將混凝土彈性模量適當(dāng)折減。

圖1 雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)斷面模型(單位:mm)

經(jīng)計(jì)算,通道頂板縱向應(yīng)力分布云圖如圖2所示。

圖2 地下通道頂板早期收縮應(yīng)力云圖(單位:kPa)

由應(yīng)力云圖可見,頂板混凝土收縮在側(cè)墻約束情況下產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力,拉應(yīng)力大小隨變形縫間距增大而增長;頂板與側(cè)墻臨近處拉應(yīng)力集中出現(xiàn),但其隨變形縫間距增大而增長的幅度不大;跨中拉應(yīng)力承變形縫間距增大關(guān)系明顯,并隨間距增大應(yīng)力增大趨勢加快,見圖3。當(dāng)變形縫間距由30 m增加到60 m時(shí),中部縱向拉應(yīng)力增長接近一倍。

圖3 變形縫間距-應(yīng)力曲線(單位:kPa)

本計(jì)算結(jié)果是圍護(hù)不與主體共同受力的通道模型或復(fù)合墻結(jié)構(gòu)形式的通道模型。當(dāng)采用疊合墻結(jié)構(gòu)形式時(shí),由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)先期施做,大部分收縮變形已完成,將會對內(nèi)部結(jié)構(gòu)底板、中板、側(cè)墻混凝土收縮形成強(qiáng)有力的約束,因此收縮應(yīng)力將較本計(jì)算結(jié)果更大。這也是疊合結(jié)構(gòu)較復(fù)合結(jié)構(gòu)更易產(chǎn)生收縮裂縫的原因。

2.2 季節(jié)性溫差對變形縫間距的關(guān)系

早期地下工程設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為,露出地面的超靜定結(jié)構(gòu)及覆土小于1 m的洞口段地下通道結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮溫度影響,但地鐵工程通過近年來對營運(yùn)期間的一些明挖車站觀測發(fā)現(xiàn),即使具有2～3 m的覆土,由于季節(jié)溫度變化引起伸縮縫或誘導(dǎo)縫寬度的變化也是明顯的。另外,通過對上海打浦路隧道全年內(nèi)外溫度監(jiān)測,季節(jié)溫度變化同樣較為明顯。圖4給出從2006年11月15日到2007年7月18日的上海市打浦路隧道內(nèi)外溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)。以上資料說明,季節(jié)性溫差對變形縫間距的影響也應(yīng)慎重分析。

圖4 從11月到次年7月隧道內(nèi)外溫度變化圖

為分析季節(jié)性溫差對變形縫間距的影響,建立雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)斷面模型,用降溫方式模擬30 m、40 m、50 m、60 m長度結(jié)構(gòu)段收縮應(yīng)力,以判斷不同變形縫間距在季節(jié)溫差影響下內(nèi)力的變化。模型中底板、側(cè)墻考慮土層切向彈簧模擬土層約束。根據(jù)上海市月平均氣溫資料,上海地區(qū)最熱為7月份,月平均氣溫為27.8℃,最冷月為1月份,月平均氣溫3℃。假定地下通道結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)完成后初始溫度為25℃,同時(shí)考慮通道結(jié)構(gòu)內(nèi)由于車輛行駛導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)境溫度升高,通道結(jié)構(gòu)季節(jié)性溫降取20℃計(jì)算。為考慮徐變的影響,當(dāng)按彈性體計(jì)算混凝土構(gòu)件的溫度應(yīng)力時(shí),可將混凝土的彈性模量適當(dāng)折減。

經(jīng)計(jì)算表明,在考慮地下通道結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻與底板無溫差的同時(shí)降溫情況下,雖各構(gòu)件縱向應(yīng)力顯示出與變形縫間距有明顯關(guān)系,但量值遠(yuǎn)小于早期收縮產(chǎn)生應(yīng)力。取受地基約束作用明顯的底板縱向應(yīng)力云圖如圖5所示。

由于季節(jié)溫度降低,地下通道結(jié)構(gòu)縱向長度均發(fā)生收縮,讀取在地基約束條件下的通道結(jié)構(gòu)收縮量見表2。計(jì)算表明季節(jié)性溫差對地下通道的主要影響是變形縫寬度變化。

另需說明,以上應(yīng)力計(jì)算結(jié)果是采用軟土地層經(jīng)驗(yàn)切向抗力系數(shù)的情況下得出,當(dāng)土層性質(zhì)不同時(shí),以及通道底板下方設(shè)有樁基的情況,由于地下通道外部約束條件不同,季節(jié)溫差所產(chǎn)生的通道拉應(yīng)力也會隨之不同。

2.3 加大變形縫間距所需采取的措施

通過對早期混凝土收縮及季節(jié)性溫差對地下通道結(jié)構(gòu)分析可知:早期混凝土收縮對變形縫間距增大所帶來的后果是混凝土拉應(yīng)力增加,可能導(dǎo)致混凝土裂縫增加;季節(jié)性溫差對變形縫間距增大帶來的后果主要是變形縫寬度增加,對混凝土拉應(yīng)力影響不大。因此為達(dá)到增大變形縫間距的目的,可針對以上兩種情況分別采取相應(yīng)措施。

2.3.1 針對早期混凝土收縮所采取的措施

為達(dá)到增加變形縫間距的目的,施工中可采取的措施有:采用低收縮與低水化熱的水泥,控制水泥用量及水灰比,合理采用補(bǔ)償收縮功能的外加劑,嚴(yán)格控制混凝土入模溫度、構(gòu)件中心溫度與表面溫度差、混凝土降溫速率,改進(jìn)混凝土振搗工藝,跳倉澆筑,加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)與保溫等。

設(shè)計(jì)可采取的措施主要有以下幾點(diǎn):

(1)設(shè)置后澆帶或膨脹加強(qiáng)帶

圖5 地下通道底板季節(jié)溫降應(yīng)力云圖(單位:kPa)

表2 變形縫間距與結(jié)構(gòu)收縮量關(guān)系表

后澆帶是施工期間保留的臨時(shí)性變形縫,是針對混凝土初期收縮速率快的特點(diǎn),按“放”的原則采取的措施。由于混凝土早期收縮大部分在施工后的頭1～2個月完成,設(shè)計(jì)中按30～40 m間距一道后澆帶,在兩個月后采用膨脹混凝土封閉,可降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的收縮應(yīng)力。

由于后澆帶存在后期清縫困難、縫間滲水、工期較長等弱點(diǎn),地下通道亦可采用膨脹加強(qiáng)帶的措施。膨脹加強(qiáng)帶應(yīng)用“抗”的原理,在連續(xù)澆筑的過程中間隔設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶,以較大的膨脹力來補(bǔ)償混凝土的收縮應(yīng)力。

以上措施均在實(shí)踐工程中取得過成功。

(2)確定合理構(gòu)造配筋率,關(guān)鍵部位適當(dāng)加強(qiáng)

根據(jù)相關(guān)科研試驗(yàn)表明,配筋對混凝土早期的收及徐變起到一定約束作用,設(shè)計(jì)過程中根據(jù)地下通道的結(jié)構(gòu)形式、地層條件、施工環(huán)境與施工工序等因素,對混凝土早期收縮引起的拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)計(jì)算配置縱向構(gòu)造鋼筋,對于頂板、側(cè)墻、底板相交區(qū)域給予加強(qiáng)。

本文算例中,為將通道頂板混凝土早期收縮拉應(yīng)力引起的裂縫控制在0.2 mm范圍內(nèi),經(jīng)計(jì)算需對頂板混凝土配筋見表3。

參照上海市《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》,頂板單側(cè)配筋率不小于0.25%～0.3%,側(cè)墻與底板單側(cè)配筋率不小于0.2%。鋼筋應(yīng)按“細(xì)、密”的原則布置。對于結(jié)構(gòu)形狀變化、剛度突變及孔洞等部位增加抗裂構(gòu)造鋼筋。

表3 頂板縱向配筋表

(3)添加抗裂纖維

混凝土本身具有抗壓強(qiáng)度高、性質(zhì)穩(wěn)定、成本低廉的特點(diǎn),但也存在抗拉強(qiáng)度低、抗裂能力差與韌性小等弱點(diǎn)。鋼纖維能夠顯著提高混凝土的抗拉、抗剪、抗剪、抗沖擊等性能,合成纖維可用于控制早期混凝土的收縮裂縫和硬化后混凝土的溫度收縮裂縫,以及混凝土的耐久性。目前在混凝土中添加纖維來提高混凝土抗裂性,已得到廣泛的應(yīng)用。

(4)采用合理結(jié)構(gòu)型式

混凝土早期裂縫的產(chǎn)生,需要體積變化與約束兩個前提。當(dāng)采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)型式時(shí),由于外包防水層的存在,相當(dāng)于在內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地、圍護(hù)結(jié)構(gòu)間加設(shè)一道緩沖隔離層,可降低混凝土收縮的外部約束,減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。

2.3.2 針對季節(jié)性溫差所采取的措施

變形縫間距增大時(shí),季節(jié)性溫差引起地下通道結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力,并且變形縫寬度變寬。

針對季節(jié)性溫差導(dǎo)致混凝土內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力值相對較小,結(jié)構(gòu)抗裂設(shè)計(jì)、施工措施與針對早期混凝土收縮所采取的措施基本一致。

季節(jié)溫差引起的變形縫加寬同時(shí)對止水帶的施工質(zhì)量提出更高的要求:施工中選用材質(zhì)優(yōu)良的止水帶、確保止水帶的定位與平順、加強(qiáng)止水帶區(qū)域混凝土的振搗、保證止水帶接頭焊接質(zhì)量及加強(qiáng)對已完成止水帶的保護(hù),是變形縫防水成敗的關(guān)鍵。

對于季節(jié)性溫差引起的變形縫加寬,設(shè)計(jì)中可采取寬度較小的變形縫?！兜叵鹿こ谭浪夹g(shù)規(guī)范》中規(guī)定,變形縫寬度宜為20～30 mm,主要是考慮如變形縫過小,在采取一些防水措施時(shí)施工有一定難度。但在上文的計(jì)算中,對于60 m間距的變形縫,如初始寬度取20 mm,冬季時(shí)可能張開至32 mm,止水帶承受的壓力變大,增加變形縫滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。在上海明挖地下通道中也有變形縫寬度取10 mm的案例,取得了較好的防水效果,可作為控制冬季變形縫張開量的設(shè)計(jì)措施。

另外變形縫采用多道防水防線、選取鋼邊橡膠止水帶以增加止水帶與混凝土間粘結(jié)力、采用便于維修的內(nèi)裝可卸止水帶、設(shè)置接水盒等,均是設(shè)計(jì)中可采取的措施。

3 結(jié)語

(1)在根據(jù)地下通道結(jié)構(gòu)型式、地層條件、施工工序與施工環(huán)境等因素進(jìn)行溫度計(jì)算、采取可靠設(shè)計(jì)措施的前提下,可適當(dāng)增大地下通道變形縫間距;

(2)增大地下通道變形縫間距,對防水材料、施工工藝與施工質(zhì)量提出更高要求,施工細(xì)節(jié)是影響到防水效果成敗的關(guān)鍵;

(3)對淺覆土地下通道溫度作用分析中,尚應(yīng)考慮頂墻底等各構(gòu)件間溫差、以及構(gòu)件厚度內(nèi)溫差對構(gòu)件應(yīng)力的影響；

(4)為提高溫度應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)行業(yè)需對地下通道內(nèi)溫度季節(jié)變化、通道結(jié)構(gòu)早期混凝土收縮時(shí)程、各地層對通道結(jié)構(gòu)側(cè)壁切向抗力系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行觀測、試驗(yàn)與積累。

［1］ GB 50157-2013,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［3］ 徐榮年.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制——步入“王鐵夢法”及詮補(bǔ)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［4］ 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司.城市長大地下道路箱涵結(jié)構(gòu)控裂與淺覆土下頂板防水關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.上海:上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，2013.

［5］ 陳翌，蔡耿.超長地下室結(jié)構(gòu)不設(shè)置伸縮縫的抗裂防滲方法［A］.北京:第十二屆全國混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)術(shù)會議論文，2003.

U412.37+3.1

A

1009-7716(2015)03-0180-05

2014-11-14

謝明(1972-),男,陜西西安人,高級工程師,從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)工作。