地下高水位地區(qū)水泥生產(chǎn)線柔性防水套管技術(shù)研究

(北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024)

0 引言

目前，工業(yè)建筑、民用建筑、市政工程的給排水專業(yè)中，介質(zhì)管道在地下水位層內(nèi)埋設(shè)穿越建筑物、構(gòu)筑物等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體時(shí)，均執(zhí)行《標(biāo)準(zhǔn)圖集》。條文3.6規(guī)定，“防水套管的安裝位置應(yīng)盡量避開沉降縫、伸縮縫或兩個(gè)較近距離的構(gòu)（建）筑物，特殊需要時(shí)，必須經(jīng)結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)選用”[1]。大型水泥設(shè)備生產(chǎn)線設(shè)備廠房均相鄰設(shè)置，并且介質(zhì)管道長期處于工作振動(dòng)狀態(tài)。目前，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是調(diào)整設(shè)備介質(zhì)管道走向與敏感地帶的相對(duì)位置，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)工程師增大局部設(shè)備管線穿越處建筑地基基礎(chǔ)，以減少構(gòu)(建)筑物與介質(zhì)管道二者在交集處產(chǎn)生的相對(duì)位移量，修改后的施工方案，技術(shù)復(fù)雜、成本高，后期一旦出現(xiàn)滲漏，維修難度較大。

1 解讀分析研究《標(biāo)準(zhǔn)圖集》中的B型柔性防水套管結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)原理

B型結(jié)構(gòu)是《標(biāo)準(zhǔn)圖集》中最完善的柔性防水套管密封結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 B型柔性防水套管結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)用于介質(zhì)管道1穿越墻體01的柔性防水密封結(jié)構(gòu)圖，包括套裝有介質(zhì)管道的穿墻套管02和分別設(shè)置在介質(zhì)管道與穿墻套管之間的迎水面?zhèn)?、背水面?zhèn)鹊拿芊饨M件03。其中，穿墻套管預(yù)埋于墻體中，迎水面的密封組件形成第一道密封結(jié)構(gòu)，第一道密封組件采用密封材料（瀝青麻絲、聚苯乙烯板、聚氯乙烯泡沫塑料板）和簡單的密封膏036（聚硫密封膏、聚氨酯密封膏）組成，密封為剛性材料，并用于焊接在穿墻套管內(nèi)部的內(nèi)擋圈024作為單向約束定位封堵嵌縫處理得到。背水面的密封組件形成第二道密封結(jié)構(gòu)，第二道密封組件采用橡膠密封圈031（柔性材料）作用在焊接于穿墻套管內(nèi)部的內(nèi)擋圈和L形法蘭壓蓋035的雙向約束定位封堵預(yù)緊得到，穿墻套管外部設(shè)有中部翼環(huán)板022和兩側(cè)端部翼環(huán)板023，中部翼環(huán)板埋設(shè)在墻體內(nèi)，作為穿墻套管體與結(jié)構(gòu)墻體的防水翼環(huán)，兩側(cè)端部翼環(huán)板凸出墻體。

1.2 現(xiàn)有《標(biāo)準(zhǔn)圖集》中的柔性防水套管（B型）結(jié)構(gòu)存在不足

1.2.1 穿墻交集處內(nèi)部，介質(zhì)管道雙側(cè)支點(diǎn)受力不均衡

該結(jié)構(gòu)中的第一道、第二道密封組件所采用的密封方式、密封材料不同，使得介質(zhì)管道1在穿墻套管2內(nèi)部的兩側(cè)支撐點(diǎn)受力不一致，剛性密封膏不能吸收合理變形位移及介質(zhì)管道的工作振動(dòng)位移量，易受到破壞，影響整體密封效果。

1.2.2 穿墻套管雙側(cè)端部翼環(huán)板設(shè)計(jì)位置不正確

穿墻套管02的兩側(cè)端部翼環(huán)板023凸出墻體01，該種設(shè)置方式不便于施工過程的模板支護(hù)，也不利于與墻體的結(jié)構(gòu)鋼筋生根固定，兩側(cè)端部翼環(huán)板凸出墻體部位不能與混凝土產(chǎn)生緊密接觸，最終影響穿墻套管整體與墻體密封強(qiáng)度。由于金屬穿墻套管與混凝土屬于兩種不同材質(zhì)，物理膨脹系數(shù)不同，必然導(dǎo)致相互接觸面之間產(chǎn)生滲漏縫隙，形成泄漏通道LC1。僅靠中部翼環(huán)板022止水，難以保證在地下水位較高、滲透壓較大情形下的防水密封功能。

1.2.3 穿墻套管內(nèi)部擋圈設(shè)置、裝配方式不合理

現(xiàn)有的內(nèi)擋圈024均設(shè)置在穿墻套管02的內(nèi)部，內(nèi)擋圈的兩端側(cè)與穿墻套管內(nèi)側(cè)面實(shí)施滿焊，當(dāng)穿墻套管的管徑規(guī)格較小時(shí)，加工難度較大，甚至無法在內(nèi)側(cè)施焊，若外側(cè)焊接會(huì)直接影響柔性密封材料的變形空間及其使用效果；當(dāng)?shù)谝坏烂芊饨M件失效時(shí)，由于兩個(gè)焊接固定于套管的內(nèi)擋圈遮擋，無法從背水面修復(fù)損壞了的第一道剛性密封材料，維修成本大。

1.2.4 柔性材料預(yù)壓鎖緊方式不正確

現(xiàn)有的第二道柔性密封結(jié)構(gòu)的L形法蘭壓蓋035，在預(yù)緊施工過程中，螺栓組034作用在其上，將預(yù)緊力傳遞給密封圈，且L形法蘭壓蓋與穿墻套管的端部翼環(huán)板023之間留有裝配預(yù)緊空間，用以調(diào)節(jié)密封圈的預(yù)緊量H。介質(zhì)管道1的長期工作振動(dòng)中，螺栓組無法實(shí)現(xiàn)自鎖功能，易松動(dòng)。若將L形法蘭蓋與穿墻套管的端部翼環(huán)板直接緊貼鎖固，雖能實(shí)現(xiàn)螺栓組的緊固自鎖功能，但無法控制密封圈的合理預(yù)緊力及密封變形量，缺失調(diào)整環(huán)節(jié)。

1.2.5 柔性防水套管使用剛性密封材料不正確

在墻體01迎水面處的介質(zhì)管道1與穿墻套管02之間的第一道密封組件采用剛性的密封膏036密封，按照最不利密封材料組成原則，該密封結(jié)構(gòu)應(yīng)定義為剛性密封結(jié)構(gòu)。

1.2.6 迎水面阻水設(shè)防方式不正確

現(xiàn)有設(shè)置在建筑物墻體01的外側(cè)迎水面的第一道密封結(jié)構(gòu)采用外端開放方式，未設(shè)置減壓阻水及《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)下抵抗沖擊波的抗力擋板，未做到等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

2 針對(duì)現(xiàn)有缺陷，對(duì)本發(fā)明柔性防水套管密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的詳細(xì)說明

為了解決現(xiàn)有的《標(biāo)準(zhǔn)圖集》柔性防水套管防水密封結(jié)構(gòu)受力不均衡、密封面位置不正確、預(yù)埋套管與墻體連接強(qiáng)度不夠、零部件加工復(fù)雜、密封性差、施工難度大、維修成本高、難以適用地下水位較高和滲透壓較大的建筑場合等缺陷，本文采用一種適用于位于地下水位層內(nèi)、滲透壓力大，并能滿足《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》的柔性防水套管密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法(見圖2)。

圖2 柔性防水套管

2.1 工作原理

密封組件3包括均衡設(shè)置的兩道柔性密封組件，即位于墻體01迎水面的第一道密封組件和位于墻體背水面的第二道密封組件，均包括具有預(yù)緊力的多個(gè)密封圈31和對(duì)應(yīng)的端部擋板32（迎水面密封擋板321或背水面預(yù)壓擋板322），且兩道密封組件之間由套裝在介質(zhì)管道1上的預(yù)壓擋環(huán)33隔開，也便于預(yù)壓擋環(huán)在沿介質(zhì)管道自由移動(dòng)；迎水面密封擋板焊接固定于穿墻套管2的迎水面端部翼環(huán)板231上，起到在軸向方向約束迎水面密封圈311的作用，改變了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的開放無約束狀態(tài)，采用焊接方式。非固定式預(yù)壓擋環(huán)33結(jié)構(gòu)改變了原有從迎水面進(jìn)行維修的方式，維修時(shí)不需要拆除迎水面密封擋板。雙側(cè)端部擋板與介質(zhì)管道之間留有徑向余量（即綜合變形間隙），使得介質(zhì)管道的振動(dòng)及建筑物產(chǎn)生的綜合變形被柔性密封材料吸收，防止其直接作用于剛性結(jié)構(gòu)（密封擋板321）上。預(yù)壓法蘭壓蓋與背水面端部翼環(huán)板232采用預(yù)壓緊固螺栓組34緊固鎖緊連接，密封圈的壓縮量應(yīng)為所有密封圈總長度的20%。由于墻體的厚度不同，穿墻套管的翼環(huán)板并不限于三個(gè)；密封組件3并不限于兩道，可通過軸向預(yù)壓擋環(huán)33分隔設(shè)置多組柔性密封圈。

2.2 改進(jìn)后整體結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 調(diào)整翼環(huán)板位置，實(shí)現(xiàn)一舉多得

為防止穿墻套管021與墻體01之間的滲漏縫隙現(xiàn)象，在新密封結(jié)構(gòu)中將穿墻套管02的端部翼環(huán)板023回縮至墻體中，端部翼環(huán)板的外部端面與墻體的表面處于同一平面，中部翼環(huán)板起到建筑密封學(xué)中的“止水板”效應(yīng)，當(dāng)端部翼環(huán)板回縮至墻體中，與中部翼環(huán)板共同構(gòu)建形成機(jī)械密封學(xué)中的“迷宮結(jié)構(gòu)”，即使各自翼環(huán)板與墻體之間存在膨脹間隙，滲漏水要想滲透至背水面?zhèn)刃枰来卧竭^各道翼環(huán)板，每經(jīng)過一個(gè)翼環(huán)板，滲漏水需經(jīng)過一次90°的爬坡過程，這一過程急速降低滲透壓力，起到阻水、止水作用，多個(gè)翼環(huán)板形成的迷宮式結(jié)構(gòu)依次消耗滲漏水的滲透壓力，使得滲漏水無法穿越最后防線滲透到建筑物內(nèi)部(見圖3)。

圖3 新密封結(jié)構(gòu)端部翼環(huán)位置

改進(jìn)后的端部翼環(huán)板023的外部端面與墻體的表面處于同一平面，還有一個(gè)作用是可使得穿墻套管02的翼環(huán)板與墻體01的結(jié)構(gòu)鋼筋有效連接固定，同時(shí)便于墻體的澆筑施工過程的模板支護(hù)，增加穿墻套管與墻體的密封效果和連接強(qiáng)度，增大地下水位層的抗?jié)B透壓能力。

2.2.2 將原有剛性密封材料統(tǒng)一為柔性密封結(jié)構(gòu)

①改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)符合密封學(xué)中關(guān)于柔性密封組件作用封閉空腔的搭建原理，改變?cè)袉蜗蚣s束的開放密封形式。

②運(yùn)用了液壓傳動(dòng)學(xué)帕斯卡連通器原理，使地下水位的滲透壓力通過增設(shè)迎水面密封擋板321與介質(zhì)管道1之間的綜合位移間隙減壓后作用于迎水面密封圈31、32，大幅度降低密封材料所承受的壓力（起到建筑學(xué)給排水專業(yè)中的“減壓孔板”作用）；進(jìn)一步提高密封組件的密封性能，改變?cè)杏孀杷O(shè)防方式。

③結(jié)合《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》中穿越具有預(yù)定功能的地下相關(guān)管線要具有抵抗戰(zhàn)時(shí)沖擊波作用，該結(jié)構(gòu)在迎水面密封擋板321起到規(guī)范中規(guī)定的“抗力片”作用。保證穿越介質(zhì)管道與套管之間的密封材料部位與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等強(qiáng)度，同時(shí)延長密封組件的使用壽命。

④兩端密封組件使用相同結(jié)構(gòu)，同時(shí)解決了穿墻交集處內(nèi)部、介質(zhì)管道雙側(cè)支點(diǎn)受力不均衡的問題。

2.2.3 將原有固定預(yù)壓密封擋圈改為滑動(dòng)可調(diào)式

現(xiàn)有穿墻套管2的內(nèi)擋圈改為獨(dú)立非固定式預(yù)壓擋環(huán)，該預(yù)壓擋環(huán)33在介質(zhì)管道穿過穿墻套管后安裝，起到現(xiàn)有防水密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)擋圈的作用，同時(shí)在介質(zhì)管道安裝穿過穿墻套管的過程中，介質(zhì)管道與穿墻套管之間的裝配間隙由原來的f1增大為f2，該結(jié)構(gòu)不但省略原有焊接加工方式，使得該零部件加工簡單，同時(shí)大幅度降低了安裝難度(見圖4)。

圖4 密封結(jié)構(gòu)裝配示意圖

2.2.4 改變整體柔性材料預(yù)壓預(yù)緊結(jié)構(gòu)方式

密封學(xué)原理上該裝配預(yù)緊量定位值H可以通過計(jì)算密封材料的預(yù)壓縮值獲得,但在實(shí)際施工中由于各種誤差的積累，控制難度較大。目前浮游的緊固方式達(dá)不到緊固鎖緊的作用，僅能起到預(yù)緊壓縮量的定位作用，原因是作用在螺栓組的方向反作用力來自柔性密封材料而不是剛性物體，無法實(shí)現(xiàn)螺栓緊固扭矩，達(dá)到螺紋副的自鎖狀態(tài)，螺母處于浮游狀態(tài)，在介質(zhì)管道或墻體的振動(dòng)下，螺母與螺紋配合副產(chǎn)生松動(dòng)位移，已設(shè)定預(yù)緊壓縮量量值無法長久保證，防水密封效果隨之失去。本設(shè)計(jì)采用無焊接分體件（即背水面的預(yù)壓法蘭壓蓋和背水面軸向預(yù)壓擋環(huán)333的組合）代替焊接組合件，該密封結(jié)構(gòu)具備以下特點(diǎn)：

①本預(yù)壓擋板可利用標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤進(jìn)行改制加工，產(chǎn)品質(zhì)量得以保證，有利于標(biāo)準(zhǔn)化、市場化，將原凸出墻體的結(jié)構(gòu)方式改為與墻體貼敷，美觀性好。

②利用可現(xiàn)場切制預(yù)壓擋環(huán)33尺寸，能將現(xiàn)場加工誤差、建筑物墻體誤差及各種產(chǎn)品誤差累計(jì)，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)預(yù)壓擋環(huán)的長度，保證密封材料的預(yù)壓縮量，進(jìn)而保證密封防水密封效果。

③由于預(yù)壓擋環(huán)33的精確配置，使得預(yù)壓法蘭壓蓋能夠作用在剛性材質(zhì)穿墻套管的端部翼環(huán)板23上，預(yù)壓緊固螺栓組34緊固到位，無須控制原有不可控的裝配預(yù)緊量定位值H，取消了原有調(diào)整環(huán)節(jié)，使現(xiàn)場裝配施工極為簡單。

④運(yùn)用機(jī)械學(xué)緊固原理，將原有螺母的浮游緊固方式改為剛性接觸螺栓緊固狀態(tài)，緊固扭矩滿足預(yù)定值，使螺栓組長期處于自鎖狀態(tài)，真正做到緊固到位不易松動(dòng)，避免了原有結(jié)構(gòu)方式在使用過程中的松動(dòng)現(xiàn)象。

⑤簡化了L型法蘭壓蓋的加工工藝，采用改進(jìn)后的法蘭盤（背水面預(yù)壓擋板322）和背水面軸向預(yù)壓擋環(huán)333分體設(shè)置，降低了加工難度及尺寸精度，原有短管的各種加工誤差不再影響綜合變形間隙值，背水面預(yù)壓法蘭壓蓋與介質(zhì)管道之間值可按照綜合變形間隙設(shè)計(jì)，便于裝配施工。

通過實(shí)施案例證明，本發(fā)明的柔性防水套結(jié)構(gòu)管的設(shè)計(jì)方法適用于民用（包括人防地下室的給排水管道、電氣管道、水暖管道）、工業(yè)（含水泥生產(chǎn)設(shè)備介質(zhì)管道）在穿越處由于各種因素（包括沖擊波、地震、振動(dòng)，沉降、伸縮；介質(zhì)管道工作產(chǎn)生的壓力振擺、水錘、振動(dòng)等）產(chǎn)生二者相對(duì)位移，同時(shí)外界地下水位高、滲透壓力大，要求具有防滲漏密封功能的構(gòu)（建）物墻體。

3 結(jié)語

地下高水位地區(qū)的柔性防水套管對(duì)水泥生產(chǎn)設(shè)備機(jī)電管線的安裝、建筑結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度及防滲漏密封性能起到舉足輕重的作用，但由于目前的國家標(biāo)準(zhǔn)、施工圖集還不夠完善，設(shè)計(jì)單位缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)，施工單位缺乏相應(yīng)圖集，監(jiān)理單位缺乏執(zhí)法理論，因此期待國家盡快制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，繪制相應(yīng)施工圖集，通過整體把控和精細(xì)設(shè)計(jì)，制定完善施工方案，建立監(jiān)理咨詢工程師全方位、全過程、全負(fù)責(zé)的質(zhì)量控制體系，進(jìn)一步保證水泥生產(chǎn)設(shè)備安裝運(yùn)行及整體建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能[2]。