沉管壓艙水箱防水密封技術研究與應用

劉 博

（中交第一航務工程局有限公司天津市水下隧道建設與運維技術企業(yè)重點實驗室，天津 300461）

1 工程背景

深中通道沉管內部壓艙水箱結構由兩道相對設置的木板擋墻、沉管側墻及中隔墻圍成，每個壓艙水箱木板擋墻設計高度均為5.2 m，寬度18.3 m，最大設計儲水高度5 m，其結構設計型式基本與港珠澳大橋隧道沉管類似。由于港珠澳大橋沉管采用混凝土結構，沉管內部墻壁板及底板表面平整，壓艙水箱防水密封工藝適合采用防水布大面積整體鋪設型式[1]。而深中通道是國內首條大規(guī)模采用鋼殼混凝土組合結構[2]的沉管隧道，沉管從開始制作到預制完成要先經過進行鋼殼預制，混凝土澆筑等幾道工序，且沉管鋼殼墻壁板及底板上存在很多預埋件、澆筑孔、透氣孔等凸出物體，防水布無法整體鋪設。

2 密封技術的重點和技術難點

2.1 管節(jié)鋼殼平面處理問題

深中通道鋼殼沉管混凝土澆筑完成后，在沉管內底板遺留有澆筑孔、透氣孔，且凸出管節(jié)底板50-60 mm 高，而沉管內側墻及中隔墻上又存在很多防火裝飾板預埋件、孔洞室等結構，致使墻面不平整，凸出物體較多。因此防水布采用大面積整體鋪設時容易被劃傷磕破，所以深中通道壓艙水箱防水密封型式放棄采用水箱內部整體鋪設防水布型式，僅考慮在木板擋墻上鋪設防水布。如鋪設時遇到凸出物體且無法避讓，則需要使用輔材進行找平，使鋪設防水布位置平整。找平選用的輔材用料及安裝型式需要提前研究試驗，既要保證防水布鋪設質量，又要節(jié)省施工成本，盡可能地減少對工期的影響。深中通道鋼殼沉管內底板澆筑孔、透氣孔、墻壁預埋件、孔洞室等見圖1。

圖1 沉管鋼殼板及地板上的預埋件和孔室

2.2 防水布結構尺寸及防水密封型式問題

結合深中通道沉管鋼殼結構以及壓艙水箱結構型式特點，壓艙水箱內部沉管側墻、中隔墻、底板均為鋼殼結構，可以采用鋼殼本體防水，僅在兩側木板擋墻鋪設防水布進行防水。這種防水布鋪設型式較港珠澳大橋工程簡便很多，而且因防水布體積小，鋪設面積小，可以減少因防火布本身接槎位置滲漏風險。所以此為研究方向，既可以避開整體鋪設時澆筑孔、透氣孔、預埋件等的影響，又可以縮減防水布尺寸和鋪設面積，減少壓艙水箱漏水風險，提高施工效率。剩余需要研究確定的就是鋪設在壓艙水箱兩道相對設置的木擋墻上的防水布型式及其防水交界位置和防水布交界防水密封型式兩個關鍵點，這是整個深中通道沉管壓艙水箱防水密封最難攻克的技術難點。

3 防水布結構型式及防水交界位置研究

按照上述壓艙水箱內部采用兩側木板擋墻各鋪設一面防水布進行防水，沉管側墻、中隔墻及底板采用沉管鋼殼本體防水的方式。結合深中通道沉管鋼殼結構以及壓艙水箱木板擋墻結構考慮，防水布與木板擋墻接觸的位置，與木板擋墻立面的結構尺寸和面積是相同的，即防水布與木板擋墻接觸的位置其寬度和高度兩個尺寸應按照木板擋墻立面尺寸制作，寬度不小于18.3 m、高度不小于5.2 m，在實際加工制作時應留有富余量，避免防水布受水壓開裂。防水布左右及底部邊框鋪設至木板擋墻與兩側墻壁及底板陰角位置時，其邊框邊緣應在陰角拐角處繼續(xù)向沉管兩側墻及底板方向繼續(xù)延展，延展至兩側墻及底板方向無凸出物體的平整位置作為防水布邊框邊緣，并作為防水布與壓艙水箱兩側墻壁及底板的防水交界。深中通道壓艙水箱木板擋墻立面圖見圖2。

圖2 深中通道壓艙水箱木板擋墻立面圖

為了確保防水交界密封處理位置不受沉管鋼殼結構、凸出物體等特殊情況影響，防水布左右及底板邊框延展尺寸應設計預留相對多一些的富余量。根據沉管鋼殼結構以及壓艙水箱內沉管兩側墻壁及底板實際情況特點，深中通道所用防水布在加工制作時在防水布越過陰角位置后再向沉管兩側墻及底板方向加工制作寬1.6 m 的邊框，有較多的富余量，以備特殊情況處理。

綜上所述，深中通道壓艙水箱設計制作的防水布尺寸為：寬18.5 m，高5.25 m，在底板及兩側墻壁預留寬1.6 m 邊框。根據深中通道沉管行車廊道鋼殼結構型式，靠近沉管側墻一側底板有一段為向上傾斜結構，因此在防水布制作時，相應位置做同樣傾斜折角，同時為了在水箱頂部鉤掛防水布，在防水布頂部每隔0.5 m 設置一個金屬掛鉤孔。防水布材質選用厚度0.8 mm 的PVC 夾網布，整體型式設計加工成簸箕形狀，深中通道壓艙水箱防水布具體設計型式見圖3。每個壓艙水箱設置2 塊防水布，為對稱式。

圖3 深中通道壓艙水箱防水布型式尺寸

4 防水布交界防水密封技術研究

研究防水布邊框交界防水密封型式時，首先想到可以將防水布邊框邊緣通過鋼制壓板緊緊的壓在壓艙水箱內底板及兩側墻壁上。由于防水布材質一般為PVC 材質，考慮到鋼壓板不能直接與其接觸，否則PVC 防水布被直接接觸擠壓損壞，因此可以選用和鋼壓板寬度相同的橡膠材質密封條作為防水布上表面與鋼壓板之間的保護層，同時防水布下表面與壓艙水箱內底板及兩側墻壁接觸位置同樣為鋼制鋼殼，且由于焊接制作原因其防水交界位置不一定十分平整，因此在防水布下表面與壓艙水箱內底板及兩側墻壁接觸位置同樣使用一條相同規(guī)格的橡膠材質密封條作為防水布下表面與壓艙水箱內底板及兩側墻壁之間的密封層，然后在密封層下涂抹密封膠，提高防水密封效果。

為了檢驗上述防水密封技術型式的可行性，需要模擬壓艙水箱灌水試驗，進行防水密封試驗。根據帕斯卡定律，液體壓強計算公式為：P=P0+ρgh。如果不計大氣壓力P0，只計算液體本身產生的壓強，可見，液體壓強的大小只取決于液體的種類，即密度ρ 和深度h，而和液體的質量、體積沒有直接的關系。所以模擬試驗時，可以用鐵板焊接制作一個比例縮小的體積為1 m2的方形水箱，方形水箱先保留相對的兩面作為可拆卸壁板，其中一面可拆卸壁板模式壓艙水箱木板擋墻，用來鋪防水布，另外一面相對的可拆卸壁板待防水布安裝密封完成后，再和另外四面壁板滿焊水密。同時在方形水箱頂面壁板上焊接一根連通水管，參照壓艙水箱設計最大儲水高度，水管口頂部距離水箱內底高度5m，模擬試驗壓艙水箱在設計最大水位時防水布承受的液體壓強，檢驗防水布交界防水密封技術的可行性。

試驗開始前，準備好螺柱焊釘、橡膠密封條、鋼壓板、密封膠等材料。首先在方形水箱滿焊的4面壁板內側每隔150 mm 間距焊接一根規(guī)格為：M10×50 mm 螺柱焊釘，共焊接4 面，形成一周，且所有螺柱焊釘安裝中心線都在一條直線上。先使用一條厚δ10 mm、寬50 mm 的橡膠密封條按螺柱焊釘間距開孔，套在螺柱焊釘上，作為密封層、然后將一塊1.5×1.5 m2防水布四周邊緣也按照螺柱焊釘間距開孔，套在螺柱焊釘上、再將另外一條厚δ10 mm、寬50 mm 的橡膠密封條按螺柱焊釘間距開孔，套在螺柱焊釘上，作為保護層、最后使用δ10 mm 鋼板制作幾條長短不一的鋼壓板，寬度50 mm，在鋼壓板的中心線上按螺柱焊釘間距開孔，將鋼壓板套在螺柱焊釘上，最后把螺母擰到螺柱焊釘上壓緊。通過這種型式，防水布邊框邊緣被夾在上下兩層橡膠密封條中間，外部通過鋼壓板壓實，螺母和螺柱焊釘擰緊，達到防水密封效果，同時為了提高密封效果，需在下層橡膠密封條和方形水箱內壁之間涂抹密封膠。上述使用橡膠密封條、鋼板條、螺柱焊釘的防水密封技術型式如圖4 所示。

圖4 橡膠密封條、鋼壓板、螺柱焊釘的防水密封型式

按照上述技術工藝做完防水布防水密封后，將方形水箱可拆卸的這面壁板安裝上，其相對的一面壁板與另外四面壁板滿焊。然后從方形水箱頂部水管口開始注水，至水液位高度5 m，模擬試驗壓艙水箱在灌水至設計最大水位時防水布及其防水交界處所承受的壓強，壓水試驗需持續(xù)一段時間，檢驗該種防水密封方案的技術可行性。最終經過多次試驗觀察，該種防水密封技術防水效果明顯，方形水箱在可拆卸壁板四周未發(fā)現滲水情況。證明使用焊接螺柱焊釘、橡膠密封條、鋼壓板、密封膠等材料設計的防水密封技術型式是可行的。

5 沉管壓艙水箱防水密封技術應用

深中通道沉管壓艙水箱在防水布選用上文第4條的技術工藝進行防水密封，其實際應用效果如圖5 所示。

圖5 沉管壓艙水箱防水密封示意圖

同時，在深中通道沉管壓艙水箱防水密封施工過程中，需要對防水密封技術方案中選用的材料進行優(yōu)化改進。

5.1 螺柱焊釘

螺柱焊釘宜選用PD 型螺紋螺柱[3]，焊接時需要針對其規(guī)格選用合適的拉弧式螺柱焊機配合相應PF 瓷環(huán)進行焊接。該種拉弧式螺柱焊方式焊接比普通手工焊效率高，焊口成型好，焊接牢固強度高，焊接完成后，可使用錨桿拉拔儀抽查焊接質量。

螺柱焊釘在最初實際應用考慮耐海水腐蝕，所以選用規(guī)格為M10×50 mm 不銹鋼材質焊接螺柱，而沉管鋼殼為碳鋼材質，因兩種材質不同，因此螺柱焊接牢固性較差，螺柱焊釘在鋼壓板螺母擰緊受力后經常發(fā)生焊口斷開問題，影響防水密封效果。因此在經過研究試驗將螺柱焊釘材質更換為M12×50 mm 的鍍鋅材質螺柱，既提高了螺柱焊釘的拉力荷載[4]和焊接強度，又加強了防水密封效果。

5.2 橡膠密封條

壓艙水箱內部壓載水為海水，相對淡水而言腐蝕性強，因此橡膠密封條材質應選用耐海水腐蝕材質。在深中通道工程中，選用的橡膠密封條為丁腈橡膠材質，具有良好的耐水性、耐熱性、氣密性及優(yōu)良的粘結性能，適合作為防水密封。同時需要注意的是，在壓艙水箱作為防水布下層的密封層時，其加工制作長度需要按照壓艙水箱木板擋墻整個防水交界的長度確定，中間確保無斷開點，減少防水密封滲水風險，如深中通道壓艙水箱防水交界長度包含沉管兩側墻壁高度5.2 m 和整面木板擋墻的寬度18.3 m；而橡膠密封條的厚度也不能太薄，由于深中通道沉管為鋼制結構，其底部和壁板均為鋼板拼裝焊接而成，其平整度有一定誤差，如果橡膠密封條規(guī)格選擇太薄，當鋼板平整度不良，遇到凹凸不平位置時，鋼壓板無法將橡膠密封條壓實，導致防水密封失效。因此深中通道工程中每條橡膠密封條規(guī)格均選用厚10 mm、長30 m、寬50 mm 中間無斷點的整根膠條。

5.3 鋼壓板

鋼壓板加工制作需要根據沉管鋼殼結構確定，深中通道工程壓艙水箱鋼壓板共分為兩種類型，一種是用于沉管墻壁或底板平整面位置的平直鋼壓板，另一種是沉管墻壁與底板形成的墻角位置以及沉管底板鋼殼折彎處位置的拐角壓板。平直鋼壓板分段制作，主要使用規(guī)格為長1 000 mm、寬50 mm、厚10 mm 的鋼板條，其它尺寸根據防水交界長度適當調整。平直鋼壓板型式見圖6 所示；拐角壓板按照墻角實際角度或沉管底板鋼殼實際折彎角度加工制作，深中通道壓艙水箱共加工制作拐角壓板分為90o、109o、161o三種，其型式見圖7 所示。所有壓板制作時，需要注意的是，鋼壓板中心線上的螺栓孔應加工成長條孔，直徑應大于螺柱焊釘直徑，方便鋼壓板套在螺柱焊釘上安裝。

圖6 平直鋼壓板型式

圖7 拐角鋼壓板型式

5.4 防水布鋪設

因沉管內墻壁預埋件、孔洞室、底板澆筑孔、透氣孔較多。當防水布左右兩側邊框和底部邊框與其無法避讓時，需要對墻壁孔洞室進行封堵，凸出物體則需要使用材料墊平。深中通道工程中對較大孔洞使用鋼板焊接封堵，避免防水布受到水的壓強擠壓。而凸出物體根據反復試驗，最終選用厚度為100 mm 的EPE 珍珠棉板鋪設墊平。EPE 珍珠棉板與普通的泡沫板比較，其承壓大、不易燃，不易碎。當壓艙水箱內注水后，水的壓力傳遞到珍珠棉板上后，其變形量小，適合進行預埋件和澆注孔、透氣孔的防護，同時現場裁剪切割方便。鋪設EPE 珍珠棉板時僅需用膠粘在沉管相應墻壁和底板位置即可。深中通道壓艙水箱EPE 珍珠棉板鋪設效果見圖8 所示。

圖8 壓艙水箱EPE 珍珠棉板鋪設效果

6 結語

本文以深中通道工程為例，對適用于鋼殼混凝土組合結構的沉管壓艙水箱防水密封技術進行了技術研究說明。該種防水密封技術型式通過在深中通道工程中的成功應用，獲得了實際效果檢驗，其優(yōu)異防水密封效果證明該種防水密封技術是完全可行的，值得類似工程項目推廣應用。