基于模塊化拼裝綜合管廊防水技術(shù)研究

李 鵬，楊志遠(yuǎn)，楊建華，李 亮

（1.湖北省城建設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430050；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430070；3.中信建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引 言

綜合管廊是在城市規(guī)劃預(yù)留的地下建造一個(gè)管線隧道空間，將給排水、供熱、電力、通信、燃?xì)獾雀黝惞芫€集于一體，設(shè)置有專項(xiàng)檢修口、吊裝口，以及系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)施[1]。以預(yù)制件為主體的管廊結(jié)構(gòu)，不僅降低了成品材料消耗，整體結(jié)構(gòu)受力合理、抗腐蝕能力和使用壽命也顯著提高；而且預(yù)制件的生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化，現(xiàn)場拼裝可大大提高施工的效率，建設(shè)成本可得到有效降低。預(yù)制管廊工廠化生產(chǎn)能夠保證結(jié)構(gòu)尺寸精度，同時(shí)也可以提高城市綜合管廊安裝中的施工質(zhì)量；這種施工方式無需周轉(zhuǎn)施工設(shè)備，也不會(huì)占用大片場地堆料，施工周期明顯減少并且可控，從而達(dá)到減少建設(shè)成本的目的。但由于預(yù)制綜合管廊是拼裝構(gòu)件，存在諸多接頭和接縫，其防水技術(shù)一直是阻礙預(yù)制綜合管廊發(fā)展的重要難題[2]。因此，綜合管廊在設(shè)計(jì)建造時(shí)，必須從實(shí)際出發(fā)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合骨架，充分綜合考慮其結(jié)構(gòu)體系防水、防滲問題。這對(duì)減少綜合管廊的運(yùn)營成本、延長使用壽命具有重要的意義。國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)綜合管廊特別是預(yù)制拼裝綜合管廊的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、建成后運(yùn)營和防水等開展了一些研究工作[3-5]。李輝[6]對(duì)管廊不同部分防水技術(shù)及施工方法進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為按照其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)要求選用管廊防水材料時(shí)，還應(yīng)當(dāng)綜合考慮材料的耐腐蝕性和耐水壓，以及抗?jié)B性；嚴(yán)林[7]通過研究預(yù)制綜合管廊采用多道防水的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),總結(jié)了管廊接頭的防水密封與后期的維護(hù)防水密封的技術(shù)方案,具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

巴黎已建成了長達(dá)2 100 km 的地下綜合管廊系統(tǒng),是目前世界上建成綜合管廊里程最長的城市[8]。日本已建成了近1 100 km 的共同溝，是目前世界上建設(shè)速度較快，法規(guī)較完善,技術(shù)較先進(jìn)的國家[9]；前蘇聯(lián)在列寧格勒與基輔市的重建過程中,首次使用了預(yù)制拼裝技術(shù)現(xiàn)場裝配綜合管廊,這一技術(shù)的出現(xiàn),對(duì)世界城市地下管廊建設(shè)具有深遠(yuǎn)的影響。國內(nèi)自二十世紀(jì)五十年代開始就著手對(duì)裝配式綜合管廊進(jìn)行了研究。但由于裝配式管廊接口處密封性能較差,漏水、滲水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生等原因,預(yù)制拼裝綜合管廊的建設(shè)在比較長的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)展幾乎停滯。預(yù)制拼裝管廊接頭防水密封性能已成為制約綜合管廊建設(shè)和發(fā)展的一個(gè)重要因素之一。故如何提高預(yù)制綜合管廊的防水密封性能,確保管廊在長期使用過程中不出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,已成為當(dāng)前需要克服的重要難題[10]。

現(xiàn)基于矩形模塊化預(yù)制拼裝管廊結(jié)構(gòu)組合分析，探究預(yù)制管廊多種拼接縫和變形縫等防水措施，對(duì)管廊組合結(jié)構(gòu)、防水材料、防水措施、防水性能進(jìn)行了重點(diǎn)分析，總結(jié)得到合理有效的防水成套技術(shù)，并分析其經(jīng)濟(jì)效益，以期在預(yù)制拼裝管廊的防水難題和經(jīng)濟(jì)效益上有所突破，并為地鐵管片及管廊模塊化拼裝在工程建設(shè)上的推廣應(yīng)用提供參考。

1 預(yù)制拼裝管廊結(jié)構(gòu)型式和防水模式

1.1 普通預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)型式

綜合管廊主體工程采用C30 抗?jié)B混凝土，其抗?jié)B等級(jí)主要依據(jù)地下水位情況、結(jié)構(gòu)抗?jié)B要求來確定。一般來說，預(yù)制拼裝綜合管廊防水等級(jí)通常都采用二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)，若有高壓電纜、通訊傳輸線路、弱電線路等重要線路進(jìn)入管廊則應(yīng)該將防水等級(jí)設(shè)為一級(jí)。目前,綜合管廊的施工方法主要為現(xiàn)澆法和預(yù)制拼裝法。其中，預(yù)制拼裝法組合方式如圖1所示：采用可自由拼裝的定制鋁模板，通過模數(shù)化的預(yù)制底板、預(yù)制頂板、預(yù)制外墻、預(yù)制U 型板等自由組合，通過后澆段、現(xiàn)澆帶及臺(tái)階式連接方式，以快速適應(yīng)綜合管廊各種斷面尺寸，同時(shí)采用自動(dòng)控制蒸汽養(yǎng)護(hù)措施，可以有效保證管廊組合節(jié)段預(yù)制質(zhì)量。預(yù)制管廊拼裝節(jié)段采用柔性承插口代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性承插口，企口連接處設(shè)置遇水膨脹橡膠圈和彈性橡膠密封圈。這樣可較好地適應(yīng)構(gòu)件地基沉降等影響。

圖1 方形管廊拼裝組合示意圖

預(yù)制拼裝綜合管廊的型式多種多樣，孫蓓[11]等對(duì)管廊連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，得出結(jié)論：“當(dāng)接口節(jié)點(diǎn)采用雙橡膠圈時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，相較于剛性連接的方式，管廊采用這種柔性連接方式承載能力更高,且在軟土基礎(chǔ)中管廊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有更充分的保證”。依據(jù)預(yù)制管廊模塊化組合空間單元分析、模塊組合計(jì)算、拼裝后的防水措施等綜合因素，確定預(yù)制管廊單元組合，綜合考慮節(jié)點(diǎn)受力分析、拼裝工藝、接縫防水及施工方便等要求，最終確定最實(shí)用、最經(jīng)濟(jì)的拼裝形式為圖2 所示。

圖2 不同組合優(yōu)化后計(jì)算模型簡圖

1.2 預(yù)制管廊防水設(shè)計(jì)

綜合管廊主體工程防水施工技術(shù)根據(jù)建筑材料特性分為涂料式防水和卷材防水兩種方式，通過構(gòu)建內(nèi)部、外部防水體系達(dá)到防水效果。其中，重點(diǎn)是橫向的沉降縫、縱向的水平施工縫，以及垂直施工縫是最主要的結(jié)構(gòu)接縫，也是綜合管廊防水核心。管廊構(gòu)件現(xiàn)澆法主要采用預(yù)埋止水帶密封條加填充瀝青棉絮，以及外涮瀝青等措施進(jìn)行防水密封處理。即是：管廊按照規(guī)范要求節(jié)段設(shè)置沉降縫，相鄰兩節(jié)采用預(yù)埋橋式橡膠止水帶連接,沉降縫內(nèi)用瀝青麻絮填充, 在管廊外壁刷瀝青布封閉及蓋板上表面刷密封膠,以期達(dá)到防水目的；但該多道防水措施存在可靠性差、耐久性不足、施工不便、工藝繁多及防水成本大等缺點(diǎn)。預(yù)制管廊拼裝法采用柔性連接，即是雙橡膠密封圈密封加雙組份密封膏的接頭型式[7]。采用這種拼裝組合連接具有可靠性高、耐久性強(qiáng)、施工安裝方便，以及防水性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中，雙層橡膠圈模式在縱向上缺乏彈性活動(dòng)空間，在發(fā)生沉降變形時(shí)容易產(chǎn)生輕微錯(cuò)位，致使兩節(jié)段間出現(xiàn)孔隙，導(dǎo)致漏水。因此，采用這種連接方式往往需要和后張拉工藝配合，以提高其防水能力。模塊化拼裝法是總結(jié)兩種防水方法優(yōu)缺點(diǎn)，在綜合拼裝的組合結(jié)構(gòu)、防水材料及連接方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)的防水性能?，F(xiàn)通過模塊化結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并參照地鐵管片錯(cuò)縫拼裝做法，在全斷面結(jié)構(gòu)拼接縫、變形縫、施工縫防水措施上尋求突破。模塊化拼裝法中橫向接頭采用凹凸榫槽或承插形式的企口型接頭，增加了接頭間接觸面，延長了防水路徑，可有效提升防水密封性。同時(shí)，在接頭處使用復(fù)合型遇水膨脹型橡膠條，這種橡膠條在防水過程中，橡膠會(huì)吸水使其自身體積膨脹增大，并與混凝土產(chǎn)生較大的接觸壓力，從而達(dá)到防滲的目的。

2 模塊化拼裝管廊結(jié)構(gòu)型式及防水措施

2.1 模塊化預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)型式

現(xiàn)以某城市綜合管廊工程為例。該項(xiàng)目地下管廊設(shè)計(jì)總長1.73 km，管廊布置在北側(cè)綠化分隔帶內(nèi)，管廊斷面尺寸B×H＝10.4 m×4.8 m 雙倉結(jié)構(gòu)，容納給水管、10～110 kV 電力、110～220 kV 電信及部分中水管。結(jié)構(gòu)防水等級(jí)不低于二級(jí)，主要包括混凝土結(jié)構(gòu)自防水、變形縫、施工縫防水及結(jié)構(gòu)外側(cè)防水涂料、卷材防水；抗?jié)B等級(jí)P8。根據(jù)綜合管廊施工現(xiàn)場的水文地質(zhì)條件及相關(guān)抗?jié)B要求，綜合管廊主體結(jié)構(gòu)選用C30 抗?jié)B混凝土。通過計(jì)算最終確定雙倉預(yù)制管廊形式（如圖3 所示），采用1.65 m+7.1 m+1.65 m=10.4 m 組合。

圖3 方形管廊拼裝示意圖

2.2 模塊化拼裝管廊結(jié)構(gòu)選型

先通過管廊結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，綜合考慮結(jié)構(gòu)整體性和結(jié)構(gòu)受力性能，選擇力學(xué)性能最優(yōu)的分塊方式，將管廊分片拼裝組合，然后研究上下管片接縫銜接，選擇防水性能最優(yōu)的接縫構(gòu)造形式和連接方式，最后模擬節(jié)段接頭及企口縱橫向拼裝連接。模塊化拼裝管廊采用雙橡膠密封圈密封加雙組份密封膏的柔性接頭型式。設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)自防水層、施工縫防水措施、結(jié)構(gòu)外包防水及預(yù)制拼裝管廊接片連接四個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。如圖4、圖5 所示,構(gòu)件塊與塊橫向之間設(shè)置4 個(gè)手孔通過弧形螺栓連接，節(jié)段間縱向設(shè)置3 個(gè)手孔通過弧形螺栓連接。設(shè)置手孔數(shù)量和位置是在保證構(gòu)件防水、防滲特殊要求的前提下，通過空間受力分析避免應(yīng)力集中優(yōu)化后確定的。

圖4 管廊1∶4 縮尺模型弧形螺栓連接圖（橫向接縫）

圖5 管廊1∶4 縮尺模型弧形螺栓連接圖（縱向接縫）

2.3 模塊化拼裝管廊防水設(shè)計(jì)

2.3.1 結(jié)構(gòu)自防水設(shè)計(jì)

該綜合管廊結(jié)構(gòu)采用WHDF 剛?cè)峤Y(jié)合防水方案。該防水措施是以具有抗裂抗?jié)B（抗?jié)B等級(jí)不低于P12）自防水能力的地下結(jié)構(gòu)混凝土為防水主體，以抗裂防水砂漿為附加外防水層，輔以細(xì)部處理的防水體系。具體做法：20 cmWHDF(防水)砂漿抗裂防水層+ 細(xì)部處理層+ 抗裂防水混凝土底板（側(cè)墻或頂板）+100 cmC15 或C20 細(xì)石混凝土墊層。在防水卷材、防水涂料、塑料防水板、膨潤土防水材料、防水砂漿、金屬防水板等六種防水材料中選一至二種即可，如圖6 所示。

圖6 WHDF 剛?cè)峤Y(jié)合防水作法圖示

2.3.2 結(jié)構(gòu)外包防水措施

保證綜合管廊防水性能，除了要提高混凝土材料的防水能力外，還要對(duì)管廊外包防水材料。外包防水措施使用的材料根據(jù)力學(xué)特性可以分為剛性材料和柔性材料。剛性材料以砂漿和混凝土等為主，柔性材料包括結(jié)構(gòu)表面涂膜和防水卷材等。

該管廊采用混凝土有機(jī)硅防水劑+ 復(fù)合自粘防水卷材的防水構(gòu)造形式。在進(jìn)行管廊施工中，使用有機(jī)硅防水劑和復(fù)合自粘防水卷材，將管廊底板、頂板、側(cè)壁進(jìn)行全方位覆蓋，在結(jié)構(gòu)外層形成一層防水包裹層。注意在施工過程中，在施工有機(jī)硅混凝土防水劑時(shí)，先在管廊鋼筋混凝土外表面涂抹兩遍，待到其深入表面一定深度再進(jìn)行復(fù)合自粘防水卷材的施工；在結(jié)構(gòu)的接縫處要實(shí)施兩層防水卷材，防水卷材的設(shè)置寬度要根據(jù)工程的實(shí)際情況而決定。實(shí)施完卷材的防水程序后，還需要在卷材外鋪設(shè)一層厚泡沫板材，用來作為卷材的保護(hù)層，防止卷材因外力破損導(dǎo)致管廊整體的防水功能受到減弱、破壞。

2.3.3 接頭防水構(gòu)造

該綜合管廊采用柔性的接頭型式,其具有可靠性高、耐久性強(qiáng)、安裝方便與性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)[12]。這種連接的管廊接口內(nèi)層有三元乙丙（EPDM）橡膠密封墊密封，外層有雙組份聚硫密封膏（如圖4 所示）。其中，EPDM 密封墊是主要的防水材料，其防水機(jī)理是利用接觸界面的壓應(yīng)力從而達(dá)到防水目的。同時(shí)，管廊接頭處具有較大的變形能力，在拼縫發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)，依舊保證拼縫的密封性，具有抵抗不均勻沉降、變形、傾斜地基的能力；管廊拼接后呈柔性結(jié)構(gòu)，無需要縱向約束，可滿足縱向上的抗震要求。

2.3.4 密封墊防水試驗(yàn)

彈性密封墊的截面一般為多孔梳形，這種截面形式可以使彈性密封墊具有較大的壓縮性和較高的彈性，該管廊采用了圖7 所示的密封墊截面形式。預(yù)制拼接綜合管廊接頭處是否具有良好的防水性能是首要考慮的問題，而接頭企口內(nèi)層的密封墊又是防水的主要部分，其防水性能是否滿足要求至關(guān)重要。為此，將通過試驗(yàn)來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的接頭防水構(gòu)造的防水性能。

圖7 密封墊尺寸圖

密封墊防水試驗(yàn)采用圖8 所示裝置。該裝置具有以下特點(diǎn)：（1）試驗(yàn)裝置的溝槽尺寸與分塊式預(yù)制管廊接縫密封墊溝槽尺寸一致，用密封墊填充溝槽，形成一個(gè)密封環(huán)境；（2）試驗(yàn)裝置的模擬接縫張開量可用塞尺調(diào)節(jié)和測量（3）試驗(yàn)裝置上配備1 個(gè)壓力表，測量精度大于0.01 MPa。

圖8 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)中，通過緊固直螺栓來控制上下鋼板的間距。根據(jù)實(shí)際管廊接縫的情況，該項(xiàng)試驗(yàn)鋼板間距選取12 mm，而初始水壓則選取0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa 這四種工況，試驗(yàn)過程記錄每種工況下0～30 min 的水壓表讀數(shù)，以及滲水情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示，各個(gè)工況下均未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

圖9 裝置內(nèi)水壓時(shí)程變化圖

分析試驗(yàn)結(jié)果可以得知，隨著初始水壓的增加，初始水壓從0.05 MPa 加到0.2 MPa，30 min 內(nèi)水壓損失不斷上升，30 min 左右曲線已變得很平緩，說明密封墊的抗?jié)B防水能力在減弱，但均處在一個(gè)很小的范圍內(nèi)（2%～5%）；同時(shí)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，混凝土P8抗?jié)B等級(jí)的要求是混凝土在能抵抗1.0 MPa 的靜水壓力而不滲水，在0.02 MPa 初始水壓工況下30 min后，密封墊仍然能維持0.1905 MPa；因此，密封墊的防水性能能夠滿足要求。

3 模塊化預(yù)制管廊經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

預(yù)制拼裝綜合管廊與現(xiàn)澆式綜合管廊具有不同的生產(chǎn)模式，其技術(shù)要點(diǎn)、施工技術(shù)、施工管理與組織等方面均有顯著不同，導(dǎo)致在建設(shè)過程中所發(fā)生的費(fèi)用類型與數(shù)量也有很大的不同[13]。綜合管廊的建設(shè)總成本應(yīng)當(dāng)包括直接建設(shè)成本和間接影響成本兩個(gè)方面。直接建設(shè)成本主要為土建成本，主要包括綜合管廊結(jié)構(gòu)建設(shè)成本和基坑開挖與支護(hù)成本。對(duì)于預(yù)制拼裝綜合管廊，結(jié)構(gòu)建設(shè)可分為部品的工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝施工成本與基坑開挖與支護(hù)成本三個(gè)主要部分。間接成本主要是由于采用預(yù)制拼裝綜合管廊后，相比現(xiàn)澆式綜合管廊所需工期大大減少，工期減少可以對(duì)很多方面產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)效應(yīng)。同時(shí)綜合管廊的修建不可避免地會(huì)帶來城市占道的問題。占道施工會(huì)使交通擁堵、交通延誤、自由度降低。因交通擁堵而產(chǎn)生的成本應(yīng)算到綜合管廊修建的成本效益當(dāng)中，其可分為時(shí)間延誤成本、額外燃油消耗成本、環(huán)境污染物排放及噪聲成本、運(yùn)營成本、綠色施工管理成本和其他成本。

預(yù)制拼裝管廊與現(xiàn)澆管廊防水對(duì)比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）預(yù)制管廊接縫處止水材料成本較現(xiàn)澆管廊接縫低；（2）預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)采用工廠預(yù)制，構(gòu)件尺寸精度高、防水效果好，施工安裝快速高效；（3）現(xiàn)澆管廊結(jié)構(gòu)需現(xiàn)場澆筑混凝土，受人工澆筑、養(yǎng)護(hù)環(huán)境等多種因素影響，施工質(zhì)量不及預(yù)制管廊；（4）現(xiàn)澆混凝土易出現(xiàn)離析滲漏現(xiàn)象從而增加后期維修成本。綜合對(duì)比，綜合管廊采用預(yù)制拼裝相比采用現(xiàn)澆施工，能夠有效節(jié)約項(xiàng)目成本；從綠色環(huán)保效益方面，預(yù)制拼裝綜合管廊施工工法，廢棄物排放少，對(duì)周圍環(huán)境影響小，更符合未來城市的發(fā)展；從社會(huì)效益方面，預(yù)制綜合管廊接縫防水與現(xiàn)澆綜合管廊相比，具有防水性能好，施工操作簡便等優(yōu)點(diǎn),能夠在各種地質(zhì)環(huán)境中廣泛應(yīng)用。

4 結(jié) 語

本文總結(jié)了模塊化拼裝綜合管廊的優(yōu)勢，較為系統(tǒng)地分析和討論了模塊化拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)組合類型、拼接縫和變形縫防水的構(gòu)造措施。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)提出了一套模塊化拼裝綜合管廊防水技術(shù)，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益進(jìn)行了研究。論文所提防水措施經(jīng)已有試驗(yàn)驗(yàn)證是可行的，可供類似工程參考。模塊化綜合管廊接縫防水較現(xiàn)澆綜合管廊接縫防水更經(jīng)濟(jì)，可有效節(jié)約項(xiàng)目成本，同時(shí)可減少現(xiàn)場濕作業(yè)工作量，有助于大幅降低工程施工碳排放。考慮到模塊化管廊組合比較復(fù)雜，縱橫拼接接口、接頭較多（包括與現(xiàn)澆段的銜接），其防水設(shè)計(jì)和施工組織達(dá)到精細(xì)化程度還有待時(shí)日。對(duì)模塊化拼裝綜合管廊接頭組合防水構(gòu)造與優(yōu)化設(shè)計(jì)仍有待進(jìn)一步研究。