地下通道結構變形縫設置的若干思考

謝明

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)

地下通道結構變形縫設置的若干思考

謝明

(上海市政工程設計研究總院(集團)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、減少變形縫道數方向出發,達到降低滲漏水風險點的目的。為此根據地下通道結構特點與混凝土自身特性,針對加大變形縫間距與早期混凝土收縮、季節性溫差的關系進行了分析及有限元模擬計算,并提出加大變形縫間距所需采取的技術措施。經分析研究,在對溫度作用進行分析并采取可靠的技術措施前提下,適當加大變形縫間距技術可行。

地下通道;變形縫;滲漏;防水

0 引言

隨著城市人口與車輛數量的急劇增長,交通越來越成為影響城市發展與人民生活品質提高的重要問題。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節的變形縫滲漏情況更為常見。本文擬從設計角度對變形縫設置問題進行若干思考,以求為提高地下通道工程防水效果提供一定思路。

1 變形縫設置規范要求與現狀問題［1］

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

由于地下通道是斷面較規則的狹長結構,其結構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,地下通道結構一般情況下沒有必要設置專門的沉降縫,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性溫差引起體積變化導致混凝土開裂,現行《混凝土結構設計規范》中規定結構伸縮縫間距見表1。

表1 鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距

規范中同時規定,在采取相關設計與施工措施情況下,伸縮縫間距可適當增大,當間距增大較多時,尚應考慮溫度變化和混凝土收縮對結構的影響。

在上海軟土地區的明挖地下通道設計中,設計人員根據規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,經現場摸排,整個隧道滲漏點12處,10處為變形縫滲漏,占全部滲漏點的83%以上;全長1.6 km的明挖隧道內共設58條變形縫,出現滲漏的變形縫約占變形縫總量的17%左右。經查設計資料,這些變形縫內均采取了差異沉降控制措施(底板榫槽及側墻剪力棒),現場觀測均未見明顯不均勻沉降現象,但滲漏情況呈現夏季減輕、冬季加重的現象,表明變形縫滲漏與結構伸縮、縫寬變化有明顯關系。因此在強調加強現場防水施工操作規范的同時,能否在設計中通過相應措施加長通道變形縫間距、減少變形縫道數,從源頭控制潛在滲漏風險點數量,是需要地下通道設計者認真考慮的問題。

2 加大變形縫間距產生的問題與措施［2-5］

混凝土結構由于其材料特點,具有出早期水化熱產生溫升溫降引起體積變化、使用期隨著季節溫度變化發生脹縮的現象,同時受到來自外部以及內部的各種約束。外部約束如周邊地層對結構表面的約束、先澆圍護結構對內部結構的約束,以及先澆底板對后澆側墻的約束等;內部約束如如厚板承受非均勻受熱或非均勻收縮,大體積混凝土的內表的溫差變形等。混凝土體積變化受到約束制約,即在混凝土內部產生約束拉應力,當約束拉應力大于混凝土抗拉強度,混凝土結構即出現裂縫。

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構早期與使用期的體積變形特性進行分析研究。

2.1 早期混凝土收縮與變形縫間距的關系

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

塑性收縮發生時,混凝土尚未完全凝固,不具有強度和剛度,因此不產生應力。自收縮是混凝土與外界環境不發生水分交換的情況下發生的,包括水泥水化后水化產物體積縮小的化學收縮和水泥水化消耗漿體內部水分而產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,混凝土向外界環境水分散失而導致的隨時間變化的體積減小。自收縮和干燥收縮是混凝土結構體積變化的主要原因。

《鐵路隧道設計規范》中規定,混凝土收縮的影響可用降低溫度的方法計算。對于分段澆筑的鋼筋混凝土結構,在考慮徐變的影響下,其效應相當降低15℃。為此建立雙向四車道標準斷面模型(見圖1),用降溫方式模擬30 m、40 m、50 m、60 m長度結構段收縮應力。模型中底板、側墻加設土層切向彈簧模擬土層約束,同時考慮底板→側墻→頂板的先后施工順序,賦以一定溫差模擬結構間內部約束。為考慮徐變引起的應力松弛影響,當按彈性體計算混凝土構件的溫度應力時,將混凝土彈性模量適當折減。

圖1 雙向四車道標準斷面模型(單位:mm)

經計算,通道頂板縱向應力分布云圖如圖2所示。

圖2 地下通道頂板早期收縮應力云圖(單位:kPa)

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

圖3 變形縫間距-應力曲線(單位:kPa)

本計算結果是圍護不與主體共同受力的通道模型或復合墻結構形式的通道模型。當采用疊合墻結構形式時,由于圍護結構先期施做,大部分收縮變形已完成,將會對內部結構底板、中板、側墻混凝土收縮形成強有力的約束,因此收縮應力將較本計算結果更大。這也是疊合結構較復合結構更易產生收縮裂縫的原因。

2.2 季節性溫差對變形縫間距的關系

早期地下工程設計時認為,露出地面的超靜定結構及覆土小于1 m的洞口段地下通道結構應考慮溫度影響,但地鐵工程通過近年來對營運期間的一些明挖車站觀測發現,即使具有2～3 m的覆土,由于季節溫度變化引起伸縮縫或誘導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外溫度監測,季節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外溫度監測數據。以上資料說明,季節性溫差對變形縫間距的影響也應慎重分析。

圖4 從11月到次年7月隧道內外溫度變化圖

為分析季節性溫差對變形縫間距的影響,建立雙向四車道標準斷面模型,用降溫方式模擬30 m、40 m、50 m、60 m長度結構段收縮應力,以判斷不同變形縫間距在季節溫差影響下內力的變化。模型中底板、側墻考慮土層切向彈簧模擬土層約束。根據上海市月平均氣溫資料,上海地區最熱為7月份,月平均氣溫為27.8℃,最冷月為1月份,月平均氣溫3℃。假定地下通道結構結構完成后初始溫度為25℃,同時考慮通道結構內由于車輛行駛導致內部環境溫度升高,通道結構季節性溫降取20℃計算。為考慮徐變的影響,當按彈性體計算混凝土構件的溫度應力時,可將混凝土的彈性模量適當折減。

經計算表明,在考慮地下通道結構頂板、側墻與底板無溫差的同時降溫情況下,雖各構件縱向應力顯示出與變形縫間距有明顯關系,但量值遠小于早期收縮產生應力。取受地基約束作用明顯的底板縱向應力云圖如圖5所示。

由于季節溫度降低,地下通道結構縱向長度均發生收縮,讀取在地基約束條件下的通道結構收縮量見表2。計算表明季節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,以上應力計算結果是采用軟土地層經驗切向抗力系數的情況下得出,當土層性質不同時,以及通道底板下方設有樁基的情況,由于地下通道外部約束條件不同,季節溫差所產生的通道拉應力也會隨之不同。

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性溫差對地下通道結構分析可知: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力增加,可能導致混凝土裂縫增加;季節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,對混凝土拉應力影響不大。因此為達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措施。

2.3.1 針對早期混凝土收縮所采取的措施

為達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,合理采用補償收縮功能的外加劑,嚴格控制混凝土入模溫度、構件中心溫度與表面溫度差、混凝土降溫速率,改進混凝土振搗工藝,跳倉澆筑,加強混凝土養護與保溫等。

設計可采取的措施主要有以下幾點:

(1)設置后澆帶或膨脹加強帶

圖5 地下通道底板季節溫降應力云圖(單位:kPa)

表2 變形縫間距與結構收縮量關系表

后澆帶是施工期間保留的臨時性變形縫,是針對混凝土初期收縮速率快的特點,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,設計中按30～40 m間距一道后澆帶,在兩個月后采用膨脹混凝土封閉,可降低混凝土結構內的收縮應力。

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

以上措施均在實踐工程中取得過成功。

(2)確定合理構造配筋率,關鍵部位適當加強

根據相關科研試驗表明,配筋對混凝土早期的收及徐變起到一定約束作用,設計過程中根據地下通道的結構形式、地層條件、施工環境與施工工序等因素,對混凝土早期收縮引起的拉應力進行計算,根據計算配置縱向構造鋼筋,對于頂板、側墻、底板相交區域給予加強。

本文算例中,為將通道頂板混凝土早期收縮拉應力引起的裂縫控制在0.2 mm范圍內,經計算需對頂板混凝土配筋見表3。

參照上海市《城市軌道交通設計規范》,頂板單側配筋率不小于0.25%～0.3%,側墻與底板單側配筋率不小于0.2%。鋼筋應按“細、密”的原則布置。對于結構形狀變化、剛度突變及孔洞等部位增加抗裂構造鋼筋。

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度高、性質穩定、成本低廉的特點,但也存在抗拉強度低、抗裂能力差與韌性小等弱點。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,已得到廣泛的應用。

(4)采用合理結構型式

混凝土早期裂縫的產生,需要體積變化與約束兩個前提。當采用復合墻結構型式時,由于外包防水層的存在,相當于在內部結構與地、圍護結構間加設一道緩沖隔離層,可降低混凝土收縮的外部約束,減少內部結構裂縫的產生。

2.3.2 針對季節性溫差所采取的措施

變形縫間距增大時,季節性溫差引起地下通道結構混凝土內出現拉應力,并且變形縫寬度變寬。

針對季節性溫差導致混凝土內出現拉應力值相對較小,結構抗裂設計、施工措施與針對早期混凝土收縮所采取的措施基本一致。

季節溫差引起的變形縫加寬同時對止水帶的施工質量提出更高的要求:施工中選用材質優良的止水帶、確保止水帶的定位與平順、加強止水帶區域混凝土的振搗、保證止水帶接頭焊接質量及加強對已完成止水帶的保護,是變形縫防水成敗的關鍵。

對于季節性溫差引起的變形縫加寬,設計中可采取寬度較小的變形縫。《地下工程防水技術規范》中規定,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施工有一定難度。但在上文的計算中,對于60 m間距的變形縫,如初始寬度取20 mm,冬季時可能張開至32 mm,止水帶承受的壓力變大,增加變形縫滲漏的風險。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計措施。

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力、采用便于維修的內裝可卸止水帶、設置接水盒等,均是設計中可采取的措施。

3 結語

(1)在根據地下通道結構型式、地層條件、施工工序與施工環境等因素進行溫度計算、采取可靠設計措施的前提下,可適當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、施工工藝與施工質量提出更高要求,施工細節是影響到防水效果成敗的關鍵;

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

(4)為提高溫度應力分析的準確性,設計行業需對地下通道內溫度季節變化、通道結構早期混凝土收縮時程、各地層對通道結構側壁切向抗力系數等參數進行觀測、試驗與積累。

［1］ GB 50157-2013,地鐵設計規范［S］.

［2］ 王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，2000.

［3］ 徐榮年.工程結構裂縫控制——步入“王鐵夢法”及詮補［M］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［4］ 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司.城市長大地下道路箱涵結構控裂與淺覆土下頂板防水關鍵技術研究［R］.上海:上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，2013.

［5］ 陳翌，蔡耿.超長地下室結構不設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應力混凝土學術會議論文，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計工作。