明挖法地下裝配式結構接縫防水技術探討

黃明利，楊澤，譚忠盛，王文正

（1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京市政建設集團有限責任公司第三工程處，北京 100176）

一、前言

隨著我國城市化進程的不斷加速，城市用地緊張以及路面交通擁堵等問題越來越突出，大力發展和利用城市地下空間是解決以上問題的有效途徑。與此同時，伴隨著建筑工業化的興起，預制裝配式結構的應用前景也變得越來越好，預制裝配式結構是以預制構件為主要受力構件，經過裝配連接而成的混凝土結構。與傳統的現澆建筑相比，預制裝配式建筑有很多優勢，采用預制裝配式建筑不僅節能、環保，而且工期短、成本低。我國地上裝配式結構已經獲得了飛速的發展，但是地下裝配式結構才剛剛起步。結構接頭是預制裝配式結構的薄弱部位，地上裝配式結構在結構接頭處僅需要解決連接強度的問題；地下裝配式結構在接頭處不僅需要解決連接強度的問題，而且還需要保證接頭處的防水性能。

二、地下裝配式結構的接頭形式

為了解決地下裝配式結構的防水問題，首先需要對現有的裝配式結構接頭形式進行了解，地下裝配式結構宜采用預應力連接、機械連接、焊接連接，榫槽式連接或承插式連接[1]。

預應力連接是對預留的鋼筋或者鋼絲進行預應力張拉，然后再將物件連接起來的連接方式[2]。預應力連接節點耗能較小，并且殘余變形、損傷以及強度損失也較小。預應力連接在施工現場不再使用后澆混凝土，轉而采用新型的預應力筋直接進行構件的拼裝。

機械連接是將接頭部位預留的孔洞或預埋的螺母用螺栓連接，機械連接方便快捷，但是普通的螺栓連接也存在很多問題，如在長期動荷載作用下螺栓容易松動，螺栓孔徑及孔位易出現偏差，螺栓孔的存在會削弱構件截面的力學性能，接頭的維修及更換不便等。 預應力連接和機械連接均不能保證結構的整體穩定性和防水效果。

焊接連接指的是用砂漿或混凝土做保護層將構件接頭部位預埋的鋼板或者型鋼用錨固鐵件焊接，高溫的作用會使鋼材材質變脆，同時焊接過程中產生的殘余應力會使結構發生脆性破壞，這些因素都會影響結構的機械性能；但是焊接連接也有其優點，如無需進行現場濕作業、節省養護時間、縮短工期等。

榫槽式連接能夠有效地提高接頭部位抵抗彎矩的能力，而且這種連接方式變形量小，連接部位整體性能優越（見圖1）。 焊接連接和榫槽式連接雖然整體穩定性和防水效果都能保證，但用這兩種方法連接的接縫處都要用無機材料灌注， 無機材料凝結硬化受溫度限制，在低溫地區不適用，且其黏接強度不高[3]。

承插式連接適用于施工場地條件較差或易發生不均勻沉降的地區，承插式連接的柔性接頭連接一般采用彈性密封橡膠圈和遇水膨脹橡膠圈的組合或復合形式（見圖2）。

三、地下裝配式結構的防水技術

預制裝配式結構在裝配過程中會產生大量的拼裝接縫[4]，這些接縫的存在既影響了結構的整體穩定性，同時也給結構的防水性能帶來了隱患。如果接縫處處理不當，未能在接縫處形成可靠的防水保護層，將有可能導致工程事故。目前，現澆混凝土施工常用的防水材料并不能滿足地下裝配式結構接縫處理的施工要求。

預制裝配式地下建筑的防水技術有預制混凝土箱涵和疊合板式混凝土結構體系兩種[5]。預制混凝土箱涵主要在城市的地下綜合管廊中應用較多；疊合板式混凝土結構體系防水包括外貼防水構造、普通防水構造和局部增強防水構造。

圖1 榫槽式連接（單位：mm）

圖2 承插式連接

（一）預制混凝土箱涵

預制混凝土箱涵是一種箱型構筑物，采用鋼筋混凝土制成，有施工快的特點，非常適合用于地下工程的施工。預制混凝土箱涵的連接方式主要分為帶縱向鎖緊裝置連接和無約束鎖緊裝置連接兩類，相鄰的箱涵間往往采用遇水膨脹橡膠圈或者密封橡膠圈等進行防水處理，如圖3所示。

（二）疊合板式混凝土結構體系

疊合板式混凝土結構體系由疊合墻板和疊合樓板以及現澆混凝土層共同構成。疊合墻板是一種一體化墻體，它是由內外兩層預制板及中間的格構鋼筋安裝完成后再在兩層板之間澆筑混凝土形成的。

圖4所示是疊合墻板接縫的普通防水構造，這種構造方式是先在接縫處放置鋼筋籠，然后再澆筑混凝土一次成型。這種構造的防水效果非常好，疊合墻板接縫的普通防水構造適用于無承壓水地層。

圖3 預制混凝土箱涵

圖5所示為疊合墻板接縫的外貼防水構造，這種構造先是在疊合墻接縫處涂抹防水砂漿，然后再外貼防水卷材。由于預制構件的防水性能優異，可與防水卷材構成一個封閉空間，從而構成第一道防水層，內部預制墻板和中間現澆混凝土層可以構成第二道防水層，接縫處暗柱的存在提高了地下結構整體的防水效果。該結構可用于有地下承壓水并且地質情況良好的地下工程。

圖6所示為疊合墻板接縫的局部增強防水構造。該構造將接縫處設計為防水的薄弱部位，以預制墻板和防水砂漿構成第一道防水層，當接頭處發生相對運動時，防水砂漿會產生破壞，同時形成漏水點，由于在現澆混凝土層接縫處設置有鋼板固定的水平和垂直止水帶，止水帶和現澆混凝土形成了第二道連續防水層，該構造適用于有地下承壓水存在且易產生不均勻沉降的地層。

圖4 普通防水構造[5]

圖5 外貼防水構造[5]

圖6 局部增強防水構造[5]

四、環氧灌漿料的力學特性研究

在分析地下裝配式建筑的接頭形式和防水技術現狀的基礎上，本文提出了應用環氧灌漿料對預制裝配式結構的接頭進行灌封的方法，通過試驗研究環氧灌漿料本身及其黏接混凝土的力學性能，來驗證環氧灌漿料在預制裝配式結構中的適用性。

（一）灌漿料選型研究

環氧灌漿料由注漿材料改性而來，注漿材料可分為非化學漿和化學漿兩大類，由于非化學漿如水泥漿和黏土漿等黏接混凝土后的黏接強度較低，不適合在本項目中應用；而如果采用改性水泥基材料，則有必要進行前期試驗，研究其是否適用于本工程。

水泥基材料造價低廉，可以大大降低工程造價。改性水泥漿主要存在如下缺點： ①水泥漿液容易產生離析，灌注過程中容易產生結塊而堵塞管道；②水泥漿液黏接混凝土的抗剪強度大概為混凝土抗剪強度的1/3，黏接抗剪強度不足；③水泥漿液黏接混凝土的抗拉強度遠小于混凝土的抗拉強度，黏接抗拉強度不足。 所以，水泥漿液不適合應用在本工程中。

化學注漿材料的主要類型和性能如表1所示，由表1可知，水玻璃、丙烯酰胺類、脲醛樹脂類、木質素類、聚氨酯類注漿材料的單軸抗壓強度均可能小于 C50（50 MPa）混凝土的單軸抗壓強度， 因此不宜在本項目中使用，丙烯酸酯鹽類由于其比重為0.94左右，黏度僅為水的2/3， 加入骨料后很容易產生沉淀，不宜進行添加骨料的改性，所以也不適合應用在本項目中，下面對環氧樹脂類漿液進行改良研究。

本試驗中的環氧樹脂基液采用JGN-G型低溫灌注建筑結構膠。由于純環氧樹脂具有收縮大、壓縮彈性模量小、造價高等缺點，因此可通過添加石英粉改良環氧樹脂漿液的配方，并進行物理、力學和可注性試驗，以確定環氧樹脂的最優配方。

通過大量的室內試驗確定了在不同的漿料配比情況下改性環氧樹脂的物理、力學性能。 物理性能指標主要包括： 密度、黏度、固化時間、收縮性、滲透性等； 力學性能指標主要包括： 抗壓強度與彈性模量、混凝土剪切強度、混凝土正拉黏結強度等。

表1 化學注漿材料的主要類型和性能一覽表

（二）試驗介紹

通過設計黏接抗剪試驗和黏接抗拉試驗，研究環氧灌漿料本身及其黏接混凝土在不同石英粉摻量和摻入不同粒徑石英粉時的力學性能，試驗采用的基液為環氧樹脂，摻入的石英粉粒徑分別為16.71 μm、18.49 μm、21 μm、26.26 μm、34.24 μm，環氧樹脂量與石英粉摻量的比值分別為1∶0、1∶0.2、1∶0.3、1∶0.4、1∶0.5、1∶0.6、1∶0.8、1∶1，試驗溫度設置為 13～14℃。

黏接抗剪強度的測定如圖7所示，試驗加載采用力控，加載速度為0.2 kN/s；黏接抗拉強度的測定采用兩塊100 mm×100 mm×100 mm的C50混凝土試塊黏接而成，試驗加載采用位移控制，加載速度為2 mm/min（見圖8）。

同時為研究環氧灌漿料在預制裝配式結構中的適用性，我們以榫槽式接頭為例，設計了榫槽式接頭足尺試驗。足尺試驗加載簡圖如圖 9所示，試驗對榫槽式接頭進行了簡化，試驗試件由分別帶有榫和槽的兩個長方體鋼筋混凝土塊組成，中間榫槽處預留 5 mm 灌注環氧灌漿料。試驗由千斤頂在試件一端施加軸力用于模擬覆土荷載，榫槽處彎矩由與榫槽等距離的兩個大小相等的力來施加，試驗加載采用力控。

圖7 黏接抗剪強度試件圖

（三）試驗結果及分析

圖8 黏接抗拉強度試件圖

圖9 足尺試驗加載簡圖

不同石英粉摻量條件下環氧灌漿料本身的抗壓強度如圖10所示。從圖10可以看出，環氧灌漿料的抗壓強度均能超過C50混凝土的抗壓強度（50 MPa），環氧樹脂量與石英粉摻量的比值為1∶0.6～1∶0.8時，抗壓強度增長緩慢，此時抗壓強度已接近最大值，石英粉摻量不同時，環氧灌漿料本身彈性模量的試驗結果如圖11所示。

由圖11可以看出，環氧灌漿料的彈性模量隨著石英粉添加量的增加先逐漸增加，后逐漸減小，在1∶ 0.5～1∶ 0.7區間接近最大值。石英粉的彈性模量比環氧樹脂的彈性模量大很多，所以在加入石英粉后，能夠很好地提高環氧樹脂的彈性模量。在加入一定量的石英粉填料后，石英粉能與環氧樹脂界面很好地結合，從而抵制了環氧樹脂裂紋的擴展，超過這一范圍，石英粉的作用變小[6]。 石英粉摻量不同時，環氧灌漿料黏接混凝土的抗剪強度如圖12所示。

圖10 石英粉摻量對抗壓強度的影響曲線

圖11石英粉摻量對彈性模量的影響曲線

從圖12可知，當環氧樹脂量與石英粉摻量的比值小于1∶0.5時，抗剪強度隨著石英粉摻量的增加而增大；當比值為1∶0.5時，抗剪強度達到最大值18 MPa，比純環氧樹脂（11.2 MPa）的抗剪強度提高了60.7%；當比值大于1∶0.5時，抗剪強度逐步下降。這是由于石英粉摻量較少時，石英粉顆粒均勻地分布在環氧樹脂的基體中，這時石英粉填料有利于降低膠黏劑體系的收縮作用，從而降低膠黏劑固化過程中的殘余應力[7]，增加石英粉摻量會使得環氧樹脂的抗剪性能提高，但是在石英粉摻量超過一定值時，石英粉填料產生的應力場由于相互交疊作用會導致膠黏劑的黏接性能和抗剪性能下降[8]。當石英粉粒徑不同時，環氧灌漿料黏接混凝土的抗剪強度如圖13所示。

圖12 石英粉摻量對抗剪強度的影響曲線

圖13 不同石英粉粒徑的抗剪強度情況

從圖13可知，隨著石英粉粒徑（D50）的增大，環氧灌漿料粘接混凝土的抗剪強度先逐漸增大，在石英粉粒徑（D50）為21 μm時達到最大值24 MPa，之后逐漸減小。 這是因為當石英粉粒徑（D50）不超過21 μm時， 在環氧灌漿料灌入試件后，隨著石英粉粒徑（D50）的增大，與混凝土接觸的石英粉總面積減小，這使得更多的環氧樹脂可以滲入混凝土內部，增大抗剪強度，同時環氧樹脂本身與混凝土接觸面的增大也會增大抗剪強度。 當石英粉粒徑（D50）超過21 μm時，在環氧灌漿料固化過程中，石英粉出現沉淀， 使得部分環氧灌漿料與混凝土的接觸面失去抗剪強度，從而降低總的抗剪強度。 由此得出石英粉的粒徑（D50）應該在18～25 μm范圍內能起到較好的效果，石英粉摻量不同時，環氧灌漿料黏接混凝土的抗拉強度如表2所示。

從表2數據可以看出，環氧灌漿料黏接混凝土試件受拉時黏接面的抗拉強度遠大于混凝土本身的抗拉強度，試件的破壞起因于混凝土被拉壞；試件抗拉強度的大小取決于混凝土抗拉強度的大小，與石英粉摻量及粒徑關系不大。

老太太重重拍了一下桌子，咬著牙凄聲道：“年喜你從小騙我騙到大，我真后悔寵壞了你，讓你干出這喪盡天良、違背常倫的事，楊家有你這個逆子，簡直敗了祖上的陰功！”

足尺試驗試件普遍的破壞形態如圖14所示，由圖14可以看出，足尺試驗試件破壞不是沿著榫槽破壞，而是沿著鋼筋與混凝土的接觸面，破壞時榫頭上的混凝土被剝離，說明環氧灌漿料用于黏接榫槽式接頭是安全的。

為了得到試件在不同軸力下足尺試驗的抗彎承載力，制定了三個試件破壞依據： 一為接縫一側張開量為3 mm，此時對應的彎矩值為M1； 二為裂縫穩定開展階段末期，此時對應的彎矩值為M2； 三為榫槽處鋼筋應力同時減小，此時對應的彎矩值為M3。三種情況下取彎矩最小值作為此軸力下的抗彎承載力值，不同軸力下抗彎承載力結果如表3所示。

表2 抗拉強度 MPa

圖14 足尺試驗破壞形態

表3 不同軸力下抗彎承載力結果表

五、明挖基坑肥槽預拌流態固化土回填技術

為了提高地下裝配式結構的防水效果，除了改善裝配式接頭的防水性能以外，還可以在地下結構外圍構筑止水帷幕，從源頭上防止地下水對地下結構的侵蝕作用。

預拌流態固化土的抗滲性能優于原位土體，在基坑施工中可以使用由鉆孔灌注樁和預拌流態固化土地下連續墻組成的復合結構，從而改善地下裝配式建筑的防水效果。

同時某些地下工程中的基坑肥槽回填工程具有工作面狹小的特點，如果采用傳統的原位土回填方法，無法使用大型機械作業，也無法將回填土體壓實，對此類工程采用預拌固化土進行回填不失為很好的途徑，預拌固化土密實性好、強度高、流動性強、抗滲性能好、壓縮性低，有利于改善基槽回填的不均勻性等特點。

使用預拌固化土對明挖基坑肥槽進行回填后，可以有效地避免地下水對裝配式結構的侵蝕作用，這對裝配式地下建筑的防水十分有利。

預拌流態固化土由土、水泥、粉煤灰、砂和適量的水拌和而成，拌合后的坍落度為80～200 mm，強度達到0.5～10 MPa，水泥可由固化劑替代，拌合時根據土質和設計要求加入外加劑，當預拌流態固化土所用土料為砂土時，在拌合過程中無需再另外加入砂，如果預拌流態固化土所用土料不是砂土時，在拌合過程中要另外加入砂。預拌固化土的制備和拌和系統如圖15所示。

預拌固化土澆筑設備應符合下列規定： ① 攪拌、澆筑設備的生產能力和設備性能應滿足連續作業要求； ②攪拌設備應具備固化劑、水、土等材料的配料和計量功能；③ 攪拌設備的計量偏差規定見表4。

圖15 預拌固化土的制備和拌和系統

表4 攪拌設備的計量偏差 %

澆注前應將固化劑、外加劑與水先行攪拌成固化劑漿液，混合料應使用專門機械攪拌，攪拌時間不少于2 min，以和易性、流動性滿足要求為準。固化土可采用罐車運輸，采用泵送或溜槽澆筑，固化土攪拌至澆筑完成時間不應超過3 h， 固化土宜采用分層分塊方式進行澆筑，澆筑作業應對稱進行，澆筑高差不宜大于1 m， 首次澆筑不宜超過0.5 m，上層澆筑作業應在下層終凝后進行。

當在大雨或持續小雨天氣進行預拌固化土澆筑施工時，要在預拌固化土澆筑后立即進行覆蓋養護直至填筑體硬化，在養護期間禁止機械和行人通行。在完成頂層澆筑后，應立即在填筑體表面覆蓋塑料薄膜或土工布進行保濕養護， 養護時間至少為7天。圖16為預拌固化土回填施工圖， 預拌固化土與原狀土體相比，抗滲性能較好，可以作為阻水帶，對地下結構的防水十分有利， 圖17為預拌固化土回填12 h后的效果圖。

六、結語

（1）綜合考慮石英粉摻量對環氧灌漿料本身抗壓強度和彈性模量的影響，確定了環氧樹脂量與石英粉摻量的最佳比值為1∶0.5～1∶0.8。因為在此區間內，隨著環氧灌漿料含有的石英粉摻量的增加，其抗壓強度已接近最大值并且增量不大，且在此區間內彈性模量的值都接近最大值。

圖16 預拌固化土回填

圖17 預拌固化土回填效果圖

（2）綜合考慮石英粉摻量對低溫環氧灌漿料黏接混凝土的抗剪強度及工程造價的影響，同時保證榫槽式接頭能充分發揮其作用，確定了環氧樹脂量與石英粉摻量的最佳比值為1∶0.3～1∶0.7。

（3）綜合考慮石英粉粒徑對低溫環氧灌漿料黏接混凝土的抗剪強度的影響，得出石英粉的粒徑（D50）應該在18～25 μm范圍內，此粒徑范圍內能得到較好的效果。

（4）環氧灌漿料黏接混凝土的抗拉強度取決于混凝土的抗拉強度，與環氧灌漿料中石英粉的摻量及粒徑大小關系不大。

（5）足尺試驗表明，用環氧灌漿料黏接榫槽式接頭，接頭處的力學性能有保證，可滿足工程需要。

（6）使用預拌固化土進行地下工程的基槽回填有利于改善基槽回填的不均勻性，同時，預拌固化土的抗滲性能優于原位土體，這對地下建筑的防水十分有利。

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