綜合管廊變形縫綜合防滲技術(shù)的研究及工程應(yīng)用

張劍峰，陳世偉，狄昊，程鎧，周紫晨

（1.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢 430000；2.中國一冶集團有限公司天津分公司，天津 300300）

我國建設(shè)管廊大多采用明挖法施工，管廊主體多為現(xiàn)澆混凝土[1]。考慮現(xiàn)澆混凝土干縮、內(nèi)外溫度不同導(dǎo)致的拉裂縫的特點以及協(xié)調(diào)地基變形（由于地基土質(zhì)不均），必須在間隔一定的長度設(shè)置變形縫以協(xié)調(diào)變形[2]，減少混凝土的開裂。而管廊屬于地下工程，其防水等級為二級，不允許出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)滲漏水，將會直接影響管廊的安全運營，造成嚴(yán)重的影響。主體結(jié)構(gòu)可以依靠結(jié)構(gòu)自防水和防水卷材進行雙重防水，而變形縫處只能完全依靠防水材料進行防水[3-4]。

變形縫內(nèi)設(shè)置鋼邊橡膠止水帶、外側(cè)外包防水卷材進行防水處理[5-6]。而因為操作工不熟練、施工管理人員監(jiān)管不到位、混凝土質(zhì)量不達標(biāo)、混凝土振搗不密實、鋼邊橡膠止水帶在施工過程中出現(xiàn)偏移等原因?qū)е伦冃慰p處十縫九漏。

本文依托天津市北辰東道綜合管廊建設(shè)項目，通過實驗室研究、方案設(shè)計與工程應(yīng)用相結(jié)合的方式，探討更為理想的管廊變形縫防水方法，以改善變形縫處目前存在的漏水難題。

1 工程概況

本項目位于天津市北辰區(qū)北辰東道，綜合管廊西起辰環(huán)路，東至津圍公路，主線全長約4.72 km，采用三艙斷面，分別為電力艙、綜合艙及熱力艙，電力艙凈尺寸為B×H=2.6 m×3.3 m，綜合艙凈尺寸為B×H=3.6 m×3.3 m，熱力艙凈尺寸為B×H=5.2 m×3.3 m，采用三孔鋼筋混凝土閉合框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)混凝土的抗?jié)B等級為P8，地下管廊防水等級為二級。綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段每隔30 m設(shè)置1道30 mm變形縫。在管廊結(jié)構(gòu)迎水面變形縫外側(cè)設(shè)外貼式橡膠止水帶。結(jié)構(gòu)中部設(shè)中埋式鋼邊橡膠止水帶，再加上該部位鋼筋密集、預(yù)埋件繁多，此處施工工序復(fù)雜，難度大，防水要求高。因此應(yīng)該重點研究變形縫處的防水性能、質(zhì)量控制措施及施工技術(shù)。

本研究的內(nèi)容主要包括抗裂防水混凝土的研制、新型鋼邊橡膠止水帶的設(shè)計與應(yīng)用、變形縫施工質(zhì)量控制等，并且結(jié)合具體工程進行了示范應(yīng)用，取得了良好的使用效果。

2 試驗與設(shè)計

2.1 原材料

水泥：唐山燈塔P·O42.5水泥，28 d抗折、抗壓強度分別為7.5、45.4 MPa；粉煤灰：楊柳青熱電廠Ⅱ級灰，氯離子含量為0.024%，堿含量為0.54%，燒失量為5.72%，45 μm篩篩余17.1%；礦粉：堿含量0.52%，氯離子含量0.24%，28 d活性指數(shù)98%；硫酸鈣晶須：密度2.69 g/cm3，抗張強度20.5 GPa，抗張模量178 GPa，直徑4～10 μm，長度50～200 μm；粗骨料：4.75~26.5 mm連續(xù)級配的遵化碎石，含泥量0.8%，泥塊含量0.2%，堿-集料反應(yīng)膨脹率0.06%；細(xì)骨料：遵化河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量2.4%，泥塊含量0.9%，氯離子含量0.01%，堿-硅酸反應(yīng)膨脹率0.05%；聚羧酸高性能減水劑：天津君合，JH-1型，氯離子含量0.07%，堿含量6.43 kg/m3，密度1.037 g/cm3，pH值5.61；碎石、河砂的顆粒級配曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 碎石的顆粒級配曲線

圖2 河砂的顆粒級配曲線

2.2 試驗方法

（1）根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》設(shè)計混凝土的基礎(chǔ)配合比，通過試驗結(jié)果對基礎(chǔ)配合比進行調(diào)整得到試驗配合比，得到防滲等級為P8的C40混凝土，初始坍落度為（200±20）mm。。

（2）力學(xué)性能：按照GB/T 50081—2019《混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對試件成型、養(yǎng)護及性能進行測試。

（3）工作性能：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，測試其坍落度和擴展度來表征混凝土的工作性能。

（4）耐久性能：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試其抗碳化性能、抗氯離子滲透性能；按照CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》測試其塑性收縮開裂性能。

2.3 設(shè)計過程

2.3.1 混凝土配合比設(shè)計

依據(jù)試驗結(jié)果進行調(diào)整后，確定混凝土配合比見表1。

表1 混凝土試驗配合比 kg/m3

2.3.2 鋼邊橡膠止水帶設(shè)計

分析認(rèn)為，舊式鋼邊橡膠止水帶防水效果不佳的主要原因有：（1）止水帶寬幅一般在350 mm左右，尺寸偏小，鋼邊與混凝土的結(jié)合面積偏小，防水通道偏短。（2）鍍鋅鋼邊表面光滑，與混凝土的結(jié)合能偏小，止水定的固定能力弱。（3）止水帶橡膠部分變形能力弱，容易被撕裂。（4）安裝不規(guī)范，施工隨意性大。

針對以上實際存在的原因，經(jīng)過充分的論證與優(yōu)化設(shè)計，新型防移位鋼邊橡膠止水帶設(shè)計為如下樣式：（1）寬度約400 mm，中間橡膠部分寬度約260 mm，中間最大厚度約40 mm，變形部分采用內(nèi)圓外方的形式，便于安裝定位且有利于提升變形性能與抗撕裂性能。（2）橡膠部分兩邊分設(shè)數(shù)道約3 mm×3 mm的凸條以增加橡膠與混凝土的結(jié)合強度。（3）鋼邊等距開孔，孔徑15~20 mm，所開圓孔用于安裝時與管廊結(jié)構(gòu)鋼筋連接，并且可以作為止水帶下部混凝土是否振搗密實的觀察孔，更為重要的是通過圓孔硬化后的混凝土相當(dāng)于鉚釘，將止水帶緊緊地固定，避免了止水帶的移位和拔出。（4）采用變形性能更強的熟膠，以提升抗撕裂性能。新舊2種鋼邊橡膠止水帶實物如圖3、圖4所示。

圖3 舊式止水帶局部

圖4 新型鋼邊橡膠止水帶

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 膠材體系對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響（見表2）

表2 膠材體系對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響

由表2可以看出：（1）按照強度富余系數(shù)1.15計算，YY-04與YY-05的28 d抗壓強度已不符合設(shè)計要求，其中YY-05的28 d抗壓強度為37.6 MPa，已低于設(shè)計強度40 MPa，說明過多的礦物摻合料嚴(yán)重影響了混凝土的強度，實際工程不宜采用。（2）與YY-01相比，YY-02增多了粉煤灰用量，減少了礦粉用量，其7 d抗壓強度略低，28 d抗壓強度略高，坍落度略高；與YY-02相比，YY-03進一步減少了20 kg/m3水泥，兩者28 d抗壓強度基本持平，表現(xiàn)出較好的后期強度發(fā)展能力。（3）通過對比，適當(dāng)減少水泥用量，適當(dāng)增加粉煤灰用量，不會降低混凝土的28 d抗壓強度，同時水泥用量的減少和粉煤灰用量的增加有利于降低混凝土的水化熱，提升其抗裂性能，故此次對比試驗優(yōu)選的配合比為YY-03。

3.2 砂率對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響（見表3）

表3 砂率對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響

由表3可以看出：（1）隨著砂率從42%降至38%，混凝土的坍落度和28 d抗壓強度均出現(xiàn)先提升后降低的趨勢，其中以40%砂率的YY-07坍落度和28 d抗壓強度最高，分別為200 mm、49.9 MPa。（2）YY-03、YY-06、YY-07的坍落度和各齡期抗壓強度均滿足設(shè)計要求。但過高的砂率導(dǎo)致混凝土收縮率變大，在滿足設(shè)計要求的前提下，優(yōu)先選取較小的砂率，故此次對比試驗優(yōu)選的配合比為YY-07。

3.3 混凝土耐久性

根據(jù)試驗結(jié)果，最終確定用于施工的優(yōu)化配合比為YY-07，對該配比進行電通量、抗碳化、早期塑性收縮開裂試驗，結(jié)果如表4所示。綜合可知，該混凝土抗碳化、抗氯離子滲透、抗塑性收縮開裂性能優(yōu)異，具有良好的耐久性。

表4 優(yōu)化配合比YY-07混凝土的耐久性能

4 工程應(yīng)用

經(jīng)過水泥混凝土的實驗室研究，并且按照設(shè)計要求加工了新型鋼邊橡膠止水帶后，在天津北辰管廊項目進行了實際使用。按照設(shè)計方案，分別對止水帶的安裝質(zhì)量和混凝土的施工質(zhì)量進行了現(xiàn)場指導(dǎo)與控制。

止水帶安裝質(zhì)量控制重點為：（1）止水帶呈15°~20°的V字型與變形縫對中布置，模板固定在中間凸起方形部位；（2）鋼筋彎鉤鉤住鋼邊開孔后與結(jié)構(gòu)筋焊接，將止水帶與鋼筋網(wǎng)連成整體，焊接間距約500 mm；（3）止水帶在轉(zhuǎn)角處應(yīng)按≥200 mm的圓弧半徑轉(zhuǎn)彎，并保持止水帶平整。

按照優(yōu)選配合比進行混凝土拌制后運輸至施工現(xiàn)場進行了試驗段的澆筑，測得的混凝土坍落度為200 mm，7、28 d抗壓強度分別為38.4、49.2 MPa，完全滿足設(shè)計強度要求。變形縫處混凝土的澆筑控制重點為：（1）沿變形縫橫向澆筑，優(yōu)先保證伸變形處混凝土澆筑的連續(xù)性。（2）先澆筑止水帶下半部分，澆筑厚度約300mm，在距離止水帶邊距約200 mm處進行振搗，直至鋼邊孔全部冒漿為止。（3）然后澆筑上半部分混凝土，振搗時振動棒要插入下層混凝土0~100 mm，以混凝土不再沉落、不出現(xiàn)氣泡為止。如圖5～圖7所示。

圖5 止水帶安裝效果好

圖6 振搗密實圓孔冒漿

圖7 止水帶居中效果好

止水帶安裝完后90 d左右，管廊主體施工完畢且泥土回填，在經(jīng)歷約7 d的暴雨后對新、舊鋼邊橡膠止水帶安裝的管廊變形縫的防水效果進行了檢查，如圖8、圖9所示。

圖8 舊體系變形縫處滲水嚴(yán)重

圖9 新體系變形縫處未滲水

從圖8、圖9可以看出：采用優(yōu)選混凝土、新型鋼邊橡膠止水帶且進行規(guī)范操作的變形縫處沒有漏水，防滲效果良好，綜合防滲體系明顯提高了綜合管廊變形縫處的抗?jié)B性能。

5 結(jié)論

（1）本研究混凝土的最佳配合比為m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（礦粉）∶m（水）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（晶須）∶m（減水劑）=1∶0.2∶0.1∶0.54∶2.41∶3.62∶0.02∶0.026。試驗室檢測與現(xiàn)場留樣檢測的結(jié)果表明，該配合比的混凝土具有良好的泵送施工性能，較高的早期強度和較大的長期強度發(fā)展；同時，其抗氯離子滲透性、抗碳化性能優(yōu)異，抗塑形收縮開裂性能良好。

（2）新型鋼邊橡膠止水帶設(shè)計極為合理，鋼邊圓孔既保證了安裝和使用過程中止水帶的位置固定，同時也保證了止水帶下部混凝土的充分密實，從而堵塞了下部滲水通道，確保變形縫處防水性能。

（3）本研究的綜合體系基本解決了變形縫處滲水頻繁、嚴(yán)重的行業(yè)難題，達到了基本不漏水的目標(biāo)，為后續(xù)類似項目提供了切實可靠的操作方法，具有十分重要的工程應(yīng)用實踐意義。同時，減少變形縫處漏水，也進一步大幅減少了綜合管廊的維護成本和運營成本，在示范工程中的應(yīng)用表現(xiàn)出了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。