預制混凝土綜合管廊連接工藝解析

黃國蘇

(廈門市市政工程設計院有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

預制混凝土綜合管廊，在生產質量、文明施工、施工工期、防水效果、社會效益等方面有突出的優勢，在城市綜合管廊工程建設中受到越來越多的關注和應用。

根據住房和城鄉建設部建質函〔2016〕89號文“關于印發《2016年國家建筑標準設計編制工作計劃》的通知”要求，由廈門市市政工程設計院有限公司、中國建筑標準設計研究院有限公司，同有關單位新編國家建筑標準設計圖集《預制混凝土綜合管廊》[1](圖集編號18GL204，已于2018年7月1日實施)。以期促進預制混凝土綜合管廊設計、施工的規范化程度，進一步推動預制混凝土綜合管廊技術的實踐和發展。本文擬介紹國標圖集《預制混凝土綜合管廊》中納入的當前國內應用較為廣泛、效果較好的幾種預制管廊連接工藝。

1 預制管廊切分形式

預制混凝土綜合管廊的切分形式，由綜合管廊的斷面尺寸、入廊管線類型、預制場地條件、模具設備類型、吊裝及運輸設備、施工工藝等條件綜合確定。

預制管廊的切分形式主要有：僅縱向切片、縱橫向切片、其他(如盾構管片等)，國標圖集《預制混凝土綜合管廊》中納入僅縱向切片的形式。預制管件切分得越小，雖然在制作、吊裝和運輸等方面有利，但增加的拼縫，對預制管廊的結構受力、防水效果、耐久性等方面帶來不利的影響。因此，預制管件的尺寸及重量，在滿足生產、吊裝、運輸能力的情況下，盡量減少預制管件的拼縫。

2 柔性承插式接頭

(1)柔性承插接頭

采用承插式連接、雙膠圈密封實現預制節段拼裝的接頭型式。拼裝方便、快捷，接縫的密封性能好，接頭對位移或轉角具有一定的適應性，如圖1所示。

圖1 插口工作面雙膠圈接頭

(2)約束方式

柔性承插接頭，僅采用承插接頭約束，沒有附加其他約束措施，可適應相鄰管節一定范圍內的相對位移和轉角。

(3)密封型式

采用插口工作面雙膠圈的型式，兩道膠圈均位于插口工作面上，實現防水雙保險；并配合設置在兩道膠圈之間的檢測孔，實現施工安裝過程中的可檢驗性，保障每個接頭的橡膠圈均正確安裝，接頭具有可靠的密封性。運營階段因過大的不均勻沉降導致接頭漏水時，利用檢測孔注入密封材料，密封材料固化后形成二次柔性防水，作為接頭的防水補救措施，如表1所示。

表1 柔性承插式接頭密封型式

(4)密封圈形狀及材料

密封圈形狀宜采用楔形，楔形橡膠圈的底邊緊貼插口工作面，楔形膠圈與插口工作面的接觸面積大于與承口的接觸面積，并配合潤滑膏等措施，保證承插安裝時膠圈不偏移。通過控制承插口兩個端面的間隙達到預設寬度，即表示安裝到位。密封圈的材料推薦采用彈性橡膠，彈性橡膠圈耐久性較好，且彈性橡膠的硬度較大，可以避免橡膠圈在安裝的過程中出現翻轉和偏移的現象。

(5)工作面構造設計

采用插口工作面雙膠圈的接頭，承插口工作面宜設計雙臺階及小角度坡面，可加大承口端部內緣和插口端部外緣之間的間隙，有利于承插安裝時對準，提高安裝效率。工作面雙臺階構造，兩道膠圈分別置于兩個臺階，利于控制兩道膠圈的位置和間距。

工作面宜設置不大于4°的小角度坡面[2]，如圖2所示，有利于在承插安裝過程中壓縮彈性橡膠圈至預設壓縮率。插口工作面雙膠圈采用的彈性橡膠(氯丁橡膠或三元乙丙橡膠)硬度均較大(45°～65°)，在同樣的頂推力作用下，小角度的坡面構造有利于提供更大的擠壓力，利于安裝就位。

工作面設置小角度坡面，有利于降低膠圈壓縮率與位移和轉角的敏感性。圖2、圖3分別表示工作面坡度為4°和工作面坡度為10°的接頭。假設同時發生50mm位移，坡度為4°工作面間隙，由預設的20mm變化為23mm；坡度為10°工作面間隙，由預設20mm變化為29mm。由此可見，工作面角度越小，位移對膠圈壓縮率的影響越小，如圖3所示。

圖2 工作面坡度為4°

圖3 工作面坡度為10°

工作面預設間隙、接頭長度由設計確定。工作面預設間隙一般為20mm，預設間隙的大小與管廊尺寸有關，如果管廊的尺寸越大，接頭的尺寸公差也越大，需要選擇大的工作面間隙和大的膠圈斷面。承插口接頭長度由膠圈寬度、膠圈間距、端面預設間隙確定，一般為150mm～200mm，如圖4所示。

圖4 插口工作面雙膠圈接頭細部尺寸

柔性承插接頭按環向形狀分為Ⅰ型、Ⅱ型。

Ⅰ型接頭為矩形，僅在4個角做圓弧倒角。這種接頭的模具制作比較簡單，但膠圈套上插口工作面后，底邊膠圈在重力作用下會出現下垂現象，膠圈伸長率出現不均勻，一般會采用膠把底邊的膠圈粘在工作面上。

Ⅱ型接頭為弧形接頭，由4段大圓弧配合4段圓弧倒角組成，弧形的接頭構造可增加膠圈與插口工作面的徑向抱箍力，膠圈與工作面緊密貼合，提高接頭的防水效果和適應變形能力。

3 縱向鎖緊承插式接頭

(1)縱向鎖緊承插式接頭

采用機械緊固、雙膠圈密封實現預制管廊拼裝的接頭型式。管廊節段之間采用承插式接頭，利用連接鋼筋實現縱向連接并鎖緊，如圖5～圖6所示。

圖5 端面雙膠圈接頭

圖6 插口工作面+端面雙膠圈接頭

(2)約束方式

縱向鎖緊承插式接頭采用承插接頭約束，并輔以縱向機械緊固措施。與柔性承插接頭相比，增加了縱向的鎖緊措施，限制管節之間縱向的相對位移，由柔性變成了剛性。

(3)密封型式

采用雙膠圈防水，按密封圈位置分為“端面雙膠圈”和“插口工作面+端面雙膠圈”。端面雙膠圈的兩道膠圈，分別在內外兩個端面，插口工作面+端面雙膠圈的兩道膠圈，一道位于插口工作面上，另一道位于內側的端面上，如表2所示。

表2 縱向鎖緊承插式接頭密封型式

(4)密封圈形狀及材料

插口工作面上密封圈的要求同柔性承插接頭。端面上密封圈的材料，一般采用矩形或梯形的遇水膨脹橡膠，或丁基膩子橡膠。由于端面發生相對位移將直接造成壓縮率損失，因此，端面密封圈安需有較高的壓縮率，理論壓縮率一般取50%～60%。高壓縮率可確保在出現一定程度的相對位移后，仍有一定的富余壓縮率保證密封圈的密封性。對于端面密封圈，需配合縱向鎖緊措施，限制管節之間的相對位移，保證密封圈的壓縮率。

鑒于端面密封圈高壓縮率的需要，宜選擇硬度較小的材料，一般選擇遇水膨脹橡膠密封圈，或丁基膩子橡膠復合密封圈。如果在變形過大、壓縮率損失的情況下，這兩種材料都有彌補的可能；一個是通過遇水膨脹來彌補，另一個是通過具有粘性的膩子與混凝土進行滲透咬合，保持密封效果。

在選擇遇水膨脹橡膠時，建議選用低體積膨脹率的材料。端面密封圈產生的密封效果，主要以彈性壓縮為主，遇水膨脹僅作為補充，所以建議選擇低體積膨脹率的膠圈，如PZ-150、PZ-250的遇水膨脹橡膠[5]。另外，高體積膨脹率的膠條，在反復浸水之后的物理性能指標下降明顯，不利于膠條的耐久性。

(5)工作面構造設計

為了控制密封圈的位置，一般需在承口端面設置密封圈槽。工作面上設有密封圈的，需在工作面上設置單臺階構造，利于控制密封圈的位置。

承插口工作面宜設置約4°～6°的坡面[2]，可選擇比柔性承插口要求更大的坡面角度。一方面，拼裝時縱向鎖緊措施可提供足夠大的頂推力，另一方面，鎖緊措施限制了遠期節段間的相對位移。

(6)縱向鎖緊措施

一般采用兩種型式：鋼絞線(配套錨具錨固)、鋼棒(配套高強螺母錨固)。縱向鎖緊鋼筋的規格和數量，根據所需的鎖緊力計算確定。每個預制節段均設置連接箱，連接箱尺寸根據縱向鎖緊鋼筋的種類，按張拉設備的尺寸和操作空間確定。為了保證操作空間，一般連接箱的縱向長度不小于400mm。

4 膠接預應力接頭

(1)膠接預應力接頭

采用結構膠粘劑和預應力實現預制節段拼裝的接頭型式，節段拼裝后整體性好、剛度大，如圖7所示。

圖7 膠接預應力接頭

(2)約束方式

膠接預應力接頭為剛性接頭，相鄰預制節段之間，設置剪力鍵、剪力槽，工廠匹配預制，拼裝時匹配面之間涂結構膠，并施加縱向預應力形成剛性整體。

(3)密封型式

采用匹配預制實現拼接面完全匹配，并進行全斷面均勻涂抹結構膠粘劑，拼縫實現完全封閉。該密封型式，采用耐久性能好的結構用膠粘劑，一般用于預應力混凝土橋梁預制節段拼裝的結構膠粘劑均能滿足100年設計使用年限的要求，保障了拼縫的耐久性能。

(4)匹配面構造設計

匹配面應設置剪力鍵、剪力槽，便于拼裝時對齊匹配，同時滿足匹配面抗剪受力的構造要求。剪力鍵可參考《裝配式混凝土結構技術規程》[4]第6.5.6條進行設計。匹配面構造設計相對于柔性承插式接頭、縱向鎖緊承插式接頭的構造更為簡單，且采用匹配預制工藝對模具及制作的難度要求較低，預制效率較高。

(5)拼裝施工流程

預制節段拼裝的一般拼裝流程如下：首節就位→下節段試拼→匹配面涂膠→張拉臨時預應力→逐段拼裝至相鄰變形縫→張拉永久預應力→拆除臨時預應力→底板壓漿→施工變形縫濕澆段→拼裝完成。

5 接頭閉水試驗

圖集推薦的承插式接頭均設有兩道密封圈，并在其間預留檢測孔。檢測孔在管廊內壁設置不宜少于4個，布置于上下左右內壁中點處。安裝期間，使用上下兩個檢測孔，即可滿足密封性檢驗的需要；位于左右兩側的預留孔，便于后期補救防水使用；可分段打入密封漿液或排除積水及空氣，保證補救防水的效果。

膠接預應力接頭的閉水試驗，應設置試驗段檢測膠接縫的密封性，可參照《給水排水管道工程施工及驗收規范》[3]的有關規定進行預制管廊的嚴密性試驗。

6 結語

本文介紹的柔性承插式接頭、縱向鎖緊承插式接頭、膠接預應力接頭，是目前國內應用較多、效果較好的預制混凝土綜合管廊連接工藝。預制管廊的接頭型式直接影響制作難度、施工工期、運營效果、耐久性能、工程造價等方面，歸納出如下結論為預制綜合管廊工程提供參考。

(1)制作難度。預制管廊制作的主要難度，在于模具制作及精度的控制。由于柔性承插接頭的接頭構造復雜，且承口和插口的預制精度需要在較小的公差范圍內，模具的精度和剛度要求最高。縱向鎖緊承插式接頭，由于端面橡膠圈加入，降低了模具的制作難度。膠接預應力接頭采用匹配預制，模具構造最簡單，制作難度最低。

(2)施工工期。采用柔性承插接頭的預制管廊拼裝時，僅需實施承插安裝，接頭密封進行檢測通過后即安裝成功，安裝效率最高。縱向鎖緊承插式接頭僅比柔性承插接頭增加實施鎖緊措施，但安裝效率相對較高。膠接預應力接頭雖然制作難度較小，但現場安裝工序較復雜，對施工控制要求較高，比其他兩種連接工藝工期長，但比現澆施工可節約近一倍的施工工期。

(3)運營效果。柔性承插接頭對不均勻沉降有較好的適應能力，接頭產生一定變形后仍能保證不漏水。縱向鎖緊承插接頭及膠接預應力接頭均為剛性接頭，需分段設置變形縫適應不均勻沉降，以適應地基變形。因此，采用縱向鎖緊承插接頭或膠接預應力接頭，應注意變形縫的施工質量，避免成為防水薄弱點。

(4)耐久性能。柔性承插接頭和縱向鎖緊，采用橡膠密封圈，密封圈橡膠材料的選擇及產品質量直接影響接頭的耐久性。膠接預應力接頭，采用結構膠及預應力實現節段拼接，耐久性能好。

(5)工程造價。預制管廊工程造價的主要影響因素，有模具及制作、運輸、吊裝等。國標圖集《預制混凝土綜合管廊》對預制管廊的尺寸進行模數化的規范，有利于降低預制生產成本，將推動預制管廊的規模化和標準化發展，提高我國綜合管廊建設水平。