基于模塊化拼裝綜合管廊防水技術研究

李 鵬，楊志遠，楊建華，李 亮

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

0 引 言

綜合管廊是在城市規劃預留的地下建造一個管線隧道空間，將給排水、供熱、電力、通信、燃氣等各類管線集于一體，設置有專項檢修口、吊裝口，以及系統監測設施[1]。以預制件為主體的管廊結構，不僅降低了成品材料消耗，整體結構受力合理、抗腐蝕能力和使用壽命也顯著提高；而且預制件的生產可實現標準化、工廠化，現場拼裝可大大提高施工的效率，建設成本可得到有效降低。預制管廊工廠化生產能夠保證結構尺寸精度，同時也可以提高城市綜合管廊安裝中的施工質量；這種施工方式無需周轉施工設備，也不會占用大片場地堆料，施工周期明顯減少并且可控，從而達到減少建設成本的目的。但由于預制綜合管廊是拼裝構件，存在諸多接頭和接縫，其防水技術一直是阻礙預制綜合管廊發展的重要難題[2]。因此，綜合管廊在設計建造時，必須從實際出發，優化結構組合骨架，充分綜合考慮其結構體系防水、防滲問題。這對減少綜合管廊的運營成本、延長使用壽命具有重要的意義。國內外諸多學者對綜合管廊特別是預制拼裝綜合管廊的標準化建設、建成后運營和防水等開展了一些研究工作[3-5]。李輝[6]對管廊不同部分防水技術及施工方法進行了總結，認為按照其設計標準和結構要求選用管廊防水材料時，還應當綜合考慮材料的耐腐蝕性和耐水壓，以及抗滲性；嚴林[7]通過研究預制綜合管廊采用多道防水的結構設計,總結了管廊接頭的防水密封與后期的維護防水密封的技術方案,具有較大的工程應用價值。

巴黎已建成了長達2 100 km 的地下綜合管廊系統,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，是目前世界上建設速度較快，法規較完善,技術較先進的國家[9]；前蘇聯在列寧格勒與基輔市的重建過程中,首次使用了預制拼裝技術現場裝配綜合管廊,這一技術的出現,對世界城市地下管廊建設具有深遠的影響。國內自二十世紀五十年代開始就著手對裝配式綜合管廊進行了研究。但由于裝配式管廊接口處密封性能較差,漏水、滲水現象時有發生等原因,預制拼裝綜合管廊的建設在比較長的一段時間內發展幾乎停滯。預制拼裝管廊接頭防水密封性能已成為制約綜合管廊建設和發展的一個重要因素之一。故如何提高預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滲漏現象,已成為當前需要克服的重要難題[10]。

現基于矩形模塊化預制拼裝管廊結構組合分析，探究預制管廊多種拼接縫和變形縫等防水措施，對管廊組合結構、防水材料、防水措施、防水性能進行了重點分析，總結得到合理有效的防水成套技術，并分析其經濟效益，以期在預制拼裝管廊的防水難題和經濟效益上有所突破，并為地鐵管片及管廊模塊化拼裝在工程建設上的推廣應用提供參考。

1 預制拼裝管廊結構型式和防水模式

1.1 普通預制管廊結構型式

綜合管廊主體工程采用C30 抗滲混凝土，其抗滲等級主要依據地下水位情況、結構抗滲要求來確定。一般來說，預制拼裝綜合管廊防水等級通常都采用二級防水標準，若有高壓電纜、通訊傳輸線路、弱電線路等重要線路進入管廊則應該將防水等級設為一級。目前,綜合管廊的施工方法主要為現澆法和預制拼裝法。其中，預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，通過模數化的預制底板、預制頂板、預制外墻、預制U 型板等自由組合，通過后澆段、現澆帶及臺階式連接方式，以快速適應綜合管廊各種斷面尺寸，同時采用自動控制蒸汽養護措施，可以有效保證管廊組合節段預制質量。預制管廊拼裝節段采用柔性承插口代替傳統剛性承插口，企口連接處設置遇水膨脹橡膠圈和彈性橡膠密封圈。這樣可較好地適應構件地基沉降等影響。

圖1 方形管廊拼裝組合示意圖

預制拼裝綜合管廊的型式多種多樣，孫蓓[11]等對管廊連接節點的應力分布進行了分析，得出結論：“當接口節點采用雙橡膠圈時，應力集中現象不明顯，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,且在軟土基礎中管廊結構的穩定性有更充分的保證”。依據預制管廊模塊化組合空間單元分析、模塊組合計算、拼裝后的防水措施等綜合因素，確定預制管廊單元組合，綜合考慮節點受力分析、拼裝工藝、接縫防水及施工方便等要求，最終確定最實用、最經濟的拼裝形式為圖2 所示。

圖2 不同組合優化后計算模型簡圖

1.2 預制管廊防水設計

綜合管廊主體工程防水施工技術根據建筑材料特性分為涂料式防水和卷材防水兩種方式，通過構建內部、外部防水體系達到防水效果。其中，重點是橫向的沉降縫、縱向的水平施工縫，以及垂直施工縫是最主要的結構接縫，也是綜合管廊防水核心。管廊構件現澆法主要采用預埋止水帶密封條加填充瀝青棉絮，以及外涮瀝青等措施進行防水密封處理。即是：管廊按照規范要求節段設置沉降縫，相鄰兩節采用預埋橋式橡膠止水帶連接,沉降縫內用瀝青麻絮填充, 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。預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、施工安裝方便，以及防水性價比高等諸多優點。其中，雙層橡膠圈模式在縱向上缺乏彈性活動空間，在發生沉降變形時容易產生輕微錯位，致使兩節段間出現孔隙，導致漏水。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兩種防水方法優缺點，在綜合拼裝的組合結構、防水材料及連接方式的基礎上進一步提升結構的防水性能。現通過模塊化結構優化，并參照地鐵管片錯縫拼裝做法，在全斷面結構拼接縫、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，在接頭處使用復合型遇水膨脹型橡膠條，這種橡膠條在防水過程中，橡膠會吸水使其自身體積膨脹增大，并與混凝土產生較大的接觸壓力，從而達到防滲的目的。

2 模塊化拼裝管廊結構型式及防水措施

2.1 模塊化預制管廊結構型式

現以某城市綜合管廊工程為例。該項目地下管廊設計總長1.73 km，管廊布置在北側綠化分隔帶內，管廊斷面尺寸B×H＝10.4 m×4.8 m 雙倉結構，容納給水管、10～110 kV 電力、110～220 kV 電信及部分中水管。結構防水等級不低于二級，主要包括混凝土結構自防水、變形縫、施工縫防水及結構外側防水涂料、卷材防水；抗滲等級P8。根據綜合管廊施工現場的水文地質條件及相關抗滲要求，綜合管廊主體結構選用C30 抗滲混凝土。通過計算最終確定雙倉預制管廊形式（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 模塊化拼裝管廊結構選型

先通過管廊結構分析計算，綜合考慮結構整體性和結構受力性能，選擇力學性能最優的分塊方式，將管廊分片拼裝組合，然后研究上下管片接縫銜接，選擇防水性能最優的接縫構造形式和連接方式，最后模擬節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。設計從結構自防水層、施工縫防水措施、結構外包防水及預制拼裝管廊接片連接四個方面進行綜合考慮。如圖4、圖5 所示,構件塊與塊橫向之間設置4 個手孔通過弧形螺栓連接，節段間縱向設置3 個手孔通過弧形螺栓連接。設置手孔數量和位置是在保證構件防水、防滲特殊要求的前提下，通過空間受力分析避免應力集中優化后確定的。

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計

2.3.1 結構自防水設計

該綜合管廊結構采用WHDF 剛柔結合防水方案。該防水措施是以具有抗裂抗滲（抗滲等級不低于P12）自防水能力的地下結構混凝土為防水主體，以抗裂防水砂漿為附加外防水層，輔以細部處理的防水體系。具體做法：20 cmWHDF(防水)砂漿抗裂防水層+ 細部處理層+ 抗裂防水混凝土底板（側墻或頂板）+100 cmC15 或C20 細石混凝土墊層。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 剛柔結合防水作法圖示

2.3.2 結構外包防水措施

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，還要對管廊外包防水材料。外包防水措施使用的材料根據力學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，柔性材料包括結構表面涂膜和防水卷材等。

該管廊采用混凝土有機硅防水劑+ 復合自粘防水卷材的防水構造形式。在進行管廊施工中，使用有機硅防水劑和復合自粘防水卷材，將管廊底板、頂板、側壁進行全方位覆蓋，在結構外層形成一層防水包裹層。注意在施工過程中，在施工有機硅混凝土防水劑時，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行復合自粘防水卷材的施工；在結構的接縫處要實施兩層防水卷材，防水卷材的設置寬度要根據工程的實際情況而決定。實施完卷材的防水程序后，還需要在卷材外鋪設一層厚泡沫板材，用來作為卷材的保護層，防止卷材因外力破損導致管廊整體的防水功能受到減弱、破壞。

2.3.3 接頭防水構造

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、安裝方便與性價比高等諸多優點[12]。這種連接的管廊接口內層有三元乙丙（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，其防水機理是利用接觸界面的壓應力從而達到防水目的。同時，管廊接頭處具有較大的變形能力，在拼縫發生錯動時，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構，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

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重要。為此，將通過試驗來驗證所設計的接頭防水構造的防水性能。

圖7 密封墊尺寸圖

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

圖8 試驗裝置示意圖

試驗中，通過緊固直螺栓來控制上下鋼板的間距。根據實際管廊接縫的情況，該項試驗鋼板間距選取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，試驗過程記錄每種工況下0～30 min 的水壓表讀數，以及滲水情況。實驗結果如圖9 所示，各個工況下均未出現滲水現象。

圖9 裝置內水壓時程變化圖

分析試驗結果可以得知，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，說明密封墊的抗滲防水能力在減弱，但均處在一個很小的范圍內（2%～5%）；同時，根據相關規范，混凝土P8抗滲等級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 模塊化預制管廊經濟社會效益分析

預制拼裝綜合管廊與現澆式綜合管廊具有不同的生產模式，其技術要點、施工技術、施工管理與組織等方面均有顯著不同，導致在建設過程中所發生的費用類型與數量也有很大的不同[13]。綜合管廊的建設總成本應當包括直接建設成本和間接影響成本兩個方面。直接建設成本主要為土建成本，主要包括綜合管廊結構建設成本和基坑開挖與支護成本。對于預制拼裝綜合管廊，結構建設可分為部品的工廠預制、現場拼裝施工成本與基坑開挖與支護成本三個主要部分。間接成本主要是由于采用預制拼裝綜合管廊后，相比現澆式綜合管廊所需工期大大減少，工期減少可以對很多方面產生聯動效應。同時綜合管廊的修建不可避免地會帶來城市占道的問題。占道施工會使交通擁堵、交通延誤、自由度降低。因交通擁堵而產生的成本應算到綜合管廊修建的成本效益當中，其可分為時間延誤成本、額外燃油消耗成本、環境污染物排放及噪聲成本、運營成本、綠色施工管理成本和其他成本。

預制拼裝管廊與現澆管廊防水對比具有以下優點：（1）預制管廊接縫處止水材料成本較現澆管廊接縫低；（2）預制管廊結構采用工廠預制，構件尺寸精度高、防水效果好，施工安裝快速高效；（3）現澆管廊結構需現場澆筑混凝土，受人工澆筑、養護環境等多種因素影響，施工質量不及預制管廊；（4）現澆混凝土易出現離析滲漏現象從而增加后期維修成本。綜合對比，綜合管廊采用預制拼裝相比采用現澆施工，能夠有效節約項目成本；從綠色環保效益方面，預制拼裝綜合管廊施工工法，廢棄物排放少，對周圍環境影響小，更符合未來城市的發展；從社會效益方面，預制綜合管廊接縫防水與現澆綜合管廊相比，具有防水性能好，施工操作簡便等優點,能夠在各種地質環境中廣泛應用。

4 結 語

本文總結了模塊化拼裝綜合管廊的優勢，較為系統地分析和討論了模塊化拼裝綜合管廊結構組合類型、拼接縫和變形縫防水的構造措施。在此基礎上，總結提出了一套模塊化拼裝綜合管廊防水技術，并對其經濟社會效益進行了研究。論文所提防水措施經已有試驗驗證是可行的，可供類似工程參考。模塊化綜合管廊接縫防水較現澆綜合管廊接縫防水更經濟，可有效節約項目成本，同時可減少現場濕作業工作量，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雜，縱橫拼接接口、接頭較多（包括與現澆段的銜接），其防水設計和施工組織達到精細化程度還有待時日。對模塊化拼裝綜合管廊接頭組合防水構造與優化設計仍有待進一步研究。