基于明挖預制結構的防水設計及適用性研究

龍浩然

(武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430014)

0 引言

隨著我國基礎建設的發展，對地下空間的開發和利用越來越廣泛[1-2]。在地下工程的施工運營中防水的設計是保證施工運營安全的關鍵。

在地下工程防水設計中，根據施工工法的不同，對地下工程的防水有不同的設計，一般而言盾構法常用接縫防水形式，明挖法常用外包防水設計，礦山法常用全包防水設計[3-4]。

在當前預制裝配式結構的發展趨勢下，越來越多的明挖工程采用預制結構作為主體結構進行施工[5]。相較于傳統現澆法施工，采用預制結構可以簡化施工工序，實現明挖地下結構快速施工；提高明挖地下區間襯砌結構施工質量，降低整體工程成本[6]。因此對于明挖預制結構如何進行防水設計以匹配其優越性是關鍵[7]。在此方面郭敏[8]對綜合管廊預制結構的防水措施進行研究，提出在分塊型式的預制結構接口應采用承插口設計，并建議對接口處防水的材料硬度進行研究，防止影響拼裝效果；黃明利等[9]對預制結構自身材料進行研究，通過足尺試驗，提出在提高預制結構防水效果方面可以在接頭位置采用環氧灌漿材料進行黏結，保證榫槽接頭防水效果；何昌杰等[10]通過對大量文獻資料的調研，對預制結構防水問題進行了分析，提出了今后預制結構防水問題的研究方向；孔祥臣[11]通過對隧道預制結構接頭進行理論及試驗研究，較為系統的總結了預制結構接頭防水的研究成果及接頭防水設計方法。

從以上各位專家和學者的研究可以看出，當前在預制結構防水方面的研究已經取得一定成果，本文在以上研究的基礎上依托實際明挖預制結構工程，對明挖預制結構的防水設計進行研究，對實際明挖預制結構防水設計進行優化，并利用室內試驗以及現場驗證等手段對此種設計進行適用性研究，保證在防水安全有效的前提下，為今后類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

某城市地下工程，全長1 500 m，均采用明挖法施工，工程基坑開挖深度為8 m～10.1 m，結構采用單跨單洞形式，整體跨度為6 m，高度5 m，頂底板及側墻厚度均為0.5 m。為響應國家大力支持發展裝配式建筑的政策，本工程主體結構均采用預制裝配式結構，如圖1所示。

擬建場地范圍沿線地勢起伏不大，第四系地層一般由粉土、粉質黏土夾砂層組成，地面高程一般為18.80 m～21.82 m，地下水水位埋深約為1 m～2 m，主要為第四系空隙潛水，分布范圍內其補給來源主要為大氣降水入滲補給、地表水徑流補給，以側向徑流、人工開采、蒸發方式排泄。工程穿越人工景觀河，河流水流量較大，水面標高約18.0 m，如圖2所示。

2 防水設計

2.1 防水基本要求

根據相關規范規定，本工程中預制結構防水等級為二級，結構不允許漏水，結構表面可有少量濕漬，總濕漬面積不應大于防水面積的2/1 000，任意100 m2防水面積上濕漬不超過3處，單個濕漬的最大面積不大于0.2 m2。

在結構自防水方面預制結構混凝土采用C50混凝土，抗滲等級為P10，水泥選用普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，摻入優質粉煤灰[12]，水泥7 d的水化熱應小于250 kJ/kg，最大水膠比：0.36；膠凝材料用量：不超過500 kg/m3；氯離子含量(質量分數)：不超過膠凝材料重量的0.06%；堿含量(質量分數)：≤2.5 kg/m3。

2.2 原設計方案

根據前文介紹可知，本工程地下水及地表水均較為豐富，因此為保證結構運營安全，應尤其重視防水設計。

在原設計方案中，本工程主體結構采用全包防水設計，如圖3所示。

由圖3可知，在原設計方案中結構采用全包防水設計，防水材料選用4 mm厚的瀝青基聚酯胎防水卷材，其性能指標如表1所示。

表1 瀝青基聚酯胎防水卷材性能指標表

在防水施工及使用過程中，防水材料的完整性至關重要，因此在施工和運營中，需要做好對防水材料的保護，為避免防水卷材被破壞，失去防水效果，在結構底板防水層外側鋪裝50 mm厚的細石混凝土保護層，結構側墻部位設置找平層，結構頂板外側鋪裝70 mm厚的細石混凝土保護層，當結構上部有綠化種植要求時，還需要在頂板設置隔離層，防止被綠化根系穿刺。

2.3 優化后設計方案

如上所述，在原設計方案中采取全外包防水需在結構周邊設置相應的保護層或找平層，不僅施工工序煩瑣，而且施工材料耗費較多。不符合裝配式建筑施工簡化施工工序，降低整體施工成本的整體要求。

因此需要結合裝配式結構自身的特點，對防水設計進行調整，根據工程經驗以及既有防水研究成果，在本預制結構工程中選用接縫防水形式進行設計。接縫防水形式具有施工簡便、節省工程材料等特點，是一種比較適合預制結構的節點防水設計形式。對預制結構而言，在施工運營期，其防水薄弱環節在接縫位置，因此做好結構間接縫防水設計是重中之重。

基于以上分析對防水設計方案進行優化，決定取消全包防水，選取“結構自防水+接縫防水”的防水設計方案。

結構自防水即指預制結構混凝土抗滲等級為P10，接縫防水指在預制結構拼縫之間設置防水措施[12]，其具體設計方案如圖4所示。

針對預制結構接縫設計雙道防水，在工廠進行預制結構生產時，預留防水凹槽，凹槽尺寸寬度為26 mm，深度為3.2 mm。

本工程預制結構采用干法連接方式拼裝，為保證拼裝效果及拼裝可行性，防水凹槽內選擇粘貼柔性防水材料丁基膩子海綿防水條，如圖5所示。防水條整體形狀為梯形，底部寬19 mm，頂部寬11 mm，整體高度為20 mm，設計拼裝時防水條壓縮量為14.5 mm，應注意的是僅在預制結構的一側預留防水凹槽進行后期防水施工，而另一側為平口設計，結構拼裝時通過平口側對防水材料進行擠壓，阻斷接縫水流通道，達到接縫防水的目的。

防水條性能技術指標如表2所示，防水條是由兩種材料組合而成的柔性防水材料，其外部為未硫化丁基膩子橡膠，內部為海綿橡膠，自身具有較好的黏性和柔度。

表2 丁基膩子海綿防水條

在兩防水凹槽之間充填丁腈軟木橡膠板，一方面可以防止預制結構拼裝時因碰撞導致結構破壞，另一方面可以阻斷水力路徑，進一步加強防水效果。

2.4 優化前后防水設計方案對比

根據前文對預制結構防水設計兩種方案的描述，對兩種防水設計方案對比分析如表3所示。

表3 防水設計對比表

根據對比可知，在防水效果方面，兩種防水設計形式區別較大，全外包防水不僅在施工工藝上比較煩瑣，同時在施工過程中易產生破損導致防水失效，而接縫防水通過相鄰預制結構擠壓充填接縫，密實度較好，防水效果得到保障。在工程造價方面優化后防水設計不僅不需施作防水保護層、隔離層等措施，同時整體防水材料用量大大減少，降低了防水工程整體造價。在施工耗時方面，根據測算發現，采用全外包防水施工時，平均每延米耗時3 h，而采用接縫防水設計時，每延米耗時近0.5 h，提高施工效率近5倍。從以上分析可得在預制結構防水施工中接縫防水相較于全外包防水有較大優越性，簡化施工工序，降低工程造價，節約工期，可以更加匹配預制結構施工快速簡便的特點。

3 適用性研究

為保證防水設計安全可靠，采用室內試驗手段對優化后防水設計進行研究和分析并在現場進行應用。

3.1 室內試驗方案

試驗模板主要由一塊底板和兩塊L型側板組成，如圖6所示。模板采用15 mm厚鋼板，底板尺寸為φ500 mm，內圈密封墊尺寸為φ298 mm，外圈密封墊尺寸為φ426 mm。注水孔位置設置在上模板面上。每一塊鋼板上均有經機器加工的溝槽，與預制結構預留構成的防水凹槽的尺寸和幾何形狀保持一致。

試驗時防水凹槽內安裝與設計相同尺寸的防水條。然后用螺栓將上下塊鋼板緊密連接在一起，直至達到防水條壓縮要求。

試驗開始后，在試驗裝置內部裝滿水。通過空壓機每次將水壓增加0.05 MPa，并穩壓24 h，直至結構破壞。

3.2 室內試驗結果

根據試驗方案進行室內試驗，其實際試驗如圖7所示。在防水條粘貼完成后，在兩防水條之間注水，而后采用螺栓擰緊裝置，對防水膠條進行擠壓，在防水膠條達到壓縮后，根據試驗方案利用空壓機加壓模擬水壓上升的過程，在逐步逐級加壓過程中，裝置未出現滲漏水情況，直至壓力增加至0.5 MPa，在穩壓至3 h左右時，裝置出現滲漏水情況。

根據室內防水試驗結果可以得知，接縫防水設計可以滿足設計要求中抵抗0.3 MPa水壓的要求，同時最大可承受不大于0.5 MPa的水壓。

3.3 現場應用

根據室內防水試驗得知，本工程接縫防水設計可以滿足設計防水要求，而對于其現場防水效果是否可靠還需進一步研究。因此結合現場實際工程對接縫防水設計的效果進行驗證。

首先在預制結構預留防水凹槽位置涂刷單組分阻燃型氯丁-酚醛膠黏劑，涂刷時共涂刷兩遍，第一遍涂刷后待表面初干后再涂刷第二遍，約15 min后使得溶劑揮發至用手觸摸膠膜稍黏而不粘手時即可進行防水條的粘貼。將丁基膩子海綿防水條粘貼于預制結構接縫位置處，并將粘貼面壓實平整，如圖8所示。

在防水條粘貼于預制結構防水凹槽內后，進行預制結構拼裝。通過干法連接對相鄰兩預制結構進行連接，通過連接張拉對防水條進行擠壓，使其逐漸變形達到設計壓縮量，此時防水條已充滿防水凹槽并阻隔了兩防水凹槽之間的接縫，達到在地層水位上升后阻斷水流的目的。

在預制結構拼裝完成后，便進行覆土回填，分層回填覆土完成后，降水井停止降水。停止降水后地下水位逐漸恢復。水位上升期間對結構內部進行觀察，尤其是結構接縫位置。為驗證防水效果，保持2 d/次的頻率在結構內部查看是否存在漏水點。經長期觀察發現在水位完全恢復后，水頭壓力約為0.1 MPa，如圖9所示，預制結構內部未出現滲漏水情況，即接縫防水設計可以滿足實際工程中的防水要求，保障結構防水安全。

4 結論與建議

本文依托實際預制結構工程，為提高防水施工效率，降低防水工程造價，節約工期，對預制結構防水設計進行優化，并通過室內試驗進行防水設計的適用性研究，最后經過現場驗證后得到結論如下：

1)本文以實際工程為依托對明挖預制結構防水設計進行優化，在滿足實際防水需求的情況下簡化了防水施工工序，減少了防水材料的使用。

2)不同于傳統外包防水設計，本工程針對預制結構特點提出在預制結構工程中采用接縫防水設計，并針對預制結構拼裝需求，選擇采用不影響結構拼裝的柔性防水材料。

3)本工程由原全外包防水設計優化為“結構自防水+接縫防水”體系后，通過室內試驗得知優化后防水設計最大可抵抗0.5 MPa水壓，滿足設計要求。

4)經過現場實際驗證，采用優化后防水設計即接縫防水可以抵抗現場10 m左右水頭壓力作用，對結構運營安全有重要保障。

5)當前地下工程中預制結構應用愈加普遍，對其防水設計應充分考慮自身工程條件及預制結構特點，改變傳統防水設計思路，優化防水設計。