預制裝配式綜合管廊防水構造及材料應用研究

陸長兵

（ 南京市江北新區公共工程建設中心，江蘇 南京 210000）

0 引 言

綜合管廊是城市市政基礎設施建設發展的方向。綜合管廊內納入電力、通信、給排水等市政管線，可有效緩解土地資源緊張與日益增長的城市功能需求之間的矛盾，提高地下空間的利用率。同時，避免了繁華區域反復挖掘路面、維修各類地下管線等反復施工，有效解決“街道拉鏈”“空中蜘蛛網”等問題。綜合管廊的施工方法主要有現澆法和預制拼裝法。與現澆綜合管廊相比，預制裝配式綜合管廊更具有保證質量、縮短工期、節能環保等顯著的優勢。綜合管廊示意圖如圖1 所示。

圖1 綜合管廊示意圖

裝配式綜合管廊包括預制裝配式和預制復合裝配式兩種。其中，預制裝配式分為整體裝配式和組件式預制裝配式[1]。與現澆法相比，裝配式綜合管廊在工期和質量上具有更大的優勢，但由于預制管片短、接縫多而產生接頭防水問題。防水技術是影響裝配式綜合管廊適用性和耐久性的關鍵技術，受到世界各國的普遍關注。為了提高防水密封材料的質量、延長使用壽命和拓展實際應用，需要對其計算理論、試驗數據和設計標準進行進一步研究；而且在長期動荷載和周圍建筑物的影響下，防水材料更需要適應結構的變形。張國榮[2]、王恒等[3]利用等溫試驗和壓縮應力松弛儀試驗，通過丁基橡膠型圈隨著壓力的變化而產生不同的體積變化，從而進行了應力松弛老化預測。宋兆哲[4]分析了墊片在管道密封中的機理，以及在影響墊片密封效果的因素，針對密封失效的原理建立失效模型。王昊等[5]通過對橡膠材料在不同條件下的老化試驗，提出了各種密封橡膠的老化變化規律和橡膠材料壽命預測模型。吳長河等[6]根據壓縮變形試驗和老化試驗的試驗數據，預測了硫化橡膠的耐久性壽命。崔小明[7]對氯丁橡膠與其他橡膠并用改性效果進行了研究，得出EPDM 與其他彈性體并用可以得到兼具兩種橡膠性能的并用膠結果。朱祖熹[8]對盾構隧道管片的各類密封橡膠應用條件和實際中的使用功效進行了總結回顧，提出密封墊片老化受損等的研究課題。肖明清[9]針對三元乙丙橡膠在管道密封中的工作機理進行了闡述，并從防水密封的演化過程中對雙道密封墊與螺栓孔密封協同防水等的復合型密封墊問題出發，指明未來的研究方向。

預制裝配式綜合管廊存在的關鍵問題和方向如下：（1）水平和垂直拼裝接縫的防水能力亟待加強。（2）通過預應力連接適應不均勻沉降，消除漏水。（3）必須消除承插連接結構受力變形造成的防水隱患。（4）需要開發更加合理的界面形式和高性能的止水帶材料。

現針對裝配式綜合管廊，分析了預制裝配式管廊工程的常用的防水結構，比較了常用防水材料的性能，為預制裝配式綜合管廊接頭的設計和改進提供了參考。

1 接頭結構自防水

預制裝配式綜合管廊接頭的質量關系到結構的耐久性，影響到后期維護和運行，應結合工程特點選擇合適的接縫形式。常用的接口形式分為承插連接、企口連接，預應力連接和疊層板現澆連接等方式。

（1）承插連接方式：對不均勻沉降適應良好，但其受力變形存在問題，通常用于圓形截面管廊。

（2）企口連接方式。適用于小型矩形截面管廊，是《城市綜合管廊工程技術規范》（GB 50838—2015）推薦的接縫形式。

（3）預應力連接方式：滿足結構受力，但針對不均勻沉降方面存在后期運行風險，通常用于在基礎條件良好的中小截面管廊。

（4）疊層板現澆連接方式：用于解決大斷面綜合管廊預制拼裝、防水及沉降問題，其計算理論和施工精度仍有待研究，通常用于大斷面管廊。

企口連接方式是預制裝配式綜合管廊的主要接縫形式。下文將重點對承插連接方式防水結構形式進行研究。

1.1 雙密封劑防水構造

雙密封劑防水構造主要防水措施為雙橡膠圈，其他為輔助防水措施，如圖2 所示。雙密封劑防水構造對接阻力較小，易于安裝；但承插口的橡膠圈不易安裝，需要采取固定措施。同時設置注漿試壓孔管作為止水失效的補救孔。

圖2 雙密封劑防水構造圖

1.2 雙膠圈密封防水構造

雙膠圈密封防水構造由承插工作面密封和端面密封兩部分組成，如圖3 所示。端面壓縮密封與斜面變形密封的大組合具有密封性能好、抗震、抗沉降性能好等優點。工程實際中選擇的密封圈類型有：（1）承插式EPDM 楔形圈與端部膩子復合條；（2）承插三元乙丙橡膠楔形圈與彈性復合中空膠條，端面遇水膨脹；（3）承插EPDM 楔形橡膠圍裙。所述密封條包括承插口的實心楔形（三角形）結構，端面的空心梯形結構。

圖3 雙膠圈密封防水構造圖[11]

1.3 承插面密封防水構造

承插面密封防水構造根據各種防水材料的特點，在轉折點處安裝楔形橡膠圈，在承插口處采用遇水膨脹彈性橡膠圈，如圖4 所示。施工過程中，用千斤頂對橡膠圈進行壓縮，在管廊內外縫安裝聚乙烯泡沫填充板和雙組分的聚硫密封劑，可使防水性能更好，避免管廊內縫漏水。此措施可保證接縫防水達到內外連接、相互補充的效果，使接縫防水質量達到施工規范的要求。

圖4 承插面密封防水構造圖[10]

1.4 防水構造注意事項

基于上述三種實用防水結構，對預制裝配式綜合管廊防水結構應注意以下幾點：

（1）當壓縮量較小時，通常實驗壓力值小于計算值。在壓縮后期，橡膠墊塊被壓實，其壓力明顯增大。

（2）當開口為6 mm，交錯縫為0 mm 或10 mm 時，接縫耐水壓力達到0.6 MPa。

（3）雙膠圈橡膠為主要防水材料，采用預應力連接。同時在雙膠圈中間預留注漿孔。

（4）建議去除聚乙烯泡沫。內側面的密封劑可改為聚氨酯防水涂料或用手工刮涂料。

（5）建議預留注漿孔，避免漏水，即使使用單個橡膠圈進行防水。

（6）注漿孔的位置和數量要合理，不受管廊內管道、電纜的影響，在防水失效時可以方便注漿進行補救。

（7）預加應力應適當。過大的預應力會增加結構節點的剛度，削弱結構的柔性和變形適應性，過小的預應力將不能給橡膠圈提供足夠的壓應力，導致防水失效。

（8）建議每隔40 m 設置一道伸縮縫，并設置承插接頭。聚乙烯泡沫塑料可用于伸縮縫的防水結構中，增加密封膠圈的橫截面積，并放寬接縫外緣的最大開度限制。

2 反演預測方法及模型建立

2.1 接縫材料的類型

預制裝配式綜合管廊防水主要是結構自防水和拼縫防水。拼縫防水采用預制成型彈性密封墊為主要防水措施。彈性密封墊的界面應力不應低于1.5 MPa；拼縫彈性密封墊應沿環、縱面兜繞成框型。溝槽形式、截面尺寸應與彈性密封墊的形式和尺寸相匹配。選用的彈性橡膠與遇水膨脹橡膠等制成的復合密封墊，其復合方式應能使兩者牢固地結合成一體。彈性橡膠密封墊應采用三元乙丙（EPDM）橡膠或氯丁（CR）橡膠為主要材質，宜采用中間開孔、下部開槽等特殊截面的構造形式，并應制成閉合框型。預制裝配式綜合管廊中常用的防水密封結構密封膠圈主要有三元乙丙橡膠止水帶、彈性空心止水帶、遇水膨脹彈性復合止水帶。其結構示意圖如圖5 所示。

圖5 端面膩子復合條密封墊結構示意圖

端面膩子復合條密封墊的結構由經過發泡的內芯三元乙丙泡沫復合外部的自黏聚物膠泥構成。內芯的三元乙丙泡沫柔軟度高、回彈性好，能充分密封接縫；而自黏膠泥的黏性與混凝土構件的貼合程度高，密封性能進一步增強。通常呈梯形構造，尺寸通常為上10 mm 下22 mm，預張應力最高可達到20 MPa。

遇水膨脹橡膠密封墊示意圖如圖6 所示，主要采用三元乙丙橡膠（EPDM）生產，為EPDM 橡膠密封墊（用于環、縱縫）和表面復合遇水膨脹橡膠的復合密封墊（用于變形縫環縫）組合而成，接縫用彈性密封墊輔助材料包括遇水膨脹橡膠密封墊（用于變形縫環縫密封墊表面）和將管片密封墊粘結在管片側面預留凹槽內的阻燃型氯丁－酚醛樹脂膠粘劑。

圖6 遇水膨脹橡膠密封墊結構示意圖

彈性中空橡膠密封墊示意圖如圖7 所示，中部開孔，主要由上部的遇水膨脹橡膠和下部的三元乙丙橡膠（EPDM）構成，中部開孔以適應變形。其特點為：（1）規則中空結構使密封條受力變形穩定；（2）三元乙丙橡膠化學特性穩定，耐酸、堿、熱、冷等性能優越，抗老化性能較好；（3）膠條界面應力≥1.5 MPa；（4）適用環境溫度廣泛，可在-40℃到130℃下長期適用；（5）雙膠圈中間注水試驗可達0.2～2.0 MPa；（6）具有很好的彈性、密度較小[11]。

圖7 彈性中空橡膠密封墊結構示意圖

2.2 接縫材料試驗研究

接縫防水材料的防水性能、防水技術在管廊防水設計中極為重要。胡翔等[12]基于上海世博園預制管廊，趙雅婷[13]基于盾構隧道管片，對遇水膨脹橡膠墊塊進行了水膨脹性能試驗、壓縮應力和壓縮變形試驗、防水性能試驗、壓縮蠕變試驗、應力松弛試驗等試驗。并在不同水壓條件下進行了短期和長期防水試驗。分析其測試結果表明：（1）施工過程中，接縫處遇水膨脹橡膠墊塊的錯位需要嚴格控制。（2）水膨脹后的防水性能增強; 但由于防水橫向膨脹較大，其壓力增長率略低于體積增長率。（3）膨脹性能、截面形式、接觸面條件、接觸應力等幾個重要參數在設計和施工中必須嚴格控制。

上海地鐵2 號線陸家嘴至河南中路區間隧道工程，接頭防水結構中采用三種橫截面密封墊片，包括中間孔型（氯丁橡膠和遇水膨脹膠復合）、梳式（氯丁橡膠與水膨脹橡膠復合）和梯形（水膨脹橡膠）。同樣對比分析其直條壓縮試驗和T 型模抗滲試驗，結果表明:（1）與其他類型相比，梯形彈性墊片遇水時的防水性能更好；（2）交錯裝配時，彈性墊片貼合接頭的開口比正常裝配減少1～2 mm；（3）若遇水膨脹橡膠在組裝前已膨脹，需在橡膠墊面涂一層緩膨脹劑，以防止對混凝土的損傷。

成都地鐵一線采用擠壓接頭橡膠墊塊（EPDM 非膨脹橡膠）進行防水施工。防水性能試驗包括測量防水橡膠墊塊力學性能的壓縮試驗和為驗證防水結構合理性而設計的水密性試驗。測試結果表明:當壓縮量較小時，實驗壓力值小于計算值。在壓縮后期，橡膠墊塊被壓實，其壓力明顯增大；當開口為6 mm，交錯縫為0 mm 或10 mm 時，接縫耐水壓力達到0.6 MPa。

3 影響管廊防水的其他因素

（1）軟基處理的質量。預制裝配式綜合管廊所處的工程地質條件的好壞，影響管廊施工期以及運營期不均勻沉降大小，其不均勻沉降帶來的構件平整誤差，造成構件以及接頭的變形，從而影響管廊的防水性能。

（2）管廊裝配施工的墊層平整度。良好的墊層平整度對于管廊的防水性能起到至關重要的影響，通常做法是于墊層鋪設10 mm 厚度的細砂，從而有效降低預制構件之間的摩擦力。

（3）承插口尺寸的精確度。在預制管廊構件的就位對接中，構件的接頭效果允許的誤差在（+2～-1 mm），模具插口允許偏差（+1～-2 mm）。過大的接頭誤差會降低防水性能的發揮效果。

4 結 語

本文對預制裝配式綜合管廊的接頭防水結構、防水材料及防水技術進行了總結，并提出了相關建議，為今后預制裝配式綜合管廊接頭防水性能的研究和設計提供參考。此外，裝配式綜合管廊接縫防水技術的發展趨勢包括以下幾點：（1）提倡多尺寸、分段、拼裝；（2）選擇合適的接頭形式；（3）開發高性能防水材料；（4）選擇合理的計算方法；（5）發展方便可靠的施工技術。