城市軌道交通裝配疊合整體式地下車站防水關鍵技術*

胡正波

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 430063, 武漢)

目前,城市軌道交通地下車站必須面對的課題是擺脫傳統粗放型發展模式,向以裝配式建筑為代表的工業化方向轉型,這同時也是行業未來持續快速發展的關鍵點。地下結構由于自身結構特點和所處的復雜地下條件,防水技術的好壞對結構施工的便利性和結構使用的壽命長短都起著至關重要的作用。因此,對裝配式地下車站防水關鍵技術進行研究至關重要,這決定著該車站能否具有持久的生命力[1]。

1 裝配疊合整體式地下車站的防水總體方案

本裝配疊合整體式地下車站的防水關鍵技術,是通過理論研究、數值分析及試驗研究得到的。該方案突破了裝配疊合整體式式地下車站主體結構防滲抗裂、外包防水及細部節點防水等關鍵技術,最終在錫澄線南門站得以應用。

南門站主體結構外包總長為198.7 m,寬度為19.7 m;有效站臺長為120 m,寬度為11 m。該車站為地下兩層框架結構,地下一層為站廳層,地下二層為站臺層。車站底板為現澆混凝土結構,中柱為鋼管混凝土柱,側墻、中板、中縱梁、頂板及頂縱梁等均為預制疊合構件。其中,板采用先張法預應力構件,梁采用型鋼組合結構,均通過預應力和型鋼抵抗施工荷載,疊合后澆筑混凝土形成整體結構[2]。南門站橫斷面結構如圖1所示。

注:A、E為側墻;B為柱;C、G分別為中板、頂板;D、F分別為中縱梁、頂縱梁。

南門站的主要施工工序如下:

1) 施工車站圍護結構,隨撐隨挖,施工底板墊層、底板及負二層側墻防水。

2) 安裝負二層側墻A、柱B(包括中縱梁和頂縱梁連接節點)、中縱梁D。

3) 澆筑負二層側墻以及中板、梁、柱間節點,安裝中板C。

4) 采用現澆法澆筑中板,拆除第二道鋼支撐。

5) 安裝負一層側墻E、頂縱梁F等。

6) 澆筑負一層側墻以及頂板、梁、柱間節點,安裝頂板G,并澆筑混凝土,拆除第一道混凝土支撐,回遷管線,回填頂板覆土,恢復路面交通。

地下結構防水主要以結構自防水為根本,采取措施控制混凝土結構裂縫的開展,以提高混凝土的抗滲性能和耐久性能。同時以施工縫、變形縫等細部構造的防水為重點,同時在結構迎水面設置柔性全包防水層。裝配疊合整體式車站對比現澆車站,由于舊混凝土的收縮已完成,新混凝土的收縮剛開始,所以新舊混凝土的收縮容易在接觸面形成剪切或拉伸裂縫,致使新舊混凝土不能共同工作,直接影響鋼筋混凝土的防水性和耐久性。

綜合相關因素,裝配疊合整體式地下車站的防水需要重點研究預制構件防滲抗裂、后澆混凝土防滲抗裂、現澆混凝土與預制構件的接觸面、細部施工縫及預制構件拼縫節點防水等內容。本文對錫澄線南門站裝配疊合整體式防水的關鍵技術進行了研究,結合南門站實際應用,為后續類似工程提供參考。

2 裝配疊合整體式地下車站防水關鍵技術

2.1 混凝土抗裂防滲技術

混凝土變形開裂問題不是由單一因素造成的,是混凝土材料、環境和約束作用等多因素共同作用的結果。考慮到此耦合作用,通過采用基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合作用的開裂評估模型,對不同結構類型混凝土的開裂風險進行計算評估,得出成套的混凝土裂縫控制技術方案[3-4]。

2.1.1 預制構件抗裂防滲性能

圖2為裝配疊合整體地下車站預制構件計算模型。對預制構件的抗裂防滲性能進行研究,其主要內容包括:

a) 板

1) 在水蒸氣養護降溫過程中,頂板和墻板開裂風險的較大位置主要為厚度分別為500 mm和350 mm的結構表面,以及厚度為100 mm的結構中心和表面。

2) 為預防頂板開裂風險,降溫速率不宜大于2.2 ℃/h。

3) 為預防墻板開裂風險,水蒸氣養護由45 ℃降至10 ℃的時間不宜小于24 h,降溫速率不宜大于1.5 ℃/h。

2.1.2 現澆混凝土抗裂防滲技術

文獻[5]對疊合式墻板收縮裂縫技術進行了研究。在此基礎上,本文對后澆筑混凝土的抗裂防滲性能進行了研究。圖3為裝配疊合整體式地下車站現澆墻板計算模型。

a) 現澆墻

b) 現澆板

1) 底板混凝土表面散熱面積較大,下部約束相對較小,其開裂風險較低,僅在表面存在一定的溫差開裂風險。因此,需重點做好底板表面保溫、保濕的養護措施,并控制里表溫差不超過20 ℃。

2) 側墻現澆混凝土結構的開裂風險主要由其整體降溫過程中的收縮變形,即由預制側墻和底板對部分現澆混凝土外部的約束作用引起。一次性澆筑長度為18～24 m時,側墻現澆混凝土內部和表面的最大開裂風險系數均大于1.0,存在比較大的開裂風險,因此,可通過控制混凝土水化熱引起的溫升和收縮,提升結構強約束條件下的抗裂性,并采取適當控制分段、頂部保溫保濕的養護措施。

3) 頂板混凝土收縮受下部預制件、側墻約束,開裂風險較高,同時摻加溫控抗裂材料,以控制混凝土硬化后的收縮,從而使得頂板混凝土的開裂風險系數不超過0.70。

2.1.3 現澆混凝土與預制構件的接觸面

圖4為裝配疊合整體式地下車站后澆混凝土與預制構件接觸面計算模型和現場試驗圖片。對現澆混凝土與預制構件的接觸面相關性能進行研究,其主要內容包括[6]:

a) 計算模型

b) 現場試驗

1) 在疊合構件劈裂抗拉及抗剪試驗中,根據結構顯示,水洗露骨料施工工藝適應于以受拉為主的接觸面,鑿毛施工工藝更適應于以受剪為主的接觸面。

2) 在疊合構件劈裂抗拉及抗剪試驗中,結合有限元結果分析,疊合結構的抗剪性能與現澆試塊基本一致,其抗劈裂破壞性能比現澆試塊強。

3) 將車站預制板墻與后澆混凝土的接觸面設置為粗糙面,粗糙面采用水洗工藝(局部無法采用水洗工藝部位采用拉毛工藝),其粗糙面面積大于接觸面的80%,凹凸深度大于6 mm。

2.1.4 抗裂混凝土技術要求

結合上述研究,裝配疊合整體式地下車站混凝土的配合比設計,應遵循低用水量、低水泥用量、適當水膠比、最大堆積密度的原則,同時在滿足相關規范的要求下,仍需符合以下規定:

1) 膠凝材料用量宜為350～420 kg/m3。

2) 水膠比不宜大于0.45。

3) 側墻混凝土結構宜單摻25%～30%的粉煤灰,不摻或少摻礦粉;其余部位可雙摻粉煤灰和礦粉,摻量宜為25%～40%。

4) 側墻和頂板混凝土宜摻加8%～10%的溫控膨脹抗裂劑,以控制開裂風險系數不大于0.7。抗裂混凝土的技術指標見表1。混凝土的限制膨脹率和自生體積變形應符合抗裂混凝土的技術指標要求(見表1)。

表1 抗裂混凝土的技術指標

5) 適當添加水化溫升抑制材料,通過摻加化學外加劑調控水泥放熱歷程,降低早期放熱量,進而降低混凝土結構溫升。

6) 采用不同膨脹組分的多元復合膨脹劑,利用特制的氧化鈣類膨脹組分實現早期膨脹,利用高活性氧化鎂膨脹組分實現中期膨脹,利用低活性氧化鎂膨脹組分實現后期膨脹,從而實現全過程補償混凝土收縮[7-8]。

2.2 裝配疊合整體式地下車站外包防水方案

常規地下車站滲漏水主要表現在混凝土裂縫、變形縫或施工縫等位置。混凝土裂縫主要為溫度細微裂縫,極少出現荷載裂縫。裝配疊合整體式地下車站采用的無模板支護和模板拆除工況,對混凝土裂縫控制均是有利的。根據裝配式地下車站的施工工序、結構特點及使用工況,確定采用全包防水方案。

側墻和底板采用厚1.5 mm的合成高分子預鋪防水卷材(P類)。底板在基坑開挖至坑底后完成厚150 mm C20素混凝土+厚50 mm細石混凝土墊層,鋪設防水卷材,綁扎鋼筋,澆筑混凝土;在圍護結構外施做厚20 mm防水砂漿找平層,鋪設防水卷材,綁扎鋼筋,澆筑混凝土。防水卷材的施工工藝要求為:

1) 相鄰兩幅防水卷材的有效搭接寬度為10 cm,要求上幅壓下幅進行搭接。

2) 底板防水卷材上嚴禁澆筑細石混凝土保護層,需直接進行鋼筋綁扎和底板混凝土澆筑。

3) 防水層破損部位應采用同材質材料進行修補,補丁滿粘在破損部位,補丁四周距破損邊緣的最小距離不小于10 cm。

頂板采用厚2.5 mm的單組分聚氨酯防水涂料。頂板混凝土澆筑完成后,對其進行基面處理。基面處理完后,實施單組分聚氨酯防水涂料,施作紙胎油氈隔離層,澆筑厚80 mm 的C20細石混凝土保護層,最后采用黏土回填。防水涂料的施工工藝要求為:

1) 涂膜防水層與基層之間應黏結牢固,不得有空鼓、砂眼、脫層等現象。

2) 涂膜收口部位應連續、牢固,不得出現翹邊、空鼓部位。

3) 剛性保護層完工前,任何人員不得進入施工現場,以免破壞防水層。

2.3 裝配疊合整體式地下車站細部構造防水方案

2.3.1 裝配段施工縫防水

裝配疊合整體式地下車站墻體與底板、中板的連接節點——濕節點,采用環箍節點形式,現澆墻體無法預埋橡膠鋼板止水帶。綜合比選后,確定采用遇水膨脹止水條等遇水膨脹材料,同步預埋注漿管。水平施工縫和環向施工縫的接縫防水設計見圖5。

注:W為墻體的厚度。

b) 環向施工縫防水構造圖

2.3.2 裝配段構件拼縫處防水

1) 圓形壓縮密封條設計。裝配疊合整體式地下車站預制構件寬度為3 m,負一層側墻與頂板形成間隔為3 m的倒U型預制拼裝縫。綜合車站所處環境及受力性能等因素后,拼縫采用后嵌式圓形壓縮密封條設計方案(見圖6)。后嵌式圓形壓縮密封條采用丁苯橡膠,在預制構件拼裝和混凝土澆筑完成后,對拼縫進行后嵌處理。該密封條適度的壓縮比,對兩邊平行的側壁可以形成對稱、強大和永久的氣壓回復力,實現縫隙物理止水,且密封條不會形成永久變形,從而保障密封的長久性,實現防水的目的。

圖6 后嵌式圓形壓縮密封條

2) 壓縮密封節點濕埋收頭。裝配疊合整體式車站拼縫處接頭采用插針式壓縮密封化學灌漿工藝(見圖7)。在該壓縮密封條端頭沿著物理接口,插入帶φ3 mm鋼針的注漿針頭,壓縮密封條強大的回彈力可將針頭密封,使其直接與灌漿泵連接。對壓縮密封條背后的腔體進行壓力灌漿,漿液在泵的壓力作用下向能泄壓的方向流動,有序引導漿液走向,同時充分利用化學漿液的低黏度和填充性能來實現收頭封端。

a) 側墻與板交接處收頭封端

b) 梁與板交接處收頭封端

3) 預制板在牛腿位置采用黏結措施。預制頂板(中板)擱置在預制側墻上部的牛腿上,為防止水從預制頂板(中板)與預制側墻的物理搭接縫中滲出,在靠車站內側5～10 cm的接觸面處,采用電動膠槍進行S型打膠以形成黏結,將滲漏水集中到側墻板之間或頂板(中板)之間的預制拼裝壓縮密封縫隙,防止接觸面竄水滲漏。

2.4 工程應用

基于水化-溫度-濕度-約束多場耦合作用,對南門站主體結構開裂進行評估。底板和中板采用高性能混凝土,側墻和頂板采用補償收縮、高抗裂混凝土。在混凝土中添加8%～10%的多元復合膨脹劑,并控制其細度、C3A(三鈣鋁酸)的質量分數、堿的質量分數、礦物摻合料摻入量等內容。混凝土限制膨脹率不小于0.05%;初凝后的24 h水化熱降低率≥30%,7 d水化熱降低率≤15%;7 d自生體積變形≥0.020%,28 d自生體積變形≥0.010%。南門站采用外包防水,在預制構件之間采用壓縮密封條,在壓縮密封條端頭沿著物理接口,插入帶φ3 mm鋼針的注漿針頭灌漿密實。側墻板之間和頂板(中板)之間的預制拼裝壓縮密封縫隙采用電動膠槍進行S型打膠,形成黏結,防止接觸面竄水滲漏。

目前南門站主體結構已施工完成,車站基本無滲漏水情況。

3 結語

1) 提出一種適用于城軌裝配疊合整體式地下車站的防水關鍵技術方案,有效解決了此類型車站的滲漏水問題。

2) 預制板墻開裂風險的較大位置主要為厚度分別為500 mm和350 mm的構件表面,以及厚度為100 mm的構件中心及其表面;預制頂板降溫速率不宜大于2.2 ℃/h;預制墻板水蒸氣養護由45 ℃降至10 ℃的時間不宜小于24 h,降溫速率不宜大于1.5 ℃/h。

3) 針對疊合結構體系,以受拉為主的構件宜采用水洗露骨料施工工藝,以受剪為主的構件宜采用鑿毛施工工藝。

4) 溫度場調控與膨脹歷程調控可有效降低混凝土開裂,提高車站防水性能。

5) 車站主體結構外包防水方案,后嵌式圓形壓縮密封條設計,壓縮密封節點濕埋收頭,以及預制板在牛腿位置的黏結措施等防水方案,提高了裝配疊合整體式地下車站節點的防水性能。

6) 裝配疊合整體式地下車站防水技術是一個系統工程,需各參建方共同努力實現其技術的提升。結合已有文獻、科研分析及工程建設等經驗,建議下階段重點對此類型地下車站混凝土的施工及養護技術,疊合構件新舊混凝土接觸面的工作機理等方面進行深入研究。