預(yù)制拼裝綜合管廊接頭防水性能研究

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1、概述

預(yù)制拼裝綜合管廊是由若干預(yù)制構(gòu)件拼裝而成的綜合管廊結(jié)構(gòu)，如圖1所示。預(yù)制拼裝綜合管廊的接頭包括橫向接頭和縱向接頭，是預(yù)制拼裝綜合管廊的薄弱環(huán)節(jié)。綜合管廊結(jié)構(gòu)一般處于地下3～10m，接頭防水是預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

圖1 預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊示意圖

目前，專門針對預(yù)制拼裝綜合管廊接頭防水性能的試驗(yàn)研究尚不多見。而在具有相似接頭構(gòu)造的隧道預(yù)制接頭的防水性能方面，從系統(tǒng)查閱的資料看，這方面的研究工作及其成果較為豐富。

鑒于此，本文在系統(tǒng)綜述隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭防水性能試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，通過廈門湖邊水庫預(yù)制拼裝綜合管廊縮尺模型試驗(yàn)對預(yù)制拼裝綜合管廊接頭的防水性能進(jìn)行總結(jié)與分析。

2、已有試驗(yàn)研究成果

目前，隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭防水性能的驗(yàn)證與研究主要通過試驗(yàn)進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌宇^防水性能試驗(yàn)分為對比性試驗(yàn)和驗(yàn)證性試驗(yàn)兩類。對比性試驗(yàn)主要通過試驗(yàn)手段，對接頭防水構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。驗(yàn)證性試驗(yàn)主要是針對具體工程項(xiàng)目對接頭防水的要求，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可靠性。接頭防水性能試驗(yàn)一般包括密封墊力學(xué)性能試驗(yàn)和水密性試驗(yàn)。

2.1 對比性試驗(yàn)

遇水膨脹橡膠墊和GINA橡膠墊是目前在隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭防水中常用的兩類橡膠墊材料。為了研究遇水膨脹橡膠墊防水機(jī)理，測試不同水壓工況下隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭的防水性能，國內(nèi)學(xué)者開展了盾構(gòu)隧道遇水膨脹橡膠密封墊的防水性能試驗(yàn)研究。首先，開展了遇水膨脹橡膠墊的遇水膨脹性能試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，開展了不同水壓工況下遇水膨脹橡膠墊短期和長期防水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 遇水膨脹橡膠墊錯位10mm時，接頭防水的最大張開量比不錯位時大約1mm，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制接頭處遇水膨脹橡膠墊錯位。

(2) 遇水膨脹橡膠墊在遇水膨脹后的防水性能明顯增強(qiáng)，但由于橡膠墊的側(cè)向膨脹較大，其防水水壓的增長率要略小于體積增長率。

(3) 遇水膨脹橡膠墊的膨脹性能、截面形式、接觸面狀況及接觸應(yīng)力大小是影響遇水膨脹橡膠墊防水性能的主要參數(shù)。設(shè)計(jì)中和施工中應(yīng)嚴(yán)格控制上述參數(shù)的限制。

針對沉管隧道管段接頭防水構(gòu)造中采用的GINA橡膠，上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院開展了一系列的試驗(yàn)研究，包括壓應(yīng)力與壓縮變形試驗(yàn)、GINA橡膠帶框形試件的防水性能試驗(yàn)、壓縮蠕變試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)、壓縮剪切試驗(yàn)、偏心壓縮試驗(yàn)和壓縮回彈試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) GINA橡膠墊滲漏水發(fā)生在橡膠墊的底部，因此，GINA橡膠墊的截面形狀宜設(shè)計(jì)為底部有尖肋凸緣的截面形式。

(2) 蠕變和應(yīng)力松弛試驗(yàn)表明，GINA橡膠墊的蠕變和應(yīng)力松弛隨著壓縮量的增大而逐漸增大，但在保證橡膠墊底部接觸應(yīng)力的情況下接頭仍具有良好的防水性能。

(3) GINA橡膠墊在發(fā)生剪切變形后，防水性能明顯下降，應(yīng)重新進(jìn)行預(yù)制結(jié)構(gòu)的拼裝以保證橡膠墊的對中。

2.2 驗(yàn)證性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭防水構(gòu)造的適用性與耐久性，通常會對接頭開展專門的防水性能試驗(yàn)。驗(yàn)證性試驗(yàn)的模型試件一般采用與工程原型相同的防水構(gòu)造，如圖2、圖3所示分別為上海地鐵二號線和成都地鐵一號線隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭防水構(gòu)造與試驗(yàn)裝置。

上海地鐵二號線隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)的接頭防水構(gòu)造中采用了中孔型（氯丁橡膠與遇水膨脹橡膠相復(fù)合）、梳型（氯丁橡膠與遇水膨脹橡膠相復(fù)合）和梯形（全遇水膨脹橡膠）三種斷面形式的密封墊。防水性能試驗(yàn)包括直條抗壓試驗(yàn)和一字模、T字?？?jié)B試驗(yàn)兩類。按照抗?jié)B要求的不用，抗?jié)B試驗(yàn)又分為短期抗?jié)B試驗(yàn)、長期抗?jié)B試驗(yàn)、錯位抗?jié)B試驗(yàn)和張縫抗?jié)B試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

圖2 上海地鐵二號線隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭防水構(gòu)造與試驗(yàn)裝置

圖3 成都地鐵一號線隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭防水構(gòu)造與試驗(yàn)裝置

(1) 與中孔型和梳型彈性密封墊相比，梯形彈性密封墊由于在后期遇水膨脹體積較大而具有更好的防水性能。

(2) 錯位拼裝時，彈性密封墊適應(yīng)接頭張開量與正常拼裝情況相比會有1～2mm的下降。

(3) 遇水膨脹橡膠若在拼裝前遇水已產(chǎn)生膨脹，會明顯使接頭張開量為0時的密封墊壓應(yīng)力變大，從而易對混凝土造成破壞。因此，應(yīng)在橡膠墊表面涂刷一層緩膨脹劑。

成都地鐵一號線隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭防水構(gòu)造主要采用接頭橡膠墊的擠密來達(dá)到防水目的。接頭防水構(gòu)造中采用的橡膠墊為多孔斷面形式的三元乙丙非膨脹橡膠。防水性能試驗(yàn)包括壓縮試驗(yàn)和水密性試驗(yàn)兩類。壓縮試驗(yàn)是為了測試防水橡膠墊的力學(xué)性能，水密性試驗(yàn)是為了驗(yàn)證防水構(gòu)造的合理性。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 壓縮量較小時，試驗(yàn)得到的壓力值比計(jì)算結(jié)果偏小，而壓縮量較大時試驗(yàn)值偏大。在壓縮后期橡膠墊被壓實(shí)，壓力有明顯增長。

(2) 張開量為6mm、錯縫量為0mm時，接頭抗水壓力達(dá)到0.6MPa。張開量為6mm、錯縫量為10mm時，試件的抗水壓力也可以達(dá)到0.6MPa。

3、接頭防水性能縮尺模型試驗(yàn)

廈門湖邊水庫預(yù)制拼裝綜合管廊采用沉插式接頭構(gòu)造，并在接頭處設(shè)置兩道防水橡膠墊。為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)構(gòu)造的防水性能，開展了1:2縮尺模型的接頭防水性能試驗(yàn)。圖4所示為接頭防水性能試驗(yàn)試件安裝設(shè)計(jì)圖，試件模型由兩個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)拼裝而成（兩管節(jié)編號JW-1、JW-2）。

試驗(yàn)的主要流程如下：

(1) 試驗(yàn)前先將試件安裝就位，并保證兩管節(jié)不發(fā)生相對變形；

(2) 通過預(yù)留孔向綜合管廊接頭處的密閉空間注入清水，并加壓至設(shè)計(jì)壓力值0.06MPa；

(3) 維持上述狀態(tài)，檢查壓力是否下降；

(4) 如壓力值未降低，則增大試件B點(diǎn)相對A、C點(diǎn)的沉降差，并從(2)開始重復(fù)執(zhí)行；

(5) 如水壓值降低，則此時的B點(diǎn)相對沉降差值即為保證預(yù)制拼裝綜合管廊承插式接頭具有良好防水性能的最大沉降差值。

圖4 接頭防水性能試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)圖

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1) 當(dāng)試件A、B、C保持水平時，接頭能保證水壓達(dá)到0.06MPa，這表明接頭防水構(gòu)造可達(dá)到設(shè)計(jì)防水要求。

(2) 當(dāng)試件B點(diǎn)相對A、C點(diǎn)的沉降差達(dá)到5mm時，接頭出現(xiàn)輕微滲漏，但總體防水性能良好，接頭構(gòu)造具有一定的變形適應(yīng)能力。

(3) 當(dāng)試件B點(diǎn)相對A、C點(diǎn)的沉降差達(dá)到10mm時，接頭出現(xiàn)較嚴(yán)重的滲漏，接頭防水失效。

4、結(jié)語

接頭防水性能是影響預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)適用性與耐久性的關(guān)鍵技術(shù)問題。目前，國內(nèi)外針對預(yù)制拼裝綜合管廊接頭防水性能的研究尚不多見。本文首先總結(jié)與分析了隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭防水性能的試驗(yàn)研究成果，并在此基礎(chǔ)上開展了廈門湖邊水庫預(yù)制拼裝綜合管廊接頭防水性能的縮尺模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了該類接頭防水構(gòu)造的可靠性。本文的研究成果為預(yù)制拼裝綜合管廊接頭防水性能的研究與設(shè)計(jì)提供了參考。