低頻動(dòng)荷載下裝配式下穿隧道的防水耐久性試驗(yàn)研究

李鵬

摘? 要：該文以成都市一環(huán)路磨子橋裝配式下穿隧道埋深較淺為背景，基于過往車輛產(chǎn)生的低頻反復(fù)動(dòng)荷載和相似材料模型試驗(yàn)，分析了預(yù)制拼裝隧道框架環(huán)在車輛荷載作用下，水平接縫處的受力及變形特征。試驗(yàn)結(jié)果表明，加載200萬次后，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罂鐐?cè)邊墻接縫周邊位移和小跨側(cè)邊墻接縫周邊位移均小于橡膠止水條的壓縮量，預(yù)制構(gòu)件的分塊形式和接縫的接縫位移均滿足低頻動(dòng)載條件下的防水耐久性要求。

關(guān)鍵詞：裝配;下穿隧道;低頻動(dòng)荷載;防水;水平縫

中圖分類號(hào)：U453? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

城市下穿隧道作為地下隧道工程的一種，是一種利用立體空間解決區(qū)域交通矛盾的地下空間結(jié)構(gòu)，它能夠有效分離過境交通，提高道路的暢通性，并具有節(jié)約地面空間，整體效果簡潔美觀的優(yōu)點(diǎn)。所謂裝配式下穿隧道就是將部分或全部隧道框架環(huán)在工廠內(nèi)完成預(yù)制，并運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，再通過可靠的連接方式將隧道框架環(huán)拼裝形成下穿隧道框架段。無論現(xiàn)澆隧道還是裝配式隧道，防水工程都是隧道施工中的重要環(huán)節(jié)，防水效果的好壞對隧道工程的使用功能具有直接影響。尤其裝配式下穿隧道存在較多的連接節(jié)點(diǎn)，而預(yù)制構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)又普遍存在著滲漏的質(zhì)量通病，節(jié)點(diǎn)的防水問題更不容忽視。因此，預(yù)制構(gòu)件的防水處理是裝配式下穿隧道工程應(yīng)用的關(guān)鍵控制因素。在構(gòu)造處理上，必須采取合理的構(gòu)件分塊形式，并對節(jié)點(diǎn)防水采取有效的處理，才能在控制現(xiàn)場工程量的基礎(chǔ)上保證節(jié)點(diǎn)的防水性能。

城市下穿隧道多穿越市區(qū)主干道和人流密集區(qū)，并且為了便于行人通行，隧道通常埋深較淺，隧道主體結(jié)構(gòu)的覆土厚度多在1 m～4 m。對于這類隧道，車輛啟動(dòng)、制動(dòng)和行駛過程中輪胎產(chǎn)生的振動(dòng)對隧道結(jié)構(gòu)的防水影響較大。該裝配式下穿隧道位于成都市交通主干道，車輛行駛速度較慢，產(chǎn)生的車輛動(dòng)荷載頻率主要在100 Hz以下，屬于低頻范圍。而本下穿隧道的頂面埋深為2.81 m～3.96 m，埋深較淺，因此，地表汽車的低頻動(dòng)荷載效應(yīng)較明顯，其對裝配式隧道接縫防水耐久性的影響不可忽略。該文以成都市一環(huán)路磨子橋裝配式下穿隧道為研究對象，使用振動(dòng)臺(tái)對大比例尺模型進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明將隧道框架環(huán)由中部劃分為上段M型與下段W型的預(yù)制拼裝方案是可行的，并且分塊預(yù)制結(jié)構(gòu)水平接縫的位移對防水耐久性的影響在合理范圍內(nèi)，滿足防水耐久性要求，試驗(yàn)結(jié)果可為同類裝配式下穿隧道的防水設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 相似比

該試驗(yàn)以長度l、密度ρ、彈性模量E為基本量綱，按照相似學(xué)定律推導(dǎo)相似關(guān)系，將加載反力架寬度定為3 m，下穿隧道寬度22.3 m，幾何相似比1∶10、密度相似比1∶1、彈性模型相似比1∶10為主的相似關(guān)系。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

如圖1所示，實(shí)際預(yù)制隧道框架環(huán)的橫斷面由中部豎向拆分為上、下2個(gè)部分，斷面尺寸均為22.3m×4.2m×1.5m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缍?.23m×0.82m×1m。模型箱尺寸定為3m×1.4m×1m。

實(shí)際覆土厚度為4 m，故模型中覆土厚度取為0.4 m。地面道路標(biāo)準(zhǔn)為城市I級(jí)，最大車輛載重為5軸70 t，根據(jù)確定力的相似比（1 000∶1）進(jìn)行動(dòng)力加載，模型加載的荷載幅值為700 N。設(shè)計(jì)車速為40 km/h，實(shí)際通過時(shí)間為2 s左右，頻率0.5Hz。由頻率相似比0.316，得出模型加載頻率為1.6 Hz，實(shí)際試驗(yàn)中取2 Hz，加載次數(shù)為200萬次。

3 模型制作

按照既定尺寸用木模板制作構(gòu)件，按照水∶石膏∶硅藻土的比例1∶1.2∶0.1進(jìn)行稱重，然后攪拌均勻不間斷地倒入模具中，澆筑模具時(shí)分塊中間隔開，放置預(yù)制小鋼箱預(yù)留孔，然后整體澆筑。

待澆筑完畢24 h后進(jìn)行脫模，脫模后使用6盞1 000 W碘鎢燈進(jìn)行72 h烘干。如圖2所示，模型按要求烘干，并進(jìn)行分離，再刷漆和貼應(yīng)變片。

模型箱底板采用10 mm厚的鋼板制作，四周采用6 mm厚度鋼板。為了保證模型箱的剛度，四周使用5 cm的槽鋼進(jìn)行加固，并先將底槽整體焊接完成，然后運(yùn)至加載位置，鋪設(shè)地層，夯實(shí)、整平。

整平后將底板吊裝、定位放入底槽。底板安裝到位后，安裝模型中部的抗剪鋼箱、施作大跨邊墻側(cè)、中墻及小塊接縫處的橡膠止水條，最后吊裝頂板并安裝。

模型安裝完畢后，焊接模型箱四周的鋼板，然后鋪設(shè)剩余地層、施加預(yù)應(yīng)力、連接分載器及作動(dòng)器。

在上下預(yù)制構(gòu)件的實(shí)際拼裝設(shè)計(jì)中，接縫的防水是在外包防水的基礎(chǔ)上，再在接縫的內(nèi)外邊緣2 cm處各開2條寬度與深度為3 cm的凹槽以放置止橡膠水條。模型試驗(yàn)中采用直徑為1 cm的彈性橡膠止水條在接縫中壓緊，當(dāng)接縫張開時(shí)，壓緊的橡膠止水條會(huì)張開，能較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工程的防水效果。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 大跨側(cè)邊墻接縫周邊位移

為了研究分塊預(yù)制結(jié)構(gòu)水平接縫位移對防水耐久性的影響，需在接縫處布置足夠多的位移傳感器以監(jiān)測試驗(yàn)期間接縫處的位移。具體為，大跨側(cè)和小跨側(cè)的接縫處均布置4個(gè)位移傳感器以監(jiān)測接縫的張開與閉合，其中接縫內(nèi)外各安裝一個(gè)垂直位移傳感器，接縫內(nèi)側(cè)上下各安裝1個(gè)水平位移傳感器。

監(jiān)測結(jié)果顯示，接縫外側(cè)累積垂直位移為0.22 mm（接縫張開），接縫內(nèi)側(cè)垂直位移為0.28 mm（接縫閉合），分別對應(yīng)于原型中接縫張開0.22 cm與閉合0.28 cm，但橡膠止水條的壓縮量為1 cm，因此該接縫的張開量滿足防水耐久性的要求。大跨邊墻接縫周邊最大位移發(fā)生在內(nèi)側(cè)上邊緣，為水平位移，其累積值為3.1 mm，上邊緣外移。其次為接縫內(nèi)側(cè)下邊緣，其累積值為0.45 mm，下邊緣同樣外移。二者相對位移為2.65 mm，上邊緣向外與下邊緣水平錯(cuò)動(dòng)。

4.2 小跨側(cè)邊墻接縫周邊位移

小跨側(cè)的接縫處傳感器顯示，小跨側(cè)接縫內(nèi)外累積垂直位移分別為0.25 mm及0.45 mm，分別對應(yīng)于原型中接縫張開0.25 cm與0.45 cm，小跨側(cè)接縫整體張開，但該值仍小于橡膠止水條的壓縮量，因此小跨側(cè)邊墻的張開量也滿足防水耐久性的要求。

5 結(jié)語

W+M型預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)從試驗(yàn)開始至結(jié)束一共經(jīng)歷200萬次加載，期間模型大跨邊墻與小跨邊墻的接縫位移均小于橡膠止水條的壓縮量，表明該分塊形式滿足地表車輛低頻動(dòng)載條件下的防水耐久性要求。

結(jié)構(gòu)最大累積水平位移發(fā)生在大跨內(nèi)側(cè)邊墻上部，水平移動(dòng)3.1 mm。大跨外側(cè)邊墻下部累積水平位移為0.45 mm，上下邊緣均發(fā)生外移，相對位移為2.65 mm，因此，結(jié)構(gòu)防水耐久性的主要控制因素為大跨側(cè)接縫的相對水平錯(cuò)動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1]張銀屏.地面車輛荷載對淺埋隧道影響的分析方法[J].中國市政工程，2008（12）：76-77.

[2]王德超.預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在地下工程中的應(yīng)用及前景分析[J].中國科技論文，2018（13）：115-120.