基于明挖預(yù)制結(jié)構(gòu)的防水設(shè)計(jì)及適用性研究

龍浩然

(武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430014)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，對(duì)地下空間的開發(fā)和利用越來(lái)越廣泛[1-2]。在地下工程的施工運(yùn)營(yíng)中防水的設(shè)計(jì)是保證施工運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵。

在地下工程防水設(shè)計(jì)中，根據(jù)施工工法的不同，對(duì)地下工程的防水有不同的設(shè)計(jì)，一般而言盾構(gòu)法常用接縫防水形式，明挖法常用外包防水設(shè)計(jì)，礦山法常用全包防水設(shè)計(jì)[3-4]。

在當(dāng)前預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)下，越來(lái)越多的明挖工程采用預(yù)制結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工[5]。相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆法施工，采用預(yù)制結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化施工工序，實(shí)現(xiàn)明挖地下結(jié)構(gòu)快速施工；提高明挖地下區(qū)間襯砌結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，降低整體工程成本[6]。因此對(duì)于明挖預(yù)制結(jié)構(gòu)如何進(jìn)行防水設(shè)計(jì)以匹配其優(yōu)越性是關(guān)鍵[7]。在此方面郭敏[8]對(duì)綜合管廊預(yù)制結(jié)構(gòu)的防水措施進(jìn)行研究，提出在分塊型式的預(yù)制結(jié)構(gòu)接口應(yīng)采用承插口設(shè)計(jì)，并建議對(duì)接口處防水的材料硬度進(jìn)行研究，防止影響拼裝效果；黃明利等[9]對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)自身材料進(jìn)行研究，通過足尺試驗(yàn)，提出在提高預(yù)制結(jié)構(gòu)防水效果方面可以在接頭位置采用環(huán)氧灌漿材料進(jìn)行黏結(jié)，保證榫槽接頭防水效果；何昌杰等[10]通過對(duì)大量文獻(xiàn)資料的調(diào)研，對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)防水問題進(jìn)行了分析，提出了今后預(yù)制結(jié)構(gòu)防水問題的研究方向；孔祥臣[11]通過對(duì)隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭進(jìn)行理論及試驗(yàn)研究，較為系統(tǒng)的總結(jié)了預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭防水的研究成果及接頭防水設(shè)計(jì)方法。

從以上各位專家和學(xué)者的研究可以看出，當(dāng)前在預(yù)制結(jié)構(gòu)防水方面的研究已經(jīng)取得一定成果，本文在以上研究的基礎(chǔ)上依托實(shí)際明挖預(yù)制結(jié)構(gòu)工程，對(duì)明挖預(yù)制結(jié)構(gòu)的防水設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，對(duì)實(shí)際明挖預(yù)制結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并利用室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證等手段對(duì)此種設(shè)計(jì)進(jìn)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)采用單跨單洞形式，整體跨度為6 m，高度5 m，頂?shù)装寮皞?cè)墻厚度均為0.5 m。為響應(yīng)國(guó)家大力支持發(fā)展裝配式建筑的政策，本工程主體結(jié)構(gòu)均采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

擬建場(chǎng)地范圍沿線地勢(shì)起伏不大，第四系地層一般由粉土、粉質(zhì)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(nèi)其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水入滲補(bǔ)給、地表水徑流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流、人工開采、蒸發(fā)方式排泄。工程穿越人工景觀河，河流水流量較大，水面標(biāo)高約18.0 m，如圖2所示。

2 防水設(shè)計(jì)

2.1 防水基本要求

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，本工程中預(yù)制結(jié)構(gòu)防水等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)不允許漏水，結(jié)構(gòu)表面可有少量濕漬，總濕漬面積不應(yīng)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(gè)濕漬的最大面積不大于0.2 m2。

在結(jié)構(gòu)自防水方面預(yù)制結(jié)構(gòu)混凝土采用C50混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P10，水泥選用普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰[12]，水泥7 d的水化熱應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù))：不超過膠凝材料重量的0.06%；堿含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：≤2.5 kg/m3。

2.2 原設(shè)計(jì)方案

根據(jù)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(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全，應(yīng)尤其重視防水設(shè)計(jì)。

在原設(shè)計(jì)方案中，本工程主體結(jié)構(gòu)采用全包防水設(shè)計(jì)，如圖3所示。

由圖3可知，在原設(shè)計(jì)方案中結(jié)構(gòu)采用全包防水設(shè)計(jì)，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(biāo)如表1所示。

表1 瀝青基聚酯胎防水卷材性能指標(biāo)表

在防水施工及使用過程中，防水材料的完整性至關(guān)重要，因此在施工和運(yùn)營(yíng)中，需要做好對(duì)防水材料的保護(hù)，為避免防水卷材被破壞，失去防水效果，在結(jié)構(gòu)底板防水層外側(cè)鋪裝50 mm厚的細(xì)石混凝土保護(hù)層，結(jié)構(gòu)側(cè)墻部位設(shè)置找平層，結(jié)構(gòu)頂板外側(cè)鋪裝70 mm厚的細(xì)石混凝土保護(hù)層，當(dāng)結(jié)構(gòu)上部有綠化種植要求時(shí)，還需要在頂板設(shè)置隔離層，防止被綠化根系穿刺。

2.3 優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案

如上所述，在原設(shè)計(jì)方案中采取全外包防水需在結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)層或找平層，不僅施工工序煩瑣，而且施工材料耗費(fèi)較多。不符合裝配式建筑施工簡(jiǎn)化施工工序，降低整體施工成本的整體要求。

因此需要結(jié)合裝配式結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，對(duì)防水設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及既有防水研究成果，在本預(yù)制結(jié)構(gòu)工程中選用接縫防水形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。接縫防水形式具有施工簡(jiǎn)便、節(jié)省工程材料等特點(diǎn)，是一種比較適合預(yù)制結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)防水設(shè)計(jì)形式。對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)而言，在施工運(yùn)營(yíng)期，其防水薄弱環(huán)節(jié)在接縫位置，因此做好結(jié)構(gòu)間接縫防水設(shè)計(jì)是重中之重。

基于以上分析對(duì)防水設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，決定取消全包防水，選取“結(jié)構(gòu)自防水+接縫防水”的防水設(shè)計(jì)方案。

結(jié)構(gòu)自防水即指預(yù)制結(jié)構(gòu)混凝土抗?jié)B等級(jí)為P10，接縫防水指在預(yù)制結(jié)構(gòu)拼縫之間設(shè)置防水措施[12]，其具體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

針對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)接縫設(shè)計(jì)雙道防水，在工廠進(jìn)行預(yù)制結(jié)構(gòu)生產(chǎn)時(shí)，預(yù)留防水凹槽，凹槽尺寸寬度為26 mm，深度為3.2 mm。

本工程預(yù)制結(jié)構(gòu)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(nèi)選擇粘貼柔性防水材料丁基膩?zhàn)雍＞d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(shè)計(jì)拼裝時(shí)防水條壓縮量為14.5 mm，應(yīng)注意的是僅在預(yù)制結(jié)構(gòu)的一側(cè)預(yù)留防水凹槽進(jìn)行后期防水施工，而另一側(cè)為平口設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)通過平口側(cè)對(duì)防水材料進(jìn)行擠壓，阻斷接縫水流通道，達(dá)到接縫防水的目的。

防水條性能技術(shù)指標(biāo)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?zhàn)酉鹉z，內(nèi)部為海綿橡膠，自身具有較好的黏性和柔度。

表2 丁基膩?zhàn)雍＞d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(yù)制結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)因碰撞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，另一方面可以阻斷水力路徑，進(jìn)一步加強(qiáng)防水效果。

2.4 優(yōu)化前后防水設(shè)計(jì)方案對(duì)比

根據(jù)前文對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)兩種方案的描述，對(duì)兩種防水設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析如表3所示。

表3 防水設(shè)計(jì)對(duì)比表

根據(jù)對(duì)比可知，在防水效果方面，兩種防水設(shè)計(jì)形式區(qū)別較大，全外包防水不僅在施工工藝上比較煩瑣，同時(shí)在施工過程中易產(chǎn)生破損導(dǎo)致防水失效，而接縫防水通過相鄰預(yù)制結(jié)構(gòu)擠壓充填接縫，密實(shí)度較好，防水效果得到保障。在工程造價(jià)方面優(yōu)化后防水設(shè)計(jì)不僅不需施作防水保護(hù)層、隔離層等措施，同時(shí)整體防水材料用量大大減少，降低了防水工程整體造價(jià)。在施工耗時(shí)方面，根據(jù)測(cè)算發(fā)現(xiàn)，采用全外包防水施工時(shí)，平均每延米耗時(shí)3 h，而采用接縫防水設(shè)計(jì)時(shí)，每延米耗時(shí)近0.5 h，提高施工效率近5倍。從以上分析可得在預(yù)制結(jié)構(gòu)防水施工中接縫防水相較于全外包防水有較大優(yōu)越性，簡(jiǎn)化施工工序，降低工程造價(jià)，節(jié)約工期，可以更加匹配預(yù)制結(jié)構(gòu)施工快速簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

3 適用性研究

為保證防水設(shè)計(jì)安全可靠，采用室內(nèi)試驗(yàn)手段對(duì)優(yōu)化后防水設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和分析并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)０逯饕梢粔K底板和兩塊L型側(cè)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(nèi)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(shè)置在上模板面上。每一塊鋼板上均有經(jīng)機(jī)器加工的溝槽，與預(yù)制結(jié)構(gòu)預(yù)留構(gòu)成的防水凹槽的尺寸和幾何形狀保持一致。

試驗(yàn)時(shí)防水凹槽內(nèi)安裝與設(shè)計(jì)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(dá)到防水條壓縮要求。

試驗(yàn)開始后，在試驗(yàn)裝置內(nèi)部裝滿水。通過空壓機(jī)每次將水壓增加0.05 MPa，并穩(wěn)壓24 h，直至結(jié)構(gòu)破壞。

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，其實(shí)際試驗(yàn)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(duì)防水膠條進(jìn)行擠壓，在防水膠條達(dá)到壓縮后，根據(jù)試驗(yàn)方案利用空壓機(jī)加壓模擬水壓上升的過程，在逐步逐級(jí)加壓過程中，裝置未出現(xiàn)滲漏水情況，直至壓力增加至0.5 MPa，在穩(wěn)壓至3 h左右時(shí)，裝置出現(xiàn)滲漏水情況。

根據(jù)室內(nèi)防水試驗(yàn)結(jié)果可以得知，接縫防水設(shè)計(jì)可以滿足設(shè)計(jì)要求中抵抗0.3 MPa水壓的要求，同時(shí)最大可承受不大于0.5 MPa的水壓。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)室內(nèi)防水試驗(yàn)得知，本工程接縫防水設(shè)計(jì)可以滿足設(shè)計(jì)防水要求，而對(duì)于其現(xiàn)場(chǎng)防水效果是否可靠還需進(jìn)一步研究。因此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程對(duì)接縫防水設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

首先在預(yù)制結(jié)構(gòu)預(yù)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(shí)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(fā)至用手觸摸膠膜稍黏而不粘手時(shí)即可進(jìn)行防水條的粘貼。將丁基膩?zhàn)雍＞d防水條粘貼于預(yù)制結(jié)構(gòu)接縫位置處，并將粘貼面壓實(shí)平整，如圖8所示。

在防水條粘貼于預(yù)制結(jié)構(gòu)防水凹槽內(nèi)后，進(jìn)行預(yù)制結(jié)構(gòu)拼裝。通過干法連接對(duì)相鄰兩預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，通過連接張拉對(duì)防水條進(jìn)行擠壓，使其逐漸變形達(dá)到設(shè)計(jì)壓縮量，此時(shí)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(dá)到在地層水位上升后阻斷水流的目的。

在預(yù)制結(jié)構(gòu)拼裝完成后，便進(jìn)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(fù)。水位上升期間對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行觀察，尤其是結(jié)構(gòu)接縫位置。為驗(yàn)證防水效果，保持2 d/次的頻率在結(jié)構(gòu)內(nèi)部查看是否存在漏水點(diǎn)。經(jīng)長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)在水位完全恢復(fù)后，水頭壓力約為0.1 MPa，如圖9所示，預(yù)制結(jié)構(gòu)內(nèi)部未出現(xiàn)滲漏水情況，即接縫防水設(shè)計(jì)可以滿足實(shí)際工程中的防水要求，保障結(jié)構(gòu)防水安全。

4 結(jié)論與建議

本文依托實(shí)際預(yù)制結(jié)構(gòu)工程，為提高防水施工效率，降低防水工程造價(jià)，節(jié)約工期，對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行防水設(shè)計(jì)的適用性研究，最后經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證后得到結(jié)論如下：

1)本文以實(shí)際工程為依托對(duì)明挖預(yù)制結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足實(shí)際防水需求的情況下簡(jiǎn)化了防水施工工序，減少了防水材料的使用。

2)不同于傳統(tǒng)外包防水設(shè)計(jì)，本工程針對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出在預(yù)制結(jié)構(gòu)工程中采用接縫防水設(shè)計(jì)，并針對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)拼裝需求，選擇采用不影響結(jié)構(gòu)拼裝的柔性防水材料。

3)本工程由原全外包防水設(shè)計(jì)優(yōu)化為“結(jié)構(gòu)自防水+接縫防水”體系后，通過室內(nèi)試驗(yàn)得知優(yōu)化后防水設(shè)計(jì)最大可抵抗0.5 MPa水壓，滿足設(shè)計(jì)要求。

4)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，采用優(yōu)化后防水設(shè)計(jì)即接縫防水可以抵抗現(xiàn)場(chǎng)10 m左右水頭壓力作用，對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全有重要保障。

5)當(dāng)前地下工程中預(yù)制結(jié)構(gòu)應(yīng)用愈加普遍，對(duì)其防水設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮自身工程條件及預(yù)制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)防水設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化防水設(shè)計(jì)。