预制拼装综合管廊接头防水性能研究

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1、概述

预制拼装综合管廊是由若干预制构件拼装而成的综合管廊结构，如图1所示。预制拼装综合管廊的接头包括横向接头和纵向接头，是预制拼装综合管廊的薄弱环节。综合管廊结构一般处于地下3～10m，接头防水是预制拼装综合管廊结构面临的关键技术问题之一。

图1 预制预应力综合管廊示意图

目前，专门针对预制拼装综合管廊接头防水性能的试验研究尚不多见。而在具有相似接头构造的隧道预制接头的防水性能方面，从系统查阅的资料看，这方面的研究工作及其成果较为丰富。

鉴于此，本文在系统综述隧道预制结构接头防水性能试验研究成果的基础上，通过厦门湖边水库预制拼装综合管廊缩尺模型试验对预制拼装综合管廊接头的防水性能进行总结与分析。

2、已有试验研究成果

目前，隧道预制结构接头防水性能的验证与研究主要通过试验进行。根据试验目的的不同，接头防水性能试验分为对比性试验和验证性试验两类。对比性试验主要通过试验手段，对接头防水构造进行优化设计。验证性试验主要是针对具体工程项目对接头防水的要求，验证设计方案的可靠性。接头防水性能试验一般包括密封垫力学性能试验和水密性试验。

2.1 对比性试验

遇水膨胀橡胶垫和GINA橡胶垫是目前在隧道预制结构接头防水中常用的两类橡胶垫材料。为了研究遇水膨胀橡胶垫防水机理，测试不同水压工况下隧道预制结构接头的防水性能，国内学者开展了盾构隧道遇水膨胀橡胶密封垫的防水性能试验研究。首先，开展了遇水膨胀橡胶垫的遇水膨胀性能试验。在此基础上，开展了不同水压工况下遇水膨胀橡胶垫短期和长期防水试验。试验结果表明：

(1) 遇水膨胀橡胶垫错位10mm时，接头防水的最大张开量比不错位时大约1mm，施工中应严格控制接头处遇水膨胀橡胶垫错位。

(2) 遇水膨胀橡胶垫在遇水膨胀后的防水性能明显增强，但由于橡胶垫的侧向膨胀较大，其防水水压的增长率要略小于体积增长率。

(3) 遇水膨胀橡胶垫的膨胀性能、截面形式、接触面状况及接触应力大小是影响遇水膨胀橡胶垫防水性能的主要参数。设计中和施工中应严格控制上述参数的限制。

针对沉管隧道管段接头防水构造中采用的GINA橡胶，上海市隧道工程轨道交通设计研究院开展了一系列的试验研究，包括压应力与压缩变形试验、GINA橡胶带框形试件的防水性能试验、压缩蠕变试验、应力松弛试验、压缩剪切试验、偏心压缩试验和压缩回弹试验。试验结果表明：

(1) GINA橡胶垫渗漏水发生在橡胶垫的底部，因此，GINA橡胶垫的截面形状宜设计为底部有尖肋凸缘的截面形式。

(2) 蠕变和应力松弛试验表明，GINA橡胶垫的蠕变和应力松弛随着压缩量的增大而逐渐增大，但在保证橡胶垫底部接触应力的情况下接头仍具有良好的防水性能。

(3) GINA橡胶垫在发生剪切变形后，防水性能明显下降，应重新进行预制结构的拼装以保证橡胶垫的对中。

2.2 验证性试验

为了验证隧道预制结构接头防水构造的适用性与耐久性，通常会对接头开展专门的防水性能试验。验证性试验的模型试件一般采用与工程原型相同的防水构造，如图2、图3所示分别为上海地铁二号线和成都地铁一号线隧道预制结构接头防水构造与试验装置。

上海地铁二号线隧道预制结构的接头防水构造中采用了中孔型（氯丁橡胶与遇水膨胀橡胶相复合）、梳型（氯丁橡胶与遇水膨胀橡胶相复合）和梯形（全遇水膨胀橡胶）三种断面形式的密封垫。防水性能试验包括直条抗压试验和一字模、T字模抗渗试验两类。按照抗渗要求的不用，抗渗试验又分为短期抗渗试验、长期抗渗试验、错位抗渗试验和张缝抗渗试验。试验结果表明：

图2 上海地铁二号线隧道预制结构接头防水构造与试验装置

图3 成都地铁一号线隧道预制结构接头防水构造与试验装置

(1) 与中孔型和梳型弹性密封垫相比，梯形弹性密封垫由于在后期遇水膨胀体积较大而具有更好的防水性能。

(2) 错位拼装时，弹性密封垫适应接头张开量与正常拼装情况相比会有1～2mm的下降。

(3) 遇水膨胀橡胶若在拼装前遇水已产生膨胀，会明显使接头张开量为0时的密封垫压应力变大，从而易对混凝土造成破坏。因此，应在橡胶垫表面涂刷一层缓膨胀剂。

成都地铁一号线隧道预制结构接头防水构造主要采用接头橡胶垫的挤密来达到防水目的。接头防水构造中采用的橡胶垫为多孔断面形式的三元乙丙非膨胀橡胶。防水性能试验包括压缩试验和水密性试验两类。压缩试验是为了测试防水橡胶垫的力学性能，水密性试验是为了验证防水构造的合理性。试验结果表明：

(1) 压缩量较小时，试验得到的压力值比计算结果偏小，而压缩量较大时试验值偏大。在压缩后期橡胶垫被压实，压力有明显增长。

(2) 张开量为6mm、错缝量为0mm时，接头抗水压力达到0.6MPa。张开量为6mm、错缝量为10mm时，试件的抗水压力也可以达到0.6MPa。

3、接头防水性能缩尺模型试验

厦门湖边水库预制拼装综合管廊采用沉插式接头构造，并在接头处设置两道防水橡胶垫。为验证该结构构造的防水性能，开展了1:2缩尺模型的接头防水性能试验。图4所示为接头防水性能试验试件安装设计图，试件模型由两个标准管节拼装而成（两管节编号JW-1、JW-2）。

试验的主要流程如下：

(1) 试验前先将试件安装就位，并保证两管节不发生相对变形；

(2) 通过预留孔向综合管廊接头处的密闭空间注入清水，并加压至设计压力值0.06MPa；

(3) 维持上述状态，检查压力是否下降；

(4) 如压力值未降低，则增大试件B点相对A、C点的沉降差，并从(2)开始重复执行；

(5) 如水压值降低，则此时的B点相对沉降差值即为保证预制拼装综合管廊承插式接头具有良好防水性能的最大沉降差值。

图4 接头防水性能试验试件设计图

由试验结果可知：

(1) 当试件A、B、C保持水平时，接头能保证水压达到0.06MPa，这表明接头防水构造可达到设计防水要求。

(2) 当试件B点相对A、C点的沉降差达到5mm时，接头出现轻微渗漏，但总体防水性能良好，接头构造具有一定的变形适应能力。

(3) 当试件B点相对A、C点的沉降差达到10mm时，接头出现较严重的渗漏，接头防水失效。

4、结语

接头防水性能是影响预制拼装综合管廊结构适用性与耐久性的关键技术问题。目前，国内外针对预制拼装综合管廊接头防水性能的研究尚不多见。本文首先总结与分析了隧道预制结构接头防水性能的试验研究成果，并在此基础上开展了厦门湖边水库预制拼装综合管廊接头防水性能的缩尺模型试验，验证了该类接头防水构造的可靠性。本文的研究成果为预制拼装综合管廊接头防水性能的研究与设计提供了参考。