沉管压舱水箱防水密封技术研究与应用

2021-11-07刘博

港工技术 2021年5期

刘博

（中交第一航务工程局有限公司天津市水下隧道建设与运维技术企业重点实验室，天津 300461）

1 工程背景

深中通道沉管内部压舱水箱结构由两道相对设置的木板挡墙、沉管侧墙及中隔墙围成，每个压舱水箱木板挡墙设计高度均为5.2 m，宽度18.3 m，最大设计储水高度5 m，其结构设计型式基本与港珠澳大桥隧道沉管类似。由于港珠澳大桥沉管采用混凝土结构，沉管内部墙壁板及底板表面平整，压舱水箱防水密封工艺适合采用防水布大面积整体铺设型式[1]。而深中通道是国内首条大规模采用钢壳混凝土组合结构[2]的沉管隧道，沉管从开始制作到预制完成要先经过进行钢壳预制，混凝土浇筑等几道工序，且沉管钢壳墙壁板及底板上存在很多预埋件、浇筑孔、透气孔等凸出物体，防水布无法整体铺设。

2 密封技术的重点和技术难点

2.1 管节钢壳平面处理问题

深中通道钢壳沉管混凝土浇筑完成后，在沉管内底板遗留有浇筑孔、透气孔，且凸出管节底板50-60 mm 高，而沉管内侧墙及中隔墙上又存在很多防火装饰板预埋件、孔洞室等结构，致使墙面不平整，凸出物体较多。因此防水布采用大面积整体铺设时容易被划伤磕破，所以深中通道压舱水箱防水密封型式放弃采用水箱内部整体铺设防水布型式，仅考虑在木板挡墙上铺设防水布。如铺设时遇到凸出物体且无法避让，则需要使用辅材进行找平，使铺设防水布位置平整。找平选用的辅材用料及安装型式需要提前研究试验，既要保证防水布铺设质量，又要节省施工成本，尽可能地减少对工期的影响。深中通道钢壳沉管内底板浇筑孔、透气孔、墙壁预埋件、孔洞室等见图1。

图1 沉管钢壳板及地板上的预埋件和孔室

2.2 防水布结构尺寸及防水密封型式问题

结合深中通道沉管钢壳结构以及压舱水箱结构型式特点，压舱水箱内部沉管侧墙、中隔墙、底板均为钢壳结构，可以采用钢壳本体防水，仅在两侧木板挡墙铺设防水布进行防水。这种防水布铺设型式较港珠澳大桥工程简便很多，而且因防水布体积小，铺设面积小，可以减少因防火布本身接槎位置渗漏风险。所以此为研究方向，既可以避开整体铺设时浇筑孔、透气孔、预埋件等的影响，又可以缩减防水布尺寸和铺设面积，减少压舱水箱漏水风险，提高施工效率。剩余需要研究确定的就是铺设在压舱水箱两道相对设置的木挡墙上的防水布型式及其防水交界位置和防水布交界防水密封型式两个关键点，这是整个深中通道沉管压舱水箱防水密封最难攻克的技术难点。

3 防水布结构型式及防水交界位置研究

按照上述压舱水箱内部采用两侧木板挡墙各铺设一面防水布进行防水，沉管侧墙、中隔墙及底板采用沉管钢壳本体防水的方式。结合深中通道沉管钢壳结构以及压舱水箱木板挡墙结构考虑，防水布与木板挡墙接触的位置，与木板挡墙立面的结构尺寸和面积是相同的，即防水布与木板挡墙接触的位置其宽度和高度两个尺寸应按照木板挡墙立面尺寸制作，宽度不小于18.3 m、高度不小于5.2 m，在实际加工制作时应留有富余量，避免防水布受水压开裂。防水布左右及底部边框铺设至木板挡墙与两侧墙壁及底板阴角位置时，其边框边缘应在阴角拐角处继续向沉管两侧墙及底板方向继续延展，延展至两侧墙及底板方向无凸出物体的平整位置作为防水布边框边缘，并作为防水布与压舱水箱两侧墙壁及底板的防水交界。深中通道压舱水箱木板挡墙立面图见图2。

图2 深中通道压舱水箱木板挡墙立面图

为了确保防水交界密封处理位置不受沉管钢壳结构、凸出物体等特殊情况影响，防水布左右及底板边框延展尺寸应设计预留相对多一些的富余量。根据沉管钢壳结构以及压舱水箱内沉管两侧墙壁及底板实际情况特点，深中通道所用防水布在加工制作时在防水布越过阴角位置后再向沉管两侧墙及底板方向加工制作宽1.6 m 的边框，有较多的富余量，以备特殊情况处理。

综上所述，深中通道压舱水箱设计制作的防水布尺寸为：宽18.5 m，高5.25 m，在底板及两侧墙壁预留宽1.6 m 边框。根据深中通道沉管行车廊道钢壳结构型式，靠近沉管侧墙一侧底板有一段为向上倾斜结构，因此在防水布制作时，相应位置做同样倾斜折角，同时为了在水箱顶部钩挂防水布，在防水布顶部每隔0.5 m 设置一个金属挂钩孔。防水布材质选用厚度0.8 mm 的PVC 夹网布，整体型式设计加工成簸箕形状，深中通道压舱水箱防水布具体设计型式见图3。每个压舱水箱设置2 块防水布，为对称式。

图3 深中通道压舱水箱防水布型式尺寸

4 防水布交界防水密封技术研究

研究防水布边框交界防水密封型式时，首先想到可以将防水布边框边缘通过钢制压板紧紧的压在压舱水箱内底板及两侧墙壁上。由于防水布材质一般为PVC 材质，考虑到钢压板不能直接与其接触，否则PVC 防水布被直接接触挤压损坏，因此可以选用和钢压板宽度相同的橡胶材质密封条作为防水布上表面与钢压板之间的保护层，同时防水布下表面与压舱水箱内底板及两侧墙壁接触位置同样为钢制钢壳，且由于焊接制作原因其防水交界位置不一定十分平整，因此在防水布下表面与压舱水箱内底板及两侧墙壁接触位置同样使用一条相同规格的橡胶材质密封条作为防水布下表面与压舱水箱内底板及两侧墙壁之间的密封层，然后在密封层下涂抹密封胶，提高防水密封效果。

为了检验上述防水密封技术型式的可行性，需要模拟压舱水箱灌水试验，进行防水密封试验。根据帕斯卡定律，液体压强计算公式为：P=P0+ρgh。如果不计大气压力P0，只计算液体本身产生的压强，可见，液体压强的大小只取决于液体的种类，即密度ρ 和深度h，而和液体的质量、体积没有直接的关系。所以模拟试验时，可以用铁板焊接制作一个比例缩小的体积为1 m2的方形水箱，方形水箱先保留相对的两面作为可拆卸壁板，其中一面可拆卸壁板模式压舱水箱木板挡墙，用来铺防水布，另外一面相对的可拆卸壁板待防水布安装密封完成后，再和另外四面壁板满焊水密。同时在方形水箱顶面壁板上焊接一根连通水管，参照压舱水箱设计最大储水高度，水管口顶部距离水箱内底高度5m，模拟试验压舱水箱在设计最大水位时防水布承受的液体压强，检验防水布交界防水密封技术的可行性。

试验开始前，准备好螺柱焊钉、橡胶密封条、钢压板、密封胶等材料。首先在方形水箱满焊的4面壁板内侧每隔150 mm 间距焊接一根规格为：M10×50 mm 螺柱焊钉，共焊接4 面，形成一周，且所有螺柱焊钉安装中心线都在一条直线上。先使用一条厚δ10 mm、宽50 mm 的橡胶密封条按螺柱焊钉间距开孔，套在螺柱焊钉上，作为密封层、然后将一块1.5×1.5 m2防水布四周边缘也按照螺柱焊钉间距开孔，套在螺柱焊钉上、再将另外一条厚δ10 mm、宽50 mm 的橡胶密封条按螺柱焊钉间距开孔，套在螺柱焊钉上，作为保护层、最后使用δ10 mm 钢板制作几条长短不一的钢压板，宽度50 mm，在钢压板的中心线上按螺柱焊钉间距开孔，将钢压板套在螺柱焊钉上，最后把螺母拧到螺柱焊钉上压紧。通过这种型式，防水布边框边缘被夹在上下两层橡胶密封条中间，外部通过钢压板压实，螺母和螺柱焊钉拧紧，达到防水密封效果，同时为了提高密封效果，需在下层橡胶密封条和方形水箱内壁之间涂抹密封胶。上述使用橡胶密封条、钢板条、螺柱焊钉的防水密封技术型式如图4 所示。

图4 橡胶密封条、钢压板、螺柱焊钉的防水密封型式

按照上述技术工艺做完防水布防水密封后，将方形水箱可拆卸的这面壁板安装上，其相对的一面壁板与另外四面壁板满焊。然后从方形水箱顶部水管口开始注水，至水液位高度5 m，模拟试验压舱水箱在灌水至设计最大水位时防水布及其防水交界处所承受的压强，压水试验需持续一段时间，检验该种防水密封方案的技术可行性。最终经过多次试验观察，该种防水密封技术防水效果明显，方形水箱在可拆卸壁板四周未发现渗水情况。证明使用焊接螺柱焊钉、橡胶密封条、钢压板、密封胶等材料设计的防水密封技术型式是可行的。

5 沉管压舱水箱防水密封技术应用

深中通道沉管压舱水箱在防水布选用上文第4条的技术工艺进行防水密封，其实际应用效果如图5 所示。

图5 沉管压舱水箱防水密封示意图

同时，在深中通道沉管压舱水箱防水密封施工过程中，需要对防水密封技术方案中选用的材料进行优化改进。

5.1 螺柱焊钉

螺柱焊钉宜选用PD 型螺纹螺柱[3]，焊接时需要针对其规格选用合适的拉弧式螺柱焊机配合相应PF 瓷环进行焊接。该种拉弧式螺柱焊方式焊接比普通手工焊效率高，焊口成型好，焊接牢固强度高，焊接完成后，可使用锚杆拉拔仪抽查焊接质量。

螺柱焊钉在最初实际应用考虑耐海水腐蚀，所以选用规格为M10×50 mm 不锈钢材质焊接螺柱，而沉管钢壳为碳钢材质，因两种材质不同，因此螺柱焊接牢固性较差，螺柱焊钉在钢压板螺母拧紧受力后经常发生焊口断开问题，影响防水密封效果。因此在经过研究试验将螺柱焊钉材质更换为M12×50 mm 的镀锌材质螺柱，既提高了螺柱焊钉的拉力荷载[4]和焊接强度，又加强了防水密封效果。

5.2 橡胶密封条

压舱水箱内部压载水为海水，相对淡水而言腐蚀性强，因此橡胶密封条材质应选用耐海水腐蚀材质。在深中通道工程中，选用的橡胶密封条为丁腈橡胶材质，具有良好的耐水性、耐热性、气密性及优良的粘结性能，适合作为防水密封。同时需要注意的是，在压舱水箱作为防水布下层的密封层时，其加工制作长度需要按照压舱水箱木板挡墙整个防水交界的长度确定，中间确保无断开点，减少防水密封渗水风险，如深中通道压舱水箱防水交界长度包含沉管两侧墙壁高度5.2 m 和整面木板挡墙的宽度18.3 m；而橡胶密封条的厚度也不能太薄，由于深中通道沉管为钢制结构，其底部和壁板均为钢板拼装焊接而成，其平整度有一定误差，如果橡胶密封条规格选择太薄，当钢板平整度不良，遇到凹凸不平位置时，钢压板无法将橡胶密封条压实，导致防水密封失效。因此深中通道工程中每条橡胶密封条规格均选用厚10 mm、长30 m、宽50 mm 中间无断点的整根胶条。

5.3 钢压板

钢压板加工制作需要根据沉管钢壳结构确定，深中通道工程压舱水箱钢压板共分为两种类型，一种是用于沉管墙壁或底板平整面位置的平直钢压板，另一种是沉管墙壁与底板形成的墙角位置以及沉管底板钢壳折弯处位置的拐角压板。平直钢压板分段制作，主要使用规格为长1 000 mm、宽50 mm、厚10 mm 的钢板条，其它尺寸根据防水交界长度适当调整。平直钢压板型式见图6 所示；拐角压板按照墙角实际角度或沉管底板钢壳实际折弯角度加工制作，深中通道压舱水箱共加工制作拐角压板分为90º、109º、161º三种，其型式见图7 所示。所有压板制作时，需要注意的是，钢压板中心线上的螺栓孔应加工成长条孔，直径应大于螺柱焊钉直径，方便钢压板套在螺柱焊钉上安装。

图6 平直钢压板型式

图7 拐角钢压板型式

5.4 防水布铺设

因沉管内墙壁预埋件、孔洞室、底板浇筑孔、透气孔较多。当防水布左右两侧边框和底部边框与其无法避让时，需要对墙壁孔洞室进行封堵，凸出物体则需要使用材料垫平。深中通道工程中对较大孔洞使用钢板焊接封堵，避免防水布受到水的压强挤压。而凸出物体根据反复试验，最终选用厚度为100 mm 的EPE 珍珠棉板铺设垫平。EPE 珍珠棉板与普通的泡沫板比较，其承压大、不易燃，不易碎。当压舱水箱内注水后，水的压力传递到珍珠棉板上后，其变形量小，适合进行预埋件和浇注孔、透气孔的防护，同时现场裁剪切割方便。铺设EPE 珍珠棉板时仅需用胶粘在沉管相应墙壁和底板位置即可。深中通道压舱水箱EPE 珍珠棉板铺设效果见图8 所示。