综合管廊变形缝综合防渗技术的研究及工程应用

张剑峰，陈世伟，狄昊，程铠，周紫晨

（1.中冶武汉冶金建筑研究院有限公司，湖北 武汉 430000；2.中国一冶集团有限公司天津分公司，天津 300300）

我国建设管廊大多采用明挖法施工，管廊主体多为现浇混凝土[1]。考虑现浇混凝土干缩、内外温度不同导致的拉裂缝的特点以及协调地基变形（由于地基土质不均），必须在间隔一定的长度设置变形缝以协调变形[2]，减少混凝土的开裂。而管廊属于地下工程，其防水等级为二级，不允许出现漏水现象，一旦出现渗漏水，将会直接影响管廊的安全运营，造成严重的影响。主体结构可以依靠结构自防水和防水卷材进行双重防水，而变形缝处只能完全依靠防水材料进行防水[3-4]。

变形缝内设置钢边橡胶止水带、外侧外包防水卷材进行防水处理[5-6]。而因为操作工不熟练、施工管理人员监管不到位、混凝土质量不达标、混凝土振捣不密实、钢边橡胶止水带在施工过程中出现偏移等原因导致变形缝处十缝九漏。

本文依托天津市北辰东道综合管廊建设项目，通过实验室研究、方案设计与工程应用相结合的方式，探讨更为理想的管廊变形缝防水方法，以改善变形缝处目前存在的漏水难题。

1 工程概况

本项目位于天津市北辰区北辰东道，综合管廊西起辰环路，东至津围公路，主线全长约4.72 km，采用三舱断面，分别为电力舱、综合舱及热力舱，电力舱净尺寸为B×H=2.6 m×3.3 m，综合舱净尺寸为B×H=3.6 m×3.3 m，热力舱净尺寸为B×H=5.2 m×3.3 m，采用三孔钢筋混凝土闭合框架结构，主体结构混凝土的抗渗等级为P8，地下管廊防水等级为二级。综合管廊标准段每隔30 m设置1道30 mm变形缝。在管廊结构迎水面变形缝外侧设外贴式橡胶止水带。结构中部设中埋式钢边橡胶止水带，再加上该部位钢筋密集、预埋件繁多，此处施工工序复杂，难度大，防水要求高。因此应该重点研究变形缝处的防水性能、质量控制措施及施工技术。

本研究的内容主要包括抗裂防水混凝土的研制、新型钢边橡胶止水带的设计与应用、变形缝施工质量控制等，并且结合具体工程进行了示范应用，取得了良好的使用效果。

2 试验与设计

2.1 原材料

水泥：唐山灯塔P·O42.5水泥，28 d抗折、抗压强度分别为7.5、45.4 MPa；粉煤灰：杨柳青热电厂Ⅱ级灰，氯离子含量为0.024%，碱含量为0.54%，烧失量为5.72%，45 μm筛筛余17.1%；矿粉：碱含量0.52%，氯离子含量0.24%，28 d活性指数98%；硫酸钙晶须：密度2.69 g/cm3，抗张强度20.5 GPa，抗张模量178 GPa，直径4～10 μm，长度50～200 μm；粗骨料：4.75~26.5 mm连续级配的遵化碎石，含泥量0.8%，泥块含量0.2%，碱-集料反应膨胀率0.06%；细骨料：遵化河砂，细度模数2.7，含泥量2.4%，泥块含量0.9%，氯离子含量0.01%，碱-硅酸反应膨胀率0.05%；聚羧酸高性能减水剂：天津君合，JH-1型，氯离子含量0.07%，碱含量6.43 kg/m3，密度1.037 g/cm3，pH值5.61；碎石、河砂的颗粒级配曲线分别如图1、图2所示。

图1 碎石的颗粒级配曲线

图2 河砂的颗粒级配曲线

2.2 试验方法

（1）根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》设计混凝土的基础配合比，通过试验结果对基础配合比进行调整得到试验配合比，得到防渗等级为P8的C40混凝土，初始坍落度为（200±20）mm。。

（2）力学性能：按照GB/T 50081—2019《混凝土力学性能试验方法标准》对试件成型、养护及性能进行测试。

（3）工作性能：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，测试其坍落度和扩展度来表征混凝土的工作性能。

（4）耐久性能：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试其抗碳化性能、抗氯离子渗透性能；按照CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》测试其塑性收缩开裂性能。

2.3 设计过程

2.3.1 混凝土配合比设计

依据试验结果进行调整后，确定混凝土配合比见表1。

表1 混凝土试验配合比 kg/m3

2.3.2 钢边橡胶止水带设计

分析认为，旧式钢边橡胶止水带防水效果不佳的主要原因有：（1）止水带宽幅一般在350 mm左右，尺寸偏小，钢边与混凝土的结合面积偏小，防水通道偏短。（2）镀锌钢边表面光滑，与混凝土的结合能偏小，止水定的固定能力弱。（3）止水带橡胶部分变形能力弱，容易被撕裂。（4）安装不规范，施工随意性大。

针对以上实际存在的原因，经过充分的论证与优化设计，新型防移位钢边橡胶止水带设计为如下样式：（1）宽度约400 mm，中间橡胶部分宽度约260 mm，中间最大厚度约40 mm，变形部分采用内圆外方的形式，便于安装定位且有利于提升变形性能与抗撕裂性能。（2）橡胶部分两边分设数道约3 mm×3 mm的凸条以增加橡胶与混凝土的结合强度。（3）钢边等距开孔，孔径15~20 mm，所开圆孔用于安装时与管廊结构钢筋连接，并且可以作为止水带下部混凝土是否振捣密实的观察孔，更为重要的是通过圆孔硬化后的混凝土相当于铆钉，将止水带紧紧地固定，避免了止水带的移位和拔出。（4）采用变形性能更强的熟胶，以提升抗撕裂性能。新旧2种钢边橡胶止水带实物如图3、图4所示。

图3 旧式止水带局部

图4 新型钢边橡胶止水带

3 试验结果与分析

3.1 胶材体系对混凝土工作性能和力学性能的影响（见表2）

表2 胶材体系对混凝土工作性能和力学性能的影响

由表2可以看出：（1）按照强度富余系数1.15计算，YY-04与YY-05的28 d抗压强度已不符合设计要求，其中YY-05的28 d抗压强度为37.6 MPa，已低于设计强度40 MPa，说明过多的矿物掺合料严重影响了混凝土的强度，实际工程不宜采用。（2）与YY-01相比，YY-02增多了粉煤灰用量，减少了矿粉用量，其7 d抗压强度略低，28 d抗压强度略高，坍落度略高；与YY-02相比，YY-03进一步减少了20 kg/m3水泥，两者28 d抗压强度基本持平，表现出较好的后期强度发展能力。（3）通过对比，适当减少水泥用量，适当增加粉煤灰用量，不会降低混凝土的28 d抗压强度，同时水泥用量的减少和粉煤灰用量的增加有利于降低混凝土的水化热，提升其抗裂性能，故此次对比试验优选的配合比为YY-03。

3.2 砂率对混凝土工作性能和力学性能的影响（见表3）

表3 砂率对混凝土工作性能和力学性能的影响

由表3可以看出：（1）随着砂率从42%降至38%，混凝土的坍落度和28 d抗压强度均出现先提升后降低的趋势，其中以40%砂率的YY-07坍落度和28 d抗压强度最高，分别为200 mm、49.9 MPa。（2）YY-03、YY-06、YY-07的坍落度和各龄期抗压强度均满足设计要求。但过高的砂率导致混凝土收缩率变大，在满足设计要求的前提下，优先选取较小的砂率，故此次对比试验优选的配合比为YY-07。

3.3 混凝土耐久性

根据试验结果，最终确定用于施工的优化配合比为YY-07，对该配比进行电通量、抗碳化、早期塑性收缩开裂试验，结果如表4所示。综合可知，该混凝土抗碳化、抗氯离子渗透、抗塑性收缩开裂性能优异，具有良好的耐久性。

表4 优化配合比YY-07混凝土的耐久性能

4 工程应用

经过水泥混凝土的实验室研究，并且按照设计要求加工了新型钢边橡胶止水带后，在天津北辰管廊项目进行了实际使用。按照设计方案，分别对止水带的安装质量和混凝土的施工质量进行了现场指导与控制。

止水带安装质量控制重点为：（1）止水带呈15°~20°的V字型与变形缝对中布置，模板固定在中间凸起方形部位；（2）钢筋弯钩钩住钢边开孔后与结构筋焊接，将止水带与钢筋网连成整体，焊接间距约500 mm；（3）止水带在转角处应按≥200 mm的圆弧半径转弯，并保持止水带平整。

按照优选配合比进行混凝土拌制后运输至施工现场进行了试验段的浇筑，测得的混凝土坍落度为200 mm，7、28 d抗压强度分别为38.4、49.2 MPa，完全满足设计强度要求。变形缝处混凝土的浇筑控制重点为：（1）沿变形缝横向浇筑，优先保证伸变形处混凝土浇筑的连续性。（2）先浇筑止水带下半部分，浇筑厚度约300mm，在距离止水带边距约200 mm处进行振捣，直至钢边孔全部冒浆为止。（3）然后浇筑上半部分混凝土，振捣时振动棒要插入下层混凝土0~100 mm，以混凝土不再沉落、不出现气泡为止。如图5～图7所示。

图5 止水带安装效果好

图6 振捣密实圆孔冒浆

图7 止水带居中效果好

止水带安装完后90 d左右，管廊主体施工完毕且泥土回填，在经历约7 d的暴雨后对新、旧钢边橡胶止水带安装的管廊变形缝的防水效果进行了检查，如图8、图9所示。

图8 旧体系变形缝处渗水严重

图9 新体系变形缝处未渗水

从图8、图9可以看出：采用优选混凝土、新型钢边橡胶止水带且进行规范操作的变形缝处没有漏水，防渗效果良好，综合防渗体系明显提高了综合管廊变形缝处的抗渗性能。

5 结论

（1）本研究混凝土的最佳配合比为m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（矿粉）∶m（水）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（晶须）∶m（减水剂）=1∶0.2∶0.1∶0.54∶2.41∶3.62∶0.02∶0.026。试验室检测与现场留样检测的结果表明，该配合比的混凝土具有良好的泵送施工性能，较高的早期强度和较大的长期强度发展；同时，其抗氯离子渗透性、抗碳化性能优异，抗塑形收缩开裂性能良好。

（2）新型钢边橡胶止水带设计极为合理，钢边圆孔既保证了安装和使用过程中止水带的位置固定，同时也保证了止水带下部混凝土的充分密实，从而堵塞了下部渗水通道，确保变形缝处防水性能。

（3）本研究的综合体系基本解决了变形缝处渗水频繁、严重的行业难题，达到了基本不漏水的目标，为后续类似项目提供了切实可靠的操作方法，具有十分重要的工程应用实践意义。同时，减少变形缝处漏水，也进一步大幅减少了综合管廊的维护成本和运营成本，在示范工程中的应用表现出了良好的社会效益和经济效益。