外環隧道水下最終接頭混凝土接縫防水設計與施工
發布時間：2010-10-26
作者：ccy
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概要：
上海市外環隧道作為亞洲規模最大的沉管式城市公路隧道，區別于國內其他沉管隧道最顯著的特點之一就是沉管的最終接頭并不在管節與管節或管節與岸邊段之間，而是將江中一節沉管一分為二，人為地在此管節當中設置一道鋼筋混凝土后澆帶，并在所有管節沉放結束后，將此后澆帶作為隧道最終接頭，如圖1所示。
上海市外環隧道作為亞洲規模最大的沉管式城市公路隧道，區別于國內其他沉管隧道最顯著的特點之一就是沉管的最終接頭并不在管節與管節或管節與岸邊段之間，而是將江中一節沉管一分為二，人為地在此管節當中設置一道鋼筋混凝土后澆帶，并在所有管節沉放結束后，將此后澆帶作為隧道最終接頭，如圖1所示。區別于其它地下結構的后澆帶的是，本隧道最終接頭是在管節沉放結束之后于江中水下最后澆筑，因而這條后澆帶兩側的施工縫防水也就成為隧道的防水重點之一。
關鍵詞：
一、 前言 上海市外環隧道作為亞洲規模最大的沉管式城市公路隧道，區別于國內其他沉管隧道最顯著的特點之一就是沉管的最終接頭并不在管節與管節或管節與岸邊段之間，而是將江中一節沉管一分為二，人為地在此管節當中設置一道鋼筋混凝土后澆帶，并在所有管節沉放結束后，將此后澆帶作為隧道最終接頭，如圖1所示。區別于其它地下結構的后澆帶的是，本隧道最終接頭是在管節沉放結束之后于江中水下最后澆筑，因而這條后澆帶兩側的施工縫防水也就成為隧道的防水重點之一。
二、 一般后澆帶施工縫防水設計 后澆帶作為協調結構變形的一種手段，長期以來在一些大規模的鋼筋混凝土結構中被時常采用，但由于一道后澆帶必然產生兩條施工縫，對于地下結構而言，就必須在施工縫處采取相應的防水措施。現在隨著我國土建技術的不斷發展，對于后澆帶施工縫的防水設計與施工已經積累了大量的成功經驗。如圖2所示，為幾種目前常用的后澆帶施工縫的防水措施。這些防水措施歸納起來就是采用中埋式止水帶（條）或外貼式止水帶，及在施工縫界面上涂刷防水涂料或界面劑等。 二、 最終接頭施工縫防水設計方案比選 由于外環隧道最終接頭施工的特殊性，中埋式或外貼式止水帶是不可能使用的。因此，最終接頭施工縫設計只能在施工縫的界面上想辦法。參考國外同類型隧道混凝土接縫防水及國內地下結構特殊接縫防水的設計經驗，決定采用目前在國際上較為先進的可全斷面出漿的注漿管，最初的設計方案如圖3所示。在圖3位置a所示的是目前鋼筋混凝土接縫防水設計采用較多的一種，它處于結構斷面的中間，在注漿過程中，漿液可以注至斷面的大部分，且不容易擊穿混凝土，造成跑漏漿。圖3位置b所示的注漿管埋設位置是純粹的防水措施，由于注漿管離結構內側距離較近，注漿管在綁扎鋼筋和澆筑混凝土的過程中易于保護，且注漿導管較短，從而使注漿總路程較短，注漿質量容易掌控，因此從防水角度而言，這個設置位置從純防水角度來講效果應是較為理想的。圖3位置c所示，注漿管的埋設位置是較為接近現代防水理念的，由于位置靠近結構外側，在注漿結束后漿液封堵后，結構受保護的范圍最大，這種防水措施既考慮到單純的結構防水，又提高了結構的整體耐久性，而這一點是上述兩種（特別是b位置）所容易忽視的。但是由于管節已沉入江中，最終接頭外側雖有鋼模板作為保護，但在混凝土澆筑結束之后，其外部環境已無法掌握，所以一旦在注漿壓力的作用下，漿液擊穿混凝土，向管節外側跑漏漿，將會給實際施工帶來不小的麻煩。 考慮到管節混凝土結構的耐久性和接縫防水的要求，綜合上述3種方案的各自特點以及結構構造特點，最終選擇如圖4所示的設計方案，即在靠近管節外側設置注漿管，附加的在注漿管外側再設置一道遇水膨脹止水條，此道止水條既能起到接縫的初期防水作用，又能阻止在注漿過程中漿液不會在注漿壓力作用下朝管節外側跑漏漿，從而完善了圖3中位置c的防水方案。
三、 最終接頭施工縫防水材料比選 在本接縫防水設計過程中，之所以采用可全斷面出漿的注漿管，是由于其特殊結構所決定的。如圖5所示，?為鋼絲加強線圈，它可以防止注漿管在混凝土澆筑過程中遭受擠壓凹陷，致使注漿通路中斷。?為非織物濾膜，這層非織物濾膜是注漿管的關鍵，它利用了水泥顆粒與注漿漿液的顆粒粒徑差，可以阻止水泥顆粒的侵入，又可以使注漿漿液輕易地滲出，起到半透膜的作用，較好地解決了注漿管在施工過程中被堵塞的問題。? 為外層合成保護膜，它主要起到保護內層非織物濾膜的作用，可以避免混凝土中粗骨料對內層非織物濾膜的破壞。同時這層保護膜中非織物濾膜物質，在注漿壓力的作用下象閥門一樣使注漿漿液沿整條注漿管均勻滲出，以填充混凝土中的縫隙。如上所述，可全斷面出漿的注漿管由其特殊的構造形式使其具有其他傳統注漿管所不具備的優點，只有這種注漿管才能適合外環隧道這種特殊的大型永久性的地下結構的防水及耐久性要求。 與注漿管相匹配的注漿漿液的選擇也是此接縫防水的關鍵。本隧道混凝土最終接頭處作為沉管管節的一部分，我們希望這部分后澆混凝土與兩側管節連接緊密，最好溶為一體，因此在此處以既能滿足防水要求，又能加強結構強度的漿液為最理想的選擇。 目前國內用于接縫防水的化學漿液主要以聚氨酯類為主，聚氨酯漿液又可分為油溶性和水溶性兩類，它們都具有良好的防水抗滲作用。水溶性聚氨酯漿液更適合用于滲漏量較小、且小環境內水量充足的滲漏縫隙；油溶性漿液由于其固化發泡的時間可現場調配，故它受小環境滲漏量的影響較小，可以封堵滲漏水量較大的縫隙。兩種類型的聚氨酯漿液在固化發泡之后均具有一定的柔性，可以在一定范圍內適應結構的變形，當然它們對結構強度毫無幫助。所以聚氨酯類漿液多用于結構變形縫或結構變形尚未穩定的滲漏處。因而聚氨酯類漿液并不適合于本隧道最終接頭接縫。 環氧漿液是一種具有對混凝土結構補強作用的材料，但目前國內的環氧漿液大多為憎水性，在潮濕環境下使用并不理想。而由比利時的de neef公司進口的親水性環氧漿液正好填補了這一空白，其物理技術性能指標詳見表1。表2所示為憎水性環氧漿液的物理技術指標，兩表比較后可知，憎水性環氧的強度與親水 表1：親水性環氧樹脂漿液技術性能指標： 物理性能 重量混合比（A/B） 100/30 適用時間（100g，25℃） 80min 粘度： A組份（25℃） 125+25CPS B組份（25℃） 25+5CPS 固含量 100% 對混凝土的粘接強度 （7天后，25℃） 干混凝土： ＞6Mpa 濕混凝土： ＞3.5MPa 抗壓強度（7天后，20℃） ＞80MPa 表2：環氧糠酮漿液技術性能指標： 項目 性能 粘度（Pa·s） 固化時間（h） 抗壓強度（MPa） 抗拉強度（MPa） 與混凝土粘接強度（MPa）干粘 與混凝土粘接強度（MPa）濕粘 (10~20)×10-3 24~48 50~80 8~16 1.9~2.8 1.0~2.0 性環氧的強度相當，但是親水性環氧與混凝土的粘接強度明顯高于憎水性環氧。最終混凝土接頭接縫的環境較為潮濕，綜合防水及結構強度的要求，親水性環氧漿液成為隧道的首選。
四、 最終接頭施工縫防水施工 最終接頭施工縫防水施工首先就是安裝固定注漿管和遇水膨脹止水條。注漿管及遇水膨脹止水條的具體固定方法如圖6、7所示，在固定過程中要使止水材料與混凝土基面保持密貼，謹防有空鼓現象。由于這一工作是在混凝土基面已經鑿毛、沖洗干凈并且完成結構鋼筋綁扎之后進行的，所以其工作還是有一定的難度的。 在整道隧道最終接頭混凝土澆筑完畢并達到設計強度要求之后，即進行注漿施工。本次注漿施工采用“高壓快漿”的形式。所謂“高壓快漿”就是漿液由注漿管注入，從出漿管出漿后即將出漿管綁扎封閉，然后繼續與注漿管加壓注漿，漿液在壓力的作用下，憑借其低粘度的特性，迅速滲入混凝土縫隙，壓力加至10MPa后，便保持衡壓2分鐘，此時觀察進漿量，如果漿液不再注入或注入少量，即可認為此段注漿達到要求，結束注漿。漿液在滲入混凝土后會固化，由表1可知，漿液的含固量為100%，也就是說漿液在固化后幾乎不會有收縮，并且不會受潮濕環境的影響，依然能夠與混凝土基面粘接。
五、 最終接頭接縫防水設計與施工小結 采用全斷面出漿注漿管及親水性環氧漿液與遇水膨脹止水條組合使用，用于沉管隧道主體結構的關鍵接縫的防水設計在國內尚屬首次。外環隧道已于2003年6月通車，從目前運行情況來看，水下最終接頭混凝土接縫防水效果良好。 在注漿管注漿過程中，底板、頂板及側墻平直段每延米注漿管的注漿量基本一致，這說明最終接頭混凝土澆搗得還是十分密實的，注漿未發生跑漏漿的異常情況，僅在底板至側墻的轉角處漿液用量稍多，分析認為轉角混凝土澆筑難度大于平直段，同時轉角混凝土厚度也大于平直段，所以注漿量偏多并不屬于異常情況。 親水性環氧漿液為雙組分，在現場配置，配置的比例及一次配置量應根據設計要求及施工速度設定。配置比例不當會導致漿液固化后的強度不夠等質量問題；一次配置量過多，施工速度跟不上，漿液會提前固化造成浪費。 在注漿初期，由于施工經驗不足，在加壓過程中曾發生PVC導管爆裂和PVC導管與注漿金屬管（連接注漿泵）脫落等情況，通過對注漿金屬導管加長，加強PVC導管與金屬導管的綁扎等措施解決了這一問題，這一情況值得在今后的注漿施工中注意。 通過外環隧道最終接頭混凝土接縫防水的設計與施工的實踐，我們充分認識到全斷面出漿的注漿管及親水性環氧是一種性能優良的防水材料。在結構中預埋注漿管并與遇水膨脹止水條組合使用，對于解決無法預埋中埋式止水帶的剛性施工縫防水問題，作了一次成功的嘗試，對今后的地下結構工程的防水有參考價值。
