明挖法地下装配式结构接缝防水技术探讨

黄明利 ,  杨泽 ,  谭忠盛 ,  王文正

中国工程科学 ›› 2017, Vol. 19 ›› Issue (6) : 131 -139.

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中国工程科学 ›› 2017, Vol. 19 ›› Issue (6) : 131 -139. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2017.06.019
专题研究

明挖法地下装配式结构接缝防水技术探讨

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Waterproofing Technology for Underground Fabricated Structure Joints Based on the Open Cut Method

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摘要

装配式结构与传统的现浇结构相比具有节能、环保、节省模具、工期较短等特点，已在地上建筑中获得了飞速发展。由于地下环境复杂，地下装配式结构接头部位的防水处理成为难题，因此，地下装配式结构近几年在我国才刚刚起步。本文在分析地下装配式结构的接头形式和防水技术现状的基础上，提出了应用环氧灌浆料对预制装配式结构接头进行灌封，通过试验研究了环氧灌浆料本身及其黏接混凝土的力学性能。同时还针对明挖法修建的技术特点，介绍了基坑肥槽预拌固化土回填技术，阐述了预拌固化土对地下工程结构防水的作用，研究成果可供类似工程参考。

Abstract

Compared with traditional cast-in-place structures, fabricated structures have the characteristics of saving energy, protecting the environment, eliminating mold, and short construction times. Fabricated structures have been developed rapidly in above-ground buildings. However, the use of underground fabricated structures in China has only recently begun. Owing to the complexity of the underground environment, waterproofing underground fabricated structure joints remains a problem. In this paper, based on an analysis of the joints of an underground fabricated building and of the current state of waterproofing technology, we propose the use of an epoxy grouting material, which is used to pot the prefabricated structure joint, and study the mechanical properties of the epoxy grouting material and its bonded concrete. At the same time, we introduce backfilling technology for prefabricated solidified soil in the foundation pit, and expound the effect of the prefabricated solidified soil on the waterproofing of the underground engineering structures. The research results are good references for similar engineering projects.

关键词

预制装配式结构 / 地下结构接缝 / 环氧灌浆料 / 预拌固化土 / 防水技术

Key words

预制装配式结构 / 地下结构接缝 / 环氧灌浆料 / 预拌固化土 / 防水技术 / prefabricated structures / underground structure joint / epoxy grouting material / prefabricated solidified soil / waterproofing technology

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黄明利,杨泽,谭忠盛,王文正. 明挖法地下装配式结构接缝防水技术探讨[J]. 中国工程科学, 2017, 19(6): 131-139 DOI:10.15302/J-SSCAE-2017.06.019

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一、前言

随着我国城市化进程的不断加速，城市用地 紧张以及路面交通拥堵等问题越来越突出，大力 发展和利用城市地下空间是解决以上问题的有效 途径。与此同时，伴随着建筑工业化的兴起，预 制装配式结构的应用前景也变得越来越好，预制 装配式结构是以预制构件为主要受力构件，经过 装配连接而成的混凝土结构。与传统的现浇建筑 相比，预制装配式建筑有很多优势，采用预制装 配式建筑不仅节能、环保，而且工期短、成本低。 我国地上装配式结构已经获得了飞速的发展，但 是地下装配式结构才刚刚起步。结构接头是预制 装配式结构的薄弱部位，地上装配式结构在结构 接头处仅需要解决连接强度的问题；地下装配式 结构在接头处不仅需要解决连接强度的问题，而 且还需要保证接头处的防水性能。

二、地下装配式结构的接头形式

为了解决地下装配式结构的防水问题，首先需 要对现有的装配式结构接头形式进行了解，地下装 配式结构宜采用预应力连接、机械连接、焊接连接， 榫槽式连接或承插式连接 [1]。

预应力连接是对预留的钢筋或者钢丝进行预 应力张拉，然后再将物件连接起来的连接方式 [2]。 预应力连接节点耗能较小，并且残余变形、损伤以 及强度损失也较小。预应力连接在施工现场不再使 用后浇混凝土，转而采用新型的预应力筋直接进行 构件的拼装。

机械连接是将接头部位预留的孔洞或预埋的螺 母用螺栓连接，机械连接方便快捷，但是普通的螺 栓连接也存在很多问题，如在长期动荷载作用下螺 栓容易松动，螺栓孔径及孔位易出现偏差，螺栓孔 的存在会削弱构件截面的力学性能，接头的维修及 更换不便等。 预应力连接和机械连接均不能保证结 构的整体稳定性和防水效果。

焊接连接指的是用砂浆或混凝土做保护层将构 件接头部位预埋的钢板或者型钢用锚固铁件焊接， 高温的作用会使钢材材质变脆，同时焊接过程中产 生的残余应力会使结构发生脆性破坏，这些因素都 会影响结构的机械性能；但是焊接连接也有其优 点，如无需进行现场湿作业、节省养护时间、缩 短工期等。

榫槽式连接能够有效地提高接头部位抵抗弯 矩的能力，而且这种连接方式变形量小，连接部 位整体性能优越（见图 1）。 焊接连接和榫槽式连 接虽然整体稳定性和防水效果都能保证，但用这 两种方法连接的接缝处都要用无机材料灌注，无 机材料凝结硬化受温度限制，在低温地区不适用， 且其黏接强度不高 [3]。

图 2 承插式连接

三、地下装配式结构的防水技术

预制装配式结构在装配过程中会产生大量的拼 装接缝 [4]，这些接缝的存在既影响了结构的整体 稳定性，同时也给结构的防水性能带来了隐患。如 果接缝处处理不当，未能在接缝处形成可靠的防水 保护层，将有可能导致工程事故。目前，现浇混凝 土施工常用的防水材料并不能满足地下装配式结构 接缝处理的施工要求。预制装配式结构在装配过程中会产生大量的拼 装接缝 [4]，这些接缝的存在既影响了结构的整体 稳定性，同时也给结构的防水性能带来了隐患。如 果接缝处处理不当，未能在接缝处形成可靠的防水 保护层，将有可能导致工程事故。目前，现浇混凝 土施工常用的防水材料并不能满足地下装配式结构 接缝处理的施工要求。

预制装配式地下建筑的防水技术有预制混凝土 箱涵和叠合板式混凝土结构体系两种 [5]。预制混 凝土箱涵主要在城市的地下综合管廊中应用较多； 叠合板式混凝土结构体系防水包括外贴防水构造、 普通防水构造和局部增强防水构造。

（一）预制混凝土箱涵

预制混凝土箱涵是一种箱型构筑物，采用钢筋 混凝土制成，有施工快的特点，非常适合用于地下 工程的施工。预制混凝土箱涵的连接方式主要分为 带纵向锁紧装置连接和无约束锁紧装置连接两类， 相邻的箱涵间往往采用遇水膨胀橡胶圈或者密封橡 胶圈等进行防水处理，如图 3 所示。

图 6 局部增强防水构造 [5]

四、环氧灌浆料的力学特性研究

在分析地下装配式建筑的接头形式和防水技术 现状的基础上，本文提出了应用环氧灌浆料对预制 装配式结构的接头进行灌封的方法，通过试验研究 环氧灌浆料本身及其黏接混凝土的力学性能，来验 证环氧灌浆料在预制装配式结构中的适用性。

（一）灌浆料选型研究

环氧灌浆料由注浆材料改性而来，注浆材料可 分为非化学浆和化学浆两大类，由于非化学浆如水 泥浆和黏土浆等黏接混凝土后的黏接强度较低，不 适合在本项目中应用；而如果采用改性水泥基材 料，则有必要进行前期试验，研究其是否适用于本 工程。

水泥基材料造价低廉，可以大大降低工程造价。 改性水泥浆主要存在如下缺点：①水泥浆液容易产 生离析，灌注过程中容易产生结块而堵塞管道；② 水泥浆液黏接混凝土的抗剪强度大概为混凝土抗剪 强度的 1/3，黏接抗剪强度不足；③水泥浆液黏接 混凝土的抗拉强度远小于混凝土的抗拉强度，黏接 抗拉强度不足。 所以，水泥浆液不适合应用在本工 程中。

化学注浆材料的主要类型和性能如表 1 所示， 由表 1 可知，水玻璃、丙烯酰胺类、脲醛树脂类、 木质素类、聚氨酯类注浆材料的单轴抗压强度均可 能小于 C50（50 MPa）混凝土的单轴抗压强度，因 此不宜在本项目中使用，丙烯酸酯盐类由于其比重 为 0.94 左右，黏度仅为水的 2/3，加入骨料后很容 易产生沉淀，不宜进行添加骨料的改性，所以也不 适合应用在本项目中，下面对环氧树脂类浆液进行 改良研究。

表 1 化学注浆材料的主要类型和性能一览表

本试验中的环氧树脂基液采用 JGN-G 型低温 灌注建筑结构胶。由于纯环氧树脂具有收缩大、 压缩弹性模量小、造价高等缺点，因此可通过添 加石英粉改良环氧树脂浆液的配方，并进行物理、 力学和可注性试验，以确定环氧树脂的最优配方。

通过大量的室内试验确定了在不同的浆料配比 情况下改性环氧树脂的物理、力学性能。 物理性能 指标主要包括：密度、黏度、固化时间、收缩性、 渗透性等；力学性能指标主要包括：抗压强度与弹 性模量、混凝土剪切强度、混凝土正拉黏结强度等。

（二）试验介绍

通过设计黏接抗剪试验和黏接抗拉试验，研 究环氧灌浆料本身及其黏接混凝土在不同石英粉掺 量和掺入不同粒径石英粉时的力学性能，试验采 用的基液为环氧树脂，掺入的石英粉粒径分别为 16.71 μm、18.49 μm、21 μm、26.26 μm、34.24 μm， 环氧树脂量与石英粉掺量的比值分别为 1:0、1:0.2、 1:0.3、1:0.4、1:0.5、1:0.6、1:0.8、1:1，试验温度 设置为 13~14℃。

黏接抗剪强度的测定如图 7 所示，试验加载采 用力控，加载速度为 0.2 kN/s；黏接抗拉强度的测 定采用两块 100 mm×100 mm×100 mm 的 C50 混 凝土试块黏接而成，试验加载采用位移控制，加载 速度为 2 mm/min（见图 8）。

图 7 黏接抗剪强度试件图

图 8 黏接抗拉强度试件图

同时为研究环氧灌浆料在预制装配式结构中的 适用性，我们以榫槽式接头为例，设计了榫槽式接 头足尺试验。足尺试验加载简图如图 9 所示，试验 对榫槽式接头进行了简化，试验试件由分别带有榫 和槽的两个长方体钢筋混凝土块组成，中间榫槽处 预留 5 mm 灌注环氧灌浆料。试验由千斤顶在试件 一端施加轴力用于模拟覆土荷载，榫槽处弯矩由与 榫槽等距离的两个大小相等的力来施加，试验加载 采用力控。

图 9 足尺试验加载简图

（三）试验结果及分析

不同石英粉掺量条件下环氧灌浆料本身的抗 压强度如图 10 所示。从图 10 可以看出，环氧灌浆料的抗压强度均能超过 C50 混凝土的抗压强 度（50 MPa），环氧树脂量与石英粉掺量的比值为 1:0.6~1:0.8 时，抗压强度增长缓慢，此时抗压强度 已接近最大值，石英粉掺量不同时，环氧灌浆料本 身弹性模量的试验结果如图 11 所示。

图 10 石英粉掺量对抗压强度的影响曲线

图 11 石英粉掺量对弹性模量的影响曲线

由图 11 可以看出，环氧灌浆料的弹性模量随 着石英粉添加量的增加先逐渐增加，后逐渐减小， 在 1: 0.5~1: 0.7 区间接近最大值。石英粉的弹性模 量比环氧树脂的弹性模量大很多，所以在加入石英 粉后，能够很好地提高环氧树脂的弹性模量。在加 入一定量的石英粉填料后，石英粉能与环氧树脂界 面很好地结合，从而抵制了环氧树脂裂纹的扩展， 超过这一范围，石英粉的作用变小 [6]。 石英粉掺 量不同时，环氧灌浆料黏接混凝土的抗剪强度如 图 12 所示。

从图 12 可知，当环氧树脂量与石英粉掺量的 比值小于 1:0.5 时，抗剪强度随着石英粉掺量的增 加而增大；当比值为 1∶0.5 时，抗剪强度达到最大 值 18 MPa，比纯环氧树脂（11.2 MPa）的抗剪强度 提高了 60.7 %；当比值大于 1∶0.5 时，抗剪强度逐 步下降。这是由于石英粉掺量较少时，石英粉颗粒 均匀地分布在环氧树脂的基体中，这时石英粉填料 有利于降低胶黏剂体系的收缩作用，从而降低胶黏 剂固化过程中的残余应力 [7]，增加石英粉掺量会 使得环氧树脂的抗剪性能提高，但是在石英粉掺量 超过一定值时，石英粉填料产生的应力场由于相互 交叠作用会导致胶黏剂的黏接性能和抗剪性能下降 [8]。当石英粉粒径不同时，环氧灌浆料黏接混凝土 的抗剪强度如图 13 所示。

图 12 石英粉掺量对抗剪强度的影响曲线

从图 13 可知，随着石英粉粒径（D50）的增 大，环氧灌浆料粘接混凝土的抗剪强度先逐渐增大， 在石英粉粒径（D50）为 21 μm 时达到最大值 24 MPa，之后逐渐减小。这是因为当石英粉粒径（D50） 不超过 21 μm 时，在环氧灌浆料灌入试件后，随着石英粉粒径（D50）的增大，与混凝土接触的石英 粉总面积减小，这使得更多的环氧树脂可以渗入混 凝土内部，增大抗剪强度，同时环氧树脂本身与混 凝土接触面的增大也会增大抗剪强度。 当石英粉粒 径（D50）超过 21 μm 时，在环氧灌浆料固化过程中， 石英粉出现沉淀，使得部分环氧灌浆料与混凝土的 接触面失去抗剪强度，从而降低总的抗剪强度。 由 此得出石英粉的粒径（D50）应该在 18~25 μm 范 围内能起到较好的效果，石英粉掺量不同时，环氧 灌浆料黏接混凝土的抗拉强度如表 2 所示。

图 13 不同石英粉粒径的抗剪强度情况

表 2 抗拉强度   MPa

从表 2 数据可以看出，环氧灌浆料黏接混凝土 试件受拉时黏接面的抗拉强度远大于混凝土本身的 抗拉强度，试件的破坏起因于混凝土被拉坏；试件 抗拉强度的大小取决于混凝土抗拉强度的大小，与 石英粉掺量及粒径关系不大。

足尺试验试件普遍的破坏形态如图 14 所示， 由图 14 可以看出，足尺试验试件破坏不是沿着榫 槽破坏，而是沿着钢筋与混凝土的接触面，破坏时 榫头上的混凝土被剥离，说明环氧灌浆料用于黏接 榫槽式接头是安全的。

图 14 足尺试验破坏形态

为了得到试件在不同轴力下足尺试验的抗弯 承载力，制定了三个试件破坏依据：一为接缝一 侧张开量为 3 mm，此时对应的弯矩值为 M1 ；二 为裂缝稳定开展阶段末期，此时对应的弯矩值为 M2 ；三为榫槽处钢筋应力同时减小，此时对应的 弯矩值为 M3。三种情况下取弯矩最小值作为此轴 力下的抗弯承载力值，不同轴力下抗弯承载力结 果如表 3 所示。

表 3 不同轴力下抗弯承载力结果表

五、明挖基坑肥槽预拌流态固化土回填技术

为了提高地下装配式结构的防水效果，除了改 善装配式接头的防水性能以外，还可以在地下结构 外围构筑止水帷幕，从源头上防止地下水对地下结 构的侵蚀作用。

预拌流态固化土的抗渗性能优于原位土体，在 基坑施工中可以使用由钻孔灌注桩和预拌流态固化 土地下连续墙组成的复合结构，从而改善地下装配 式建筑的防水效果。

同时某些地下工程中的基坑肥槽回填工程具有 工作面狭小的特点，如果采用传统的原位土回填方 法，无法使用大型机械作业，也无法将回填土体压 实，对此类工程采用预拌固化土进行回填不失为很 好的途径，预拌固化土密实性好、强度高、流动性 强、抗渗性能好、压缩性低，有利于改善基槽回填 的不均匀性等特点。

使用预拌固化土对明挖基坑肥槽进行回填后， 可以有效地避免地下水对装配式结构的侵蚀作用， 这对装配式地下建筑的防水十分有利。

预拌流态固化土由土、水泥、粉煤灰、砂和适 量的水拌和而成，拌合后的坍落度为 80~200 mm， 强度达到 0.5~10 MPa，水泥可由固化剂替代，拌合 时根据土质和设计要求加入外加剂，当预拌流态固 化土所用土料为砂土时，在拌合过程中无需再另外 加入砂，如果预拌流态固化土所用土料不是砂土时， 在拌合过程中要另外加入砂。预拌固化土的制备和 拌和系统如图 15 所示。

图 15 预拌固化土的制备和拌和系统

预拌固化土浇筑设备应符合下列规定：① 搅 拌、浇筑设备的生产能力和设备性能应满足连续作 业要求；②搅拌设备应具备固化剂、水、土等材料 的配料和计量功能；③ 搅拌设备的计量偏差规定见 表 4。

 表 4 搅拌设备的计量偏差 ％

浇注前应将固化剂、外加剂与水先行搅拌成固化剂浆液，混合料应使用专门机械搅拌，搅拌时间 不少于 2 min，以和易性、流动性满足要求为准。 固化土可采用罐车运输，采用泵送或溜槽浇筑，固 化土搅拌至浇筑完成时间不应超过 3 h，固化土宜采 用分层分块方式进行浇筑，浇筑作业应对称进行， 浇筑高差不宜大于 1 m，首次浇筑不宜超过 0.5 m， 上层浇筑作业应在下层终凝后进行。

当在大雨或持续小雨天气进行预拌固化土浇筑 施工时，要在预拌固化土浇筑后立即进行覆盖养护 直至填筑体硬化，在养护期间禁止机械和行人通行。 在完成顶层浇筑后，应立即在填筑体表面覆盖塑料 薄膜或土工布进行保湿养护，养护时间至少为 7 天。 图 16 为预拌固化土回填施工图，预拌固化土与原状 土体相比，抗渗性能较好，可以作为阻水带，对地 下结构的防水十分有利，图 17 为预拌固化土回填 12 h 后的效果图。

图 16 预拌固化土回填

图 17 预拌固化土回填效果图

六、结语

（1）综合考虑石英粉掺量对环氧灌浆料本身抗 压强度和弹性模量的影响，确定了环氧树脂量与石 英粉掺量的最佳比值为 1∶0.5~1∶0.8。因为在此区 间内，随着环氧灌浆料含有的石英粉掺量的增加， 其抗压强度已接近最大值并且增量不大，且在此区 间内弹性模量的值都接近最大值。

（2）综合考虑石英粉掺量对低温环氧灌浆料黏 接混凝土的抗剪强度及工程造价的影响，同时保证 榫槽式接头能充分发挥其作用，确定了环氧树脂量 与石英粉掺量的最佳比值为 1∶0.3~1∶0.7。

（3）综合考虑石英粉粒径对低温环氧灌浆料 黏接混凝土的抗剪强度的影响，得出石英粉的粒径 （D50）应该在 18~25 μm 范围内，此粒径范围内能 得到较好的效果。

（4）环氧灌浆料黏接混凝土的抗拉强度取决于 混凝土的抗拉强度，与环氧灌浆料中石英粉的掺量 及粒径大小关系不大。

（5）足尺试验表明，用环氧灌浆料黏接榫槽式 接头，接头处的力学性能有保证，可满足工程需要。

（6）使用预拌固化土进行地下工程的基槽回填有利于改善基槽回填的不均匀性，同时，预拌固化 土的抗渗性能优于原位土体，这对地下建筑的防水 十分有利。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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基金资助

中国工程院咨询项目“城市地下空间开发规划战略研究”（2015-XZ-16）()

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