基于明挖预制结构的防水设计及适用性研究

龙浩然

(武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430014)

0 引言

随着我国基础建设的发展，对地下空间的开发和利用越来越广泛[1-2]。在地下工程的施工运营中防水的设计是保证施工运营安全的关键。

在地下工程防水设计中，根据施工工法的不同，对地下工程的防水有不同的设计，一般而言盾构法常用接缝防水形式，明挖法常用外包防水设计，矿山法常用全包防水设计[3-4]。

在当前预制装配式结构的发展趋势下，越来越多的明挖工程采用预制结构作为主体结构进行施工[5]。相较于传统现浇法施工，采用预制结构可以简化施工工序，实现明挖地下结构快速施工；提高明挖地下区间衬砌结构施工质量，降低整体工程成本[6]。因此对于明挖预制结构如何进行防水设计以匹配其优越性是关键[7]。在此方面郭敏[8]对综合管廊预制结构的防水措施进行研究，提出在分块型式的预制结构接口应采用承插口设计，并建议对接口处防水的材料硬度进行研究，防止影响拼装效果；黄明利等[9]对预制结构自身材料进行研究，通过足尺试验，提出在提高预制结构防水效果方面可以在接头位置采用环氧灌浆材料进行黏结，保证榫槽接头防水效果；何昌杰等[10]通过对大量文献资料的调研，对预制结构防水问题进行了分析，提出了今后预制结构防水问题的研究方向；孔祥臣[11]通过对隧道预制结构接头进行理论及试验研究，较为系统的总结了预制结构接头防水的研究成果及接头防水设计方法。

从以上各位专家和学者的研究可以看出，当前在预制结构防水方面的研究已经取得一定成果，本文在以上研究的基础上依托实际明挖预制结构工程，对明挖预制结构的防水设计进行研究，对实际明挖预制结构防水设计进行优化，并利用室内试验以及现场验证等手段对此种设计进行适用性研究，保证在防水安全有效的前提下，为今后类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

某城市地下工程，全长1 500 m，均采用明挖法施工，工程基坑开挖深度为8 m～10.1 m，结构采用单跨单洞形式，整体跨度为6 m，高度5 m，顶底板及侧墙厚度均为0.5 m。为响应国家大力支持发展装配式建筑的政策，本工程主体结构均采用预制装配式结构，如图1所示。

拟建场地范围沿线地势起伏不大，第四系地层一般由粉土、粉质黏土夹砂层组成，地面高程一般为18.80 m～21.82 m，地下水水位埋深约为1 m～2 m，主要为第四系空隙潜水，分布范围内其补给来源主要为大气降水入渗补给、地表水径流补给，以侧向径流、人工开采、蒸发方式排泄。工程穿越人工景观河，河流水流量较大，水面标高约18.0 m，如图2所示。

2 防水设计

2.1 防水基本要求

根据相关规范规定，本工程中预制结构防水等级为二级，结构不允许漏水，结构表面可有少量湿渍，总湿渍面积不应大于防水面积的2/1 000，任意100 m2防水面积上湿渍不超过3处，单个湿渍的最大面积不大于0.2 m2。

在结构自防水方面预制结构混凝土采用C50混凝土，抗渗等级为P10，水泥选用普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，掺入优质粉煤灰[12]，水泥7 d的水化热应小于250 kJ/kg，最大水胶比：0.36；胶凝材料用量：不超过500 kg/m3；氯离子含量(质量分数)：不超过胶凝材料重量的0.06%；碱含量(质量分数)：≤2.5 kg/m3。

2.2 原设计方案

根据前文介绍可知，本工程地下水及地表水均较为丰富，因此为保证结构运营安全，应尤其重视防水设计。

在原设计方案中，本工程主体结构采用全包防水设计，如图3所示。

由图3可知，在原设计方案中结构采用全包防水设计，防水材料选用4 mm厚的沥青基聚酯胎防水卷材，其性能指标如表1所示。

表1 沥青基聚酯胎防水卷材性能指标表

在防水施工及使用过程中，防水材料的完整性至关重要，因此在施工和运营中，需要做好对防水材料的保护，为避免防水卷材被破坏，失去防水效果，在结构底板防水层外侧铺装50 mm厚的细石混凝土保护层，结构侧墙部位设置找平层，结构顶板外侧铺装70 mm厚的细石混凝土保护层，当结构上部有绿化种植要求时，还需要在顶板设置隔离层，防止被绿化根系穿刺。

2.3 优化后设计方案

如上所述，在原设计方案中采取全外包防水需在结构周边设置相应的保护层或找平层，不仅施工工序烦琐，而且施工材料耗费较多。不符合装配式建筑施工简化施工工序，降低整体施工成本的整体要求。

因此需要结合装配式结构自身的特点，对防水设计进行调整，根据工程经验以及既有防水研究成果，在本预制结构工程中选用接缝防水形式进行设计。接缝防水形式具有施工简便、节省工程材料等特点，是一种比较适合预制结构的节点防水设计形式。对预制结构而言，在施工运营期，其防水薄弱环节在接缝位置，因此做好结构间接缝防水设计是重中之重。

基于以上分析对防水设计方案进行优化，决定取消全包防水，选取“结构自防水+接缝防水”的防水设计方案。

结构自防水即指预制结构混凝土抗渗等级为P10，接缝防水指在预制结构拼缝之间设置防水措施[12]，其具体设计方案如图4所示。

针对预制结构接缝设计双道防水，在工厂进行预制结构生产时，预留防水凹槽，凹槽尺寸宽度为26 mm，深度为3.2 mm。

本工程预制结构采用干法连接方式拼装，为保证拼装效果及拼装可行性，防水凹槽内选择粘贴柔性防水材料丁基腻子海绵防水条，如图5所示。防水条整体形状为梯形，底部宽19 mm，顶部宽11 mm，整体高度为20 mm，设计拼装时防水条压缩量为14.5 mm，应注意的是仅在预制结构的一侧预留防水凹槽进行后期防水施工，而另一侧为平口设计，结构拼装时通过平口侧对防水材料进行挤压，阻断接缝水流通道，达到接缝防水的目的。

防水条性能技术指标如表2所示，防水条是由两种材料组合而成的柔性防水材料，其外部为未硫化丁基腻子橡胶，内部为海绵橡胶，自身具有较好的黏性和柔度。

表2 丁基腻子海绵防水条

在两防水凹槽之间充填丁腈软木橡胶板，一方面可以防止预制结构拼装时因碰撞导致结构破坏，另一方面可以阻断水力路径，进一步加强防水效果。

2.4 优化前后防水设计方案对比

根据前文对预制结构防水设计两种方案的描述，对两种防水设计方案对比分析如表3所示。

表3 防水设计对比表

根据对比可知，在防水效果方面，两种防水设计形式区别较大，全外包防水不仅在施工工艺上比较烦琐，同时在施工过程中易产生破损导致防水失效，而接缝防水通过相邻预制结构挤压充填接缝，密实度较好，防水效果得到保障。在工程造价方面优化后防水设计不仅不需施作防水保护层、隔离层等措施，同时整体防水材料用量大大减少，降低了防水工程整体造价。在施工耗时方面，根据测算发现，采用全外包防水施工时，平均每延米耗时3 h，而采用接缝防水设计时，每延米耗时近0.5 h，提高施工效率近5倍。从以上分析可得在预制结构防水施工中接缝防水相较于全外包防水有较大优越性，简化施工工序，降低工程造价，节约工期，可以更加匹配预制结构施工快速简便的特点。

3 适用性研究

为保证防水设计安全可靠，采用室内试验手段对优化后防水设计进行研究和分析并在现场进行应用。

3.1 室内试验方案

试验模板主要由一块底板和两块L型侧板组成，如图6所示。模板采用15 mm厚钢板，底板尺寸为φ500 mm，内圈密封垫尺寸为φ298 mm，外圈密封垫尺寸为φ426 mm。注水孔位置设置在上模板面上。每一块钢板上均有经机器加工的沟槽，与预制结构预留构成的防水凹槽的尺寸和几何形状保持一致。

试验时防水凹槽内安装与设计相同尺寸的防水条。然后用螺栓将上下块钢板紧密连接在一起，直至达到防水条压缩要求。

试验开始后，在试验装置内部装满水。通过空压机每次将水压增加0.05 MPa，并稳压24 h，直至结构破坏。

3.2 室内试验结果

根据试验方案进行室内试验，其实际试验如图7所示。在防水条粘贴完成后，在两防水条之间注水，而后采用螺栓拧紧装置，对防水胶条进行挤压，在防水胶条达到压缩后，根据试验方案利用空压机加压模拟水压上升的过程，在逐步逐级加压过程中，装置未出现渗漏水情况，直至压力增加至0.5 MPa，在稳压至3 h左右时，装置出现渗漏水情况。

根据室内防水试验结果可以得知，接缝防水设计可以满足设计要求中抵抗0.3 MPa水压的要求，同时最大可承受不大于0.5 MPa的水压。

3.3 现场应用

根据室内防水试验得知，本工程接缝防水设计可以满足设计防水要求，而对于其现场防水效果是否可靠还需进一步研究。因此结合现场实际工程对接缝防水设计的效果进行验证。

首先在预制结构预留防水凹槽位置涂刷单组分阻燃型氯丁-酚醛胶黏剂，涂刷时共涂刷两遍，第一遍涂刷后待表面初干后再涂刷第二遍，约15 min后使得溶剂挥发至用手触摸胶膜稍黏而不粘手时即可进行防水条的粘贴。将丁基腻子海绵防水条粘贴于预制结构接缝位置处，并将粘贴面压实平整，如图8所示。

在防水条粘贴于预制结构防水凹槽内后，进行预制结构拼装。通过干法连接对相邻两预制结构进行连接，通过连接张拉对防水条进行挤压，使其逐渐变形达到设计压缩量，此时防水条已充满防水凹槽并阻隔了两防水凹槽之间的接缝，达到在地层水位上升后阻断水流的目的。

在预制结构拼装完成后，便进行覆土回填，分层回填覆土完成后，降水井停止降水。停止降水后地下水位逐渐恢复。水位上升期间对结构内部进行观察，尤其是结构接缝位置。为验证防水效果，保持2 d/次的频率在结构内部查看是否存在漏水点。经长期观察发现在水位完全恢复后，水头压力约为0.1 MPa，如图9所示，预制结构内部未出现渗漏水情况，即接缝防水设计可以满足实际工程中的防水要求，保障结构防水安全。

4 结论与建议

本文依托实际预制结构工程，为提高防水施工效率，降低防水工程造价，节约工期，对预制结构防水设计进行优化，并通过室内试验进行防水设计的适用性研究，最后经过现场验证后得到结论如下：

1)本文以实际工程为依托对明挖预制结构防水设计进行优化，在满足实际防水需求的情况下简化了防水施工工序，减少了防水材料的使用。

2)不同于传统外包防水设计，本工程针对预制结构特点提出在预制结构工程中采用接缝防水设计，并针对预制结构拼装需求，选择采用不影响结构拼装的柔性防水材料。

3)本工程由原全外包防水设计优化为“结构自防水+接缝防水”体系后，通过室内试验得知优化后防水设计最大可抵抗0.5 MPa水压，满足设计要求。

4)经过现场实际验证，采用优化后防水设计即接缝防水可以抵抗现场10 m左右水头压力作用，对结构运营安全有重要保障。

5)当前地下工程中预制结构应用愈加普遍，对其防水设计应充分考虑自身工程条件及预制结构特点，改变传统防水设计思路，优化防水设计。