地下通道结构变形缝设置的若干思考

谢明

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市 200092)

地下通道结构变形缝设置的若干思考

谢明

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市 200092)

针对目前明挖施工地下通道存在的变形缝渗漏水问题,拟从加大变形缝间距、减少变形缝道数方向出发,达到降低渗漏水风险点的目的。为此根据地下通道结构特点与混凝土自身特性,针对加大变形缝间距与早期混凝土收缩、季节性温差的关系进行了分析及有限元模拟计算,并提出加大变形缝间距所需采取的技术措施。经分析研究,在对温度作用进行分析并采取可靠的技术措施前提下,适当加大变形缝间距技术可行。

地下通道;变形缝;渗漏;防水

0 引言

随着城市人口与车辆数量的急剧增长,交通越来越成为影响城市发展与人民生活品质提高的重要问题。各大中型城市充分利用地下空间,通过建设地下道路形成快速通道,从而大大缓解地面道路的拥堵,改善了城市通行条件。但是受目前材料与工艺水平所限,高水位地区的地下通道工程中往往存在渗漏水通病,尤其是作为防水薄弱环节的变形缝渗漏情况更为常见。本文拟从设计角度对变形缝设置问题进行若干思考,以求为提高地下通道工程防水效果提供一定思路。

1 变形缝设置规范要求与现状问题［1］

地下工程变形缝可分为伸缩缝和沉降缝,变形缝的设置目的是为了适应地下通道结构由于温度变化、混凝土收缩与徐变而产生的水平变位,以及地基不均匀沉降引起的垂直变位,通过变形缝的设置使地下通道分割成若干个独立单元,以释放结构内部因水平变位和垂直变位可能产生的次应力。

由于地下通道是断面较规则的狭长结构,其结构自身重量通常都小于被挖除的土体重量,所以除了特殊部位,地下通道结构一般情况下没有必要设置专门的沉降缝,因此本文以地下通道伸缩缝为主要研究对象。

为了减少混凝土由于早期水化热和季节性温差引起体积变化导致混凝土开裂,现行《混凝土结构设计规范》中规定结构伸缩缝间距见表1。

表1 钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距

规范中同时规定,在采取相关设计与施工措施情况下,伸缩缝间距可适当增大,当间距增大较多时,尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响。

在上海软土地区的明挖地下通道设计中,设计人员根据规范条文确定变形缝的间距一般不大于30 m。由于明挖地下通道施工条件较差,而防水工艺要求高,变形缝施工中操作稍有不慎,就会为后期地下通道渗漏留下隐患。笔者曾参与上海某明挖地下通道渗漏水治理工作,经现场摸排,整个隧道渗漏点12处,10处为变形缝渗漏,占全部渗漏点的83%以上;全长1.6 km的明挖隧道内共设58条变形缝,出现渗漏的变形缝约占变形缝总量的17%左右。经查设计资料,这些变形缝内均采取了差异沉降控制措施(底板榫槽及侧墙剪力棒),现场观测均未见明显不均匀沉降现象,但渗漏情况呈现夏季减轻、冬季加重的现象,表明变形缝渗漏与结构伸缩、缝宽变化有明显关系。因此在强调加强现场防水施工操作规范的同时,能否在设计中通过相应措施加长通道变形缝间距、减少变形缝道数,从源头控制潜在渗漏风险点数量,是需要地下通道设计者认真考虑的问题。

2 加大变形缝间距产生的问题与措施［2-5］

混凝土结构由于其材料特点,具有出早期水化热产生温升温降引起体积变化、使用期随着季节温度变化发生胀缩的现象,同时受到来自外部以及内部的各种约束。外部约束如周边地层对结构表面的约束、先浇围护结构对内部结构的约束,以及先浇底板对后浇侧墙的约束等;内部约束如如厚板承受非均匀受热或非均匀收缩,大体积混凝土的内表的温差变形等。混凝土体积变化受到约束制约,即在混凝土内部产生约束拉应力,当约束拉应力大于混凝土抗拉强度,混凝土结构即出现裂缝。

加大变形缝间距无疑增大了混凝土体积变化及约束力的大小,因此需针对地下通道结构早期与使用期的体积变形特性进行分析研究。

2.1 早期混凝土收缩与变形缝间距的关系

混凝土早期体积变形主要包括混凝土尚未凝固时的塑性收缩、水化作用引起的自收缩、以及在干燥环境下水分散失造成的干燥收缩,同时还有伴随着水化过程中温度变化而产生的温度变形。

塑性收缩发生时,混凝土尚未完全凝固,不具有强度和刚度,因此不产生应力。自收缩是混凝土与外界环境不发生水分交换的情况下发生的,包括水泥水化后水化产物体积缩小的化学收缩和水泥水化消耗浆体内部水分而产生的自干燥收缩两部分。干燥收缩是在相对湿度小于RH100%和恒定温度下,混凝土向外界环境水分散失而导致的随时间变化的体积减小。自收缩和干燥收缩是混凝土结构体积变化的主要原因。

《铁路隧道设计规范》中规定,混凝土收缩的影响可用降低温度的方法计算。对于分段浇筑的钢筋混凝土结构,在考虑徐变的影响下,其效应相当降低15℃。为此建立双向四车道标准断面模型(见图1),用降温方式模拟30 m、40 m、50 m、60 m长度结构段收缩应力。模型中底板、侧墙加设土层切向弹簧模拟土层约束,同时考虑底板→侧墙→顶板的先后施工顺序,赋以一定温差模拟结构间内部约束。为考虑徐变引起的应力松弛影响,当按弹性体计算混凝土构件的温度应力时,将混凝土弹性模量适当折减。

图1 双向四车道标准断面模型(单位:mm)

经计算,通道顶板纵向应力分布云图如图2所示。

图2 地下通道顶板早期收缩应力云图(单位:kPa)

由应力云图可见,顶板混凝土收缩在侧墙约束情况下产生纵向拉应力,拉应力大小随变形缝间距增大而增长;顶板与侧墙临近处拉应力集中出现,但其随变形缝间距增大而增长的幅度不大;跨中拉应力承变形缝间距增大关系明显,并随间距增大应力增大趋势加快,见图3。当变形缝间距由30 m增加到60 m时,中部纵向拉应力增长接近一倍。

图3 变形缝间距-应力曲线(单位:kPa)

本计算结果是围护不与主体共同受力的通道模型或复合墙结构形式的通道模型。当采用叠合墙结构形式时,由于围护结构先期施做,大部分收缩变形已完成,将会对内部结构底板、中板、侧墙混凝土收缩形成强有力的约束,因此收缩应力将较本计算结果更大。这也是叠合结构较复合结构更易产生收缩裂缝的原因。

2.2 季节性温差对变形缝间距的关系

早期地下工程设计时认为,露出地面的超静定结构及覆土小于1 m的洞口段地下通道结构应考虑温度影响,但地铁工程通过近年来对营运期间的一些明挖车站观测发现,即使具有2～3 m的覆土,由于季节温度变化引起伸缩缝或诱导缝宽度的变化也是明显的。另外,通过对上海打浦路隧道全年内外温度监测,季节温度变化同样较为明显。图4给出从2006年11月15日到2007年7月18日的上海市打浦路隧道内外温度监测数据。以上资料说明,季节性温差对变形缝间距的影响也应慎重分析。

图4 从11月到次年7月隧道内外温度变化图

为分析季节性温差对变形缝间距的影响,建立双向四车道标准断面模型,用降温方式模拟30 m、40 m、50 m、60 m长度结构段收缩应力,以判断不同变形缝间距在季节温差影响下内力的变化。模型中底板、侧墙考虑土层切向弹簧模拟土层约束。根据上海市月平均气温资料,上海地区最热为7月份,月平均气温为27.8℃,最冷月为1月份,月平均气温3℃。假定地下通道结构结构完成后初始温度为25℃,同时考虑通道结构内由于车辆行驶导致内部环境温度升高,通道结构季节性温降取20℃计算。为考虑徐变的影响,当按弹性体计算混凝土构件的温度应力时,可将混凝土的弹性模量适当折减。

经计算表明,在考虑地下通道结构顶板、侧墙与底板无温差的同时降温情况下,虽各构件纵向应力显示出与变形缝间距有明显关系,但量值远小于早期收缩产生应力。取受地基约束作用明显的底板纵向应力云图如图5所示。

由于季节温度降低,地下通道结构纵向长度均发生收缩,读取在地基约束条件下的通道结构收缩量见表2。计算表明季节性温差对地下通道的主要影响是变形缝宽度变化。

另需说明,以上应力计算结果是采用软土地层经验切向抗力系数的情况下得出,当土层性质不同时,以及通道底板下方设有桩基的情况,由于地下通道外部约束条件不同,季节温差所产生的通道拉应力也会随之不同。

2.3 加大变形缝间距所需采取的措施

通过对早期混凝土收缩及季节性温差对地下通道结构分析可知:早期混凝土收缩对变形缝间距增大所带来的后果是混凝土拉应力增加,可能导致混凝土裂缝增加;季节性温差对变形缝间距增大带来的后果主要是变形缝宽度增加,对混凝土拉应力影响不大。因此为达到增大变形缝间距的目的,可针对以上两种情况分别采取相应措施。

2.3.1 针对早期混凝土收缩所采取的措施

为达到增加变形缝间距的目的,施工中可采取的措施有:采用低收缩与低水化热的水泥,控制水泥用量及水灰比,合理采用补偿收缩功能的外加剂,严格控制混凝土入模温度、构件中心温度与表面温度差、混凝土降温速率,改进混凝土振捣工艺,跳仓浇筑,加强混凝土养护与保温等。

设计可采取的措施主要有以下几点:

(1)设置后浇带或膨胀加强带

图5 地下通道底板季节温降应力云图(单位:kPa)

表2 变形缝间距与结构收缩量关系表

后浇带是施工期间保留的临时性变形缝,是针对混凝土初期收缩速率快的特点,按“放”的原则采取的措施。由于混凝土早期收缩大部分在施工后的头1～2个月完成,设计中按30～40 m间距一道后浇带,在两个月后采用膨胀混凝土封闭,可降低混凝土结构内的收缩应力。

由于后浇带存在后期清缝困难、缝间渗水、工期较长等弱点,地下通道亦可采用膨胀加强带的措施。膨胀加强带应用“抗”的原理,在连续浇筑的过程中间隔设置膨胀加强带,以较大的膨胀力来补偿混凝土的收缩应力。

以上措施均在实践工程中取得过成功。

(2)确定合理构造配筋率,关键部位适当加强

根据相关科研试验表明,配筋对混凝土早期的收及徐变起到一定约束作用,设计过程中根据地下通道的结构形式、地层条件、施工环境与施工工序等因素,对混凝土早期收缩引起的拉应力进行计算,根据计算配置纵向构造钢筋,对于顶板、侧墙、底板相交区域给予加强。

本文算例中,为将通道顶板混凝土早期收缩拉应力引起的裂缝控制在0.2 mm范围内,经计算需对顶板混凝土配筋见表3。

参照上海市《城市轨道交通设计规范》,顶板单侧配筋率不小于0.25%～0.3%,侧墙与底板单侧配筋率不小于0.2%。钢筋应按“细、密”的原则布置。对于结构形状变化、刚度突变及孔洞等部位增加抗裂构造钢筋。

表3 顶板纵向配筋表

(3)添加抗裂纤维

混凝土本身具有抗压强度高、性质稳定、成本低廉的特点,但也存在抗拉强度低、抗裂能力差与韧性小等弱点。钢纤维能够显著提高混凝土的抗拉、抗剪、抗剪、抗冲击等性能,合成纤维可用于控制早期混凝土的收缩裂缝和硬化后混凝土的温度收缩裂缝,以及混凝土的耐久性。目前在混凝土中添加纤维来提高混凝土抗裂性,已得到广泛的应用。

(4)采用合理结构型式

混凝土早期裂缝的产生,需要体积变化与约束两个前提。当采用复合墙结构型式时,由于外包防水层的存在,相当于在内部结构与地、围护结构间加设一道缓冲隔离层,可降低混凝土收缩的外部约束,减少内部结构裂缝的产生。

2.3.2 针对季节性温差所采取的措施

变形缝间距增大时,季节性温差引起地下通道结构混凝土内出现拉应力,并且变形缝宽度变宽。

针对季节性温差导致混凝土内出现拉应力值相对较小,结构抗裂设计、施工措施与针对早期混凝土收缩所采取的措施基本一致。

季节温差引起的变形缝加宽同时对止水带的施工质量提出更高的要求:施工中选用材质优良的止水带、确保止水带的定位与平顺、加强止水带区域混凝土的振捣、保证止水带接头焊接质量及加强对已完成止水带的保护,是变形缝防水成败的关键。

对于季节性温差引起的变形缝加宽,设计中可采取宽度较小的变形缝。《地下工程防水技术规范》中规定,变形缝宽度宜为20～30 mm,主要是考虑如变形缝过小,在采取一些防水措施时施工有一定难度。但在上文的计算中,对于60 m间距的变形缝,如初始宽度取20 mm,冬季时可能张开至32 mm,止水带承受的压力变大,增加变形缝渗漏的风险。在上海明挖地下通道中也有变形缝宽度取10 mm的案例,取得了较好的防水效果,可作为控制冬季变形缝张开量的设计措施。

另外变形缝采用多道防水防线、选取钢边橡胶止水带以增加止水带与混凝土间粘结力、采用便于维修的内装可卸止水带、设置接水盒等,均是设计中可采取的措施。

3 结语

(1)在根据地下通道结构型式、地层条件、施工工序与施工环境等因素进行温度计算、采取可靠设计措施的前提下,可适当增大地下通道变形缝间距;

(2)增大地下通道变形缝间距,对防水材料、施工工艺与施工质量提出更高要求,施工细节是影响到防水效果成败的关键;

(3)对浅覆土地下通道温度作用分析中,尚应考虑顶墙底等各构件间温差、以及构件厚度内温差对构件应力的影响；

(4)为提高温度应力分析的准确性,设计行业需对地下通道内温度季节变化、通道结构早期混凝土收缩时程、各地层对通道结构侧壁切向抗力系数等参数进行观测、试验与积累。

［1］ GB 50157-2013,地铁设计规范［S］.

［2］ 王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

［3］ 徐荣年.工程结构裂缝控制——步入“王铁梦法”及诠补［M］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［4］ 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司.城市长大地下道路箱涵结构控裂与浅覆土下顶板防水关键技术研究［R］.上海:上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，2013.

［5］ 陈翌，蔡耿.超长地下室结构不设置伸缩缝的抗裂防渗方法［A］.北京:第十二届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文，2003.

U412.37+3.1

A

1009-7716(2015)03-0180-05

2014-11-14

谢明(1972-),男,陕西西安人,高级工程师,从事隧道与地下工程设计工作。