劉 博

（中交第一航務(wù)工程局有限公司天津市水下隧道建設(shè)與運(yùn)維技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300461）

1 工程背景

深中通道沉管內(nèi)部壓艙水箱結(jié)構(gòu)由兩道相對設(shè)置的木板擋墻、沉管側(cè)墻及中隔墻圍成，每個(gè)壓艙水箱木板擋墻設(shè)計(jì)高度均為5.2 m，寬度18.3 m，最大設(shè)計(jì)儲(chǔ)水高度5 m，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式基本與港珠澳大橋隧道沉管類似。由于港珠澳大橋沉管采用混凝土結(jié)構(gòu)，沉管內(nèi)部墻壁板及底板表面平整，壓艙水箱防水密封工藝適合采用防水布大面積整體鋪設(shè)型式[1]。而深中通道是國內(nèi)首條大規(guī)模采用鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)[2]的沉管隧道，沉管從開始制作到預(yù)制完成要先經(jīng)過進(jìn)行鋼殼預(yù)制，混凝土澆筑等幾道工序，且沉管鋼殼墻壁板及底板上存在很多預(yù)埋件、澆筑孔、透氣孔等凸出物體，防水布無法整體鋪設(shè)。

2 密封技術(shù)的重點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)

2.1 管節(jié)鋼殼平面處理問題

深中通道鋼殼沉管混凝土澆筑完成后，在沉管內(nèi)底板遺留有澆筑孔、透氣孔，且凸出管節(jié)底板50-60 mm 高，而沉管內(nèi)側(cè)墻及中隔墻上又存在很多防火裝飾板預(yù)埋件、孔洞室等結(jié)構(gòu)，致使墻面不平整，凸出物體較多。因此防水布采用大面積整體鋪設(shè)時(shí)容易被劃傷磕破，所以深中通道壓艙水箱防水密封型式放棄采用水箱內(nèi)部整體鋪設(shè)防水布型式，僅考慮在木板擋墻上鋪設(shè)防水布。如鋪設(shè)時(shí)遇到凸出物體且無法避讓，則需要使用輔材進(jìn)行找平，使鋪設(shè)防水布位置平整。找平選用的輔材用料及安裝型式需要提前研究試驗(yàn)，既要保證防水布鋪設(shè)質(zhì)量，又要節(jié)省施工成本，盡可能地減少對工期的影響。深中通道鋼殼沉管內(nèi)底板澆筑孔、透氣孔、墻壁預(yù)埋件、孔洞室等見圖1。

圖1 沉管鋼殼板及地板上的預(yù)埋件和孔室

2.2 防水布結(jié)構(gòu)尺寸及防水密封型式問題

結(jié)合深中通道沉管鋼殼結(jié)構(gòu)以及壓艙水箱結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)，壓艙水箱內(nèi)部沉管側(cè)墻、中隔墻、底板均為鋼殼結(jié)構(gòu)，可以采用鋼殼本體防水，僅在兩側(cè)木板擋墻鋪設(shè)防水布進(jìn)行防水。這種防水布鋪設(shè)型式較港珠澳大橋工程簡便很多，而且因防水布體積小，鋪設(shè)面積小，可以減少因防火布本身接槎位置滲漏風(fēng)險(xiǎn)。所以此為研究方向，既可以避開整體鋪設(shè)時(shí)澆筑孔、透氣孔、預(yù)埋件等的影響，又可以縮減防水布尺寸和鋪設(shè)面積，減少壓艙水箱漏水風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率。剩余需要研究確定的就是鋪設(shè)在壓艙水箱兩道相對設(shè)置的木擋墻上的防水布型式及其防水交界位置和防水布交界防水密封型式兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，這是整個(gè)深中通道沉管壓艙水箱防水密封最難攻克的技術(shù)難點(diǎn)。

3 防水布結(jié)構(gòu)型式及防水交界位置研究

按照上述壓艙水箱內(nèi)部采用兩側(cè)木板擋墻各鋪設(shè)一面防水布進(jìn)行防水，沉管側(cè)墻、中隔墻及底板采用沉管鋼殼本體防水的方式。結(jié)合深中通道沉管鋼殼結(jié)構(gòu)以及壓艙水箱木板擋墻結(jié)構(gòu)考慮，防水布與木板擋墻接觸的位置，與木板擋墻立面的結(jié)構(gòu)尺寸和面積是相同的，即防水布與木板擋墻接觸的位置其寬度和高度兩個(gè)尺寸應(yīng)按照木板擋墻立面尺寸制作，寬度不小于18.3 m、高度不小于5.2 m，在實(shí)際加工制作時(shí)應(yīng)留有富余量，避免防水布受水壓開裂。防水布左右及底部邊框鋪設(shè)至木板擋墻與兩側(cè)墻壁及底板陰角位置時(shí)，其邊框邊緣應(yīng)在陰角拐角處繼續(xù)向沉管兩側(cè)墻及底板方向繼續(xù)延展，延展至兩側(cè)墻及底板方向無凸出物體的平整位置作為防水布邊框邊緣，并作為防水布與壓艙水箱兩側(cè)墻壁及底板的防水交界。深中通道壓艙水箱木板擋墻立面圖見圖2。

圖2 深中通道壓艙水箱木板擋墻立面圖

為了確保防水交界密封處理位置不受沉管鋼殼結(jié)構(gòu)、凸出物體等特殊情況影響，防水布左右及底板邊框延展尺寸應(yīng)設(shè)計(jì)預(yù)留相對多一些的富余量。根據(jù)沉管鋼殼結(jié)構(gòu)以及壓艙水箱內(nèi)沉管兩側(cè)墻壁及底板實(shí)際情況特點(diǎn)，深中通道所用防水布在加工制作時(shí)在防水布越過陰角位置后再向沉管兩側(cè)墻及底板方向加工制作寬1.6 m 的邊框，有較多的富余量，以備特殊情況處理。

綜上所述，深中通道壓艙水箱設(shè)計(jì)制作的防水布尺寸為：寬18.5 m，高5.25 m，在底板及兩側(cè)墻壁預(yù)留寬1.6 m 邊框。根據(jù)深中通道沉管行車?yán)鹊冷摎そY(jié)構(gòu)型式，靠近沉管側(cè)墻一側(cè)底板有一段為向上傾斜結(jié)構(gòu)，因此在防水布制作時(shí)，相應(yīng)位置做同樣傾斜折角，同時(shí)為了在水箱頂部鉤掛防水布，在防水布頂部每隔0.5 m 設(shè)置一個(gè)金屬掛鉤孔。防水布材質(zhì)選用厚度0.8 mm 的PVC 夾網(wǎng)布，整體型式設(shè)計(jì)加工成簸箕形狀，深中通道壓艙水箱防水布具體設(shè)計(jì)型式見圖3。每個(gè)壓艙水箱設(shè)置2 塊防水布，為對稱式。

圖3 深中通道壓艙水箱防水布型式尺寸

4 防水布交界防水密封技術(shù)研究

研究防水布邊框交界防水密封型式時(shí)，首先想到可以將防水布邊框邊緣通過鋼制壓板緊緊的壓在壓艙水箱內(nèi)底板及兩側(cè)墻壁上。由于防水布材質(zhì)一般為PVC 材質(zhì)，考慮到鋼壓板不能直接與其接觸，否則PVC 防水布被直接接觸擠壓損壞，因此可以選用和鋼壓板寬度相同的橡膠材質(zhì)密封條作為防水布上表面與鋼壓板之間的保護(hù)層，同時(shí)防水布下表面與壓艙水箱內(nèi)底板及兩側(cè)墻壁接觸位置同樣為鋼制鋼殼，且由于焊接制作原因其防水交界位置不一定十分平整，因此在防水布下表面與壓艙水箱內(nèi)底板及兩側(cè)墻壁接觸位置同樣使用一條相同規(guī)格的橡膠材質(zhì)密封條作為防水布下表面與壓艙水箱內(nèi)底板及兩側(cè)墻壁之間的密封層，然后在密封層下涂抹密封膠，提高防水密封效果。

為了檢驗(yàn)上述防水密封技術(shù)型式的可行性，需要模擬壓艙水箱灌水試驗(yàn)，進(jìn)行防水密封試驗(yàn)。根據(jù)帕斯卡定律，液體壓強(qiáng)計(jì)算公式為：P=P0+ρgh。如果不計(jì)大氣壓力P0，只計(jì)算液體本身產(chǎn)生的壓強(qiáng)，可見，液體壓強(qiáng)的大小只取決于液體的種類，即密度ρ 和深度h，而和液體的質(zhì)量、體積沒有直接的關(guān)系。所以模擬試驗(yàn)時(shí)，可以用鐵板焊接制作一個(gè)比例縮小的體積為1 m2的方形水箱，方形水箱先保留相對的兩面作為可拆卸壁板，其中一面可拆卸壁板模式壓艙水箱木板擋墻，用來鋪防水布，另外一面相對的可拆卸壁板待防水布安裝密封完成后，再和另外四面壁板滿焊水密。同時(shí)在方形水箱頂面壁板上焊接一根連通水管，參照壓艙水箱設(shè)計(jì)最大儲(chǔ)水高度，水管口頂部距離水箱內(nèi)底高度5m，模擬試驗(yàn)壓艙水箱在設(shè)計(jì)最大水位時(shí)防水布承受的液體壓強(qiáng)，檢驗(yàn)防水布交界防水密封技術(shù)的可行性。

試驗(yàn)開始前，準(zhǔn)備好螺柱焊釘、橡膠密封條、鋼壓板、密封膠等材料。首先在方形水箱滿焊的4面壁板內(nèi)側(cè)每隔150 mm 間距焊接一根規(guī)格為：M10×50 mm 螺柱焊釘，共焊接4 面，形成一周，且所有螺柱焊釘安裝中心線都在一條直線上。先使用一條厚δ10 mm、寬50 mm 的橡膠密封條按螺柱焊釘間距開孔，套在螺柱焊釘上，作為密封層、然后將一塊1.5×1.5 m2防水布四周邊緣也按照螺柱焊釘間距開孔，套在螺柱焊釘上、再將另外一條厚δ10 mm、寬50 mm 的橡膠密封條按螺柱焊釘間距開孔，套在螺柱焊釘上，作為保護(hù)層、最后使用δ10 mm 鋼板制作幾條長短不一的鋼壓板，寬度50 mm，在鋼壓板的中心線上按螺柱焊釘間距開孔，將鋼壓板套在螺柱焊釘上，最后把螺母擰到螺柱焊釘上壓緊。通過這種型式，防水布邊框邊緣被夾在上下兩層橡膠密封條中間，外部通過鋼壓板壓實(shí)，螺母和螺柱焊釘擰緊，達(dá)到防水密封效果，同時(shí)為了提高密封效果，需在下層橡膠密封條和方形水箱內(nèi)壁之間涂抹密封膠。上述使用橡膠密封條、鋼板條、螺柱焊釘?shù)姆浪芊饧夹g(shù)型式如圖4 所示。

圖4 橡膠密封條、鋼壓板、螺柱焊釘?shù)姆浪芊庑褪?/p>

按照上述技術(shù)工藝做完防水布防水密封后，將方形水箱可拆卸的這面壁板安裝上，其相對的一面壁板與另外四面壁板滿焊。然后從方形水箱頂部水管口開始注水，至水液位高度5 m，模擬試驗(yàn)壓艙水箱在灌水至設(shè)計(jì)最大水位時(shí)防水布及其防水交界處所承受的壓強(qiáng)，壓水試驗(yàn)需持續(xù)一段時(shí)間，檢驗(yàn)該種防水密封方案的技術(shù)可行性。最終經(jīng)過多次試驗(yàn)觀察，該種防水密封技術(shù)防水效果明顯，方形水箱在可拆卸壁板四周未發(fā)現(xiàn)滲水情況。證明使用焊接螺柱焊釘、橡膠密封條、鋼壓板、密封膠等材料設(shè)計(jì)的防水密封技術(shù)型式是可行的。

5 沉管壓艙水箱防水密封技術(shù)應(yīng)用

深中通道沉管壓艙水箱在防水布選用上文第4條的技術(shù)工藝進(jìn)行防水密封，其實(shí)際應(yīng)用效果如圖5 所示。

圖5 沉管壓艙水箱防水密封示意圖

同時(shí)，在深中通道沉管壓艙水箱防水密封施工過程中，需要對防水密封技術(shù)方案中選用的材料進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

5.1 螺柱焊釘

螺柱焊釘宜選用PD 型螺紋螺柱[3]，焊接時(shí)需要針對其規(guī)格選用合適的拉弧式螺柱焊機(jī)配合相應(yīng)PF 瓷環(huán)進(jìn)行焊接。該種拉弧式螺柱焊方式焊接比普通手工焊效率高，焊口成型好，焊接牢固強(qiáng)度高，焊接完成后，可使用錨桿拉拔儀抽查焊接質(zhì)量。

螺柱焊釘在最初實(shí)際應(yīng)用考慮耐海水腐蝕，所以選用規(guī)格為M10×50 mm 不銹鋼材質(zhì)焊接螺柱，而沉管鋼殼為碳鋼材質(zhì)，因兩種材質(zhì)不同，因此螺柱焊接牢固性較差，螺柱焊釘在鋼壓板螺母擰緊受力后經(jīng)常發(fā)生焊口斷開問題，影響防水密封效果。因此在經(jīng)過研究試驗(yàn)將螺柱焊釘材質(zhì)更換為M12×50 mm 的鍍鋅材質(zhì)螺柱，既提高了螺柱焊釘?shù)睦奢d[4]和焊接強(qiáng)度，又加強(qiáng)了防水密封效果。

5.2 橡膠密封條

壓艙水箱內(nèi)部壓載水為海水，相對淡水而言腐蝕性強(qiáng)，因此橡膠密封條材質(zhì)應(yīng)選用耐海水腐蝕材質(zhì)。在深中通道工程中，選用的橡膠密封條為丁腈橡膠材質(zhì)，具有良好的耐水性、耐熱性、氣密性及優(yōu)良的粘結(jié)性能，適合作為防水密封。同時(shí)需要注意的是，在壓艙水箱作為防水布下層的密封層時(shí)，其加工制作長度需要按照壓艙水箱木板擋墻整個(gè)防水交界的長度確定，中間確保無斷開點(diǎn)，減少防水密封滲水風(fēng)險(xiǎn)，如深中通道壓艙水箱防水交界長度包含沉管兩側(cè)墻壁高度5.2 m 和整面木板擋墻的寬度18.3 m；而橡膠密封條的厚度也不能太薄，由于深中通道沉管為鋼制結(jié)構(gòu)，其底部和壁板均為鋼板拼裝焊接而成，其平整度有一定誤差，如果橡膠密封條規(guī)格選擇太薄，當(dāng)鋼板平整度不良，遇到凹凸不平位置時(shí)，鋼壓板無法將橡膠密封條壓實(shí)，導(dǎo)致防水密封失效。因此深中通道工程中每條橡膠密封條規(guī)格均選用厚10 mm、長30 m、寬50 mm 中間無斷點(diǎn)的整根膠條。

5.3 鋼壓板

鋼壓板加工制作需要根據(jù)沉管鋼殼結(jié)構(gòu)確定，深中通道工程壓艙水箱鋼壓板共分為兩種類型，一種是用于沉管墻壁或底板平整面位置的平直鋼壓板，另一種是沉管墻壁與底板形成的墻角位置以及沉管底板鋼殼折彎處位置的拐角壓板。平直鋼壓板分段制作，主要使用規(guī)格為長1 000 mm、寬50 mm、厚10 mm 的鋼板條，其它尺寸根據(jù)防水交界長度適當(dāng)調(diào)整。平直鋼壓板型式見圖6 所示；拐角壓板按照墻角實(shí)際角度或沉管底板鋼殼實(shí)際折彎角度加工制作，深中通道壓艙水箱共加工制作拐角壓板分為90o、109o、161o三種，其型式見圖7 所示。所有壓板制作時(shí)，需要注意的是，鋼壓板中心線上的螺栓孔應(yīng)加工成長條孔，直徑應(yīng)大于螺柱焊釘直徑，方便鋼壓板套在螺柱焊釘上安裝。

圖6 平直鋼壓板型式

圖7 拐角鋼壓板型式

5.4 防水布鋪設(shè)

因沉管內(nèi)墻壁預(yù)埋件、孔洞室、底板澆筑孔、透氣孔較多。當(dāng)防水布左右兩側(cè)邊框和底部邊框與其無法避讓時(shí)，需要對墻壁孔洞室進(jìn)行封堵，凸出物體則需要使用材料墊平。深中通道工程中對較大孔洞使用鋼板焊接封堵，避免防水布受到水的壓強(qiáng)擠壓。而凸出物體根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)，最終選用厚度為100 mm 的EPE 珍珠棉板鋪設(shè)墊平。EPE 珍珠棉板與普通的泡沫板比較，其承壓大、不易燃，不易碎。當(dāng)壓艙水箱內(nèi)注水后，水的壓力傳遞到珍珠棉板上后，其變形量小，適合進(jìn)行預(yù)埋件和澆注孔、透氣孔的防護(hù)，同時(shí)現(xiàn)場裁剪切割方便。鋪設(shè)EPE 珍珠棉板時(shí)僅需用膠粘在沉管相應(yīng)墻壁和底板位置即可。深中通道壓艙水箱EPE 珍珠棉板鋪設(shè)效果見圖8 所示。

圖8 壓艙水箱EPE 珍珠棉板鋪設(shè)效果

6 結(jié)語

本文以深中通道工程為例，對適用于鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)的沉管壓艙水箱防水密封技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)研究說明。該種防水密封技術(shù)型式通過在深中通道工程中的成功應(yīng)用，獲得了實(shí)際效果檢驗(yàn)，其優(yōu)異防水密封效果證明該種防水密封技術(shù)是完全可行的，值得類似工程項(xiàng)目推廣應(yīng)用。