低频动荷载下装配式下穿隧道的防水耐久性试验研究

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　　摘  要：该文以成都市一环路磨子桥装配式下穿隧道埋深较浅为背景，基于过往车辆产生的低频反复动荷载和相似材料模型试验，分析了预制拼装隧道框架环在车辆荷载作用下，水平接缝处的受力及变形特征。试验结果表明，加载200万次后，试验模型的大跨侧边墙接缝周边位移和小跨侧边墙接缝周边位移均小于橡胶止水条的压缩量，预制构件的分块形式和接缝的接缝位移均满足低频动载条件下的防水耐久性要求。
　　关键词：装配;下穿隧道;低频动荷载;防水;水平缝
　　中图分类号：U453                文献标志码：A
　　1 工程概况
　　城市下穿隧道作为地下隧道工程的一种，是一种利用立体空间解决区域交通矛盾的地下空间结构，它能够有效分离过境交通，提高道路的畅通性，并具有节约地面空间，整体效果简洁美观的优点。所谓装配式下穿隧道就是将部分或全部隧道框架环在工厂内完成预制，并运输至施工现场，再通过可靠的连接方式将隧道框架环拼装形成下穿隧道框架段。无论现浇隧道还是装配式隧道，防水工程都是隧道施工中的重要环节，防水效果的好坏对隧道工程的使用功能具有直接影响。尤其装配式下穿隧道存在较多的连接节点，而预制构件的连接节点又普遍存在着渗漏的质量通病，节点的防水问题更不容忽视。因此，预制构件的防水处理是装配式下穿隧道工程应用的关键控制因素。在构造处理上，必须采取合理的构件分块形式，并对节点防水采取有效的处理，才能在控制现场工程量的基础上保证节点的防水性能。
　　城市下穿隧道多穿越市区主干道和人流密集区，并且为了便于行人通行，隧道通常埋深较浅，隧道主体结构的覆土厚度多在1 m～4 m。对于这类隧道，车辆启动、制动和行驶过程中轮胎产生的振动对隧道结构的防水影响较大。该装配式下穿隧道位于成都市交通主干道，车辆行驶速度较慢，产生的车辆动荷载频率主要在100 Hz以下，属于低频范围。而本下穿隧道的顶面埋深为2.81 m～3.96 m，埋深较浅，因此，地表汽车的低频动荷载效应较明显，其对装配式隧道接缝防水耐久性的影响不可忽略。该文以成都市一环路磨子桥装配式下穿隧道为研究对象，使用振动台对大比例尺模型进行了室内模型试验研究，结果表明将隧道框架环由中部划分为上段M型与下段W型的预制拼装方案是可行的，并且分块预制结构水平接缝的位移对防水耐久性的影响在合理范围内，满足防水耐久性要求，试验结果可为同类装配式下穿隧道的防水设计提供依据。
　　2 试验设计
　　2.1 相似比
　　该试验以长度l、密度ρ、弹性模量E为基本量纲，按照相似学定律推导相似关系，将加载反力架宽度定为3 m，下穿隧道宽度22.3 m，几何相似比1∶10、密度相似比1∶1、弹性模型相似比1∶10为主的相似关系。
　　2.2 試验模型
　　如图1所示，实际预制隧道框架环的横断面由中部竖向拆分为上、下2个部分，断面尺寸均为22.3m×4.2m×1.5m。试验模型尺寸定为2.23m×0.82m×1m。模型箱尺寸定为3m×1.4m×1m。
　　实际覆土厚度为4 m，故模型中覆土厚度取为0.4 m。地面道路标准为城市I级，最大车辆载重为5轴70 t，根据确定力的相似比（1 000∶1）进行动力加载，模型加载的荷载幅值为700 N。设计车速为40 km/h，实际通过时间为2 s左右，频率0.5Hz。由频率相似比0.316，得出模型加载频率为1.6 Hz，实际试验中取2 Hz，加载次数为200万次。
　　3 模型制作
　　按照既定尺寸用木模板制作构件，按照水∶石膏∶硅藻土的比例1∶1.2∶0.1进行称重，然后搅拌均匀不间断地倒入模具中，浇筑模具时分块中间隔开，放置预制小钢箱预留孔，然后整体浇筑。
　　待浇筑完毕24 h后进行脱模，脱模后使用6盏1 000 W碘钨灯进行72 h烘干。如图2所示，模型按要求烘干，并进行分离，再刷漆和贴应变片。
　　模型箱底板采用10 mm厚的钢板制作，四周采用6 mm厚度钢板。为了保证模型箱的刚度，四周使用5 cm的槽钢进行加固，并先将底槽整体焊接完成，然后运至加载位置，铺设地层，夯实、整平。
　　整平后将底板吊装、定位放入底槽。底板安装到位后，安装模型中部的抗剪钢箱、施作大跨边墙侧、中墙及小块接缝处的橡胶止水条，最后吊装顶板并安装。
　　模型安装完毕后，焊接模型箱四周的钢板，然后铺设剩余地层、施加预应力、连接分载器及作动器。
　　在上下预制构件的实际拼装设计中，接缝的防水是在外包防水的基础上，再在接缝的内外边缘2 cm处各开2条宽度与深度为3 cm的凹槽以放置止橡胶水条。模型试验中采用直径为1 cm的弹性橡胶止水条在接缝中压紧，当接缝张开时，压紧的橡胶止水条会张开，能较为准确地模拟实际工程的防水效果。
　　4 试验结果及分析
　　4.1 大跨侧边墙接缝周边位移
　　为了研究分块预制结构水平接缝位移对防水耐久性的影响，需在接缝处布置足够多的位移传感器以监测试验期间接缝处的位移。具体为，大跨侧和小跨侧的接缝处均布置4个位移传感器以监测接缝的张开与闭合，其中接缝内外各安装一个垂直位移传感器，接缝内侧上下各安装1个水平位移传感器。
　　监测结果显示，接缝外侧累积垂直位移为0.22 mm（接缝张开），接缝内侧垂直位移为0.28 mm（接缝闭合），分别对应于原型中接缝张开0.22 cm与闭合0.28 cm，但橡胶止水条的压缩量为1 cm，因此该接缝的张开量满足防水耐久性的要求。大跨边墙接缝周边最大位移发生在内侧上边缘，为水平位移，其累积值为3.1 mm，上边缘外移。其次为接缝内侧下边缘，其累积值为0.45 mm，下边缘同样外移。二者相对位移为2.65 mm，上边缘向外与下边缘水平错动。
　　4.2 小跨侧边墙接缝周边位移
　　小跨侧的接缝处传感器显示，小跨侧接缝内外累积垂直位移分别为0.25 mm及0.45 mm，分别对应于原型中接缝张开0.25 cm与0.45 cm，小跨侧接缝整体张开，但该值仍小于橡胶止水条的压缩量，因此小跨侧边墙的张开量也满足防水耐久性的要求。
　　5 结语
　　W+M型预制拼装结构从试验开始至结束一共经历200万次加载，期间模型大跨边墙与小跨边墙的接缝位移均小于橡胶止水条的压缩量，表明该分块形式满足地表车辆低频动载条件下的防水耐久性要求。
　　结构最大累积水平位移发生在大跨内侧边墙上部，水平移动3.1 mm。大跨外侧边墙下部累积水平位移为0.45 mm，上下边缘均发生外移，相对位移为2.65 mm，因此，结构防水耐久性的主要控制因素为大跨侧接缝的相对水平错动。
　　参考文献
　　[1]张银屏.地面车辆荷载对浅埋隧道影响的分析方法[J].中国市政工程，2008（12）：76-77.
　　[2]王德超.预制装配式结构在地下工程中的应用及前景分析[J].中国科技论文，2018（13）：115-120.
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