《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[1]建议地下室伸缩缝间距可不超过30m。但在伸缩缝处的防水效果一直不尽理想, 因此有“十缝九漏”之说。而且防水卷材、防水涂料等均有使用寿命, 地下室外有土覆盖, 防水卷材、防水涂料等不易更换。混凝土本身具有防水功能, 地下室底板、外墙的混凝土也均较厚。因此解决此类问题的最好办法是不设或少设永久缝。

　　 本文针对广州金融城起步区地下空间结构, 研究结构主体的防水性能, 避免结构主体的无序贯通裂缝;结合目前的建筑防水技术给出变形缝、诱导缝等易漏水部位结构细部的改进防水做法;提出结构防水策略、措施。供建设单位、设计单位参考。

　　 广州金融城起步区位于广州市珠江水道北岸, 西起科韵路, 东至车陂路。广州金融城起步区地下空间建筑面积约为213.6万m², 地下室5层, 最低处的相对标高为-29.9m, 为融合交通、商业、停车、公共服务、绿色市政的复合型地下城市综合体。广州金融城起步区共分方城组团、翠岛组团、总部办公组团、综合枢纽组团、商务办公组团、商业娱乐组团、配套居住组团等七个组团, 各组团间的地下空间通过通道相连。以方城组团为例, 又由15个地块组成。金融城起步区规划鸟瞰图见图1。

　　 各组团地下空间的连接通道用变形缝分开, 各自分析结构主体的防水性能。

　　 广州市月平均最低气温是6℃ (1月) ^[2], 最低月 (1月) 平均气温13.6℃^[3]。一般认为当离地表深度超过10m时, 土体基本为恒温, 土体温度取为年平均气温^[2], 广州市是22.2℃。所以对施工阶段一侧暴露于空气中、一侧与土壤接触的底板来说, 最低温度取最低月平均气温13.6℃是偏高的, 由于混凝土材料的热惰性, 取月平均最低气温6℃又是偏低的。为此进行了如下计算分析。

　　 热量主要通过辐射、对流的方式在大气与构件表面传递, 再通过传导在构件内部传递。工程上为计算方便, 常常采用把辐射换热量折合成对流换热的处理方法。根据文献[3], 取冬季室外对流换热系数为23W/ (m²·K) ;混凝土、覆土的导热系数分别为1.74, 0.76W/ (m²·K) , 密度分别为2 500, 1 600kg/m³, 比热分别为920, 1 010J/ (kg·K) 。计算时底板取1m厚, 底板下10m处的土层温度取年平均气温22.2℃, 空气温度取冬季的实际温度。采用ANSYS软件进行温度计算, 计算温度变化的时间为1个月, 在第30d (当日气温为3～13℃) 底板温度变化如图2所示。

　　 可见, 底板中点的温度比较稳定, 为9.4℃。通过计算和一些测量, 同时为便于取值, 施工阶段底板最低温度取最低月平均温度13.6℃与月平均最低气温6℃的平均值, 9.8℃。

　　 对于气温, 还有一个参考值是历史极端最低气温, 广州为0℃。考虑到混凝土的热惰性、极端最低气温出现的概率及与底板温度取值的比较, 对施工阶段每一边都暴露于空气中的结构构件最低温度取文献[2]中的值6℃ (50年一遇的月平均最低气温) 。

　　 以后浇带浇筑即主体合拢时的温度作为气温变化引起构件温差的基准温度^[2]。广州最高月平均气温为28.6℃。要求浇筑后浇带的时间在气温低于最高月平均气温是比较可行的, 即基准温度取为28.6℃, 当实际合拢温度低于该值时, 计算是偏于保守的。

　　 使用阶段地下室顶板温度也按上述方法通过ANSYS软件计算, 室内偏于安全取16℃, 室内对流换热系数为8.7W/ (m²·K) , 考虑300mm厚覆土, 计算1个月得到混凝土顶板底面温度为14.5℃、混凝土顶板顶面温度为13.3℃, 如图3所示。平均温度为13.9℃, 为便于取值, 使用阶段地下室顶板最低温度取为最低月平均温度13.6℃。

　　 可以认为与地基土相连的底板保持恒温, 常年保持在22.2℃ (全年平均温度) , 地下1～4层楼板根据地下室顶板 (首层) 及底板 (地下5层) 温度按层数进行线性插值。

　　 混凝土收缩可以用当量温差来反映。根据文献[4], 考虑诸多因素后计算得到混凝土收缩当量温差为14.6℃, 在计算时该数值已扣除了考虑后浇带对混凝土前两个月收缩释放的影响。在《水工混凝土结构设计规范》 (SL 191—2008) ^[5]中规定, 初估混凝土干缩变形时可将其影响折算为10～15℃的温降。在《铁路桥涵设计基本规范》 (TB 10002.1—2005) ^[6]中规定, 混凝土收缩影响可按降低温度的方法来计算, 对于整体浇筑的钢筋混凝土结构, 相当于降低温度15℃。参考上述数值混凝土收缩当量温差最终取-15℃。温差和收缩当量温差综合取值如表1所示。

　　 在施工阶段考虑底板下岩石对结构的约束作用, 不考虑地下室外墙周边土对结构的约束作用;使用阶段同时考虑底板下岩石及地下室外墙周边土对结构的约束作用。

　　 本工程底板下岩层一般为中、强风化泥质粉砂岩。近似取核心筒剪力墙底部的变形为0;用摩擦系数和摩擦力对文献[4]中的地基水平阻力系数进行校核, 取底板和外墙处的地基水平阻力系数C_x为6×10^-3N/mm³。

　　 岩、土对结构的约束用弹簧单元模拟, 梁柱用杆系单元模拟, 墙板用壳单元模拟。

　　 混凝土具有应力松弛特性, 这可以使混凝土受到的约束得到一定程度上的释放。文献[4]给出40d龄期时混凝土的应力松弛系数为0.306, 最终的混凝土应力松弛系数为0.283, 本工程混凝土应力松弛系数取文献[7]中的建议值0.3。配筋率等对混凝土的极限拉应变有影响, 但为简化判别, 偏于安全取混凝土抗拉强度来判别混凝土的开裂。

　　 翠岛组团被水道环绕, 地下室平面近似成L形。计算模型如图4所示, 平面尺寸约为153m×207m (凹角区域尺寸63m×81m) , 模型高度25.5m。采用ANSYS软件完成建模。地下室底板及外墙的混凝土强度等级为C30、各层楼盖的混凝土强度等级为C35。

　　 翠岛组团地下室结构构件在施工阶段的最大负温差+混凝土收缩当量温差作用下的Z向温度应力见图5。

　　 X向应力与Z向的相仿。由图5可知, 底板由于受到的约束较强, 其温度应力较大, 随着楼层层数增加, 结构构件的温度应力逐渐减小。除局部温度应力集中外, 楼板大部分区域的温度应力在1.5N/mm²以内, 外墙大部分区域的温度应力在1.2N/mm²以内, 均小于C30混凝土抗拉强度标准值2.01N/mm²。适当提高底板、顶板、外墙的配筋率可抵抗温度应力。由于塔楼剪力墙基底受到的约束强、自身刚度也较大, 塔楼剪力墙附近的底板 (承台) 会出现温度应力集中的情况, 但是因为底板 (承台) 通常比较厚, 所配的钢筋较多以及底板受弯矩作用, 不容易出现贯通裂缝。即翠岛组团地下室混凝土结构主体能够防水, 在混凝土施工质量得到保证的情况下, 不会随处出现贯通裂缝、漏水的情况。翠岛组团地下室内部可采用不设永久变形缝的结构方案, 这样可避免永久变形缝处的漏水问题, 同时也加强了地下室结构的整体刚度。并且建议在底板底设置柔性外防水层, 以减少岩石对底板的摩擦约束;在温度应力集中的地方适当增加配筋, 以缓解温度应力集中的效应。

　　 偏于安全起见, 当地下室平面各单元尺寸大于200m时, 在底板、外墙和顶板设置一道诱导缝。诱导缝处混凝土整体浇筑, 钢筋断开, 未开裂时诱导缝处是不漏水的, 如果开裂将对其他部位的温度应力进行释放。重点对诱导缝处采取防水措施和排水措施, 把渗漏进来的水有组织地排走, 从而不影响地下空间的使用。

　　 施工阶段, 在最大负温差+混凝土收缩当量温差作用下带诱导缝的地下室结构构件Z向温度应力见图6。

　　 由图6可见, 除局部温度应力集中外, 大部分区域的温度应力在1.3N/mm²以内。诱导缝对地下室顶板等受约束小的部位的温度应力释放得多一些, 对塔楼核心筒基底等受约束大的部位的温度应力释放不明显。

　　 使用阶段, 在最大负温差+混凝土收缩当量温差作用下的地下室结构构件温度应力见图7。

　　 由图7可知, 除局部温度应力集中外, 楼板大部分区域的温度应力在0.6N/mm²以内, 外墙大部分区域的温度应力在1.1N/mm²以内, 小于施工阶段的应力。即施工阶段起控制作用。

　　 方城组团结构防水方案一为组团内部不设永久缝的方案。

　　 方城组团的整体计算模型如图8所示, 地下室层数为3～4层。

　　 方城组团由多个地块组成, 各地块建设单位和建设时间都不同, 但地下室要连为整体打通使用。所以施工阶段各地块地下室是独立的, 使用阶段才连为整体, 即可以考虑施工阶段单个地块混凝土结构的收缩和使用阶段整体结构温度效应的叠加。

　　 文献[4]给出, 浇筑3～6个月混凝土收缩约完成60%～80%, 1年约完成66%～95%。由于高层建筑的施工工期较长, 偏于保守地认为地下室连为整体前单个地块的结构的混凝土收缩完成了总收缩量的80%, 剩余20%的混凝土收缩量是在地下室连为整体后完成的, 使用阶段温度作用也按整体结构考虑。

　　 方城组团施工阶段单个地块的平面尺寸比翠岛组团的小, 所以不再分析其在施工阶段的综合温度效应。方城组团最大负温差和混凝土收缩当量温差综合取值如表2所示。

　　 单个地块80%混凝土收缩当量温差作用下, 地下室结构构件温度应力见图9。由图9可知, 除局部应力集中外, 楼板大部分区域的温度应力在0.5N/mm²以内, 外墙大部分区域的温度应力在0.35N/mm²以内。

　　 使用阶段, 整体结构最大负温差+ 20%混凝土收缩当量温差作用下, 地下室结构构件温度应力见图10。除局部温度应力集中外, 楼板大部分区域的温度应力在1.2N/mm²以内, 外墙大部分区域的温度应力在1.45N/mm²以内。

　　 与单个地块80%混凝土收缩当量温差作用效应叠加后, 大部分区域的温度应力在1.8N/mm²以内, 小于C30混凝土抗拉强度标准值2.01N/mm²。表明方城组团主体结构能够防水。

　　 偏于安全起见, 在方城组团中部X, Z两个方向的底板、外墙和顶板各设置一道诱导缝。使用阶段整体结构最大负温差+20%混凝土收缩当量温差作用下, 带诱导缝的地下室结构构件温度应力见图11。由图11可见, 除局部温度应力集中之外, 大部分区域的温度应力在1.25N/mm²以内, 与单个地块80%混凝土收缩当量温差作用效应叠加后, 大部分区域的温度应力在1.6N/mm²以内。

　　 由于方城组团建设单位的不同, 施工时间与施工组织必然存在差异。如若为了防水等原因在先开发地块的周边浇混凝土外墙临时封堵, 临时结构比较浪费, 届时拆除也会产生大量建筑垃圾, 而且未开发地块的积水也不好处理。

　　 考虑到方城组团的开发模式以及基底是岩石这一天然隔水层的情况, 结构防水方案二为地下连续墙+疏排水层方案。该方案的防水原理如图12所示。

　　 闭合且进入不透水层 (本工程为强、中风化岩层) 的地下连续墙, 隔断了地下空间外部地下水的径流。少量的渗水可通过设于地下室底板之下的疏、排水层集中后被抽去。

　　 该方案下方城组团内土方统一开挖, 统一做防水, 由于闭合空间内没有地下水, 所以各地块的开发时间和顺序可以不受影响。地下连续墙内侧设置内衬砌体墙, 两墙之间留出50～100mm宽排水通道, 岩石中的裂隙水也通过疏、排水层有组织地被排走, 防水效果好。

　　 方城组团与其他组团的通道处做法示意如图13所示。

　　 由于基底是岩石这一天然隔水层, 每天的抽水量是很少的。同时由于岩石内基本没有水, 所以底板处不会渗漏也没有水浮力, 于是节省了抗拔锚杆或抗拔桩, 缩短了施工工期, 减薄了底板厚度。

　　 该方案要求方城组团土方统一开挖, 防水统一做, 施工期间需对未施工的地块做一个轻钢结构等形式的临时挡雨顶板或采取其他挡、排水措施。

　　 在技术上方案二是方城组团的推荐方案。但是在管理上, 地下室公共空间和各地块的建设单位需要明确分工、划分责任, 是否有条件实施要根据实际条件确定。

　　 除方城组团外的其他组团, 各地块地下室的平面尺寸与翠岛组团的大致相似或比翠岛组团的小。即其他组团的防水方案与翠岛组团的防水方案相同, 本文不再阐述。

　　 前文分析表明, 各组团内部可不设永久变形缝。不同组团间由通道相连, 通道内变形缝的防水采用图14所示做法^[8,9]。当止水带采用金属止水带时, 钢板U形槽上填柔性材料以避免混凝土阻碍金属变形。

　　 诱导缝的防水采用图15所示做法。诱导缝处两侧钢筋断开, 混凝土整体浇筑, 如有渗漏水, 则将其有组织地排走, 不得影响地下空间的使用。

　　 施工缝的界面按常规处理, 防水采用图16所示做法。

　　 后浇带钢筋断开, 做法如图17所示。施工时分两次浇筑混凝土, 浇筑间隔时间段内应对止水带采取保护措施。

　　 (1) 设置后浇带;在底板与基岩间设置如柔性外防水层的滑移层;在平面凹口的折角处设置切角或弧形过渡;楼板适当设置通长面筋;当地下室层数、深度不一致时, 在交接过渡的地方适当加大钢筋配筋率;各单元平面尺寸超过200m左右时设置诱导缝。

　　 (2) 重视混凝土的施工质量、加强混凝土的养护, 适当选择混凝土的入模温度。使用较低标号的混凝土, 控制防水混凝土的配合比等。

　　 大面积的使用预应力或在混凝土中添加纤维, 虽然有效果但是增加造价和施工麻烦, 所以只建议需要时在组团间的连接通道等应力较大的局部区域使用预应力或在混凝土中添加纤维。

　　 (1) 对广州金融城起步区地下空间结构的温差变化进行了分析, 并给出了取值建议。如施工阶段, 底板的最低温度取最低月平均温度13.6℃与月平均最低气温6℃的平均值, 9.8℃;对其他每一边都暴露于空气中的结构构件, 最低温度取月平均最低气温6℃;使用阶段, 地下室顶板最低温度取最低月平均温度13.6℃。

　　 (2) 分析表明, 各组团的地下室可采用不设永久变形缝的方案。偏于安全起见, 当地下室各单元平面尺寸大于200m左右时, 在底板、外墙和顶板各设置一道诱导缝。方城组团的地下连续墙+疏排水层的防水方案便于多个建设单位分别开发, 防水效果好。

　　 (3) 给出了组团间变形缝等易漏水细部的改进防水做法。

　　 (4) 从设计、施工、材料等方面给出了保障结构主体防水性能的裂缝控制措施。在变形缝等易漏水部位设置排水设施, 在防水方面保障金融城起步区地下空间的使用。