昆仑隧道防水系统设计

昆仑隧道防水系统设计

1冻融条件下防水材料在隧道防水设计中的应用要求清藏铁路全长118公里，海拔4000多公里，其中多年冻土面约600公里。它是世界上最长的铁路，穿过高原、寒冷、缺氧和永久性冷冻地区。昆仑隧道位于昆山以北的中梁沟两侧的高山上。这是青藏线最长的多年冻土隧道。室外日平均气温为-10c15c，洞内气温为-5c5c。高原冻土区由于冻伤和冷冻融化的反复影响，导致装饰裂缝、坠落、错台、破碎和其他疾病。昆仑山隧道位于多年冻土区，气候恶劣，日温差大。施工和使用预防材料在低温和冻融条件下受到各种性能指标，应合理选择预防材料和施工工艺。2复合式衬砌防水保温层结合昆仑山隧道所处地区年降水量、年平均气温、极端最低温度、岩石等级等因素,经过分析、研究,并通过对已完成的铁路、公路隧道工程中,防排水工程较成功的隧道所采用防排水技术手段进行考查,推荐在昆仑山隧道工程中采用复合式衬砌防水保温层,即区间隧道设计为复合式衬砌,由初期(一次)支护、防水层、保温层、二次衬砌模筑混凝土构成.2.1冲侧混凝土的防水板及二缝防水昆仑山隧道防水系统由防水板和施工缝、变形缝的防水两道防水线组成.防水层由缓冲层和防水板组成,为了施工方便,可使用达到性能指标要求的复合式防水板,即缓冲层已由厂家粘贴在防水板上的具有缓冲作用的防水板.缓冲层选用较柔软且具有相当强度的片材,以克服喷射混凝土粗糙凹凸不平的基面对防水板的损伤.防水板除具有不透水性外,还应具有在二次衬砌灌注混凝土时能承受机械作用而不致损伤的性能,具有耐久性良好、接缝处严密且操作简便的特点.除了做好大面积用防水板防水外,还必须做好缝隙防水即施工缝、变形缝(以下简称二缝)防水.二缝位于防水板内侧,二次模筑衬砌上,如果称防水板层为第一道防水线,那么,二缝的防水则为第二道防水线,是对第一道防水线的补充,做好二缝的防水,能阻止从防水板层渗入的水继续进入隧道,加强隧道的防水效果,所以二缝的防水是非常重要的.2.2缝的止水机理防水板的止水机理.铺设阻水抗渗材料(防水板)、并使之相互粘结形成一道密封防水层,以阻止渗水浸入隧道.二缝的止水机理.二缝是混凝土与混凝土界面之间的缝隙,在混凝土界面嵌入止水材料时,止水材料和混凝土界面之间同时也形成了新的界面(缝隙),因此二缝的止水是界面缝隙的止水,在考虑了混凝土与混凝土界面缝隙的止水后,必须解决止水材料自身和混凝土界面的密封和止水,同时必须满足土木工程止水材料的可靠性和耐久性要求.3防水材料的筛选试验研究笔者在翻阅大量资料的基础上,在试验室中模拟施工现场条件,确定试验方案,通过大量的模拟试验对冻土地区隧道衬砌的施工缝、变形缝防水材料及技术进行了试验研究.在对几种同类产品进行对比试验的基础上,选用各项性能指标均达到优良的产品作为防水材料.3.1pvc板作防水板的准备从国内外隧道复合式衬砌防水隔离层的材料选择来看,防水板应用较多,但是像CCR911型板材,其延展性不好,表面光滑性也较差,不符合选择防水板材料的标准;而PVC板材的焊接接缝很难达到要求,因为其接缝工艺比较落后,同时,板材自身的延展性也不大,不能抵抗机械的冲击,在了解到很多使用PVC板做防水的隧道都漏水的事实后,认为这不是很好的防水材料.在排除了上述两种板材以后,根据选择板材的条件、标准及对国内外工程实例选择板材作隧道防水的广泛调查和研究后提出:摧荐采用LDPE(低密度聚乙烯)板作防水层,PE(聚乙烯)泡沫塑料垫衬作缓冲层,并由厂家将缓冲层粘贴到防水板上,以便于施工.3.2缝止水材料二缝是混凝土工程防水的薄弱点,二缝采用止水材料止水只是在整个缝隙面的一条止水线,高性能的二缝止水材料和正确的止水材料安装工艺,是保证混凝土工程质量的重要因素.二缝止水材料不仅要有良好的抗水渗透性能,还要求能够完全密封混凝土界面之间的缝隙,阻止水分渗透.3.2.1遇水膨胀止水条选用BW-96Ⅰ型遇水膨胀止水条和WJ界面粘结剂作为施工缝止水材料.BW-96Ⅰ型遇水膨胀止水条属缓膨胀型的遇水膨胀腻子止水条,遇水膨胀腻子止水条具有遇水膨胀平衡自愈功能,堵塞阻隔渗漏水源,实现主动以水止水.遇水膨胀腻子止水条在混凝土施工缝应用时,采用粘结固定,故采用一种对旧混凝土界面粘结能力有显著改善的WJ界面粘结剂.选用腻子止水条而不选用橡胶止水条,是因为腻子止水条的质地较软,能更好地填充密实混凝土凹凸不平的表面,而橡胶止水条的质地较硬,与混凝土表面的密实程度不够.选用缓膨胀型的遇水膨胀止水条,是因为若选用无缓膨胀功能的遇水膨胀橡胶(或腻子)止水条,遇水会迅速膨胀,一旦受雨淋或冲洗水的浸泡,在未浇筑混凝土前就充分膨胀了,而在浇筑完混凝土后施工缝开裂时,就不膨胀或无足够的膨胀应力,减少甚至失去止水作用,造成渗漏.由于施工缝特有的施工特点,选用的遇水膨胀止水条必须是缓膨胀型的,同时,应注意施工方法.3.2.2遇水膨胀橡胶止水条的改进选用E3型橡胶止水带和ST遇水膨胀橡胶止水条作为变形缝止水材料.橡胶止水带的止水机理是弹性密封止水,在弹性变形范围内,能够适应变形缝的变形,但其压缩变形能力和弹性变形能力有限,和混凝土界面之间的密封还存在一定的缺陷,不能完全填充和密封其变形范围以外的孔隙.为此,选用了一种膨胀率很大的遇水膨胀橡胶止水条作补充,可以通过遇水时体积膨胀来进一步填充和密封橡胶弹性变形外的橡胶和混凝土之间界面缝隙,达到可靠的止水效果.4防水材料冻融循环作用下的性能由于本工程地处多年冻土区,防水材料在施工和使用过程中都会受到冻胀、冻融的反复作用,为此,笔者专门研究了防水材料在冻融循环条件下的性能.4.1冻融循环对材料性能的影响参照文献的试验方法进行,试验结果如表1,2所示.试验结果分析:从试验结果可以看出,随着温度降低,止水条和止水带的拉断伸长率和拉伸强度均降低,特别是在50次冻融循环后,其拉断伸长率和拉伸强度降低很多,这说明冻融循环对材料性能的负面影响很大,就苛刻程度来讲,冻融循环条件要比负温条件更苛刻,对材料的性能要求更高.对两种不同类型的止水带来说,E3型橡胶止水带的强度性能较好.对三种不同类型的止水条来说,BW-96Ⅰ型遇水膨胀止水条和BW-91型遇水膨胀止水条的拉伸强度和拉断伸长率都比较小,而ST遇水膨胀橡胶止水条由于具有橡胶的弹性和物理机械性能,其拉伸强度和拉断伸长率很高,优于前面两种材料;根据施工要求,BW-96Ⅰ型遇水膨胀止水条和ST遇水膨胀橡胶止水条的强度指标均满足要求,而BW-91型遇水膨胀止水条的拉伸强度略小于施工要求.因此,选用BW-96Ⅰ型遇水膨胀止水条和ST遇水膨胀橡胶止水条作为止水材料.4.2试验结果选用BW-96Ⅰ型遇水膨胀止水条进行本试验,首先在无约束条件下测定其吸水膨胀率.试验结果如表3所示.试验结果分析.BW-96Ⅰ型遇水膨胀止水条在无约束条件下的冻融循环试验还表明,在无约束条件下冻融循环13次以后,试块表面开始破裂,发粘.这就需要模拟施工现场的条件,在约束条件下考察试件经冻融循环50次以后的性能,也即研究约束吸水膨胀率.4.3试验容器与试样试验条件为冻融循环(-10℃～20℃变温),模拟施工现场,约束膨胀,试验容器如图1所示.共做6个容器,将试样(尺寸较容器小)置于容器中,在-10℃～20℃变温条件下,冻融循环50次后,观察试样膨胀后有无破坏现象.2试验结果通过采用上述测定约束吸水膨胀率的方法,使止水条试块在容器中经冻融循环50次以后,观察其表面,发现并无破裂冻粘现象,说明满足施工要求.5特殊结构的防水5.1沟槽安装及固定正确而可靠地设置遇水膨胀止水条是确保施工缝防水的关键,应尽量通过预埋硬木条待混凝土终凝后剔除的方式形成沟槽,再采用粘帖与水泥钉钉入的方式将止水条固定于沟槽内,露出沟槽面的遇水膨胀止水条部分应<150mm.在预留槽处安置止水条,预留槽形状及尺寸如图2所示;水平及环向施工缝防水构造如图3所示.5.2变形缝的混凝土施工变形缝的作用是满足地下工程中两相邻结构的伸缩变形,而过大的接缝,除了多耗费接缝用垫板及嵌缝密封胶以外,更不利于抗水压.通常设计的变形缝缝宽,规定<30mm.如果设置变形缝位置的混凝土厚度<300mm,在采用中埋式止水带时,它离结构混凝土面的距离<150mm,这样造成的后果是:渗漏水容易进入变形缝,若渗漏水直接进入变形缝,它在混凝土中的渗水高度就从止水带处算起,故止水带到混凝土的距离必须大于150mm(即通常抗渗试件的高度).否则,容易渗漏,容易影响接头处混凝土的密实性.采取的措施是设计变形缝位置的混凝土厚度>300mm,在结构厚度不足300mm时,也必须在变形缝两侧各500mm范围内局部加厚至>300mm.在加厚混凝土厚度的前提下,加大中埋式止水带与ST遇水膨胀橡胶止水条的距离.1)放置橡胶止水带.橡胶止水带在混凝土浇筑时随筑随埋,需严格保证其位置的准确性.2)放置ST遇水膨胀橡胶