ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ ТОННЕЛЕЙ

Гидроизоляция обделки. Гидроизоляция обделки имеет цель создать водонепроницаемую конструкцию, способную воспринять гидростатическое давление и надежно защищающую внутритоннельное пространство от поступления в него воды из окружающего горного массива. Создание такой конструкции влечет за собой восстановление в горном массиве путей фильтрации подземных вод, которые были до возведения тоннеля.

Гидроизоляционный материал можно наносить на конструкцию обделки как с внутреннй стороны, так и с наружной. Наружную гид­роизоляцию применяют в тех случаях, когда имеется возможность уложить ее непосредственно по наружной поверхности обделки. В этом случае необходимость специальных мероприятий для восприятия гидростатического напора отпадает, так как он передается непосред­ственно на тоннельную обделку. Однако доступ к наружной поверх­ности обделки при возведении тоннелей закрытым способом или при их реконструкции, как правило, отсутствует. Поэтому в этом случае ча­ще применяют гидроизоляцию, наносимую по внутренней поверхно­сти тоннельной обделки, т. е. так называемую внутреннюю гидроизо­ляцию. Достоинством внутренней гидроизоляции является возмож­ность ее ремонта в процессе эксплуатации. Недостаток ее заключается в слабом сцеплении с материалом тоннельной обделки. Это требует применения специальной внутренней несущей конструкции, которую рассчитывают на восприятие гидростатического давления. Как пра­вило, такую конструкцию-рубашку выполняют из железобетона тол­щиной 10 — 20 см. Устройство внутренней гидроизоляции и железо­бетонной рубашки требует, кроме того, еще наличия свободного про­странства между внутренней поверхностью обделки и габаритом при­ближения строений.

В каждом конкретном случае вопрос о применении наружной или внутренней гидроизоляции следует решать исходя из условий при­меняемого способа производства работ капитального ремонта или ре­конструкции тоннеля, внутреннего очертания обделки, применяемого типа гидроизоляционного материала и технологии его нанесения на об­делку.

В качестве гидроизоляции применяют различные водонепрони­цаемые материалы, которые относятся в основном к трем типам: же­сткие, рулонные и безрулонные.

Одним из наиболее распространенных видов жесткой гидроизоляции является торкретирование — нанесение слоя цементного раствора на внутреннюю поверхность обделки с помощью торкрет-аппаратов. Давлением сжатого воздуха в 3 — 4 ат сухая смесь цемента и песка (состав 1:2 — 1:3) подается к соплу и после увлажнения в нем водой с силой набрызгивается на изолируемую поверхность. Торкретирование ведут, как правило, слоями до 10 — 12 мм с общей толщиной покрытия в 20 — 40 мм.

Для торкретирования применяют чистый песок крупностью до 5 мм и цемент марки не ниже 300, выбранный с учетом агрессивности подземных вод. При значительном напоре подземных вод торкретный слой армируют сеткой из проволоки диаметром 3 — 5 мм, которую крепят к обделке анкерами. Перед торкретированием делают подготовку поверхности, состоящую в насечке бетонной поверхности обделки, очистке ее пескоструйными аппаратами и промывке водой.

В последнее время большое применение получает метод нанесения на внутреннюю поверхность обделки набрызг-бетонных покрытий и аэрированных растворов — аэроцемов. Аэрированные растворы (пенорастворы) состоят из песка, воды, портландцемента и вспенивающих добавок. Для приготовления и нанесения раствора применяют установку, состоящую из смесителя и пневмонагнетателя. В смесите­ле приготовляется раствор путем добавления в пену, образованную водой и вспенивающей добавкой, цемента и песка. При перемешива­нии получается однородная смесь, в которой равномерно распределе­ны микроскопические пузырьки воздуха, действующие как пласти­фикатор. Это позволяет уменьшить водо-цементное отношение до такой величины, при которой уже не получается сквозных путей фильтрации воды.

В процессе приготовления раствор приобретает хорошую текучесть, свойства нерасслаиваемости и прилипаемости. Приготовленная аэрированная смесь загружается в пневмонагнетатель и под давлением 2,5 — 3 ат подается по шлангам через специальное сопло на изолируемую поверхность.

Опыт применения торкрета, набрызг-бетона и аэроцема показывает, что эти покрытия обладают достаточной механической прочностью, хорошим сцеплением с бетоном, особенно при наличии сетки, и водонепроницаемостью при небольших напорах воды. Однако эти покрытия обладают целым рядом существенных недостатков. Жесткость покрытия в случае неравномерных осадок приводит к образованию в нем трещин, возможно возникновение также усадочных трещин. Кроме того, применение торкрета и аэроцема для ликвидации обводненности тоннелей, расположенных в условиях сурового климата, также не дает положительных результатов. Многократное размораживание приводит к отслаиванию этих покрытий.

Наиболее надежным видом жесткой гидроизоляции является металлоизоляция. Металлические листы толщиной 6 — 8 мм приваривают обычно через специальные накладки к штырям, которые заделываются в тело обделки. Неплотности между обделкой и изоляцией ликвидируют путем заполнения цементным раствором при контрольном нагнетании. Во избежание ржавления внутреннюю поверхность металлоизоляции покрывают антикоррозионным покрытием (сурик, битумный лак и др.). Недостатком металлоизоляции является ее высокая стоимость.

В последнее время ведутся работы по замене металлических листов листами из синтетических материалов (пластмасс). Однако пока такая жесткая листовая изоляция не нашла еще достаточно широкого применения, так как не найден способ достаточно надежного крепления листов к тоннельной обделке.

Рулонная оклеечная гидроизоляция состоит из одного или нескольких слоев гидроизоляционного материала, которые наклеивают на изолируемую, предварительно подготовленную для этого поверхность обделки, слои соединяют между собой пластичной водонепроницаемой мастикой. Число слоев обычно определяют в зависимости от ожидаемого гидростатического напора.

Наиболее распространенными материалами, применяемыми для оклеечной изоляции, является гидроизол, получаемый пропиткой асбестового картона мягкими беспарафинистыми нефтяными битумами с последующим покрытием тугоплавкими битумами, а также металло- изол, получаемый двусторонним покрытием алюминиевой фольги пластичным слоем тугоплавкого битума с добавкой асбестового волокна. Мастику наносят на изолируемую поверхность в горячем виде и по ней наклеивают рулонные материалы. В местах устройства деформационных швов устраивают компенсаторы гидроизоляции, обеспечивающие ее целостность при небольших взаимных смещениях частей сооружения.

При качественном выполнении гидроизоляции обеспечивается полная водонепроницаемость обделки, причем изоляция в силу своей гибкости не нарушается даже при неравномерных осадках и образовании незначительных трещин в бетоне. Однако при всех своих положительных сторонах этот способ гидроизоляции тоннельных обделок имеет весьма значительные недостатки. Прежде всего это весьма трудоемкая работа, трудно поддающаяся механизации, а, кроме того, устройство оклеечной изоляции из гидроизола связано с горячими работами по варке битумной мастики и нанесению ее на поверхность обделки.

В настоящее время промышленность выпускает для оклеечной гидроизоляции полиизобутиленовые (ПКП, ГМП, оппанол и др.), полипропиленовые, поливинилхлоридные и другие пленки, а также битумные рулонные материалы на синтетической основе. В частности, стеклобит изготовляется из стеклоткани, пропитанной специальной мастикой, в состав которой входят битум и микроасбест. Материал наклеивают на оштукатуренную и покрытую асфальтовым лаком поверхность. Заранее раскроенный стеклобит подносят к месту работ, изолируемую поверхность прогревают при помощи паяльных ламп до температуры 90 — 100°С и постепенно, вслед за прогревом, рулон раскатывают.

При работах с такими материалами отпадает необходимость в варке битумной мастики, транспортировке битума, разливе его в бачки, обмазывании рулонного полотна вручную и других трудоемких работах, что несравненно повышает культуру производства.

Практика показывает, что применение оклеечной гидроизоляции для защиты подземных сооружений от воды при их реконструкции дает в ряде случаев положительные результаты. Однако устройство многослойной внутренней гидроизоляции, особенно при необходимости возведения поддерживающей железобетонной рубашки, приводит к сужению габарита выработки. Поэтому применение ее при реконструкции железнодорожных тоннелей может быть рекомендовано лишь тогда, когда это позволяет их габарит.

Устройство же наружной оклеечной изоляции связано с необходимостью дополнительной разработки большого объема породы за обделкой тоннеля и выполнением ряда строительных работ, производимых к тому же в стесненных условиях.

В последние годы в практике строительства начали широко внедряться различные синтетические материалы для создания водонепроницаемых безрулонных покрытий, наносимых на внутреннюю поверхность обделки. Возможность широкой механизации работ и практически полная водонепроницаемость этих покрытий, делают безрулонные изоляции весьма перспективными, особенно в условиях капитального ремонта и реконструкции тоннелей. Работы по нанесению таких покрытий возможно вести практически без перерыва движения поездов. Хорошее сцепление покрытий с бетонной поверхностью позволяет отказаться от устройства внутренней поддерживающей рубашки. Само же покрытие имеет незначительную толщину и не стесняет внутренние габариты тоннеля.

Безрулонные гидроизоляционные покрытия образуются путем газопламенного напыления термопластов или нанесения реактопла- стов обычными малярными приемами.

Газопламенное напыление термопластов (полиэтилена, полистирола, асфальтобитумных смесей и др.) основано на свойстве этих материалов расплавляться при высокой температуре и после нанесения на изолируемую поверхность и охлаждения образовывать плотную водонепроницаемую пленку. Однако вследствие определенных трудностей в технологии нанесения покрытий и неясности вопроса о долговечности термопластов метод газопламенного нанесения пока не получил широкого распространения.

Окрасочная изоляция реактопластами (эпоксидные смолы, фурановые смолы, полиуретановый лак и др.) заключается в многократном нанесении на изолируемую поверхность пульверизаторами или кистями состава, в который введены специальные отвердители. В результате полимеризации и высыхания состава образуется водонепроницаемая пленка, плотно сцепленная с бетонной поверхностью обделки.

Процесс устройства безрулонной гидроизоляции в основном состоит из двух операций: подготовки изолируемой поверхности и устройства собственно изоляции. Подготовка изолируемой поверхности заключается во временном осушении ее на период нанесения изоляции, удалении с нее пыли, грязи, а также заделке и исправлении различных дефектов (каверн, раковин, глубоких трещин и т. д.) цементно-песчаными растворами, различными замазками, мастиками и шпаклевками на основе тех же синтетических материалов.

Наибольшее распространение при создании безрулонных гидроизоляционных покрытий в настоящее время имеют эпоксидные смолы и получаемые на их основе различные эпоксидные компаунды, в частности эпоксидно-фурановые соединения. В этом случае в качестве отвердителей чаще применяют полиэтиленполиамины, в качестве пластификатора пользуются дибутилфталатом или ацетоном. Эпоксидные смолы и их компаунды применяют для полной или частичной гидроизоляции бетонных обделок, а также для ликвидации отдельных активных течей.

При полной гидроизоляции сооружения предварительно всю его внутреннюю поверхность подготавливают к покрытию (срубают наплывы бетона, заделывают крупные раковины, обезжиривают поверхность и т. п.), затем на нее наносят (вручную кистями или пистолетом-распылителем) слой изоляции, которая по окончании процесса полимеризации создает водонепроницаемое покрытие.

Метод частичной гидроизоляции целесообразно выполнять в слу­чае, когда можно ограничиться покрытием отдельных мест течей в со­четании с организованным отводом воды, обеспечивающим снижение гидростатического давления. В этом случае площадь покрытия и рас­положение мест изоляции определяют в зависимости от конкретных условий. Сроки твердения гидроизоляции регулируют количеством вводимого отвердителя и температурой смеси. Эти сроки в зависимо­сти от необходимости могут колебаться в пределах от нескольких минут до часа и более. Составы приготавливают непосредственно перед их применением путем тщательного перемешивания входящих в них компонентов.

Отдельные активные течи ликвидируют закладкой пыжей из волокнистых материалов, пропитанных теми же составами. Для этой цели устье течи расчищают от наносов, обрабатывают механически для создания углубления или канавки глубиной в несколько сантиметров, а затем пыжуют волокном и зачеканивают. В качестве волокнистых материалов можно применять асбестовое волокно, лен, пеньку и др. Обработанные края течи осушают (например, паяльными лампами) и покрывают слоем гидроизоляции.

Покрытия на основе эпоксидных смол практически водонепроницаемы при напоре грунтовых вод до 5 — 6 ат.

Недостатком большинства безрулонных изоляций является их низкая трещиностойкость, что может вызвать нарушение сплошности покрытия при деформациях тоннельной обделки. Кроме того, трудоемкость подготовительных работ, т. е. необходимость тщательной предварительной очистки поверхности и ее осушения, также препятствует в ряде случаев их широкому внедрению.

В особо сложных гидрогеологических условиях при сооружении железнодорожных тоннелей находят применение обделки из чугунных тюбингов. В этом случае, хотя материал обделки сам по себе и является водонепроницаемым, появляется необходимость в специальных мерах по гидроизоляции болтовых отверстий, отверстий для нагнетания, а также стыков между отдельными элементами обделки.

Изоляцию болтовых отверстий осуществляют путем постановки стальных и асбобитумных шайб сферической формы. При завинчивании гаек асбобитумные шайбы обжимаются, втапливаются в пространство между болтом и стенками болтового отверстия и соединение становится водонепроницаемым.

Швы между тюбингами и отверстия для нагнетания изолируют с помощью чеканки. В чеканочные канавки в стыках элементов наносят послойно и уплотняют при помощи чеканочных молотков свинцовый шнур или специальную замазку из одонепроницаемого расширяющегося цемента ВРЦ.

Однако при эксплуатации тоннелей в результате воздействия горного давления и знакопеременных температур наблюдаются деформации обделок, нарушается сплошность чеканки и расстраиваются болтовые соединения. В результате в процессе текущего, а в некоторых случаях и капитального ремонтов обделки появляется необходимость в восстановлении изоляции швов и болтовых соединений. Нарушенную чеканку вырубают и заменяют новой, при протечках болтовых соединений заменяют асбобитумные шайбы.

Работы по гидроизоляции стыков сборных обделок трудно поддаются механизации. Чеканочный материал набивают в швы вручную. В настоящее время ведутся работы по использованию аэроцема для чеканки швов. С помощью механизированной установки путем регулирования подачи сжатого воздуха к соплу получают устойчивую струю пенораствора для заполнения чеканочных канавок. В настоящее время для чеканки швов начали применять мастики на основе синтетического материала тиокола, обладающего хорошими деформативными свойствами. Это позволяет при деформациях обделки обеспечить водонепроницаемость стыков и снизить затраты на текущее содержание тоннеля.

Тампонаж. Тампонаж осуществляют путем нагнетания различных растворов (цементных, битумных, жидкого стекла и др.) за обделку в тело горного массива или в обделку тоннеля с целью повышения водонепроницаемости системы «обделка — порода» и осушения тоннеля. Тампонаж уменьшает водопроницаемость обделки и окружающих сооружение пород, а также создает дополнительные препятствия на путях фильтрации к нему подземных вод. Кроме того, тампонаж необходим для тщательного заполнения всех пустот за обделкой, что обеспечивает совместную работу конструкции и окружающей породы, способствует более равномерному распределению горного давления, предотвращает осадки породы. С помощью одного тампонажа, как правило, невозможно полностью осушить обделку тоннеля, поэтому его рекомендуется применять в сочетании с другими видами осушительных мероприятий. Нагнетание за обделку обычно осуществляют цементными и цементно-песчаными растворами и производят до возведения дренажных сооружений во избежание возможного перекрытия путей фильтрации к дренажам. Состав раствора (соотношение цемента и песка) может быть от 1 : 0 до 1 : 5, его выбирают в зависимости от типа обделки, гидрогеологических и климатических условий.

Нагнетание, как правило, осуществляют в два приема: первичное производят под давлением 5 ат с помощью растворонагнетателей, повторное — под давлением до 10 ат растворонасосами. Нагнетание ведут через пробуренные в обделке в шахматном порядке с шагом 1,0— 1,5 м скважины. При необходимости в раствор вводят активирующие и пластифицирующие добавки (полимеры, бентонитовую глину, хлористый кальций и др.). В сильно обводненных связных породах, средне-и мелкозернистых песках рекомендуется применение аэрированных растворов, обладающих большей подвижностью, и проникаемостью.

Для повышения качества работ по нагнетанию цементных растворов за тоннельную обделку и возможности их ведения практически без перерыва движения поездов в практике эксплуатации железнодорожных тоннелей применяют так называемый способ нагнетания непрерывным потоком (гравитационный способ). Его сущность заключается в том, что цементный раствор непрерывно поступает за обделку под действием собственного веса или нагнетается насосами непрерывно по всему ее периметру одновременно. В результате этого уменьшается расслаиваемость раствора, повышается его плотность и вместе с этим водонепроницаемость.

Нагнетание производят, как правило, от середины тоннеля к порталам одновременно во все скважины одного поперечного ряда. Расстояние между рядами назначают в зависимости от состояния заобделочного пространства и принимают равным 3 — 5 м.

Помимо цементных, цементно-песчаных и глинисто-цементных растворов, за обделку можно нагнетать расплавленный битум. Для этой цели применяют битум, разогретый до температуры 190 — 200°С и нагнетаемый за обделку при давлении 8 — 10 ат с помощью плунжерного насоса. Выходя из труб-инъекторов, битум отжимает воду из породы и заполняет все трещины и пустоты в ней. Так как битум при затвердении уменьшается в объеме (до 12 %), нагнетание должно производиться в 3 — 4 приема. В результате этого вокруг обделки образуется водонепроницаемый слой, преграждающий путь воде к тоннелю.

Для уменьшения водонепроницаемости пород или преграждения пути потоку подземных вод можно производить тампонаж горных пород путем нагнетания в них через скважины, пробуренные с поверхности или непосредственно из выработки, цементных, битумных, силикатных и других растворов.

Наиболее широкое применение нашла цементация, которую рекомендуется производить в случае, когда горный массив представлен сильно водоносными трещиноватыми скальными или гравелисто-галечными породами при большом гидростатическом давлении. При скоростях движения воды более 60 м/сутки для цементации следует использовать быстросхватывающиеся цементы. Число, глубину и расположение скважин определяют в соответствии с конкретными геологическими и гидрогеологическими условиями. Цементацию выполняют под давлением до 40 ат. Она обеспечивает повышение прочности окружающих сооружение пород и резко снижает фильтрацию к нему воды.

В песчаных и лёссовых грунтах применяют силикатизацию путем нагнетания через погруженные в грунт инъекторы или скважины растворов жидкого стекла или хлористого кальция. В случае если подземные воды обладают агрессивными свойствами и имеют большую скорость фильтрации, хорошие результаты дает битумизация пород, в особенности, когда массив образован трещиноватыми скальными или щебенисто-галечными породами. В пески и тем более плывуны битум не проникает.

Тампонаж обделки для придания ей большей водонепроницаемости чаще всего осуществляют путем нагнетания непосредственно в тело конструкции цементного раствора. Цементацию рекомендуется назначать для обделок с удельным водопоглощением не менее 0,05 л/мин, которое должно определяться опытным путем непосредственно в тоннеле.

Для повышения водонепроницаемости цементного камня в состав раствора часто вводят различные добавки: хлористый кальций, алюми­нат натрия, бентонитовую глину, мылонафт и др. Хорошие результаты дает добавка мочевиноформальдегидной кислоты МФ-17 в количестве 1,5 % от массы цемента.

В ряде случаев хорошие результаты дает применение в качестве тампонажных растворов различных синтетических водонепроницае­мых материалов, таких, как эпоксидные смолы, латексы и др.

Гидроизоляция безобделочных тоннелей. В крепких слаботрещи­новатых скальных породах тоннельная выработка может быть остав­лена без несущей обделки. Однако с течением времени процессы вы­ветривания постепенно проникают в глубь массива по микротрещи­нам, появившимся в период постройки при проведении буро-взрывных работ, и обусловливают появление обводненности. В суровых кли­матических условиях эксплуатационные расходы, связанные с околкой образующихся наледей и вывозкой льда, могут резко возрасти и выз­вать необходимость осушительных работ. Наряду с мероприятиями по осушению горного массива может оказаться целесообразным провести работы по гидроизоляции таких безобделочных тоннелей.

Как правило, гидроизоляцию безобделочных тоннелей осуществ­ляют путем тампонажа горных пород или нанесения непосредственно на поверхность породы гидроизоляционных покрытий (торкрета, набрызг-бетона, аэроцема, безрулонных материалов). Безрулонное эпоксидно-фурановое покрытие наносят обычно в два слоя на пред­варительно обобранную и обдутую поверхность выработки. Сосредо­точенные течи предварительно отводят посредством трубок, а затем тампонируют тем же составом.

При значительном гидростатическом напоре безрулонные покры­тия наносят по жесткой изоляции (торкрет или набрызг-бетону по сет­ке в сочетании с анкерами), которая выполняет роль несущей конст­рукции. В этом случае можно применять и рулонные покрытия, ко­торые наклеивают по подготовке из торкрета. Однако они требуют устройства внутренней поддерживающей железобетонной рубашки, рассчитанной на восприятие гидростатического давления.

Глава VIII

РЕКОНСТРУКЦИЯ ТОННЕЛЕЙ

МЕТРОПОЛИТЕНОВ