Осушение грунтового массива и гидроизоляция тоннелей

26.05.2016

Опыт эксплуатации транспортных тоннелей показывает, что появление и развитие большинства дефектов, снижающих эксплуатационную надежность тоннеля, является следствием проникновения подземных вод в тоннель. Обделка тоннеля, кроме восприятия различного рода нагрузок и воздействий, должна препятствовать проникновению воды внутрь тоннеля. Однако даже в относительно благоприятных гидрогеологических условиях монолитные бетонные обделки транспортных тоннелей без специальных мероприятий по их гидроизоляции не могут служить преградой подземным водам. Методы предотвращения поступления воды в тоннель можно разделить на два основных направления (рис. 8.4).
Осушение грунтового массива и гидроизоляция тоннелей

Мероприятия первого направления предусматривают перехват и организованный отвод атмосферных осадков на поверхности, а также в грунтовом массиве вблизи тоннельной обделки или непосредственно за обделкой. Основными из них являются поверхностный водоотвод и глубинный дренаж. Работы по устройству и содержанию поверхностного отвода выполняют и процессе текущего содержания тоннеля. К работам капитального ремонта относится устройство систем глубинного дренажа.
Глубинные дренажи применяют, как правило, когда подземные воды залегают выше основания тоннеля. Дренирование подземных вод осуществляется различными способами при помощи дренажных штолен, заобделочных прорезей, каптажных скважин и фильтров. Дренажные выработки устраивают, если расположение водоносного слоя в фунтовом массиве определено точно и имеется возможность перехватить водный поток. Размещение дренажных выработок принимают на основании гидрогеологических расчетов с учетом положения водоносного горизонта. обводняемых участков тоннеля и мест выхода сосредоточенных течей в тоннель. Дренажные штольни располагают со стороны притока подземных вод на такой высоте, чтобы кривая депрессии оказалась ниже основания тоннеля.
Осушение грунтового массива и гидроизоляция тоннелей

В случае отсутствия явно выраженного горизонта подземных вод или наличия нескольких таких гори зонтов применяют систему дренажных выработок в несколько ярусов. Дренажные выработки дополняют вертикальными или веерными скважинами (рис. 8.5). Заобделочные дренажные прорези должны быть расположены вне зоны сезонною промерзания фунта (рис. 8.6). В противном случае это приводит к перемерзанию путей фильтрации и создает опасность наледеобразования в тоннеле. Следует учитывать, что близкое расположение дренажных прорезей и штолен к обделке может привести к несимметричным нагрузкам на обделку, образование деформаций и трещин.
Размеры поперечного сечения дренажных штолен целесообразно принимать из условий их проходки механизированным способом и возможности эксплуатации после завершения строительства в качестве вентиляционных каналов или аварийных выходов. В подошве штольни устраивают лоток для отвода поступающей воды. В условиях сурового климата входы в штольни и лотки утепляют.
Осушение грунтового массива и гидроизоляция тоннелей

Тампонаж грунтового массива. Тщательное зaполнение пустот, пор и трещин в прилегающем к обделке грунтовом массиве не только улучшает условия статической работы конструкции, но и существенно препятствует проникновению подземных вод внутрь тоннеля. Из-за разнообразия инженерно-геологических условий, в которых проводится инъекция, а также целей применения (закрепление грунта или повышения водонепроницаемости) выбор конкретного состава инъекицонного раствора в каждом конкретном случае представляет довольно трудную задачу.
Как правило, тампонаж пустот и инъекционное закрепление фунта за обделкой являются первоочередными мероприятиями, которые планируют при капитальном ремонте тоннеля. Сущность способа тампонирования заключается в искусственном заполнении пустот, трещин и пор грунтового массива путем инъекции в него материала, способного со временем затвердевать, не только повышая тем самым его прочностные характеристики, но и препятствуя движению подземных вод к обделке. Для этого в массиве через обделку по определенной схеме бурят специальные скважины, через которые нагнетают раствор (рис. 8.7). Давление нагнетания принимают в 2—3 раза больше гидростатического давления подземных вод. Конструкция инъекционной скважины показана на рис. 8.8.
Осушение грунтового массива и гидроизоляция тоннелей

Тампонажный раствор, распространяясь на определенное расстояние от скважин, заполняет пустоты и трещины в прилегающем к обделке грунтовом массиве. После затвердения раствора физико-механические характеристики грунта существенно повышаются, а водопроницаемость грунтового массива в значительной степени снижается. Таким образом, достигается двойной эффект: во-первых, усиление всей системы «обделка - грунтовый массив», так как за счет плотного контакта обделки с грунтом восстанавливается их совместная работа, стабилизируется горное давление, выравниваются напряжения в сечениях обделки, во-вторых, создание защитной гидроизоляционной завесы, препятствующей проникновению подземных вод внутрь тоннеля, Успешные результаты при тампонировании зависят от достоверности знаний инженерно-геологических и гидрогеологических свойств грунтового массива. Тампонажные работы выполняют в основном в пористых, трещиноватых и трещиновато-пористых грунтах.
Осушение грунтового массива и гидроизоляция тоннелей

В зависимости оттого, какой материал нагнетают в грунтовый массив. различают следующие виды тампонирования: цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация. Несмотря на огромный опыт тампонажа заобделочного грунтового массива, накопленный в отечественной и зарубежной практике, теоретические основы способа разработаны недостаточно. Эффективность тампонирования во многом определяется производственным опытом и навыками подбора тампонажных растворов с такими свойствами, которые наиболее полно соответствовали бы основным требованиям, предъявляемым к ним. Так, тампонажные растворы должны быть устойчивыми к агрессивному воздействию подземных вод, не пропускать через себя воду после затвердевания; схватываться в определенные сроки, предусмотренные режимом и условиями тампонирования; плотно заполнять все пустоты и трещины; не выдавливаться под действием гидростатического давления подземных вод; легко перекачиваться насосами. Они должны быть подвижны, проникать в мелкие поры и трещины, при необходимости легко разбуриваться, обеспечить тампонажные работы с минимальными затратами средств и времени.
Тампонажные растворы являются системами особою рода. Первоначально они представляют собой механические смеси, затем после затворения водой переходят в пластическое состояние и далее, после нагнетания в массив, превращаются в камень. Поэтому при проектировании и подборе тампонажных растворов необходимо знать их свойства как в пластичном, так и в затвердевшем состоянии. Обычно к свойствам тампонажних растворов в пластическом состоянии относятся вязкость, тиксотропия, стабильность, в затвердевшем состоянии — сроки схватывания. выход тампонажного камня, содержание воды в тампонажном камне, прочность и водопроницаемость тампонажного камня.
В зависимости от того, какой материал нагнетают в грунтовый массив. различают следующие виды тампонирования: цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация.
В наибольших объемах применяют цементацию грунтов. В фунтовый массив нагнетают цементные растворы, которые, заполнив полости и трещины, затвердевают и образуют водонепроницаемый массив зацементированного грунта. Цементацию целесообразно применять в крепких трещиноватых горных породах с размером трещин не менее 0,1 мм и скорости движения подземных вод менее 600 м/сут; в гравийно-галечных породах с размером зерен более 2 мм при условии, что поры между зернами свободны от глинистых или песчаных частиц, а также в крупнозернистых песках, диаметр зерен которого более 0,8 мм.
Растворы нагнетают в два этапа (первичное и контрольное нагнетание). Первичное нагнетание проводят цементно-песчаным раствором в целях заполнения пустот на контакте обделки с поверхностью выработки. Нагнетание производят насосом, обеспечивающим подачу раствора с давлением до 0,5 МПа. Контрольное нагнетание выполняют цементным раствором для заполнения мельчайших трещин и пустот, образовавшихся в результате твердения и усадки раствора первичного нагнетания. Нагнетание производят насосом, подающим раствор под давлением до 1 МПа.
Как правило, в сильно обводненных грунтах цементация дает лишь временный эффект на срок не более 5 лет, что объясняется трещинообразованием в цементном камне.
Сущность глинизации состоит в том, что в горные породы вместо цементного раствора нагнетают водный раствор глины (преимущественно с использованием растворов бентонитовых глин). Достоинство способа состоит в том, что для тампонирования порол может быть использована дешевая местная глина, а также то, что глина способна противостоять действию агрессивных вод, разрушающих даже специальные цементы. К недостаткам глинизации можно отнести малую сопротивляемость глинистого тампонажного камня внешнему давлению, а также ненадежность тампонирования тонкотрещиноватых горных пород. В связи с этим глинизацию целесообразно применять только в карстовых породах или в породах с весьма крупными тектоническими трещинами в качестве предварительного этапа тампонажа.
Сущность битумизации заключается в том, что в трещиноватые породы через скважины нагнетают расплавленный битум. Попадая в заполненные водой трещины или пустоты горных пород, горячий битум, остывая, отвердевает и, таким образом, делает массив фунта водонепроницаемым. Способ рекомендуется в скальных грунтах с раскрытием трещин более 3 мм при значительных скоростях движения и агрессивности подземных вод. Перед началом нагнетания битумную смесь нагревают в специальных котлах до температуры 140...190 °C и в расплавленном виде насосом нагнетают в скважины. Однако способу битумизации присущи крупные недостатки. Основными из них являются производственные неудобства, связанные с использованием горячего битума и подогрева его в процессе нагнетания. Поэтому способ не нашел широкого применения и носит эпизодический характер.
Сущность силикатизации основывается на применении неорганических высокомолекулярных соединений силикатных растворов жидкого стекла и их производных, которые при соединении с коагулянтом образуют гель кремниевой кислоты, цементирующей частицы фунта. Нагнетание растворов ведут по двум схемам: однолинейной или двухлинейной.
При однолинейной (рис. 8.9) схеме силикатизации в грунт закачивается один гелеобразный раствор, приготовленный из смеси силиката натрия с коагулянтом (однофосфорная, кремнефтористоводородная кислоты или алюминат натрия). При смешивании этих растворов в заданное время, зависящее от количества коагулянта, происходит образование геля кремниевой кислоты. Закрепленный на основе силиката натрия и кремнефтористоводородной кислоты грунт препятствует поступлению воды к обделке и имеет прочность на сжатие 2...5 МПа. Однолинейный способ силикатизации применяют для создания водонепроницаемых завес в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 50 м/сут. Однолинейную силикатизацию можно применять для тех же целей в лессовых фунтах. В этом случае в грунт нагнетают силикат натрия. Гель образуется за счет реакции силиката натрия с сернокислыми солями, которые обычно имеются в лессовых фунтах и. таким образом, заменяют собой раствор хлористого кальция.
Осушение грунтового массива и гидроизоляция тоннелей

При двухлинейной (рис. 8.10) схеме силикатизации через перфорированные трубы (иньекторы), погруженные в грунт на заданную глубину, закачивают поочередно компоненты разных составов (А и Б), которые смешиваются при выходе из сопла. Так, образуемый в результате смешивания растворов силиката натрия и коагулянта — хлористого кальция гель кремниевой кислоты придает фунту прочность при сжатии, равную 1,5...5 МПа, и водонепроницаемость. Двухлинейный способ силикатизации применяют для упрочнения песков с коэффициентом фильтрации 2...80 м/суг, в которых скорость движения подземных воя менее 5 м/суг.
Осушение грунтового массива и гидроизоляция тоннелей

При двухлинейной схеме нагнетания силикатных растворов эффективным является введение в состав раствора синтетических смол. Так, при упрочнении неустойчивых тектонически нарушенных зон обводненных скальных грунтов успешно применяют полимерную органоминеральную композицию "Монолит-3». Готовит композицию смешением компонентов А и В в равных объемах. Компонент А представляет собой раствор полиизоцианата в пропилен карбонате, компонент В — водный раствор жидкого стекла с добавкой пластификатора СДБ. Применение растворителя полиизоцианата пропилен карбоната позволяет уменьшить вязкость компонентов в 2,5—3 раза.
Сущность газовой силиканизации состоит в том, что в грунт, подлежащий закреплению, через забитые в него иньекторы или пробуренные и специально оборудованные скважины нагнетается углекислый газ для предварительной активизации грунта. Затем нагнетают раствор силиката натрия и, наконец, вторично углекислый газ для отвердения раствора силиката натрия. Закрепленные способом газовой силикатизации песчаные и лессовые грунты приобретают прочность, водоустойчивость и водонепроницаемость.
Сущность смолизации заключается в том, что в массив горных пород нагнетают водные растворы высокомолекулярных органических соединений (смол) с добавками коагулянтов. В результате химических реакций, происходящих в массиве горных пород, смолы переходят из жидкого в твердые состояния. В итоге грунтовый массив упрочняется, уменьшается его водонепроницаемость и увеличивается прочность. Так, пески, закрепленные синтетическими смолами, обладают прочностью на сжатие до 5 МПа в зависимости от типа песков и смол. Способ смолизации может применяться к трещиноватых крепких породах, раздельно-зернистых и даже пористых породах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 50 м/сут. Следует от метить, что, несмотря на высокую стоимость, смолизация находит все более широкое применение для упрочнения грунтов в различных областях строительства.
Гидроизоляция тоннелей. Устройство гидроизоляции обделки является самым надежным способом исключения фильтрации воды в тоннель. Гидроизоляцию обделки эксплуатируемого тоннеля из монолитного бетона или железобетона выполняют нанесением на ее внутреннюю или наружную поверхность различных изоляционных материалов, а гидроизоляцию сборных обделок — за счет водонепроницаемости стыков. На внутренней или наружной поверхности монолитной бетонной обделки создают водонепроницаемые покрытия из различного рода мастик, пленок и оболочек.
При реконструкции тоннелей с полным переустройством обделки целесообразно применить наружную пленочную гидроизоляцию. Предотвращение фильтрации волы через бетон обделки является важным условием се долговечности. Так, при реконструкции тоннелей на Транссибирской магистрали и Северокавказской железной дороге применили водонепроницаемую пленку типа «Aгруфлекс» толщиной 2,2 мм фирмы Romex (Германия). Для снятия гидростатического давления и защиты пленки от повреждения между временной крепью и пленкой укладывали слой геотекстиля толщиной 4 мм. Общий вид наружной гидроизоляции обделки и схема расположения слоев показаны на рис. 8.11.
Осушение грунтового массива и гидроизоляция тоннелей

Наружная гидроизоляция предпортальных колец обделки устраивается до засыпки их грунтом и выполняется нанесением битумных мастик. Гидроизоляцию устраивают из двух слоев горячей или холодной битумной мастики марки C-IV слоями 1,5...3 мм. Заслуживает внимания применение водно-битумных суспензий, позволяющих создавать устойчивые битумные покрытия на обводненных поверхностях. Весьма эффективна в этом случае и оклеечная гидроизоляция в виде, например, полотнищ стеклоизола.
В последнее время появились новые кольматирующие (заполняющие поры в бетоне) и упрочняющие материалы для гидроизоляционных покрытий, наносимых на внутреннюю поверхность бетонных обделок. К таким материалам относятся растворы проникающего действия на основе латексов и полимерных составов. В подземных сооружениях применяют такие кольматирующие материалы, как «Сидор», «Кольматрон» и др. Однако следует отметить, что массовому применению любого нового материала должна предшествовать опытная проверка его использования в конкретных условиях.
В качестве альтернативы пленочной гидроизоляции в последние годы разработан полимерный гидроизоляционный водный состав, модифицированный цементом, который можно наносить на изолируемую поверхность методом набрызга. Основой состава служит этилен вин иловый ацетатный сополимер с быстротвердеющим цементом. После нанесения состав формирует сцементированный слой, препятствующий проникновению воды. Отличная двухсторонняя адгезия к бетону, а также эластичность от 80 до 140 % в широком диапазоне температур позволяет использовать этот материал в качестве промежуточной гидроизоляции между набрызгбетонной кренью и обделкой.
Гидроизоляционный материал поставляется к месту работ в форме порошка и вступает в реакцию с водой перед распылительным соплом, как при нанесении набрызгбетона по «сухой» технологии. Хорошее сцепление материала с грунтом и защитным слоем набрызгбетона позволяет использовать его и при капитальном ремонте безобделочных тоннелей.
Для тоннелей, расположенных выше уровня грунтовых вод или в грунтах низкой водопроницаемости. наносимая набрызгом гидроизоляция может использоваться как трехслойная конструкция (рис. 8.12). В этих условиях гидроизоляционное покрытие толщиной 3...5 мм наносят на первичный слой набрызгбетонной обделки. По слою гидроизоляции наносят второй слой набрызгбетона или фибронабрызгбетона. За счет высокой адгезии между гидроизоляцией и двумя слоями бетона трехслойная обделка способна воспринимать гидростатическое давление до 1,5 МПа.
Осушение грунтового массива и гидроизоляция тоннелей

Для тоннелей с интенсивной инфильтрацией и высоким гидростатическим давлением может быть рекомендовано решение, показанное на рис. 8.13. Слой гидроизоляционного покрытия толщиной 3...5 мм наносят на водоотводящий слой геотекстиля, который крепит дюбелями к временной набрызгбетонной крепи. Такой подход позволяет собрать воду, находящуюся за гидроизоляционной мембраной, к основанию стен тоннельной обделки и с помощью дренажной системы отвести ее за пределы тоннеля.
Для изоляции стыков сборных обделок из железобетона и чугуна, а также для герметизации деформационных швов в монолитной обделке можно применять безусадочную смесь «Монофлекс А» и герметизирующую мастику «Монофлекс Е». Сначала гидроизолируемый стык покрывается мастикой «Монофлекс Е» слоем 1...2 мм. Затем с помощью специальной установки под давлением 0,4...0,6 МПа стык на всю глубину заполняют раствором из материала «Монофлекс А». Связывая элементы сборной обделки в единое монолитное целое, стык воспринимает взаимные смешения этих элементов, не допуская протечек воды и тоннель. Кроме смеси отечественного производства «Монофлекс». можно применять и такие материалы, как бетонные смеси Macflou или Hnuico фирмы Basf.
При ремонте и реконструкции тоннелей гидроизоляция может наноситься непосредственно на существующие конструкции или после нанесении выравнивающего слоя. На участках тоннелей с активными водопроявлениями для организации водоотвода устанавливают дренажные трубы или маты геотекстиля.