隧道防水的若干创新技术与值得重新认识的几个问题
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图! 管片接缝防水
快速检测 ! 荷兰著名的绿心海底隧 道混凝土即用此法检测 %# 我国清华大学研究的 ’GH 法 & 测 量 时 间 短 %! 除 对 密 实 混 凝 土 中 数 据 敏 感 性 略 差外都可适用 ! 故笔者认为不排除它用于地铁区间 隧道管片的检测 & 尤其是第二 " 三次的复检 %’ 此外 ! 由于目前重大工程管片生产都招标 ! 生产制作单位 的 设 备 "工 艺 "人 员 都 较 成 熟 !预 制 管 片 中 成 型 混 凝 土和现场浇筑用混凝土的品质应相当接近 ! 可以认 为检测浇筑用混凝土的氯离子扩散系数即可 & 但在 必要时也可从管片直接钻孔取样检测 ! 管片上的孔 用专用环氧砂浆修补后不影响使用 %’ I&JF " 2!.! 电测法虽然检测范围较宽泛 ! 但发热量大 " 可靠性 差 ! 只可以作为 "+. * ",. 硅酸盐水泥混凝土对比参 考用 ’ 结合以上实测与分析 ! 对于特别重大的工程而 言 ! 笔者认为还是用自然扩散法检测为好 ! 其检测数 值相对集中 " 可靠 ’ 但目前 有 延 长 养 护 期 & 如 -. D "
,5701>16,57 3652.5,6,8 A(44 (57 8;03.B.3(2.65@
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万方数据
地下与隧道
酯膨胀止水条作为首道防线 ! 这就加强了弹性橡胶 密封垫的耐久性 "
!" 连 接 通 道 采 用 夹 层 防 水 层 # 选 用 #$% 或 &$’ $! 以加强复合衬砌的耐久性 ! 对防水层材料可通
过 ()*+ 的 ,-./ 和 0./ 溶液浸泡 12 3 后老化系数 大于 2)42 来判断其耐久性 ! 从而使连接通道与隧道 主体结构基本能同寿命 %
7,1(C.4.2? 708.>5 6B A(201;166B
&(201.(4 B61 80>&052 <6.528" D5 (77.2.65@ .2 (486 9.0A8 86&0 .8E 8,08@ 8,3+ (8 7.8310;(53? C02A005 (32,(4 .&;01&0(C.4.2? 6B 36&;68.20 A(E
!! 以 弹 性 橡 胶 密 封 垫 为 主 " 辅 以 聚 醚 型 聚 氨 酯
弹性体止水条组成接缝密封防水线 # 见图 ! !$ 弹性橡 胶密封垫由压缩永久变形量小 % 应力松弛变化率低 % 耐老化性能佳的三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶复合 而成 " 弹性橡胶密封垫需预制成框 $
=>>?@! 中 国 建 筑 防 水
# ! 这类多孔弹性橡胶密封垫可以是单一的三元
乙 丙 橡 胶 "也 可 如 图 ! 所 示 表 面 覆 #或 嵌 !遇 水 膨 胀 橡胶薄片 $ 实验表明 " 遇水膨胀橡胶除了膨胀力可弥 补应力松弛外 " 相对两胶面长期紧压后产生的粘附 力也很强 " 对止水很有利 $ 因此 " 实际上密封垫多在 & 脚 ’ 下渗水 $
C $ 压缩剪切变形下蠕变和应力松弛计算
蠕变是指常荷载作用下 ! 不可恢复的应变随着 时间的变化持续增加的情况 % 如果结构或材料承受 不变位移 ! 应力将会随着时间而减小 ! 这种情况称做 应力松弛 % 从计算上看 ! 随着时间的推移 ! 蠕变和应 力松弛一直在缓慢地发展着 % 在 #B*2 222 D 后 ! 三种 应力状态的应力松弛率基本接近 ! 约为 52+ ! 见图 E %
图" 隧道弹性橡胶密封垫受力计算模型
>) 在接缝张开 ;2 << & 错缝 ;2 << 情况下 ! 弹性
橡胶密封垫顶部的接触应力值大于 ;)5? @&- ! 过去 进 行 的 各 类 多 孔 弹 性 橡 胶 密 封 垫 的 应 力A应 变 试 验 与水密性试验的结果表明 ! 接触应力与设计水压之 比 "!;);* 时能满足水密性要求 % 因此 ! 可认为有限 元分析中 ! 接缝张开 ;2 << & 错缝 ;2 << 时的 " B
$ && ! 由它挡水 " 使弹性橡胶密封垫只在较大接缝张
开时发挥作用 " 从而延长三元乙丙橡胶主要防水线 的工作寿命 " 虽造价略增 " 但比欧洲部分盾构管片接 缝外沿设海绵挡条阻隔砂石的办法有效 $ 这是上海 上中路过江隧道管片接缝防水采用的新技术 $
708.>5J 7.BB,8.65 6B 3+461.50 .65J 04(82.3 >(8H02
! BC
;N 以遇水膨胀橡胶及聚氨酯膨胀止水条长期浸
泡水的树脂析出率 &27) D!!O %! 与反复干湿循环下 拉伸强度 " 延伸率 " 膨胀率的变化率 & 如 2.. 次 % 来认 定其耐久性 ’ 由于弹性橡胶密封垫外侧还设有聚氨
84 56 ! 由于制定该规范时参考的资料有限 ! 故要求提
&$ !"# "##$%!
$
基于性能的极限状态函数可以获得管片可靠度指标 随时间的变化曲线 ! 最终判断混凝土结构的使用年 限 ’ 由于上海地层基本处于非腐蚀地层 ! 通常认为没 必要规定过低的氯离子扩散系数 ’ 但另一方面 ! 像公 路 盾 构 隧 道 ! 受 内 部 废 气 &"%!"&%!"’%( 等 % 的 侵 蚀 ! 又受地下水中有害离子的侵蚀和高水土压力的综合 作 用 !且 无 法 像 桥 梁 混 凝 土 梁 "柱 "板 那 样 在 管 片 外 背面修复 ! 重大工程百年寿命其数值还是应提得低 些 & 水胶比 )*+, " 抗压强度 "-. 的混凝土有条件做 到 %’ 下面看一下几条隧道设计或实测值 /
地下与隧道
隧道防水的若干创新技术 与值得重新认识的几个问题
朱祖熹
# 上海市隧道工程与轨道交通设计研究院 " 上海 #’’’)’ !
摘要 " 介绍了近年在上海地区建设的若干重大隧道 工 程 采 用 的 管 片 接 缝 防 水 新 构 造 !管 片 混 凝 土 耐 久 性 指 标 的 检 测 !管 片 接 缝防水材料的耐久性设计等若干创新技术" 并对几个值得重 新认识的问题阐明了观点" 比如地下连续墙的实际抗渗等级 与规范规定的矛盾! 隧道连络通道复合防水层与冻结法施工 的冲突以及管片背面处理与管片单块检漏等 $ 关 键 词 !隧 道 防 水 #管 片 接 缝 #耐 久 性 设 计 #氯 离 子 扩 散 系 数 # 弹性密封垫
Leabharlann Baidu
压水渗透试验 ! 确定渗透系数 ! 而忽略了自由分子和 离子由浓度差引起的迁移 " 扩散等更易造成腐蚀的 因 素 #再 则 由 于 检 测 设 备 "手 段 等 方 法 的 差 异 !各 处 检测方法并不统一 ! 此方法也就越来越少用 $
! % 上海地区隧道管片氯离子扩散系数的取值
当前国内外多用混凝土的氯离子扩散系数 &!"#$% 和碳化速度来反映管片混凝土的密实性和耐久性 & 尤其沿海地区 %’ 利用 "# 侵蚀 ""%! 侵蚀劣化模型和
$ ! 聚醚型聚氨酯弹性体是最近从国外引进的遇
水膨胀止水材料 " 其显著特点是 " 遇水膨胀后材料主 要性能指标之一的拉伸强度会显著提高 " 而其它主 要性能指标基本保持不变 " 材料耐久性也有确切保 证 # 在半年浸水条件下 " 其质量变化率 !#% " 此后 几 乎不再有析出物 !$ 它还可进一步加强接缝防水 " 提 高弹性橡胶密封垫的耐久性 " 防止管片环纵缝均有 的凸面造成的回填注浆液 % 渗漏水漏至拼装面 " 并减 少盾尾密封油脂的浪费 $ 沿沟槽外侧的环纵缝空隙 处设置聚氨酯膨胀止水条 " 可在接缝较小张开时 # 如
AA
万方数据
地下与隧道
得偏高了 & 数值偏低 %’
+ % 几种氯离子扩散系数检测方
法的比较 目前几种方法中 ! 自然扩散法 虽然周期长 & 通 常 需 养 护 !7 D + 饱 和 氯 盐 溶 液 中 浸 泡 C) D %" 工 序 稍 繁 ! 但最符合实际 ! 可以用表观扩散 系数表示 ’ 其它方法中如 , 北欧所认 定的 E"F 法 & 用于混凝土渗透性的
;)5? ! 满足设计止水 要 求 ) 且 设 计 的 弹 性 橡 胶 密 封 垫
图! 弹性橡胶密封垫剖面构造
顶部的遇水膨胀橡胶遇水产生的膨胀应力尚未计算 在内 ! 所以本断面的弹性橡胶密封垫的防水性能是 可靠的 %
由于盾构隧道管片在拼装过程中存在理想的不 错位情况和错位情况两种 " 对不错位与错位 ;2 << ’ 设计规定密封垫最大错位量不得大于 ;2 << $ 两种 情况进行分析 ! 由于对称性 ! 不错位情 况 可 采 用 图 = ’- $ 所示计算模型 ! 错位模型采用图 = ’> $ 所示计算模 型" 计算时下部底边采用固定约束 ’2 位移约束 $! 上 部边缘 ! 方 向 设 置 固 定 位 移 ’ 非 2 位 移 约 束 $! 用 以 模拟密封垫受压过程 " 通过有限元计算分析 ’ 注 ( 有 关有限元分析研究由范益群博士承担 $ 得知 (
! !"!
隧道防水的创新技术 管片接缝防水的新构造
!"#
管片混凝土结构耐久性设计与研究
! ! 混凝土渗透系数 #! ! 检测方法消退的原由
多年前 " 除了对管片混凝土的抗渗等级给予检 测 外 "还 提 出 了 混 凝 土 渗 透 系 数 的 指 标 "结 合 埋 深 % 管 片 厚 度 可 以 计 算 出 设 计 使 用 年 限 # 如 !’’ ( ! 内 透 水总量 " 由此判断耐久性 $ 从某种意义上说该方法 比较直观 " 但传统的混凝土耐久性测定就是采用高
线法 : 实测的 !"#3!2. 设计指标 <"12.
$2+ 37
84 56 & 管片岩芯取样测值 %’
!
;* 复兴路越江隧道江中段管片混凝土渗透系数 456 ! 实测的 "12.$2+ 456 & 自现场浇
筑用混凝土取样 %’ 国家 ( 地下铁道设计规范 )&=> ,.2,? * !..+ % 规 定 ! 管片混凝土渗透系数设计指标 !"#31 &7@2! %A2)
456 和 !"# 312.
37
2 % 弹性橡胶密封垫的耐久性控制 0* 将 ?. K "?! L 条件下的三元乙丙橡胶拉伸强
度 " 延伸率的变化率以及压缩永久变形量等材质特 性通过阿 累 尼 乌 斯 公 式 推 断 百 年 的 应 力 松 弛 量 !控 制应力松弛量 !!,M ’
84 56 & 未涂刷外防水涂层时 %# 用自然扩散法 9 浓度曲
5 $ 橡胶密封垫的防水性能计算模型
橡胶密封垫断面形式一般为不规则的形状!而 密封垫在封闭接缝的过程中 ! 又存在着复杂的接触 问题 ! 分析时要同时考虑其材料非线性 & 几何非线性 及接触非线性三方面特性 " 本工程项目所设计的橡胶密封垫试件是以三元 乙丙橡胶为胶材的多孔弹性橡胶与遇水膨胀型橡胶 复合的密封垫 ! 材质硬度 6789*8 ! 断面尺寸如图 : 所 示" 制%
C. D % 使 混 凝 土 密 实 " 检 测 值 减 小 的 检 测 方 法 ! 这 里
需指出不宜提倡 ! 因这对对比筛选无益 ’
0* 大连路越江隧道江中段管片混凝土渗透系数 "
氯 离 子 扩 散 系 数 设 计 指 标 /" 12.
! 32+
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长江 9 崇明 : 隧道管片接缝防水材料耐久性设计
快速检测 ! 荷兰著名的绿心海底隧 道混凝土即用此法检测 %# 我国清华大学研究的 ’GH 法 & 测 量 时 间 短 %! 除 对 密 实 混 凝 土 中 数 据 敏 感 性 略 差外都可适用 ! 故笔者认为不排除它用于地铁区间 隧道管片的检测 & 尤其是第二 " 三次的复检 %’ 此外 ! 由于目前重大工程管片生产都招标 ! 生产制作单位 的 设 备 "工 艺 "人 员 都 较 成 熟 !预 制 管 片 中 成 型 混 凝 土和现场浇筑用混凝土的品质应相当接近 ! 可以认 为检测浇筑用混凝土的氯离子扩散系数即可 & 但在 必要时也可从管片直接钻孔取样检测 ! 管片上的孔 用专用环氧砂浆修补后不影响使用 %’ I&JF " 2!.! 电测法虽然检测范围较宽泛 ! 但发热量大 " 可靠性 差 ! 只可以作为 "+. * ",. 硅酸盐水泥混凝土对比参 考用 ’ 结合以上实测与分析 ! 对于特别重大的工程而 言 ! 笔者认为还是用自然扩散法检测为好 ! 其检测数 值相对集中 " 可靠 ’ 但目前 有 延 长 养 护 期 & 如 -. D "
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酯膨胀止水条作为首道防线 ! 这就加强了弹性橡胶 密封垫的耐久性 "
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弹性体止水条组成接缝密封防水线 # 见图 ! !$ 弹性橡 胶密封垫由压缩永久变形量小 % 应力松弛变化率低 % 耐老化性能佳的三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶复合 而成 " 弹性橡胶密封垫需预制成框 $
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# ! 这类多孔弹性橡胶密封垫可以是单一的三元
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蠕变是指常荷载作用下 ! 不可恢复的应变随着 时间的变化持续增加的情况 % 如果结构或材料承受 不变位移 ! 应力将会随着时间而减小 ! 这种情况称做 应力松弛 % 从计算上看 ! 随着时间的推移 ! 蠕变和应 力松弛一直在缓慢地发展着 % 在 #B*2 222 D 后 ! 三种 应力状态的应力松弛率基本接近 ! 约为 52+ ! 见图 E %
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压水渗透试验 ! 确定渗透系数 ! 而忽略了自由分子和 离子由浓度差引起的迁移 " 扩散等更易造成腐蚀的 因 素 #再 则 由 于 检 测 设 备 "手 段 等 方 法 的 差 异 !各 处 检测方法并不统一 ! 此方法也就越来越少用 $
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当前国内外多用混凝土的氯离子扩散系数 &!"#$% 和碳化速度来反映管片混凝土的密实性和耐久性 & 尤其沿海地区 %’ 利用 "# 侵蚀 ""%! 侵蚀劣化模型和
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水膨胀止水材料 " 其显著特点是 " 遇水膨胀后材料主 要性能指标之一的拉伸强度会显著提高 " 而其它主 要性能指标基本保持不变 " 材料耐久性也有确切保 证 # 在半年浸水条件下 " 其质量变化率 !#% " 此后 几 乎不再有析出物 !$ 它还可进一步加强接缝防水 " 提 高弹性橡胶密封垫的耐久性 " 防止管片环纵缝均有 的凸面造成的回填注浆液 % 渗漏水漏至拼装面 " 并减 少盾尾密封油脂的浪费 $ 沿沟槽外侧的环纵缝空隙 处设置聚氨酯膨胀止水条 " 可在接缝较小张开时 # 如
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地下与隧道
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图! 弹性橡胶密封垫剖面构造
顶部的遇水膨胀橡胶遇水产生的膨胀应力尚未计算 在内 ! 所以本断面的弹性橡胶密封垫的防水性能是 可靠的 %
由于盾构隧道管片在拼装过程中存在理想的不 错位情况和错位情况两种 " 对不错位与错位 ;2 << ’ 设计规定密封垫最大错位量不得大于 ;2 << $ 两种 情况进行分析 ! 由于对称性 ! 不错位情 况 可 采 用 图 = ’- $ 所示计算模型 ! 错位模型采用图 = ’> $ 所示计算模 型" 计算时下部底边采用固定约束 ’2 位移约束 $! 上 部边缘 ! 方 向 设 置 固 定 位 移 ’ 非 2 位 移 约 束 $! 用 以 模拟密封垫受压过程 " 通过有限元计算分析 ’ 注 ( 有 关有限元分析研究由范益群博士承担 $ 得知 (
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隧道防水的创新技术 管片接缝防水的新构造
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管片混凝土结构耐久性设计与研究
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多年前 " 除了对管片混凝土的抗渗等级给予检 测 外 "还 提 出 了 混 凝 土 渗 透 系 数 的 指 标 "结 合 埋 深 % 管 片 厚 度 可 以 计 算 出 设 计 使 用 年 限 # 如 !’’ ( ! 内 透 水总量 " 由此判断耐久性 $ 从某种意义上说该方法 比较直观 " 但传统的混凝土耐久性测定就是采用高
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橡胶密封垫断面形式一般为不规则的形状!而 密封垫在封闭接缝的过程中 ! 又存在着复杂的接触 问题 ! 分析时要同时考虑其材料非线性 & 几何非线性 及接触非线性三方面特性 " 本工程项目所设计的橡胶密封垫试件是以三元 乙丙橡胶为胶材的多孔弹性橡胶与遇水膨胀型橡胶 复合的密封垫 ! 材质硬度 6789*8 ! 断面尺寸如图 : 所 示" 制%
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氯 离 子 扩 散 系 数 设 计 指 标 /" 12.
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长江 9 崇明 : 隧道管片接缝防水材料耐久性设计