隧道环向施工缝处膨胀止水条防水效果试验研究

陈 勇，许召强，郭 瑞

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031; 2.中铁西南科学研究院有限公司,四川 成都 611731)

0 引言

一般来说,施工缝位置处容易发生渗漏水,而隧道防排水措施中目前大多采用止水条进行防水[1-7]。止水条主要分为遇水膨胀型和弹性密封型及两者结合型三种,目前我国隧道内使用大多为遇水膨胀止水条。遇水膨胀止水条是通过其遇水发生膨胀的特性来起到防水的作用,膨胀止水条遇到缝隙中的渗漏水后,其体积能在短时间内膨胀,将结构缝隙胀填密实,从而阻止渗漏水通过[8-15]。

目前,止水条安装方式方面研究较少,大多集中在止水条工作性能、不同类型止水条研发方面研究。吴全立等[16]建立了施工缝张开度与止水条止水压力之间的关系,并进行了模型性能试验;薛景沛[17]调研发现国内生产的橡胶条质量差异很大,建议设计、施工单位应在试验、调查的基础上,选择合适的止水条类型与生产厂家;韦增红等[18]具体介绍了遇水膨胀止水条的研制方法;李海燕等[19]研制了一种高膨胀橡胶止水条,其静水膨胀率不小于600%,防水性达到了1.5 MPa;周立霞等[20]提出采用遇水膨胀腻子止水条和WJ界面黏结剂作为施工缝止水材料;童智能等[21]介绍了EPDM弹性止水条的综合性能和在管片拼装时的有效应用。

经调研后,发现针对隧道用遇水膨胀止水条的性能方面缺少相关试验研究,为更加形象体现止水条遇水膨胀的良好防水性能,更好体现在隧道实际工作环境中的体积膨胀止水作用,本文选取隧道工程实际常用类型止水条,开展止水条室内性能试验研究。

1 止水条遇水膨胀性测试试验

试验采用PZ-150 J-20 mm×15 mm型遇水膨胀橡胶止水条,材料物理性能指标统计如表1所示。

表1 遇水膨胀止水条物理性能统计表

开展止水条真实膨胀性能及膨胀规律测试,取3块长度均为5 cm的止水条放入水容器内浸泡,每天测试一次止水条体积变化情况,并计算相应体积变化率,如图1所示。

图2为3块止水条体积及膨胀率随时间变化情况统计曲线。由图2可知,试块在6 d～7 d后膨胀体积达到最大,最终膨胀率平均约450%。日膨胀率起初最大,后随浸泡时间逐渐减小,前3天的体积膨胀较快,日膨胀率平均约100%。

2 圆柱型模型膨胀止水试验

在实测止水条遇水膨胀率后,为测试其遇水膨胀止水性能,采用混凝土试块抗渗试验原理,开展圆柱型“抗渗试块”周边压力渗水试验,使用抗渗仪、抗渗试块进行注水压力试验,观察试块周边渗水情况,模型试块如图3所示,于抗渗试块中间部分环向镶嵌止水条,养护完成后放置在抗渗仪上压力注水,观察试块周边渗水情况。

本次试验共制作浇筑6块抗渗试块,浇筑养护完成后逐块安装固定于抗渗仪上,6件试块最终安装固定展示和编号顺序如图4所示。

试块安装固定后,开始逐块加压注水,1号试块在0.1 MPa注水压力下试块周围(10 s内)开始渗水,且渗漏水速度较快,此时止水条未产生体积膨胀,水在压力作用下沿试块圆壁周围渗出。与1号试块操作相同,开展2号—6号试块压力注水试验,试验现象相同,5个试块均在0.1 MPa压力注水开始5 s～10 s后周边渗水,且渗水速度较快,待水流将圆台全部淹没后,停止加压注水。0.1 MPa压力下,6件试块周边均出现渗水,如图5所示。

保持止水条浸水膨胀状态1 d后,擦干试件表面积水,每个试块0.1 MPa加压注水,其中有5块试件周边依旧出现渗水,如图6所示,与第一次试验渗水不同,此次试块表面渗水速度明显变慢,且渗出水量变小。可见止水条经过1 d浸泡后,体积膨胀变化效果明显,已能阻止部分水流渗出。

待止水条体积膨胀2 d后,再次0.1 MPa加压注水,此次6件试块周边均未渗水,如图7所示,增加注水压力至0.4 MPa～0.5 MPa,右边4件试块(3号、4号、5号、6号试块)周边出现轻微渗水,出水流速、流量均较小,如图8所示。

止水条浸水膨胀3 d后,0.5 MPa加压注水,此时仅6号试块周边出现轻微渗水,如图9所示。增加注水压力至1.0 MPa,此时5号试块在较大压力作用下开始出现轻微渗水,渗水效果如图10所示。

止水条浸泡6 d后,1.0 MPa压力下注水,此时6件试块周边均不再出水,注水30 min后增大注水压力至1.5 MPa,注水30 min后依旧未出现周边渗水情况。

综上,止水条遇水体积膨胀性良好,能够阻止一定压力的水流,如被应用到隧道施工缝处,应该能够起到较好的防水效果。

3 台阶型模型实际止水性能试验

为进一步真实模拟止水条的实际止水工作性能,开展台阶型模型试验,模拟止水条在隧道环向施工缝中的实际工作环境,该模型由A,B上下两块(如图11所示)组成。如图12所示,制作时,首先浇筑A块,浇筑完成后在图12所示两个面上固定止水条、土工布、防水板、注水管,为防止后期试验压力注水时模型两侧渗漏水,在B块左右两端增设挡水薄板。

理想状态下,注水试验开始时,水流会按照图12(a)中水流方向流动,压力水越过初始状态止水条后沿施工缝流出,止水条遇水后产生体积膨胀,逐渐将止水条周围渗水空间填满,施工缝渗漏水流由大逐渐变小,直至不再出水。

图13为台阶型模型制作全过程记录。依次为模型制作安装→A块混凝土浇筑、振捣→抹面→脱模→止水条、土工布、防水板、注水管安装固定→B块混凝土浇筑、振捣→抹面→脱模→养护。

将试验模型吊装到指定位置、指定姿态后,水管连接模型注水管。图14为试验过程记录图,初始注水压力0.3 MPa,注水试验开始1 min后,下部施工缝开始渗漏水,符合试验预期效果,压力水越过止水条从施工缝处渗漏出,待止水条遇水膨胀到一定程度后,止水条将周围缝隙空间填满封堵,此时压力水无法越过止水条,施工缝处便不再产生渗漏水,该试验效果明显,说明止水条在实际工作环境中的止水工作性能良好。

4 结论与建议

1)试验所采用止水条最大自由膨胀率450%左右,日膨胀速率浸水起初最大,逐渐变缓,一周后,速率近乎降为0,止水条吸水膨胀基本饱和。

2)通过圆柱型模型试验不断注水、不断加压时试块表面渗漏情况可知,止水条遇水膨胀性良好,工作性能良好,可有效通过自身体积膨胀止水,且随着体积的不断膨胀,止水条所能阻止水流渗出的水头高度也在增加,止水能力不断增加。

3)通过台阶型模型注水试验,模拟真实止水条在隧道环向施工缝中遇水的实际防水性能,试验认为,在止水条被准确安装就位条件下,止水条实际工作性能较好,能够阻止来自围岩方向的水流。如应用到实际隧道施工缝处,在施工质量可靠的前提下可起到较好的防水效果,但耐久性值得重视。