隧道環向施工縫處膨脹止水條防水效果試驗研究

陳 勇，許召強，郭 瑞

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031; 2.中鐵西南科學研究院有限公司,四川 成都 611731)

0 引言

一般來說,施工縫位置處容易發生滲漏水,而隧道防排水措施中目前大多采用止水條進行防水[1-7]。止水條主要分為遇水膨脹型和彈性密封型及兩者結合型三種,目前我國隧道內使用大多為遇水膨脹止水條。遇水膨脹止水條是通過其遇水發生膨脹的特性來起到防水的作用,膨脹止水條遇到縫隙中的滲漏水后,其體積能在短時間內膨脹,將結構縫隙脹填密實,從而阻止滲漏水通過[8-15]。

目前,止水條安裝方式方面研究較少,大多集中在止水條工作性能、不同類型止水條研發方面研究。吳全立等[16]建立了施工縫張開度與止水條止水壓力之間的關系,并進行了模型性能試驗;薛景沛[17]調研發現國內生產的橡膠條質量差異很大,建議設計、施工單位應在試驗、調查的基礎上,選擇合適的止水條類型與生產廠家;韋增紅等[18]具體介紹了遇水膨脹止水條的研制方法;李海燕等[19]研制了一種高膨脹橡膠止水條,其靜水膨脹率不小于600%,防水性達到了1.5 MPa;周立霞等[20]提出采用遇水膨脹膩子止水條和WJ界面黏結劑作為施工縫止水材料;童智能等[21]介紹了EPDM彈性止水條的綜合性能和在管片拼裝時的有效應用。

經調研后,發現針對隧道用遇水膨脹止水條的性能方面缺少相關試驗研究,為更加形象體現止水條遇水膨脹的良好防水性能,更好體現在隧道實際工作環境中的體積膨脹止水作用,本文選取隧道工程實際常用類型止水條,開展止水條室內性能試驗研究。

1 止水條遇水膨脹性測試試驗

試驗采用PZ-150 J-20 mm×15 mm型遇水膨脹橡膠止水條,材料物理性能指標統計如表1所示。

表1 遇水膨脹止水條物理性能統計表

開展止水條真實膨脹性能及膨脹規律測試,取3塊長度均為5 cm的止水條放入水容器內浸泡,每天測試一次止水條體積變化情況,并計算相應體積變化率,如圖1所示。

圖2為3塊止水條體積及膨脹率隨時間變化情況統計曲線。由圖2可知,試塊在6 d～7 d后膨脹體積達到最大,最終膨脹率平均約450%。日膨脹率起初最大,后隨浸泡時間逐漸減小,前3天的體積膨脹較快,日膨脹率平均約100%。

2 圓柱型模型膨脹止水試驗

在實測止水條遇水膨脹率后,為測試其遇水膨脹止水性能,采用混凝土試塊抗滲試驗原理,開展圓柱型“抗滲試塊”周邊壓力滲水試驗,使用抗滲儀、抗滲試塊進行注水壓力試驗,觀察試塊周邊滲水情況,模型試塊如圖3所示,于抗滲試塊中間部分環向鑲嵌止水條,養護完成后放置在抗滲儀上壓力注水,觀察試塊周邊滲水情況。

本次試驗共制作澆筑6塊抗滲試塊,澆筑養護完成后逐塊安裝固定于抗滲儀上,6件試塊最終安裝固定展示和編號順序如圖4所示。

試塊安裝固定后,開始逐塊加壓注水,1號試塊在0.1 MPa注水壓力下試塊周圍(10 s內)開始滲水,且滲漏水速度較快,此時止水條未產生體積膨脹,水在壓力作用下沿試塊圓壁周圍滲出。與1號試塊操作相同,開展2號—6號試塊壓力注水試驗,試驗現象相同,5個試塊均在0.1 MPa壓力注水開始5 s～10 s后周邊滲水,且滲水速度較快,待水流將圓臺全部淹沒后,停止加壓注水。0.1 MPa壓力下,6件試塊周邊均出現滲水,如圖5所示。

保持止水條浸水膨脹狀態1 d后,擦干試件表面積水,每個試塊0.1 MPa加壓注水,其中有5塊試件周邊依舊出現滲水,如圖6所示,與第一次試驗滲水不同,此次試塊表面滲水速度明顯變慢,且滲出水量變小。可見止水條經過1 d浸泡后,體積膨脹變化效果明顯,已能阻止部分水流滲出。

待止水條體積膨脹2 d后,再次0.1 MPa加壓注水,此次6件試塊周邊均未滲水,如圖7所示,增加注水壓力至0.4 MPa～0.5 MPa,右邊4件試塊(3號、4號、5號、6號試塊)周邊出現輕微滲水,出水流速、流量均較小,如圖8所示。

止水條浸水膨脹3 d后,0.5 MPa加壓注水,此時僅6號試塊周邊出現輕微滲水,如圖9所示。增加注水壓力至1.0 MPa,此時5號試塊在較大壓力作用下開始出現輕微滲水,滲水效果如圖10所示。

止水條浸泡6 d后,1.0 MPa壓力下注水,此時6件試塊周邊均不再出水,注水30 min后增大注水壓力至1.5 MPa,注水30 min后依舊未出現周邊滲水情況。

綜上,止水條遇水體積膨脹性良好,能夠阻止一定壓力的水流,如被應用到隧道施工縫處,應該能夠起到較好的防水效果。

3 臺階型模型實際止水性能試驗

為進一步真實模擬止水條的實際止水工作性能,開展臺階型模型試驗,模擬止水條在隧道環向施工縫中的實際工作環境,該模型由A,B上下兩塊(如圖11所示)組成。如圖12所示,制作時,首先澆筑A塊,澆筑完成后在圖12所示兩個面上固定止水條、土工布、防水板、注水管,為防止后期試驗壓力注水時模型兩側滲漏水,在B塊左右兩端增設擋水薄板。

理想狀態下,注水試驗開始時,水流會按照圖12(a)中水流方向流動,壓力水越過初始狀態止水條后沿施工縫流出,止水條遇水后產生體積膨脹,逐漸將止水條周圍滲水空間填滿,施工縫滲漏水流由大逐漸變小,直至不再出水。

圖13為臺階型模型制作全過程記錄。依次為模型制作安裝→A塊混凝土澆筑、振搗→抹面→脫模→止水條、土工布、防水板、注水管安裝固定→B塊混凝土澆筑、振搗→抹面→脫模→養護。

將試驗模型吊裝到指定位置、指定姿態后,水管連接模型注水管。圖14為試驗過程記錄圖,初始注水壓力0.3 MPa,注水試驗開始1 min后,下部施工縫開始滲漏水,符合試驗預期效果,壓力水越過止水條從施工縫處滲漏出,待止水條遇水膨脹到一定程度后,止水條將周圍縫隙空間填滿封堵,此時壓力水無法越過止水條,施工縫處便不再產生滲漏水,該試驗效果明顯,說明止水條在實際工作環境中的止水工作性能良好。

4 結論與建議

1)試驗所采用止水條最大自由膨脹率450%左右,日膨脹速率浸水起初最大,逐漸變緩,一周后,速率近乎降為0,止水條吸水膨脹基本飽和。

2)通過圓柱型模型試驗不斷注水、不斷加壓時試塊表面滲漏情況可知,止水條遇水膨脹性良好,工作性能良好,可有效通過自身體積膨脹止水,且隨著體積的不斷膨脹,止水條所能阻止水流滲出的水頭高度也在增加,止水能力不斷增加。

3)通過臺階型模型注水試驗,模擬真實止水條在隧道環向施工縫中遇水的實際防水性能,試驗認為,在止水條被準確安裝就位條件下,止水條實際工作性能較好,能夠阻止來自圍巖方向的水流。如應用到實際隧道施工縫處,在施工質量可靠的前提下可起到較好的防水效果,但耐久性值得重視。