Новый подход к устранению водопроявлений в тоннелях

Гидроизоляция транспортных тоннелей при закрытом способе строительства, сооружаемых преимущественно механизированными тоннелепроходческими комплексами, обеспечивается за счет высокой водонепроницаемости бетона блоков обделки и герметизации стыков между ними.

Практика показала, что при отсутствии гидростатического давления грунтовых вод железобетонная обделка тоннеля успешно заменяет дорогостоящий чугун. По мере совершенствования физико-механических и технологических свойств бетонных смесей и технологии формования конструкций область применения железобетонной обделки стремительно расширялась.

Наибольшее распространение нашла технология проходки тоннелей с помощью тоннелепроходческих комплексов (ТПМК) с использованием сборных железобетонных обделок, отвечающих высоким требованиям в отношении несущей способности и герметичности при высоких нагрузках, вызванных строительными работами, давлением грунта и напором воды в процессе эксплуатации.

Водонепроницаемость обделки обеспечивается наличием на блоках резинового уплотнительного контура, а также, дополнительно, слоем тампонажного раствора, нагнетаемого в строительный зазор в процессе проходки.

Характерные причины водопроявлений в стыковых соединениях сборной высокоточной железобетонной обделки тоннеля

Проникновение воды в сборных тоннельных обделках данного типа происходит через стыко­вочные швы между сборными блоками при разгерметизации уплотнительного контура или через сквозные трещины. Причинами появления дефектов и повреждений сборной железобетонной обделки могут быть: неравномерное давление домкратов щита при проходке на кривых участках и в неустойчивых поро­дах, опирание домкратов на торцы блоков с эксцентриситетом, излом плоскости колец, недостатки нагнетания тампонажной растворной смеси за обделку, нарушения правил погрузочно-разгрузоч­ных работ и транспортировки блоков.

Применение инъекционных материалов для восстановления герметичности и устранения водопроявлений через сборную железобетонную обделку тоннеля

Для герметизации бетонных конструкций наиболее успешно применяются инъекционные смолы на полиуретановой основе, долговечность которых, по долговременным наблюдениям и лабораторным исследованиям, составляет не менее 100 лет. Также для борьбы с водопроявлениями широко применяются акрилатные гели.

Предотвращение водопроявлений в тоннелестроении с использованием акрилатных гелей применяется при устройстве инъекционной противофильтрационной завесы грунтового массива по внешней границе сооружения, герметизации деформационных и конструкционных швов, стабилизации плывунов. Основными достоинствами акрилатных гелей являются высокая проникающая способность в трещины с раскрытием менее 0,3 мм, способность выдерживать деформации с сохранением водонепроницаемости, высокая адгезия и эксплуатационные свойства.

Стабильность химического состава полиуретановых смол обеспечивает высокую долговечность и механическую прочность, а также способность противостоять высокому давлению воды.

Технология герметизации фильтрующих швов сегментов обделки с предварительной зачеканкой швов ремонтными материалами на цементной основе и последующим инъектированием метакрилатного геля в зачеканенный участок через сетку пакеров

В последнее десятилетие в отечественной и зарубежной практике широкое применение нашла технология герметизации фильтрующих швов сегментов обделки и устранения водопроявлений состоящая из двух этапов. Предварительная заделка (чеканка) швов ремонтными материалами на цементной основе и последующее инъектирование метакрилатного геля в зачеканенный участок через сетку пакеров.

Перед зачеканкой стыка в местах наличия активной фильтрации необходимо установить гидропломбу из сверх быстротвердеющего материала на цементной основе. После остановки активной протечки осуществляется зачеканка стыковых соединений высокоточной железобетонной обделки, безусадочным быстротвердеющим ремонтным материалом, предназначенным для конструкционного ремонта бетона и железобетона.

После этого осуществляется инъектирование метакрилатного геля с добавкой через кольцевые и радиальные стыки для локализации зоны производства инъекционных работ.

Далее осуществляется разметка мест бурения шпуров под пакеры с применением электропневматического оборудования. На расстоянии 200-300 мм от продольного стыка, непосредственно в зачеканенный радиальный стык примыкания сегментов под углом 90⁰ бурят шпуры диаметром 12-16 мм. Затем в шпуры вставляются пакеры и разжимаются для инъектирования.

Нагнетание метакрилатного инъекционного состава в установленные пакеры через соединительные шланги осуществляется специальным пневматическим инъекционным насосом для акрилатных гелей. Нагнетание производится, начиная с нижнего пакера до тех пор, пока инъекционный материал не появится в соседнем шпуре либо из шва. После этого следует перейти к следующему по ходу пакеру, подсоединить инъекционный шланг и повторить процесс. До завершения времени реакции инъекционного материала необходимо дополнительно произвести его контрольное нагнетание на пройденном участке.

 

После завершения работ оборудование тщательно промывается, остатки прореагировавшего материала с поверхности бетона удаляются механически, пакеры удаляются после того как инъекционный состав полностью прореагировал, отверстия заделываются ремонтным материалом.

На основании анализа традиционной технологии устранения водопроявлений стыковых соединений железобетонных блоков обделки выявлены следующие технические и технологические недостатки:

1. Трудоемкий, длительный по времени (с относительно высоким расходом ремонтного материала) объем работ по заделке (чеканке) вручную стыковых соединений конструктивных элементов высокоточной железобетонной обделки ремонтным материалом на цементной основе.
2. Сложно локализовать область ремонтных работ для эффективного инъектирования и устранения протечек. Фильтрация воды через поврежденное резиновое уплотнение сегмента обделки может происходить в одном месте, но из-за перемещения по шву обделки, водопроявление может визуально проявляться в другом месте.
3. Требуется значительное количество используемых пакеров и точек инъектирования акрилатного геля для устранения одного участка водопроявления. Это влечет за собой затраты времени и неэкономичное использование материала и расходников.
4. Применяемый для зачеканки межблочных швов ремонтный материал, как правило, не способен длительное время выдерживать динамические воздействия от подвижного состава в процессе эксплуатации транспортного тоннеля и со временем теряет адгезию к субстрату, с появлением трещин и зон выкрашивания материала, формируя новые места протечек.

Самым главным недостатком данной технологии является то, что инъектирование метакрилатного геля осуществляется в полость ограниченную с двух сторон торцами железобетонных блоков обделки, со стороны грунтового массива — контуром резинового уплотнителя, а со стороны внутреннего контура обделки — границей зачеканенного в шов ремонтного материала. Проблема устранения притока воды из места деформации резинового уплотнения блока обделки, решается путем формирования некой относительно небольшой мембраны из акрилатного геля посередине стыкового соединения блока, не способной выдерживать значительное гидростатическое давление и результат является недолговечным.

Собранная авторами за последние 5 лет статистика по ремонту и повторным возобновлениям фильтрации воды через стыковые соединения отремонтированных ранее участков тоннелей по технологии предварительной заделки (чеканки) швов сборной железобетонной обделки и последующего инъектирования акрилатного геля в зачеканенный участок через сетку пакеров свидетельствует о том, что свыше 30% отремонтированных швов требуют повторного ремонта в течение гарантийного периода который, как правило, составляет 5 лет. Точных причин такой статистики отказов выявить не удалось, но по мнению авторов наиболее очевидным является трещинообразование в зачеканенном в шов ремонтном материале от динамических воздействий подвижного состава в процессе эксплуатации транспортного тоннеля, низкая адгезия акрилатного состава в стыковом соединении к поверхности торцевой части блоков обделки из-за наличия загрязнений в процессе строительства объекта, а также небольшая толщина образующейся в процессе химической реакции акрилатного геля с водой мембраны не способной выдерживать значительное гидростатическое давление.

Новый подход к устранению водопроявлений в стыковых соединениях блоков обделки

Практически всех выше упомянутых недостатков лишена технология устранения водопроявлений в конструктивных элементах стыковых соединений высокоточной железобетонной обделки при сооружении перегонных тоннелей применяемая ООО «ЦЕНТР ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ». Принципиальное отличие технологии заключается в применении в качестве инъектора игольчатого пакера специальной конструкции, нагнетательная трубка которого устанавливается в стыковое соединение блоков высокоточной железобетонной обделки, а игольчатая часть проходит насквозь через уплотнительную резинку и выходит за уплотнительный элемент блока.

Отличительной чертой является то, что в качестве инъекционного материала применяется гидроактивная эластичная полиуретановая смола, которая инъектируется за уплотнительный контур тоннельной обделки, не повреждая конструкцию самого блока. Уплотнительная резиновая прокладка железобетонного блока служит барьером для целенаправленного нагнетания и распространения инъекционной смолы за обделкой тоннеля и эффективного устранения места водопроявления.

Технология герметизации фильтрующих швов сегментов обделки инъектированием однокомпонентной эластичной полиуретановой смолы за уплотнительный элемент блока обделки через игольчатый пакер

При подготовке к инъектированию производится разметка мест под установку игольчатых пакеров. Минимальное рекомендуемое расстояние 200 мм. Далее необходимо пробурить шпуры в стыке (шве) между блоками до уплотнительных элементов. Диаметр шпура Ø10мм определяется диаметром подающей трубки игольчатого пакера. Глубина бурения определяется конструктивными особенностями ж/б блока — размером от внутренней поверхности блока до уплотнительного элемента. С помощью молотка производится пробивка игольчатого пакера через уплотнительную резину, таким образом чтобы отверстие инъекционной иглы выходило за уплотнительные элементы блоков обделки.

Инъектирование производится в соответствии с нормами расхода, составляющими ориентировочно 5,0 кг/пакер. Практический опыт показал, что этого количества достаточно для эффективного устранения протечки через шов протяженностью 1 погонный метр. Давление при нагнетании не превышает 7,0 МПа. В вертикальных стыках инъектирование необходимо начинать с нижнего пакера. После проведения инъекции перейти к следующему по ходу пакеру и повторить процесс по всей длине участка. По окончании полимеризации инъекционного состава пакеры демонтировать. Остатки прореагировавшего материала с поверхности бетона удаляются механически. По окончании рабочей смены оборудование и технологические шланги промываются в соответствии с инструкцией по эксплуатации оборудования.

Последовательность производства работ по ликвидации водопроявлений инъектированием однокомпонентной эластичной полиуретановой смолы за уплотнительный элемент блоков обделки тоннеля через игольчатый пакер представлена ниже:

1. Бурение шпура Ø10 мм в стыковом соединении блоков.
2. Установка игольчатого пакера в шпур.
3. Пробивка уплотнительной резинки игольчатой частью пакера.
4. Заправка емкости инъекционного насоса полиуретановой смолой.
5. Монтаж инъекционного штуцера на головку пакера.
6. Нагнетание полиуретановой смолы за резиновый уплотнитель обделки.
7. Вытеснение воды через дефектный участок расширяющейся за обделкой пеной.
8. Выход расширяющейся полиуретановой смолы через дефектный участок обделки.
9. Остановка фильтрации воды и завершение процесса полимеризации полиуретанового состава.

На основании представленной технологии устранения водопроявлений в стыковых соединениях конструктивных элементов высокоточной железобетонной обделки за последние 3 года при строительстве тоннелей (Калининско — Солнцевская линия метрополитена, ст. «Третьяковская» — «Волхонка» — «Деловой центр»; Восточный участок Третьего пересадочного контура, ст. «Каширская» — ст. «Карачарово», на участке от ст. «Кленовый бульвар» до площадки №2 (двухпутный тоннель Ø10м); Юго-Западный участок Третьего пересадочного контура, ст. «Проспект Вернадского» — ст. «Можайская») в городе Москве компанией ООО «ЦГТ» были успешно отремонтированы около 9000 м тоннелей. Суммарная протяженность устраненных водопроявлений через швы обделки составила более 4500 м.п.

На основании собранной авторами статистики, технология нагнетания специальной однокомпонентной полиуретановой смолы за уплотнительный элемент блока обделки через игольчатый пакер, несмотря на относительно небольшой период применения (около 3 лет) показала, что возобновление водопроявлений через швы стыковых соединений блоков наблюдается не более чем на 10% протяженности отремонтированных ранее швов в обделке тоннелей. Вероятность отказа в успешном устранении водопроявления по мнению авторов может быть связана или с наличием полостей в заобделочном пространстве своевременно незаполненных тампонажным раствором в процессе проходки, или с низким выходом тампонажного камня с образованием в процессе набора прочности тампонажного раствора сообщающихся усадочных трещин и пустот, или с высоким коэффициентом фильтрации заобделочного грунтового массива на ряду с движением грунтовых вод.

Разработанный подход, сочетание простой надежной конструкции игольчатого пакера, качественной пенополиуретановой смолы и многолетнего опыта ведения инъекционных работ позволили оперативно решить поставленную Заказчиками задачу, качественно и надежно устранить протечки и места водопроявлений в тоннелях метрополитена.