CN111502712B - 一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构，包含隔水层，所述隔水层位于初支结构和二衬结构之间，所述二衬结构为圆形断面，所述隔水层全环布置，所述隔水层包含第一防水层、第二防水层和素混凝土层，所述素混凝土层位于所述第一防水层和第二防水层之间，所述初支结构外层全环设有注浆堵水层。采用本结构利于承受水压力，增加基岩密度和孔隙、裂隙填充率，有效抑制地下水的流动，防止盐岩溶解流失，同时可减少地下水进入隧道结构，防止对衬砌钢筋的腐蚀，能够更好的承受全封闭防水引起的洞周水压力，所述素混凝土层避免形成渗水通道，改变了传统的隧道防水结构，在不设排水措施的情况下能够抵抗较大的地下水压、保障防水效果。
Description
技术领域
本发明涉及隧道衬砌构造技术领域，特别涉及一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构。
背景技术
国内穿越盐岩地层地质情况的隧道工程非常罕见，因此高盐岩地层隧道弃渣场亦非常罕见。盐岩为氯盐矿物，具有强氯盐腐蚀、强溶解、膨胀等特性。
传统隧道的防水系统一般采用“防排结合”的方式，采用混凝土自身防水、初期支护与二次衬砌之间设土工布和防水板、衬砌环纵向施工缝设置止水带、二衬背后设置环向盲管、边墙脚设置纵向盲管、水沟内设置泄水孔等措施。高含盐地层中的隧道开挖后，易形成集水廊道，地下水向隧道方向汇集，溶解洞周盐岩后沿排水措施排走，使得隧道洞周形成众多空腔，恶化隧道受力条件，引起结构开裂、不均沉降等病害现象。在建的中国至老挝铁路友谊隧道穿越高含量盐岩地层段已发生洞周盐岩溶解流失，出现隧道衬砌开裂等病害。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中隧道衬砌防排水系统由于允许排水，防水层单一，在盐岩地层中容易导致洞周盐岩溶解流失，出现隧道衬砌开裂上述不足，提供一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构，包含隔水层，所述隔水层位于初支结构和二衬结构之间，所述二衬结构为圆形断面，所述隔水层全环布置，所述隔水层包含第一防水层、第二防水层和素混凝土层，所述素混凝土层位于所述第一防水层和第二防水层之间，所述初支结构外层全环设有注浆堵水层。
采用本发明所述的一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构，全环设置所述注浆堵水层通过防腐注浆管进行注浆，用于承受水压力，增加基岩密度和孔隙、裂隙填充率，有效抑制地下水的流动，防止盐岩溶解流失，同时可减少地下水进入隧道结构，采用所述隔水层能够抑制地下水中氯离子渗入隧道对衬砌钢筋的腐蚀，所述二衬结构采用圆形断面，能够更好的承受全封闭防水引起的洞周水压力，所述素混凝土层不设置钢筋，无惧腐蚀，能够有效保证隔水层的稳定性，避免形成渗水通道，在不设排水措施的情况下能够抵抗较大的地下水压、保障防水效果。
优选的，所述第一防水层位于所述初支结构和素混凝土层之间，所述第一防水层包含土工布和防水板，所述土工布位于所述初支结构和防水板之间。
优选的，所述第二防水层位于所述二衬结构和素混凝土层之间，所述第二防水层包含自粘式防水板，所述自粘式防水板的粘贴面朝向所述素混凝土层。
不同于一般的自粘式防水板粘贴于土工布上，由于所述素混凝土层自身平整度好，密实度高，利用所述自粘式防水板的粘贴面的直接牢固粘贴于隔水层混凝土上，其粘贴面的粘结剂应采用与混凝土粘结性好的材料，能够有效与所述素混凝土层内侧密贴，进行防渗漏保护。
优选的，所述注浆堵水层的浆液包含卤水配置的普通水泥浆和超细水泥浆，所述普通水泥浆的水灰比为0.5-0.8，所述超细水泥的水灰比为0.4-0.6，所述卤水的浓度为10-21％。
其中，岩体破碎或含盐量低时，卤水浓度用低指标；岩体处于较破损和较完整之间或含盐量高时，卤水浓度用高指标。普通水泥浆料粒径较大，渗透能力有限，超细水泥的抗压和抗渗强度均得到显著提高，进入裂隙和孔隙的几率较大，单位水泥注入量大大提高，能够增加基岩密度和孔隙、裂隙填充率。
进一步优选的，当地下水量呈线股状水及以上时，依次灌注所述普通水泥浆和超细水泥浆；当地下水量呈渗滴水及以下时，灌注所述超细水泥浆。
根据不同盐岩裂缝情况，在地下水量呈线股状水及以上时，首先采用普通水泥浆料进行填补达到初步堵水的效果，再注入超细水泥浆料形成一层致密层以起到加固的作用，能够填补普通水泥浆料未能填补的微小孔隙，从而增加盐岩地层抗渗防腐的能力。地下水量呈渗滴水及以下时，采用超细水泥即可快速填补缝隙。
优选的，所述素混凝土层为聚合物混凝土。
进一步优选的，所述聚合物混凝土包含聚合物乳液和界面改性剂，所述界面改性剂包括硅溶胶和硅烷偶联剂；所述聚合物乳液与界面改性剂的添加量为1:0.4～0.8。
进一步优选的，1份所述界面改性剂由60％～90％硅溶胶和10％～40％硅烷偶联剂组成。
所述聚合物乳液包括苯丙乳液、丙烯酸乳液、SBR胶乳、丙烯酸酯中的至少一种。
通过添加所述界面改性剂，在水泥水化过程中，使得聚合物乳液同硅溶胶中的二氧化硅形成稳定的复合粒子，使水泥优先水化，避免了水泥水化不完全，随着二氧化硅的充分分散，使得聚合物能够遍布于水泥中，同时硅溶胶能够牢固吸附于水泥表面，将聚合物乳液与水泥牢固结合，有效降低聚合物乳液与水泥之间的界面张力，保证了聚合物乳液在水泥中的稳定分散，得以有效提高混凝土的抗渗性和耐久性。通过界面改性剂能够增加聚合物液乳液在水泥体系中的分散性，增强聚合物乳液与水泥的粘结力，增强了混凝土的强度和抗渗防水性。
所述聚合物混凝土包含如下重量比例的组分：260份～320份水泥、680份～800份细骨料、970份～1050份粗骨料、70份～90份粉煤灰、28份～50份膨胀剂、4.35份～5.85份减水剂、100份～150份水、0.85份～1.35份消泡剂和40份～70份聚合物改性剂，所述聚合物改性剂包含聚合物乳液和界面改性剂。
所述初支结构采用铁路隧道施工中常用的锚网喷支护，在盐岩地层中，由于喷混凝土与围岩密贴，是除注浆堵水层外，阻挡地下水的第二防线，因此较一般喷射混凝土，着重于对其性能进行改进，除了要有较好的流动性、较高的早期强度等性能外，还应具有良好的抗渗性和抗裂性，以避免含盐地下水进入结构中破坏结构性能，甚至影响后期施工。
所述初支结构所采用的喷混凝土是一种增强致密防腐型喷射混凝土，如，包括按重量份数计的如下成分：300-400份水泥、100-150份增强掺合料、800-900份砂、750-850份碎石、100-150份水、5-10份减水剂、1-5份引气剂、50-70份防腐剂、20-40份速凝剂；所述增强掺合料包括：20-30份硅灰、20-30份粉煤灰、5-10份纳米碳纤维、10-20份改性纳米材料；所述改性纳米材料包括改性纳米CaCO3和改性纳米TiO2，改性纳米CaCO3：改性纳米TiO2＝1:0.5～2。
也可以如包括按重量份数计的如下成分：350-400份水泥、100-130份增强掺合料、800-850份砂、750-800份碎石、100-130份水、7-10份减水剂、1-3份引气剂、50-60份防腐剂、20-30份速凝剂；所述增强掺合料包括：20-25份硅灰、20-25份粉煤灰、7-10份纳米碳纤维、10-15份改性纳米材料；所述改性纳米材料包括改性纳米CaCO3和改性纳米TiO2，改性纳米CaCO3：改性纳米TiO2＝1:1～1.2。
由于硅灰和粉煤灰的粒径较小，能有效填充混凝土的内部孔隙，大大降低混凝土的大孔孔径，进而提高混凝土强度和密实度，在盐岩地层中，特别是在氯盐污染侵蚀、硫酸盐侵蚀、高湿度等恶劣环境下，可提高喷射混凝土耐久性一倍甚至数倍，抑制碱骨料反应，降低喷射混凝土的回弹率；同时，随着粉煤灰和硅灰掺量增大，浆体内部孔结构逐渐被细化，孔隙曲折度增加，渗透性降低，改善混凝土抗渗能力，但通常粉煤灰的活性需要一个月甚至更长时间的激发，有利于喷射混凝土28d以后强度的持续增长。
综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用本发明所述的一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构，全环设置所述注浆堵水层通过防腐注浆管进行注浆，用于承受水压力，增加基岩密度和孔隙、裂隙填充率，有效抑制地下水的流动，防止盐岩溶解流失，同时可减少地下水进入隧道结构，采用所述隔水层能够抑制地下水中氯离子渗入隧道对衬砌钢筋的腐蚀，所述二衬结构采用圆形断面，能够更好的承受全封闭防水引起的洞周水压力，所述素混凝土层不设置钢筋，无惧腐蚀，能够有效保证隔水层的稳定性，避免形成渗水通道，在不设排水措施的情况下能够抵抗较大的地下水压、保障防水效果。
附图说明：
图1为本发明所述的一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构的结构示意图。
图中标记：1-初支结构，2-二衬结构，3-隔水层，31-第一防水层，32-第二防水层，33-素混凝土层，4-注浆堵水层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构，包含隔水层，所述隔水层位于初支结构1和二衬结构2之间，所述二衬结构2为圆形断面，所述隔水层全环布置，所述隔水层包含第一防水层31、第二防水层32和素混凝土层33，所述素混凝土层33位于所述第一防水层31和第二防水层32之间，所述初支结构1外层全环设有注浆堵水层4。
采用本发明所述的一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构，全环设置所述注浆堵水层4利于承受水压力，增加基岩密度和孔隙、裂隙填充率，有效抑制地下水的流动，防止盐岩溶解流失，同时可减少地下水进入隧道结构，采用所述隔水层能够抑制地下水中氯离子渗入隧道对衬砌钢筋的腐蚀，所述二衬结构2采用圆形断面，能够更好的承受全封闭防水引起的洞周水压力，所述素混凝土层不设置钢筋，无惧腐蚀，能够有效保证隔水层的稳定性，避免形成渗水通道，采用本申请的结构，改变了传统的隧道防水结构，在不设排水措施的情况下能够抵抗较大的地下水压、保障防水效果。
具体的，在隧道开挖支护后，在洞周全环钻设注浆孔，按照环向间距×纵向间距为1m×1m交错布置；所述注浆孔的开孔直径50mm，终孔直径不小于42mm，孔深5m；所述注浆孔内设置防腐注浆管，采用钢花管，外径42mm，壁厚3.5mm，管长1m，所述钢花管的内外设置防腐涂层，所述注浆堵水层4的浆液包含卤水配置的普通水泥浆和超细水泥浆，如采用浓度为10-21％的卤水并分别配置成水灰比为0.5-0.8的普通水泥浆料和水灰比为0.4-0.6的超细水泥浆料。其中，岩体破碎或含盐量低时，卤水浓度用低指标；岩体处于较破损和较完整之间或含盐量高时，卤水浓度用高指标。普通水泥浆料粒径较大，渗透能力有限，采用超细水泥，抗压和抗渗强度均得到显著提高，进入裂隙和孔隙的几率较大，单位水泥注入量大大提高，能够增加基岩密度和孔隙、裂隙填充率。
当地下水量呈线股状水及以上时，依次灌注所述普通水泥浆和超细水泥浆，首先采用普通水泥浆料进行填补达到初步堵水的效果，再注入超细水泥浆料形成一层致密层以起到加固的作用，能够填补普通水泥浆料未能填补的微小孔隙，从而增加盐岩地层抗渗防腐的能力；当地下水量呈渗滴水及以下时，灌注所述超细水泥浆，即可快速填补缝隙。
所述初支结构1采用铁路隧道施工中常用的锚网喷支护，在盐岩地层中，由于喷混凝土与围岩密贴，是除注浆堵水层外，阻挡地下水的第二防线，因此较一般喷射混凝土，着重于对其性能进行改进，除了要有较好的流动性、较高的早期强度等性能外，还应具有良好的抗渗性和抗裂性，以避免含盐地下水进入结构中破坏结构性能，甚至影响后期施工。
所述初支结构1采用的喷混凝土是一种增强致密防腐型喷射混凝土，包括按重量份数计的如下成分：300份水泥、100份增强掺合料、800份砂、750份碎石、100份水、5份减水剂、1份引气剂、50份防腐剂、20份速凝剂；所述增强掺合料包括：20份硅灰、20份粉煤灰、5份改性纳米CaCO3、5份改性纳米TiO2、5份纳米碳纤维。
也可以包括按重量份数计的如下成分：350份水泥、130份增强掺合料、850份砂、800份碎石、130份水、10份减水剂、3份引气剂、60份防腐剂、30份速凝剂；所述增强掺合料包括：25份硅灰、25份粉煤灰、10份纳米碳纤维、10份改性纳米CaCO3、10份改性纳米TiO2。
由于硅灰和粉煤灰的粒径较小，能有效填充混凝土的内部孔隙，大大降低混凝土的大孔孔径，进而提高混凝土强度和密实度，在盐岩地层中，特别是在氯盐污染侵蚀、硫酸盐侵蚀、高湿度等恶劣环境下，可提高喷射混凝土耐久性一倍甚至数倍，抑制碱骨料反应，降低喷射混凝土的回弹率；同时，随着粉煤灰和硅灰掺量增大，浆体内部孔结构逐渐被细化，孔隙曲折度增加，渗透性降低，改善混凝土抗渗能力，但通常粉煤灰的活性需要一个月甚至更长时间的激发，有利于喷射混凝土28d以后强度的持续增长。
所述第一防水层31位于所述初支结构1和素混凝土层33之间，所述第一防水层31包含土工布和防水板，所述土工布位于所述初支结构1和防水板之间。所述第二防水层32位于所述二衬结构2和素混凝土层33之间，所述第二防水层32包含自粘式防水板，所述自粘式防水板的粘贴面朝向所述素混凝土层33。
不同于一般的自粘式防水板粘贴于土工布上，由于所述素混凝土层33自身平整度好，密实度高，利用所述自粘式防水板的粘贴面的直接牢固粘贴于隔水层混凝土上，其粘贴面的粘结剂应采用与混凝土粘结性好的材料，能够有效与所述素混凝土层33内侧密贴，进行防渗漏保护。
所述素混凝土层33为聚合物混凝土，所述聚合物混凝土包含混凝土和聚合物改性剂，准备所述聚合物改性剂：S1、按重量配比1:0.3:0.15称取苯丙乳液、硅溶胶和硅烷偶联剂KH-330；S2、将硅溶胶、硅烷偶联剂和苯丙乳液混合，室温下超声5min，得到聚合物改性剂。
通过添加所述界面改性剂，在水泥水化过程中，使得聚合物乳液同硅溶胶中的二氧化硅形成稳定的复合粒子，使水泥优先水化，避免了水泥水化不完全，随着二氧化硅的充分分散，使得聚合物能够遍布于水泥中，同时硅溶胶能够牢固吸附于水泥表面，将聚合物乳液与水泥牢固结合，有效降低聚合物乳液与水泥之间的界面张力，保证了聚合物乳液在水泥中的稳定分散，得以有效提高混凝土的抗渗性和耐久性。
聚合物乳液能够提高粘结改性水泥基胶凝材料对水、油类物质和二氧化碳的抗渗和抗腐蚀能力，以及抵抗其他化学物质侵烛破坏的能力。除此之外，还可以采用多种聚合物乳液共混处理，其与采用单一聚合物乳液相较，对水泥基胶凝材料的改性作用更佳，能够增强共混胶乳的力学性能，改善水泥砂浆的力学性能以及氯离子扩散系数。
实施例2-5
(聚合物混凝土)
首先，准备聚合物改性剂：S1、按重量配比1:0.3:0.15称取苯丙乳液、硅溶胶和硅烷偶联剂KH-330；S2、将硅溶胶、硅烷偶联剂和苯丙乳液混合，室温下超声5min，得到聚合物改性剂。
然后，制备聚合物混凝土，所述聚合物混凝土原料成分重量比例如下表所示，按照常规混凝土配制方法进行混合搅拌均匀，得到聚合物混凝土。
| 水泥 | 砂 | 碎石 | 粉煤灰 | 水 | 膨胀剂 | 减水剂 | 消泡剂 | 聚合物改性剂 | |
| 实施例2 | 260 | 780 | 1020 | 80 | 120 | 40 | 5.05 | 1.05 | 40 |
| 实施例3 | 260 | 780 | 1020 | 80 | 120 | 40 | 5.05 | 1.05 | 50 |
| 实施例4 | 260 | 780 | 1020 | 80 | 120 | 40 | 5.05 | 1.05 | 60 |
| 实施例5 | 260 | 780 | 1020 | 80 | 120 | 40 | 5.05 | 1.05 | 70 |
对比例1-2
一种混凝土，原料成分重量比例如下表所示，按照常规混凝土配制方法进行混合搅拌均匀得到。
| 水泥 | 砂 | 碎石 | 粉煤灰 | 水 | 膨胀剂 | 减水剂 | 消泡剂 | 改性剂 | |
| 对比例1 | 260 | 780 | 1020 | 80 | 120 | 40 | 5.05 | 1.05 | 60 |
| 对比例2 | 260 | 780 | 1020 | 80 | 120 | 40 | 5.05 | 1.05 | 60 |
其中，对比例1中的改性剂包括苯丙乳液和SDS，苯丙乳液与SDS的质量比为1:0.45。对比例2中的改性剂包括苯丙乳液和脂肪醇聚氧乙烯醚，苯丙乳液与脂肪醇聚氧乙烯醚的质量比为1:0.45。
实验方法：
采用GB/T-50080-2016《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》、GB/T-50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》、GB/T-50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》和TB10424-2018《铁路混凝土工程施工质量验收标准》进行混凝土强度、电通量和氯离子扩散系数的测定。
实验结果如下表所示：
由上表的实验结果可知：
(1)实施例的数据与对比例的数据相较，其强度大、密实度高、能够有效阻止氯离子的扩散，表明实施例的各试样能够较好的提升混凝土的抗渗防水性能，从而减弱氯盐的渗入，延长混凝土的使用寿命；
(2)实施例2至实施例5可知，界面改性剂与苯丙乳液的配比不同时，其对混凝土的指标有着不同的变化。
(3)由对比例1和对比例2可知，硅溶胶和硅烷偶联剂在水泥基胶凝材料中的分散度更佳、能更好的与水泥基胶凝材料结合，使混凝土强度更高、紧实度更高、抗渗防水效果更好，进而使得抗氯效果佳，延缓了混凝土的腐蚀。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适应围岩为盐岩地层的隧道衬砌防水结构，其特征在于，包含隔水层，所述隔水层位于初支结构(1)和二衬结构(2)之间，所述二衬结构(2)为圆形断面，所述隔水层全环布置，所述隔水层包含第一防水层(31)、第二防水层(32)和素混凝土层(33)，所述素混凝土层(33)位于所述第一防水层(31)和第二防水层(32)之间，所述初支结构(1)外层全环设有注浆堵水层(4)，所述注浆堵水层(4)的浆液包含卤水配置的普通水泥浆和超细水泥浆，所述普通水泥浆的水灰比为0.5-0.8，所述超细水泥浆的水灰比为0.4-0.6，所述卤水的浓度为10-21%，当地下水量呈线股状水及以上时，依次灌注所述普通水泥浆和超细水泥浆；当地下水量呈渗滴水及以下时，灌注所述超细水泥浆。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一防水层(31)位于所述初支结构(1)和素混凝土层(33)之间，所述第一防水层(31)包含土工布和防水板，所述土工布位于所述初支结构(1)和防水板之间。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第二防水层(32)位于所述二衬结构(2)和素混凝土层(33)之间，所述第二防水层(32)包含自粘式防水板，所述自粘式防水板的粘贴面朝向所述素混凝土层(33)。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述注浆堵水层(4)通过全环设置的防腐注浆管进行注浆。
5.根据权利要求1-4任一所述的结构，其特征在于，所述素混凝土层(33)为聚合物混凝土。
6.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，所述聚合物混凝土包含聚合物乳液和界面改性剂，所述界面改性剂包括硅溶胶和硅烷偶联剂，所述聚合物乳液与界面改性剂的添加量为1:0.4~0.8。
7.根据权利要求6所述的结构，其特征在于，1份所述界面改性剂由60%~90%硅溶胶和10%~40%硅烷偶联剂组成。
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