ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ И ГРАЖДАНСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Гидроизоляция тоннелей и других подземных выработок

Транспортные тоннели. Самым распространенным видом под­земных сооружений, гидроизоляция которых разработана наи­более тщательно [31, 60], являются тоннели метрополитенов. Этот вопрос выходит за рамки настоящей монографии, но мы все же кратко на нем остановимся, ибо он важен для уяснения принципов проектирования гидроизоляции подземных соору­жений.

Чаще всего в тоннелях осуществляется тюбинговая обли­цовка из высокоплотных бетонов марок 600 и 700. В 1956 г. П. Д. Глебовым и Н. С. Покровским была обоснована возмож­ность применения железобетонных тюбингов из бетонов марок 250 и 350, пропитанных битумом и петролатумом [Сб. Мосмет- ростроя № 4(8), 1957], для условий химически агрессивных грунтовых вод, однако в настоящее время тюбинговые обли­цовки не имеют особой гидроизоляции. В связи с тем, что такие облицовки допускают протечки, на всех эскалаторных и стан­ционных тоннелях устраивают подвесные шатры и облицовки из асбесто - и армоцементных элементов, покрывая их с обратной стороны окрасочной гидроизоляцией; просочившуюся через тю­бинговую обделку воду отводят дренажом.

Тюбинговые облицовки могут быть усовершенствованы путем установки на стяжные болты уплотняющих асбобитум - ных шайб, предложенных Мосметростроем. Главленинград - инжстрой ставит в канализационных коллекторах уплотняющие прокладки из полимербитумного герметика битэп, разработан­ного ВНИИГом [65], причем с внутренней стороны тюбинговая облицовка покрывается торкретом и шприц-бетоном.

Совершенствованию тюбинговых облицовок уделяется вни­мание и за рубежом. Так, в Японии для обеспечения водонепро­ницаемости болтовых соединений тюбингов на болты надевают пластмассовые втулки, которые при затягивании болтов расп­лющиваются и уплотняют стык (японский патент № 50-3580, 1975 г.).

В транспортных тоннелях, проходимых открытым способом, прибегают к обычным средствам гидроизоляции (см. § 4.2), однако динамические условия работы обделок таких тоннелей вынуждают применять оклеечную гидроизоляцию как наиболее трещиноустойчивую. Например, Мосметрострой, широко исполь­зующий оклеечную гидроизоляцию, вначале применял гидро­изоляцию из трех-четырех слоев гнилостойкого толя, а затем специальные рулонные материалы: борулин и металлоизол на алюминиевой фольге. В последнее время им осуществляется весьма сложный комплекс гидроизоляционных мероприятий: уплотнение стыков между тюбингами, сбалчивание их на асбо - битумных шайбах, чеканка стыков освинцованным шнуром и дополнительное их уплотнение дивинилстирольным герметиком ТЭП-4, причем на участках открытой проходки железобетонная облицовка тоннеля изолируется оклеечной гидроизоляцией из трех-четырех слоев гидростеклоизола (см. табл. 1.16), наклеи­ваемого на резинобитумной мастике (Сб. МДНТП имени Ф. Э. Дзержинского, 1977).

Наиболее наглядное представление о развитии способов гидроизоляции тоннелей дает Берлинский метрополитен. Вна­чале, в 1897 г., здесь применили пропитанный войлок, наклеен­ный на дегте с прокладкой листов материала типа «текстолит»; в 1898—1931 гг. — оклеечную гидроизоляцию из толя на слож­ных клебемассах из битумов и дегтей с добавками до 50% три - нидадского асфальта и мексиканского природного битума; в 1946—1953 гг. — из усиленного рубероида и алюминиевой фольги типа «алькута», причем на вертикальные участки стен наклеивали четыре-пять слоев рулонного материала и семь-во - семь слоев битумной клебемассы, с защитой кирпичной или бе­тонной стенкой толщиной 100—120 мм; все это укладывалось поверх мощной железобетонной облицовки из плотного бетона.

Следует отметить несколько новых и прогрессивных реше­ний гидроизоляции транспортных тоннелей, осуществленных за рубежом. Например, в США, Австрии и Швейцарии на ряде автотранспортных тоннелей применена гидроизоляция из пла­стифицированного поливинилхлорида; предел прочности его при растяжении составляет 17 МПа, при сжатии—10 МПа, наибольшая растяжимость 400% (Proc. ASCE J. of the constr. div., 1976, v. 102, №C01, p. 111). Пластмассовые листы шири­ной 50—150 см, толщиной 2 мм сваривали в стыках горячим воз­духом с присадочными стержнями, а швы в бетонной обделке уплотняли профильными ПВХ-лентами сложного профиля. Сверху такую гидроизоляцию защищали железобетонной обли­цовкой, рассчитанной на восприятие внешнего гидростатиче­ского давления. Необходимо подчеркнуть высокое качество пластификаторов в поливинилхлориде, что позволяет приме­нять листы и ленты в диапазоне температур от +70 до —40° С и даже после длительного воздействия воды сохранять УОЭС = = 5-10" Ом-см.

В Голландии для гидроизоляции тоннелей используют пок­рытия из горячего асфальта, армированные высокопрочной полиэфирной тканью «структурофос»; в частности, такая гидро­изоляция успешно служит для защиты транспортного тоннеля длиной 1 км в Амстердаме, железобетонные секции которого стыковались под водой, причем особо отмечается высокая во­донепроницаемость его облицовки («Bitumen, Asphalte u. s. w.», 1968, № 12, S. 497).

На транспортном тоннеле под Эльбой в Гамбурге (ФРГ) оклеечная гидроизоляция была выполнена путем окраски по­лиэфирной смолой, армированной стеклотканью, с дополнитель­ным усилением покрытия над швами медной фольгой толщиной 0,1 мм и покрытием сверху тремя слоями стеклоткани на рези - нобитумной клебемассе с добавкой порошка «пульватекс». В Дании аналогичный тоннель под Лим-фиордом был изолиро­ван листами толщиной 2 мм из бутилкаучука, которые накле­ивали на поливинилхлоридно-цементной композиции, причем все гидроизоляционное покрытие состояло всего из одного слоя.

На ряде тоннелей в Западной Европе осуществлена гидро­изоляция из поливинилхлоридной пленки, причем фирмы, ее выполняющие, гарантируют долговечность более 40 лет при условии ее защиты («Bitumen, Asphalte u. s. w.», 1974, № 1, S. 11).

В Ленинграде, по предложению ВНИИГа, на транспортных тоннелях вдоль Невы у мостов Александра Невского и Литей­ного в 1970—1972 гг. была применена холодная асфальтовая гидроизоляция из мастики хамаст ИАЦ-15 и БНСХА (см. табл. 1.28), с армированием стеклотканью (рис. 4.12). Эти покрытия успешно служат почти десять лет над сборными железобетон­ными элементами подпорных стенок в подъездах к тоннелям. Лишь в одном месте было отмечено отслоение стеклоткани, на­клеенной на мастике БНСХА во время морозов [56].

Гидротехнические тоннели. Эти тоннели нуждаются в особо надежной гидроизоляции, так как она подвергается еще и воз­действию напора воды изнутри скоростного потока. Кроме того, требуется ее высокая трещиноустойчивость в деформируе­Мых грунтах.

На более ранних сооружениях облицовку из армированного бетона покрывали, как правило, гидроизоляцией из торкрета, иногда по сетке [39], но такие покрытия оказывались недоста­точно трещиноустойчивыми; например, на некоторых тоннелях были зарегистрированы следующие удельные (на 1 м2 обли­цовки и 1 м напора) фильтрационные расходы (л/с):

TOC o "1-3" h z Напорный тоннель ДзораГЭС (Грузия) ....................................................... 0,84

» » Храмской ГЭС (Грузия) ................................................... 0,037

Отводящий тоннель ГЭС Гизельдон (Грузия)............................................... 0,035

» » Севанской ГЭС (Армения) ................................................ 0,16

Опытный штрек отводящего тониеля Храмской ГЭС...... 0,10

Напорный тоииель ГЭС Амстэ (Швейцария) .............................................. 0,06

Штольня № 7 этого тоинеля........................................................................ 0,17

Напорный тоннель ГЭС Барбарине (Швейцария)........................................ 1,0

Как видим, фильтрация через такие облицовки недопустимо велика, в связи с чем во всех случаях пришлось провести доро­гие цементационные работы. Поэтому тоннели чаще всего за­щищают оклеечной гидроизоляцией.

Гидроизоляция из рулонных материалов требует устройства многослойной облицовки.(рис. 4.13), причем внешняя железо­бетонная рубашка выполняется из условия восприятия горного давления, а внутренняя — гидростатического напора (рис. 4.13, а и б), поскольку оклеечная гидроизоляция сама не вос­принимает отрывающий напор, а передает его на внутреннюю облицовку.

Рассмотрим пример неправильного решения данной проб­лемы. На построенном в 1937—1938 гг. напорном тоннеле Дзо­раГЭС с железобетонной облицовкой внутренним диаметром 2,3 м, рассчитанной на восприятие внешнего напора 32,5 м, в 1940 г. было отмечено раскрытие швов и трещин на 3—4 мм, которое усугубилось в 1941 г. смещением отдельных секций на 2 мм со средней скоростью 6,4ХЮ~9 см/с, в результате чего фильтрационный расход из тоннеля достиг 10 м3/с и потребо-

Вался ремонт. С этой целью частично была выполнена метал­лическая обшивка, а частично — оклеечная гидроизоляция из четырех слоев рулонного материала, наклеенного на битуме БН 70/30; она усилена поверхностной окраской асфальтовой горячей мастикой АМ-40, причем внутри тоннеля оклеечная гидроизоляция была защищена торкретом по сетке, которая, конечно, не могла воспринять внешнее гидростатическое дав­ление свыше 30 м, поэтому даже после столь сложного ремонта удельный фильтрационный расход все же составил 0,025 л/с («Гидротехническое строительство», 1952, № 5). Учитывая этот неудачный опыт, на напорном тоннеле Алма-Атинской ГЭС, где после землетрясения образовались трещины, изнутри была устроена оклеечная гидроизоляция и защищена мощной железобетонной рубашкой, рассчитанной на восприятие внеш­него давления воды.

Другим примером, свидетельствующим о необходимости тщательного проектирования и выполнения гидроизоляции тон­нелей, может служить опыт эксплуатации деривационных гале­рей Мингечаурской ГЭС (рис. 4.14). Напорные трубопроводы станции прокладывались в специальных подземных галереях сечением 7,5x7,5 м, объединяющих все шесть трубопроводов в виде монолитного железобетонного массива, проложенного в мягких лёссовых грунтах берега под намывным телом грун­товой плотины (рис. 4.14, а). Такое расположение галерей по­требовало разрезки их частыми деформационными швами, а расчетный напор до 63 м — усиленной гидроизоляции и уп­лотнения швов сооружения, тем более, что ожидались значи­тельные и неравномерные во времени осадки, которые могли вызвать деформации в швах со скоростью до Ю-5 см/с.

По предложению ВНИИГа, была запроектирована сложная система автоматических шпонок, обеспечивающих надежное уплотнение швов путем нагнетания в полости шпонок специ­ально подобранной легкоподвижной мастики (40% битума БН 90/30 и 60%) минерального порошка). К сожалению, при строительстве галерей некоторые автоматические шпонки (рис. 4.14, в) были заполнены нагнетаемым цементным раство­ром, который при осадках секций водоводов постоянно растре­скивался и вызывал интенсивные течи, а в четвертом шве даже привел к выносу 75 м3 грунта из тела плотины, что требовало постоянного ремонта швов путем нагнетания цементного рас­твора в местах протечек. Наружная гидроизоляция галерей со­стояла из асфальтовых армированных матов толщиной 5—6 мм, наклеенных в два слоя и защищенных стяжкой из цементного раствора (рис. 4.14, б); она работала вполне удовлетвори­тельно, однако из-за ее сложности и многодельности на по­следующих стройках от нее пришлось отказаться.

В теле плотины Нурекской ГЭС высотой до 300 м проло­жены смотровые и цементационные галереи, подвергающиеся действию напора воды до 300 м, давлению грунта до 6 МПа и значительным деформациям при неравномерных осадках тела плотины (рис. 4.15). Здесь, по предложению НИС Гидро­проекта, была применена армированная эпоксидная гидроизо­ляция (рис. 4.15, а) из эпоксидно-каменноугольных композиций, технико-экономические характеристики которых приведены в табл. 4.3. Как видим, в данном случае эпоксидная окрасоч­ная гидроизоляция по стоимости и трудоемкости превосходит асфальтовую, что объясняется весьма необычными условиями эксплуатации: высоким напором воды (до 300 м), давлением грунта на гидроизоляционное покрытие до 6 МПа при сдвига­ющем напряжении до 1 МПа, а также возможным раскрытием трещин и швов до 2 мм («Гидротехническое строительство», 1979, № 3). В таких условиях эпоксидная гидроизоляция может быть заменена лишь стальной обшивкой, стоимость которой при этом достигает 30 руб/м2.

В гидротехнических тоннелях необходимо учитывать также интенсивное механическое воздействие наносов и кавитацион - ную эрозию скоростного водного потока. Например, через стро­ительный тоннель Нурекской ГЭС в 1967—1972 гг. пропускали паводки со скоростями потока 16—17 м/с, что привело к ча­стичному разрушению его бетонной облицовки на глубину до 30 см с обнажением зерен заполнителя и арматуры («Энерге­тическое строительство», 1978, № 11) и потребовало большого ремонта облицовки.

Во ВНИИГе и НИС Гидропроекта проводились многолет­ние исследования антикавитационных полимерных покрытий.

Поскольку было установлено, что пластмассы лучше сопротив­ляются кавитационной эрозии, чем бетоны, уступая в этом от­ношении только стальной обшивке [26, 42]. Этими исследова-

Ниями было показано, что эпоксидные покрытия лучше других сопротивляются кавитационной эрозии (табл. 4.8), причем оказалось, что наивысшей кавитационной стойкостью обла­дают эпоксидно-каучуковые покрытия из краски ЭКК-200, т. е. чем выше пластификация покрытия, тем выше его кавитацион-

Ная стойкость, а старение покрытия увеличивает его Жесткость и снижает стойкость.

Следует отметить, что увеличение толщины пластифициро­ванных покрытий повышает их кавитационную стойкость, а жестких покрытий, наоборот, — снижает, приводя к их адге­зионному отрыву [42].

Об эффективности антикавитационных эпоксидных покры­тий свидетельствует опыт их применения в водосборных тон­нелях Нурекской ГЭС, где в 1972 г. при сбросе потока со скоростью 16—17 м/с бетонная облицовка была разрушена на глубину до 30 см с обнажением арматуры и щебня; после же нанесения эпоксидного покрытия никаких повреждений не воз­никало, несмотря на то, что скорости потока достигали 35—42 м/с («Энергетическое строительство», 1978, № 11).

При защите тоннелей, в том числе и гидротехнических, наи­более надежны эпоксидные пластифицированные покрытия, так как они отличаются не только высокой механической прочно­стью и трещиноустойчивстью, хорошей адгезией к бетонной поверхности, позволяющей им успешно сопротивляться отры­вающему напору воды, но и гладкостью самого покрытия (коэффициент шероховатости меньше в 1,5—2 раза), что резко снижает гидравлические потери в тоннеле. Однако они требуют высокой гладкости основания, т. е. специального выравнивания и шпаклевки поверхности бетона; кроме того, при работах в тоннеле возникают дополнительные трудности из-за необходи­мости подсушки поверхности бетона, усиленной вентиляции вследствие вредности и пожароопасное™ операций по нанесению покрытия. Поэтому ведутся поиски более рацио­нальных гидроизоляционных покрытий для защиты тоннелей и других подземных выработок, требующих повышенной водо­непроницаемости [71].

При строительстве тоннелей и других сооружений в скаль­ных выработках широко применяется штукатурная гидроизо­ляция из цементного торкрета, которая наносится прямо на скалу с последующим покрытием железобетонной облицовкой (рис. 4.16). Например, таким способом была осуществлена гидроизоляция камеры затворов Нурекской ГЭС (рис. 4.16 а), Где поверхность скалы была тщательно выровнена и покрыта цементным торкретом толщиной до 50 мм, что потребовало многослойного его нанесения и повысило стоимость покрытия до 5 руб/м2, а на некоторых участках — даже армирования торкрета металлической сеткой, с увеличением стоимости пок­рытия до 7 руб/м2. Кроме того, возникновение протечек выз­вало необходимость в дополнительной цементации скалы за облицовкой (поз. 8 на рис. 4.16).

Однако все эти дорогостоящие мероприятия не обеспечи­вали в полной мере водонепроницаемость облицовок, в связи с чем стали применять дополнительные «чистые» облицовки,

Отводя фильтрационные воды по сложной дренажной системе в межоблицовочном пространстве. Такая система общеизвестна по станционным и эскалаторным тоннелям станций метропо­литенов [31].

А — камера сегментного затвора Нурекской ГЭС; б — фрагмент об­делки подземного машинного зала Севанской ГЭС 1 — железобетонный свод; 2 — цементный торкрет; 3 — эпоксидное антикавитационное покрытие; 4 — подвесной потолок; 5—асфаль­товая армированная гидроизоляция из литой мастики; 6 — вторая чистая стена; 7 — асфальтовая штукатурная гидроизоляция из горячей битумно-асбестовой мастики; 8 — местная цементация для ликвидации отдельных протечек (инъекционная гидроизоляция)

Одним из первых примеров сочетания гидроизоляции с дренажом, осуществленного в 1946—1947 гг. по предложению П. Д. Глебова, является здание Севанской ГЭС в Армении (рис. 4.16, б). Здесь был устроен подвесной потолок, покрытый с обратной стороны окрасочной гидроизоляцией из горячей

Асфальтовой мастики, состоящей из 40% битума БН 70/30, 3% коротковолнистого асбеста, 57% известнякового порошка и армированной мешковиной, пропитанной горячим битумом БНД 40/60.

Стены тоже были покрыты второй, чистой облицовкой, на обратную сторону которой также нанесена окрасочная гидро­изоляция. Автор через 20 лет осматривал эту облицовку и убе­дился в высоком ее качестве; лишь в двух мести. ч замечалось протекание битума через швы подвесного потолка, что свиде­тельствует о недостаточной теплоустойчивости асфальтовой мастики, так как температура в межпотолочном пространстве повышается до 30—35° С, что не было учтено составом мастики. Следует подчеркнуть, что, таким образом, непроизводительно используется значительная часть дорогостоящей скальной вы­емки, объем которой на Севанской ГЭС достигает 10 000 м3.

Весьма интересен опыт применения в тоннелях и подземных зданиях ГЭС эпоксидной окрасочной и цементной штукатурной гидроизоляции. Так, для защиты бетонной облицовки напор­ных водоводов Нурекской ГЭС от кавитационной эрозии в 1972 г. была использована эпоксидно-полиэфирная окраска поз. 3 на рис. 4.16, а) из эпоксидной смолы ЭД-20 с добавкой полиэфира МГФ-9 (60 частей массы на 100 частей массы смолы), которая не только, выдержала воздействие потока со скоростью до 40 м/с, но и обеспечила водонепроницаемость облицовки. Поэтому эпоксидная окрасочная гидроизоляция нашла применение на многих водоводах, в том числе и на ГЭС Костешты-Стынка в Румынии (рис. 4.15,6), где она работает при отрывающем напоре до 40 м, а при армировании стекло­тканью над швами водоводов — и при деформациях раскрытия швов, до 2 мм. Мы еще вернемся к этому вопросу в § 6.3.

Несомненными технико-экономическими преимуществами обладают покрытия из коллоидного полимерцементного раст­вора'(КПЦР), который рекомендован для внутренней защиты бетонных облицовок тоннелей и подземных ГЭС; его преиму­щества ясны из данных табл. 4.6.

Опытное покрытие из КЦР, состоявшего из портландце­мента марки 500 (70 ч. м.), молотого песка (30 ч. м.) и средне­зернистого песка (200 ч. м.) при В/Ц = 0,35, на водосбросном тоннеле успешно проработало шесть лет при скоростях потока до 58 м/с, что позволило в 1978 г. расширить его применение для ремонта бетонной облицовки тоннеля. Примеры использо­вания КЦР и КПЦР для гидроизоляции подземных сооруже­ний приведены в табл. 4.9.

Опыт применения КЦР и КПЦР в различных эксплуатаци­онных условиях достаточно обширен. Сначала осуществляли двухслойные покрытия путем набрызга коллоидного цемент­ного клея КЦК, состоявшего из 70 ч. м. портландцемента и 30 ч. м. молотого песка при В/Ц = 0,35, с последующим перек-

Рытием той же композицией с добавкой песка (КЦР), а затем стали применять полимерцементные покрытия из КПЦР, содер­жавшего добавки латексов (авт. свид. № 537972, 1976) или эпоксидно-каучуковой эмульсионной пасты (авт. свид. № 551287, 1977). Эти полимерные добавки резко улучшили качество покрытий, прежде всего их усадочную трещиноустой - чивость, и упростили технологию их нанесения при помощи обычных растворонасосов с приставкой Марчукова и вибро - растворонагнетателей высокой производительности [27, 41]. Такая штукатурная гидроизоляция отличается следующими преимуществами:

А) покрытие из КПЦР обладает очень большой прочностью (марок 600 и даже 800), что позволяет применять его для за­щиты напорных граней гидротехнических сооружений без за­щитного ограждения;

Б) данное покрытие имеет высокую сдвигоустойчивость и динамическую прочность, хорошую износостойкость против абразивного воздействия и кавитационную стойкость, благодаря чему его можно использовать на опускных колодцах, кессонах и для защиты свай, облицовки поверхностей песколовок, золо- проводов, для антикавитационной защиты тоннельных облицо­вок и водоводов;

В) небольшая стоимость покрытия, составляющая менее 2 руб/м2, и низкая трудоемкость (менее 0,2 чел.-ч) при ком­плексной механизации с помощью вибросмесителей и раство­ронасосов всего производственного процесса делают его наибо­лее экономичным.

Исследования последних лет (Изв. ВНИИГ, т. 119, 1977) показали, что такие покрытия отличаются высокой сульфато - стойкостью, а потому их можно применять для защиты соору­жений от коррозии; дисперсное же армирование отрезками стальной проволоки типа «фибробетон» обеспечивает также высокую их трещиноустойчивость; вводя добавки металличе­ских опилок, можно получить покрытие марки 1100, что гаран­тирует их кавитационную и абразивную стойкость. Поэтому покрытия из КПЦР следует отнести к наиболее перспективным в гидроизоляционной технике.

Высокая морозоустойчивость покрытий из КПЦР позво­ляет применять их в районах с суровым климатом, однако необ­ходимость производства работ зимой в обогреваемых тепляках ограничивает область их применения.