隧道防水减震隔热一体化关键技术研究

王复明，郭成超，孙 博，王浩然，关 欢，刘建友，霍建勋，答子虔

(1.中山大学土木工程学院,广州 510275; 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031; 3.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055; 4.中国铁路经济规划研究院有限公司,北京 100038)

引言

随着西部大开发和“一带一路”倡议的实施,穿越强震区、富水环境及高低温带的交通隧道大量涌现[1],如雅康高速新二郎山隧道穿越保凰断裂带[2],玉磨铁路甘庄隧道穿越富水炭质千枚岩层状地层[3],拉林铁路桑珠岭隧道探孔温度高达89.5 ℃等[4]。当隧道路段经过高烈度地震带、裂隙发育岩体、高寒区地带、高温水热活动带、地热异常区等不良地质段时,运营期内极易发生隧道衬砌裂损坍塌、渗漏水、结构冻胀破坏等病害,进一步严重影响交通质量,危及隧道内行车安全并缩短维护周期和使用寿命[5-7]。因此,如何保证强震区、富水环境及高低温带隧道的安全性和稳定性,预防运营期隧道震害、水灾害、冻害热害对结构的不利影响是当前亟待解决的关键科学技术难题。

目前,国内外学者大多采用理论分析、模型试验、数值模拟等方法仅分别从减震、防水和保温隔热单方面提出针对穿越高烈度、富水区、高低温带交通隧道的灾变机理与治理措施[8-13],但在实际建设中,西部地区地质极端多变,如西部某高原铁路面临高地震烈度、高地应力、高水压和大规模涌突水、高寒高地温等复杂的地质环境,多种致灾因子可能在某一区段和某个时段并存或并发,单一的灾害防控技术显然无法满足隧道建设需求,而目前对于考虑复杂地质环境作用下隧道震害、水害及冻热害防治的一体化研究较为欠缺[4]。

近年来,高聚物注浆技术在隧道、公路、桥梁、大坝等基础设施的加固和维修中得到了大量应用[14-16],但传统的高聚物材料存在工艺复杂、稳定性差、防水加固效果难以保证等缺点[17],为此,研究团队以异氰酸酯和多元醇为基料研发一种新型非水反应类高聚物喷涂材料,该材料具有安全环保、反应迅速且可调节、柔韧性良好、抗渗防水、耐久性好等一系列特点,综合性能优良[18]。

研究团队基于新型高聚物材料在隧道减震隔震、防水阻渗、高低温保温隔热以及高聚物喷涂施工关键技术方面所取得的一系列研究成果,在此基础上形成适用于运行和在建隧道的防水减震保温隔热技术体系,并开展隧道防水减震隔热一体化技术示范工程,相关研究成果可为高烈度、富水环境及高低温带隧道安全设计施工提供理论依据和技术支撑。

1 隧道防水阻渗技术研究

已有工程实践表明,严重的隧道渗漏水和突涌水已影响到隧道安全运营。高聚物材料本身具有优异的防水特性,高聚物材料及注浆技术在隧道工程的突涌水和渗漏水等水灾害的处治中得到了成功的运用[19]。基于高聚物材料良好的防水特性,隧道高聚物减震层和保温隔热层喷涂施工后可代替原防水板,起到防水的作用。

1.1 高聚物材料防水性能研究

防水性能测试依据GB 50404—2017《硬泡聚氨酯保温防水工程技术规范》,试样采用现场取样,直径为150 mm,厚15 mm(±0.2 mm)的圆饼形试件,每一样品准备3个试样进行测试。试验前,试样在温度(23±2) ℃、相对湿度45%～55%的环境中放置48 h进行状态调节。试验结果显示(图1):40,60,80 ℃下高聚物喷涂材料均可在0.2 MPa水压力下保压2 h以上,满足规范中0.2 MPa水压力下保压30 min的要求,证明该材料防水性能良好。材料的起始渗透压力p与温度呈负指数关系,当温度高于60 ℃后降低幅度减缓,说明喷涂型高聚物材料在高温下抗渗性能的适应性良好。

图1 不同温度下高聚物材料抗渗性能Fig.1 Permeability resistance of polymer materials at different temperatures

1.2 高聚物材料抗渗等级测试

为得到新型高聚物材料的抗渗等级,参照水工混凝土的渗透评价方法,针对不同密度高聚物试件进行渗透性能测试。试验结果表明,高聚物材料的抗渗性能随高聚物材料密度的增大而提高。当高聚物材料密度达到0.6 g/cm3时,其起始渗水压力达到1 MPa,即可以承受100 m的水头。按水工混凝土抗渗等级划分方法,抗渗等级相当于10级。不同密度高聚物材料渗透起始压力值如表1所示。

表1 不同密度高聚物材料渗透起始压力值Table 1 Initial pressure values of permeability for polymer materials with different densities

水利工程防渗帷幕注浆时,高聚物材料的密度不低于0.2 g/cm3,其起始渗水压力可达到0.55 MPa,即可以承受55 m的水头压力。另外,可以根据不同工程的实际需要,控制注浆量,可调节高聚物材料密度,完成不同工程的抗渗需求。

1.3 高聚物材料抗水压性能试验

针对隧道运营期高温有压热水在高聚物防水层与初次衬砌间的渗流问题,设计水热耦合下喷涂型高聚物材料抗水压性能试验系统进行初步探索,如图2所示,结果发现,极粗糙混凝土表面下终止水压力较光滑表面下终止水压力提升37.5%,说明粗糙的初次衬砌表面可有效阻止有压热水的层间流动,进而控制有压水的窜流。

图2 混凝土板内渗流水压分布Fig.2 Distribution of seepage water pressure in concrete slabs

2 隧道减震隔震技术研究

目前隧道抗、减震措施主要包括改变衬砌刚度、注浆加固、设置减震层、变形缝等[20-21],围岩和衬砌间设置柔性减震层是隧道较为常见的减隔震措施。但我国西部隧址区地质条件复杂,现有减震材料存在耐久性差、强度低等突出问题,且缺乏成熟的施工工艺[22]。因此,针对新型高聚物材料进行力学与减震性能测试,并进行隧道减震数值分析,为后续隧道防水减震隔热一体化结构设计提供依据,这里仅考虑高聚物减震层作为岩土和隧道结构间的减震层结构,盾构法和钻爆法施工隧道结构的减隔震机理基本一致,因此,这里借用基于高聚物减震层的盾构隧道研究成果予以说明。

2.1 高聚物材料力学特性试验

基于扫描电镜(SEM)和GDS-RCA共振柱系统,研究动剪应变、围压和密度对高聚物喷涂材料动力特性的耦合影响规律和机理。结果表明,高聚物材料存在大量孔隙,属于泡孔结构材料,不同密度材料的泡孔形状与胞体间隙不一致,有利于材料的耗能减震。研究结果表明:随着动剪应变的增大,高聚物喷涂材料的动剪切模量呈线性减小,阻尼比增速先快后慢;同密度条件下,围压越大,高聚物喷涂材料的动剪切模量越大,阻尼比越小;动剪应变、围压和密度对该材料的动剪切模量耦合影响效应显著,围压和密度对其阻尼比耦合影响效应显著,同时给出动剪切模量与密度的函数关系式(图3),适用于工程实际中快速计算不同围压条件下由不同密度高聚物构成的减震隔振层的动剪切模量[23-24]。

图3 高聚物喷涂材料力学性能试验Fig.3 Mechanical property test of polymer spraying materials

2.2 高聚物材料减震性能试验

为进一步研究基于高聚物减隔震层包裹的隧道在地震作用下围岩和衬砌管片不同位置加速度、应力应变和位移的变化规律及地震动力响应,揭示高聚物材料的减隔震机理,开展隧道高聚物减震材料振动台和离心机物理模型试验。试验结果表明:采用外包高聚物隔震层的隧道复合衬砌结构,管节张开量平均减小36%以上,且全断面包裹形式优于半断面包裹形式,如图4所示,进一步验证了高聚物减震层的减震效果[25-26]。

图4 离心机物理模型试验结果Fig.4 Centrifuge physical model test results

2.3 隧道减震数值分析

为进一步分析隧道结构减震隔震效果,针对高聚物材料铺设形式与位置,基于有限元计算软件ABAQUS采用无限元边界,建立多个动力学数值模型来研究有无隔震层、不同密度、厚度与动态弹性模量隔震层隧道衬砌结构的抗震性能,对比不同工况下衬砌结构的拉伸应力,如图5所示。结果显示,施加高聚物减震层后,隧道隔震性能显著提升。隔震层密度、厚度、动态弹性模量是隧道隔震效果的决定因素,隔震层密度越低,厚度越厚,动态弹性模量越小,隔震效果越好[27]。

图5 隧道减震数值分析结果Fig.5 Numerical analysis results of tunnel vibration reduction

3 隧道保温隔热技术研究

高地温主要致灾形式包括导致隧道内部湿热环境、加剧隧道围岩变形与破坏和诱发隧道支护结构失效[28]。目前,高低温隧道主要通过物理降温、通风调热、隔热衬砌等技术降低隧道热害[29-31]。长久来看,衬砌结构在高地温隧道灾害防控中具有重要作用,其不仅能提高围岩稳定性,而且能够隔水隔热,有效调控隧道内热湿环境[29]。因此,研究新型高聚物材料的隔热性能,并在此基础上提出适用于高低温环境的隧道衬砌结构。

3.1 高聚物材料保温性能试验

为测试新型高聚物材料隔热性能,团队基于中山大学试验室的Hot Disk 2500S进行导热系数测定试验,揭示环境温度、材料密度和厚度对高聚物导热系数的影响规律,如表2、表3所示。同时开展高聚物扫描电镜试验,从微观角度分析高聚物材料的孔隙特征及其对保温性能的影响[32],如图6所示。

表2 不同材料密度高聚物导热系数(T=20 ℃)Table 2 Thermal conductivity of polymers with different material densities (T=20 ℃)

表3 不同厚度密度高聚物导热系数(T=20 ℃,ρ=0.07 g/cm3)Table 3 Thermal conductivity of polymers with different thicknesses and densities (T=20 ℃,ρ=0.07 g/cm3)

图6 不同密度下高聚物材料的微观结构Fig.6 Microstructure of polymer materials with different densities

试验结果表明,高聚物的闭孔结构使其具有极高的阻隔水蒸气性能。-40～10 ℃和20～90 ℃两阶段,随温度升高,高聚物泡孔内外出现温度差,气体及材料固体分子热运动加速,导热系数升高,且温度越高,气体分子无规则运动越剧烈,导热系数升高越快。在温度较低时,高聚物导热系数随密度增大而呈现增大趋势,密度每增加1 g/cm3,导热系数增大0.170 9 W/(m·K)。温度较高时,高聚物导热系数随密度增大而呈现先增大后减小趋势。高聚物导热系数随厚度增大而基本不变。

3.2 隧道保温数值分析

为进一步分析隧道结构保温隔热效果,针对有无隔热层、不同厚度隔热层与不同导热系数等工况,对隧道隔热效果进行数值分析。结果表明,隔热层能够有效阻隔热量的传递(图7),不同厚度隔热层对应的温度场分布半径相差较大,初步结论是随隔热层厚度的增加,温度场分布半径有减小的趋势;随着导热系数的增大,隧道二衬内外侧温度均有所增加,且均表现为初期较快,后续趋于平缓,导热系数区分与之前相同,导热系数越小,隧道二衬自身温度越低,能够有效改善二衬受力[32]。

图7 隧道结构温度场随时间变化Fig.7 Temperature field of tunnel structure changes over time

以新疆G580线和田至康西瓦公路隧道为算例,将隧道进口处断面作为分析断面,针对隧道洞口段保温层保温效果、隧道多年冻土段围岩径向温度场分布特征与隧道保温层厚度进行数值分析。结果表明,寒区隧道洞口段,合理设置保温层可以有效地减小隧道冻融范围,减少冻害,保温层表面铺设可以对围岩起到明显的保温作用。

4 隧道防水减震隔热一体化结构设计方案

基于新型高聚物材料,针对高烈度、富水环境及高低温带隧道防水减震保温需求,提出山岭隧道“围岩-初衬-高聚物-二衬”复合式衬砌支护体系,如图8所示。复合式衬砌由初期支护与二次衬砌组成,Ⅴ、Ⅳ级围岩、洞口加强段及断层破碎带等软弱围岩地段在初期支护和二次衬砌之间设置高聚物缓冲层,代替原防水板达到以减震为主兼顾防水隔热的目的。复合式衬砌分为全断面和半断面高聚物喷涂包裹。

图8 全断面、半断面高聚物喷涂复合式衬砌示意Fig.8 Schematic diagram of full section and half section polymer spraying composite lining

复合式衬砌初期支护以喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架为主要支护手段,Ⅴ、Ⅳ级围岩、洞口加强段及断层破碎带等软弱围岩地段辅以超前管棚、超前小导管或超前锚杆等预支护措施;二次衬砌均采用模筑混凝土,整体式模板台车浇筑。

5 隧道高聚物喷涂施工关键技术试验研究

为研究新型高聚物材料的现场喷涂效果,采用大直径混凝土管道近似模拟隧道内衬曲面结构进行高聚物喷涂试验,针对喷涂施工的全过程工序进行操作和测试,包括基面预处理、喷涂设备压力控制、喷嘴运动参数调整、喷涂质量检查及修补等项目。研究喷涂高聚物过程中压力、物料的初始温度、走枪速度、喷涂距离、喷涂角度等工艺参数对涂层性能的影响,给出了最佳喷涂工艺参数范围[33]。

5.1 试验基本情况

喷涂试验采用的设备体系主要包括原料储存运输处理系统、原料输送系统、计量泵送及加热系统、送料管系统以及喷枪等5部分。试验流程和顺序如下:先通过改变该子项目(喷涂压力、物料初始温度等)的试验参数,随后进行喷涂操作,并以最终是否会对喷涂隔震层的质量产生影响为试验结束准则,最后进行该子项目技术参数与标准的定型,在此子项目技术参数和标准的基础上,开展下一子项目(喷枪运动参数)试验的研究工作。

5.2 喷涂效果影响因素分析

高聚物喷涂试验结果表明:①环境因素方面,高聚物发泡受温度的影响很大,发泡依靠热量而进行,如果没有热量,体系中的发泡剂就无法蒸发,从而无法生成泡沫塑料,此外,风速过大,将会吹走雾化颗粒,增加原料损耗;②喷涂压力方面,喷涂压力与高聚物扩散半径成正比,此外,喷涂压力越大,雾化效果越好,但是当压力过大,溅料程度越重;③物料初始温度方面,起始温度越高,涂层脱粘时间越小;④喷枪运动参数方面,走枪速度越大,覆盖层均匀性更差,单次喷涂层厚度越低。喷射距离对喷涂效果影响显著,喷射距离较小时由于喷枪压力较大,物料出枪时出现严重的飞溅现象,造成喷涂层的不均匀,喷射距离较大时由于受到物料的自重和风速的影响,雾状物料成抛物线喷洒在基面上,喷射效果亦不佳。当喷嘴与基面不垂直时,将会造成喷涂表面质量不均、厚度较难控制等问题,因此以喷嘴垂直隧道基面为宜,最佳喷涂工艺参数如表4所示。

表4 喷涂工艺参数合理取值范围Table 4 Reasonable range of spraying process parameters

5.3 高聚物层喷涂工序研究

根据表4提供的喷涂工艺参数,进行高聚物层在隧道模型上的整体喷涂施工工序研究。研究表明,最优喷涂工序为:①将聚合物浆液喷涂到目标表面上,形成第一层,厚度约为1 cm;②继续喷涂到第一层上以立即形成厚度低于20 mm的第二层;③重复步骤②,直到总厚度的平均值达到高聚物层的设计厚度。喷涂过程与效果如图9所示[33]。

图9 高聚物层喷涂过程与效果Fig.9 Spraying process and effect of polymer layer

6 隧道防水减震隔热一体化技术示范

为进一步论证新型高聚物材料防水减震隔热性能与实际应用效果,在崇礼铁路隧道3号斜井进洞口约90 m处进行高聚物喷涂现场施工,并布设监测装置。隧址区地质环境复杂多变,基本地震动峰值加速度为0.10g,抗震设防烈度为Ⅶ度,节理、裂隙发育地段以及岩性接触带水量较丰富,地处严寒地区,冬季寒冷且漫长,冻结期较长。

6.1 实施方案

整个高聚物喷涂作业工程参考GB 50404—2017《硬泡聚氨酯保温防水工程技术规范》。高聚物喷涂的基本流程包括以下几部分:基层处理→检测基层含水率、环境温湿度及风速检测→配制涂刷高聚物封闭底涂→设备安装调试及试喷→高聚物正式喷涂→检测硬泡高聚物质量→修整泡沫高聚物→喷涂水泥砂浆→清洗喷涂机等。现场使用专用喷涂设备在隧道基层上连续多遍喷涂发泡高聚物后形成无接缝硬质泡沫体,隧道基层上喷涂硬泡高聚物形成高闭孔率、具有防水减震保温一体化功能的构造层。具体喷涂过程与效果如图10所示。

图10 隧道防水减震保温隔热一体化喷涂效果Fig.10 Integrated spraying effect of waterproof, shock-absorbing, thermal insulation and insulation in tunnels

6.2 结果分析

由于隧址区属于低烈度地震带,并且仅是对上述工艺的验证和示范,监测期内隧道未发生地震灾害与渗水事故,因此不作减震防水对比分析。保温方面,监测数据表明,未设置隔温层时,在距衬砌至深处围岩0～258 cm范围内温度基本在0 ℃以上。一周温度变化范围不大,随着冬季冷空气的进入,围岩温度整体逐渐降低。从温度关系看,线长越长(埋入围岩越深)所测得的温度值就越高。当外界大气温度较低时,由浅至深,温度差值分布明显。距衬砌表面50 cm内温度变化幅度最为剧烈;距衬砌表面200 cm处围岩温度变化较为平缓。同时混凝土的导热性要比围岩差,即混凝土相对于围岩具有较高的抗冻性。

如表5所示,在无保温层测试断面处,温度随着隧道洞外气温的剧烈变化而变化;铺设防冻保温层后,断面围岩温度变化较为平缓,同时,距衬砌表面100 cm后围岩温度随时间变化更为平缓,表明高聚物保温层可以达到隔绝隧道内冷空气向围岩传递的目的。

表5 有无保温层距衬砌表面不同距离围岩温度Table 5 Temperature of surrounding rock with or without insulation layer at different distances from the lining surface

7 结论与展望

受复杂赋存环境的影响,隧道震害、隧道水灾害、隧道热害和隧道冻害变成制约西部地区隧道工程安全建设的重大难题。为此,以“隧道防水减震隔热一体化关键技术”为研究核心,从新型高聚物材料研发入手,围绕防水减震保温性能测试与结构设计、工程施工参数优化与示范应用等开展相关研究与思考,结论如下。

(1)在现有高聚物材料基础上,研发韧性高粘非水反应高聚物材料,建立基于高聚物材料的隧道结构防水减震隔热的作用模型与分析方法,基于材料力学、减震、防水、隔热相关测定试验,证明新型高聚物材料良好的隔震防渗阻热特性。

(2)结合数值分析,基于隧道高聚物减震材料振动台和离心机模型试验,验证高聚物层的减震保温效果,提出隧道“围岩-初衬-高聚物-二衬”复合式衬砌支护体系。

(3)基于隧道高聚物防水减震隔热层喷涂施工物理模型试验,研究环境因素、喷涂压力、喷枪运动参数等因素对涂层性能的影响,并以实际工程为依托,开展隧道高聚物防水减震隔热层现场技术示范,进行隧道防水-减震-隔热功能的一体化应用,并进一步论证高聚物材料的保温效果。

目前,西部地区交通隧道现已分阶段陆续开工建设,相关研究成果可进一步研究并应用于高烈度地震区、富水环境区、高温高寒区等具有典型致灾因子的隧道施工建设中,提升我国复杂地质环境下隧道建养水平。然而,研究成果尚未进行大量应用,缺乏施工经验与进一步效果论证,且随着后续西部艰险地区交通隧道全面建设,或将面临更多未知的、复杂的工程科学难题。因此,更加细致与深入地研究工作有必要进一步开展与推进,现有的研究思路和成果还需在后续工程应用中不断完善和细化。