Хидроизолация на тунели

При почти всички подземни съоръжения трябва да се решава проблемът с подземните води. По време на строителството водният приток трябва да бъде управляван, а конструкциите, предназначени за постоянна дълговременна експлоатация, може да се наложи да бъдат изпълнени водоплътни или с контролирана пропускливост. Притокът на подземни води оказва сериозно неблагоприятно въздействие на конструкциите, и затова се търсят решения за ограничаване на ефекта от него още в периода на проучвателните работи на строителната площадка.
Водният цикъл включва изпарение на повърхностни води, разпространение от ветровете и валежи. Една част от падналите количества валежи се влива в потоци и реки, друга част се изпарява веднага или през порите на растенията, и една част се инфилтрира и попълва запасите от подземни води. Тунелът би се превърнал в тресавище, ако не е подходящо хидроизолиран.

Много често прокопаваните отвори нарушават естествения режим на подземните води, започват да приемат водния приток и постепенно понижават нивото на водата или редуцират капилярния натиск във водоносния хоризонт, докато се установи ново равновесие. При този процес може да се получи отклонение на водните потоци от техните естествени направления. Преминаващите количества вода и водният натиск са от много голямо значение за конструкцията на тунела в дълговременен аспект. Ще оставим изчисленията на воден натиск на инженерите-конструктори; ще оставим настрана, засега, въпроса за горещи подземни води. Възможно ли е изобщо да се намерят начини и материали за справяне с просмукващата се вода, обикновената безнапорна подземна вода, която винаги успява да си пробие път? А пътят минава или през фугите, или през самия материал, изграждащ стените на тунела.

Видове фуги при тунелите
Фугите в строителните конструкции се делят най-общо на фуги, поемащи движения, и свързващи фуги. При тунелите много специфични и много трудни за обработка са точно фугите, осигуряващи взаимни премествания на отделните елементи. Това са т.н. „работещи фуги”. Те са няколко разновидности. Дилатационната фуга трябва да осигури възможности за движение в различни направления при отделните конструктивни секции. Експанзионната фуга осигурява движение в посока, успоредна на оста на тунела. Фугата, поемаща слягания, осигурява движение в посока, перпендикулярна на направлението на оста.

„Специалните фуги” също се причисляват към фугите за поемане на движения. Те са фиктивни – които предопределят линиите на напукване, натискови -които предават натискови напрежения, и компенсаторни -за намаляване движението, например при съсъхване.

Конструкцията на фугите, поемащи движения, без значение дали са предназначени за сеизмични, температурни или други деформации, се проектира така, че да осигурява изискващата се степен на водоплътност на облицовката. На колкото повече движения е подложена една фуга, толкова по-високо трябва да е качеството на хидроизолационния материал.

Принципи за уплътнение на фугите при тунели
За изолиране на фугите срещу проникването на вода се прилагат уплътнителни ленти или еластични състави, които отговарят на изискванията за дълготрайност и експлоатационна годност, и които са способни да поемат въздействията под формата на деформации и налягане, на които ще бъдат подложени. Използват се и набъбващи уплътнители, инжектиране, комбинация на изброените начини, но винаги се търси съвместимост с хидроизолацията на тунелната облицовка.

При изпълнение на тунели по щитов метод много често се използват предварително заготвени елементи от стоманобетон. Заготовката на краищата на отделните секции може да е с различна конфигурация, за осигуряване на по-ефективна хидроизолация. Фугата между две съседни секции може да бъде „челна” -т.е. оформена от две гладки повърхности; „шарнирна” - едната секция е с оформен дъговиден завършек на стената, с изпъкнала дъга, а съседната секция е с вдлъбната дъга, така че да пасне плътно на предходната секция; „полу-шарнирна”, „двойно изпъкнала”, сглобка тип „език – жлеб” и др. При всички случаи елементите на сглобяемите облицовки се проектират с приспособления за водоуплътняване на монтажните им фуги и с отвори за инжектиране на пространството зад тях.

Когато са под нивото на подпочвените води, фугите при снажданията на отделните секции се сглобяват със специални уплътнения, за да се осигури водонепропускливост. Изпълнението е трудоемко и скъпо, и най-общо включва два типа уплътнения, разположени по двете повърхности на съседните секции. Единият уплътнител е специален, под защитата на бетоново покритие; срещулежащото уплътнение е свободно положено, запълващо наличен жлеб, който е оформен от геометрията на фугата.

При фуги над водното ниво, уплътненията се изпълняват свободно положени, запълващи наличните жлебове, последвани от излят на място бетон върху тях. Ако е необходимо, преди бетона се поставя водоустойчива мембрана.

Материали за уплътняване на фуги
Материалите, които се използват за обработката на фугите, могат да бъдат на полиуретанова основа под формата на пастообразен пълнител, хайпалонови ленти и др. Много важно е уплънението на фугата да съответства на типа фуга. Например изолационните материали за експанзионни фуги трябва винаги да съдържат еластични компоненти, и материалите да възвръщат своята първоначална форма, след като са били деформирани.

Широко използван материал за запълване на фуги е пастата на полиуретанова основа, която е еднокомпонентен уплътнител с отлични хидроизолационни и адхезивни качества. Втвърдява се с влажността на въздуха. Друг материал, подходящ и за вертикални, и за хоризонтални фуги, е двукомпонентната еластична стабилна изолация на полисулфидна основа. Тя представлява гъста кремообразна субстанция, която, след пълното ù втвърдяване, се превръща в еластична гумоподобна изолация с отлични показатели към механични въздействия и висока устойчивост срещу вода, солени разтвори, бензинови и минерални масла, гниене и прорастване на корени.

Една висококачествена система за уплътнение на конструктивни, дилатационни и монтажни фуги и пукнатини е комбинацията от гъвкава хайпалонова уплътнителна лента и епоксидно лепило. След поставяне върху фугата тази хидроизолираща система позволява неравномерни движения в повече от една посока, като запазва уплътнителните си качества. Ако фугите са изложени на водно налягане, се препоръчва лентите в зоната на фугата да се подсигурят с твърда пяна или фугоуплътнител. При излагане на отрицателно водно налягане, хайпалоновите ленти трябва да се подсигурят с метални плочи, фиксирани само от едната страна на фугата.

Друг вариант за уплътнение на фуги, при изпълнение на тунел с бетониране на място, е инжектирането чрез предварително вграждане на инжекционни маркучи, които се монтират в арматурата, в средата на работната фуга, като бетоновите повърхности трябва да бъдат възможно най-гладки и почистени от замърсявания. Маркучите се фиксират със закрепващи скоби така, че навсякъде да бъде осигурен контакт с бетона. Самият маркуч не трябва да достига външните ръбове на бетона. Инжекционният маркуч се отвежда навън само чрез неперфорираните краища за инжектиране и обезвъздушаване. Началото на инжекционните работи в голяма степен зависи от граничните условия - количество на наличната вода, порьозност и достъп до строителната конструкция. Уплътнителните дейности могат да започнат най-рано 2-4 седмици след бетонирането, когато процесът на свиване на бетона и първоначалното набиране на якост са завършили. При инжектиране вкарваният материал изтича през отворите на инжекционния канал и запълва работната фуга. Много добър материал е водореактивната полиуретанова инжекционна смола, която не съдържа разтворители. Подходяща е за употреба като инжекционна пяна при пукнатини, както и като еластична плътна смола за трайна изолация, именно чрез нагнетяване в конструктивни фути през инжекционен маркуч. С вграждането на инжекционните маркучи и използването на подходящи за целта смоли се постига просто, сигурно и изключително икономично от финансова гледна точка уплътняване на работните фуги.

Waterstop-ленти
Съществува и вариант за уплътнение на фуги с предварително изготвени и заложени фугоуплътняващи ленти, познати като waterstop-ленти. Това са метални или неметални изделия, предназначени да възпрепятстват пропускането на вода през фугата, и се използват предимно при монолитно изпълнен стоманобетон. Лентите се залагат в кофража преди бетонирането.

Металните ленти обикновено са плоски, но при специални случаи формата на напречното сечение може да бъде и друга - например “Z” или „М”. Оловото и бронзът са много дуктилни, и това дава възможност за огъване на лентата в различна форма. Неръждаемата стомана и медта са устойчиви на корозия. Когато се използва стомана, тя трябва да е с дебелина мин.0,925mm и да бъде защитена срещу корозия, като се подбира нисковъглеродна сплав, обогатена с титан или колумбий. Това е за улеснение на заваръчните работи и за осигуряване на корозоустойчивост след заваръчни работи. Металните водоспиращи ленти се изпълняват по конкретна спецификация, само когато са необходими за изпълнение на индивидуално съоръжение.

Неметалните водоспиращи ленти се изпълняват от бутилкаучук, неопрен, поливинил хлорид, бутадиен каучук, и са с така проектирани напречни сечения, че да бъде осигурено механично взаимодействие между лентата и бетона. Каучуковите ленти притежават висока еластичност и разтегаемост, устойчивост към вода и към голям брой химически вещества, и бързо възвръщат първоначалната си форма. Поливинилхлоридните ленти не са толкова еластични, по-бавно възвръщат първоначалната си форма и са по-уязвими на масла и някои други химикали, но си остават най-широко използваните “waterstop” ленти.

Неметалните ленти се произвеждат с много видове напречни сечения – плоско, с няколко реда оребряване; като гира, с плътни закръгления в двата срещуположни края; с централно кухо ядро, което позволява деформации в три направления, и оребрени краища; и много други. Повечето неметални ленти се произвеждат по стандарт и се избират за конкретния случай според техните технически характеристики. Само за специални съоръжения се изработват нестандартни ленти с уникално напречно сечение.

Уплътнения за натискови фуги
За да се избегне измятане на напречното сечение, натисковата фуга изисква своеобразен „тампон”, който да поема натиска от съседните секции на съоръжението, да е еластичен, да възвръща бързо формата си, да е устойчив на въздейстия от химикали и да осигурява водоплътност на съединението. По принцип този вид уплътнение е с напречно сечение, оформено във вид на клетки. Лентата се вкарва във фугата, и отстрани може да се запечати, за да се предотврати проникване на вода, пясък и др. Използваните материали се получават след екструдиране и вулканизация на неопрен и полихлоропрен каучук и полиуретан. Основните изисквания към заводски изготвените уплътнители за натискови фуги са: деформируемост, възвръщане на формата, контакт с бетоновите елементи във всеки момент от експоатацията, устойчивост на вода, химикали, ниски температури. Използват се предимно при структури, подложени на ниско водно налягане.

Изолация на стените на тунела – нормативни постановки и изисквания
Пътните тунели се защитават от повърхностни и подземни води комплексно, чрез повърхностно отводняване на терена над тунела, дрениране на масива около тунела, уплътняване на масива около тунела с цел повишаване на неговата водонепропускливост, проектиране на водонепропусклива облицовка и др. Тук ще се спрем само на хидроизолацията.

Концепцията за хидроизолиране на пътните тунели се изработва съобразно всеки конкретен случай, но от голямо значение са видът на тунелната конструкция и изискванията за хидроизолация. Класовете на хидроизолиране са четири – напълно суха повърхност, суха - до леко влажна повърхност, влажна и влажна - до мокра повърхност. Тунелните участъци, които през зимата замръзват, се допуска да бъдат навлажнени. Тунелните участъци, които през зимата не замръзват, се допуска да бъдат влажни. Мокри участъци в пътните тунели не се допускат.

Хидроизолационните системи са два основни типа – отворени и затворени. При отворените, или дренирани системи, проникналите от масива подземни води преминават през дренажен слой безнапорно и се поемат от надлъжни дренажни тръби; хидроизолация се изпълнява или частично, по свода, или се прави пълно хидроизолиране на тунелния профил. При затворените, или недренирани водонепропускливи системи, проникналите от масива и достигнали до хидроизолацията подземни води не се дренират; хидроизолационната система се предвижда за предотвратяване проникването на вода под напор към вътрешното пространство на тунела; хидроизолацията се проектира затворена, по целия периметър на тунелния профил.

Още в процеса на строителството облицовката се предвижда така, че да предотвратява проникването на подземни води в тунела. Еднопластовата допълва временното укрепване, с изключение на случаите на единични сегменти. При двупластовата облицовка между укрепващата конструкция (първичната облицовка) и вътрешния пласт (вторичната облицовка) не е гарантирана фрикционна връзка, а двете облицовки се разделят чрез междинен слой - хидроизолационна мембрана, дренажен слой. Ето защо еднопластови облицовки се прилагат като предпазни, изравнителни или носещи при тунели в сух или слабооводнен терен, а двупластови облицовки се прилагат при оводнен масив, изискващ специална хидроизолация, която се полага между пластовете. Тунелните облицовки се проектират от монолитен бетон или стоманобетон, неармиран или армиран пръскан бетон със или без анкери, неармиран или армиран пръскан бетон без или със стоманени рамки или ферми, сглобяеми бетонни, стоманобетонни или стоманени елементи (тюбинги) и др. За да осигури защита от влагата, пръсканият бетон трябва да се изпълнява непрекъснат, без пукнатини, армиран със стоманени мрежи или фибри. При тунелите, изпълнявани със сегменти, много често се прилага вътрешен слой от излят на място бетон.

За тунелни участъци в оводнен скален или земен масив, когато не е възможно дрениране на подземните води, се проектират облицовки от водоплътен бетон или облицовки със затворена хидроизолация. Да се има пред вид, че хидроизолиране на пътни тунели чрез водоплътен бетон се допуска при максимален воден напор върху облицовката до 10m, неагресивни подземни води и липса на водни течове по време на бетонирането.

Хидроизолирането на пътни тунели чрез специална хидроизолация се осъществява посредством подходящи водоплътни покрития, положени към външната или вътрешната страна на облицовката, при еднопластова облицовка, или между двата пласта - при двупластова облицовка. При прилагане на специална хидроизолация обикновено се използват един или два уплътнителни слоя в конструкцията на хидроизолационната система. При отворения тип хидроизолация системата се състои от водонепропусклив слой (мембрана) и покриващ слой, който дренира, но и защитава от повреди водонепропускливата част на системата. Затворената хидроизолационна система трябва да включва водонепропусклив слой, мерки и/или елементи за осигуряване на последващо уплътняване на мембраната и предпазен слой.

Материали за площна хидроизолация
За площна хидроизолация се прилагат листови и пръскани хидроизолационни мембрани. Дебелината им се определя от конкретните условия и изисквания, но не може да е по-малка от 3mm за пръскани мембрани и 2mm за всеки слой - за листови мембрани.

При условие, че външните повърхности на подземното съоръжение са достъпни за полагането на хидроизолациите, могат да се прилагат различни варианти.

Например най-долният пласт се изпълнява от циментова замазка, която изравнява грапавините на конструктивните части и създава необходимите наклони. При необходимост от по-голяма дебелина този пласт може да се изпълни на два етапа - долен слой от бетон, и замазка отгоре. Изравнителният пласт замазка може изцяло да отпадне за монолитни конструкции, при които оформянето на горната повърхност се извършва със специални машини. Над замазката е хидроизолационният пласт. Той се изпълнява обикновено от листови (мембранни, рулонни) материали – битумни или битумно-полимерни мушами и полимерно фолио, и по-рядко от мазани (течни) материали. Полимерното фолио се полага между два слоя битумна мушама или геотекстил. Фолиото може да бъде от полиизобутилен, поливинилхлорид, полиетилен, полипропилен и др. Отгоре се полага предпазен пласт, който не допуска механично увреждане на хидроизолацията по време на засипване на съоръжението. Този пласт може да се изпълни като армирана циментова замазка с дебелина 4,00cm.

Понастоящем много фирми, специализирани в производството и изпълнението на хидроизолации, предлагат предпазни пластове от фабрични материали, представляващи награпавени листове от изкуствена материя, HDPE, чиито краища с оформени издатини могат да се “закопчават”. Макар че тези мембрани имат и хидроизолиращи функции, за подземните съоръжения се препоръчва те да дублират основната листова хидроизолация, и да се изпълняват като неин горен пласт. Друга възможност е използването на материал от два слоя – релефен лист и геотекстил, който при монтирането остава отгоре и има дренираща функция.

Прилага се и вариант за хидроизолация по стените и свода, респективно тавана, от вътрешен пласт хидроизолационна PVC или LDPE мембрана с дебелина 2mm и външен пласт от защитен геотекстил с минимална плътност 500g/m2. С дадените примери не се изчерпват всички възможности. На пазара се предлагат нови и все по-подходящи материали за оформяне на горния слой на хидроизолациите и за защитата им.

Ако подземните съоръжения се изпълняват по метод, при който не може да се изолират външните повърхности на стената, трябва да се търси изолирането по вътрешната є повърхност.

Една възможност е стените да се обработят с материал, който прониква навътре, запълва капилярите на бетонното тяло и чрез химическите съставки образува неразтворими кристални съединения. Кристализиращата хидроизолационна технология работи вътре в бетонната основа, като активира реакция между циментовите частици и влагата, увеличавайки естествените свойства на бетона. Осигурява се постоянна хидроизолация и водоплътност на бетона. Нещо повече - свойството да се активира тази реакция се запазва, т.е. при всяка бъдеща поява на вода или влага процесът ще се задейства отново и ще спре проникването на водата. Тези материали са налични на пазара, и се предлагат от различни производители.

Друга възможност за изолиране отвътре е, когато от вътрешната страна на конструкцията на тунела се поставя хидроизолационен пласт, а после следва дрениращ пласт, като отвежданата вода се събира в дренажи. Тези пластове могат да се покрият със защитна облицовка. Още едно решение - с армировъчна мрежа, върху която се изпълнява пръскан бетон или торкрет. При вътрешно разположена хидроизолация трябва да има предвид, че бетонната или стоманобетонната конструкция е изложена на влиянието на почвените води. Меките води, а също и водите, в които са разтворени вещества, агресивни към бетона, могат да го увредят. В такива случаи към състава и качествата на бетона трябва да се предявят специални изисквания.

Много интересни са предварително хидратираните високоплътни бентонитови мембрани. Продуктът се получава в заводски условия от обогатен с вода бентонит и специални добавки. Извършва се ламиниране с различен вид геотекстилна тъкан или полиетиленово фолио, като по този начин се получават няколко типа геомембрани, подходящи за различни приложения и условия. Предварително хидратираният бентонит изпълнява хидроизолационни функции, а геотекстилът или фолиото защитават мембраната от механични повреди при транспорт, съхранение и монтаж.