欢迎来到中国矿山建设第一门户网站！
采用防水隔膜技术的新流体力学竖井衬砌层设计
J.威尔莱特1, J.海特利2, B.斯坦利3,哈勃4
（1 Tetra科技公司，温哥华，加拿大；2 沃尔公司，萨斯卡通，SK，加拿大； 3 蒂森矿业，美国科罗拉多州；4斯特林劳埃德，英格兰）
摘 要：在萨斯喀彻温省阿斯巴斯卡盆地参与研究了一个关于需要减少水的流入研究项目。设计方面对井筒渗流量（小于10立方米/小时）进行了限制，由于井筒穿过高渗透性地层，故有关井筒水渗流的控制措施必须纳入设计范围。对下沉和静压衬砌的设计方案来说，地面冻结法是最成熟和行之有效的方法。在探索可应用全静压衬砌的技术方案过程中，作者提供了一个可以满足所有设计要求并且具有更高的成本效益的设计方案。新型衬砌概念是用混凝土和喷涂复合材料的防水卷材来作为设计基础。包括实验室测试和现场实验都表明该设计可以被顺利实施。本文介绍的新型衬砌方法是为了给这类项目提供可适应性方案。新型衬砌概念在于传统衬砌方法相比时表明了在高性能静水矿井进行施工中新型衬砌可以节约更多成本。
New Waterproofing Technologies for Vertical Shaft Construction and Rehabilitation Sanders,
D. Chief Engineer, CONTECH Engineered Solutions LLC, West Chester, Ohio, USA
Abstract:
Shaft lining systems that utilize bolted panels generally achieve their watertight performance by compressing a gasket material between the flanges of each successive panel. The materials used as gaskets for these systems have traditionally been lead or neoprene rubber. As with all gasketed systems, the watertight integrity of the system is reliant upon maintaining compression within the gasket material to overcome the hydrostatic forces of the water trying to push through the joint.
While these systems have shown themselves to be effective, there are numerous cases where systems have initially provided watertight performance, but begin leaking over time. This loss of watertight performance is likely due to a loss of compression through the joint due to minor ground movements, thermal movements within the system of panels, vibrations or other sources of movement.
New systems are being developed that do not provide gaskets that rely solely on maintaining compression through the bolted seams in order to maintain their watertight performance. Instead, they provide sealing materials that fuse themselves together after the shaft liner is assembled. Therefore, after the system of panels is assembled, the seals between the two mating surfaces fuse together to become one continuous seal across the joint. The result is a seal that does not rely strictly upon the maintenance of compression through the joint in order to provide watertight performance. These seals have already demonstrated their performance at pressures up to 2,000 psi (13.8 MPa).
This paper will highlight some of the testing that has been performed to verify the effectiveness of these seals and summarize some of the future testing that has been planned for these innovative systems.
1. 介绍
近年来，加拿大的萨斯喀彻温省在钾矿和铀矿的开发项目上进行了很大的扩建。笔者也有幸参与了大部分这么些项目。这些矿井项目涉及了在深层高水流入的困难的地面情况下的下沉情况。通过地面冻结技术是对应解决这种下沉条件的最好方法，这些应用需要防水衬砌技术。井筒设计必须能承受高静水压力并且可以完全防水。在阿萨巴斯卡盆地的铀矿开采项目上，防水衬砌技术的收益相当高。笔者参与了一个在矿井改建项目上关于竖井设计的可行性研究。基本要求是建立一个水密型静水衬垫，要做到这一点，采取的方法和技术以及创新的方式都要接受严格的审查。审查中关于下沉方法和衬垫设计共有21种组合。一个有价值的工程研究需要对不同的选项进行比较，并拿出一个最终方案。开发一套标准的评估方案有来自六个客户端的项目工程师被安排来排列这些选项。通过这些分数进行计算加权因子，然后在每一个得分选项上进行使用。12个评价指标中，排名较高的依次是：成本，施工进度和衬砌结构的防水性能。在项目的开始，已经采取在下沉过程中运用地面冻结技术作为进水控制方法。
对过去几十年里萨斯喀彻温省有静水衬砌设计的结构进行了审查，发现加拿大现有钾矿竖井建造时间均已超过三十年。当时使用的静水衬砌设计大都是基于铸铁浇筑系统（兰德和布莱克，1969）。示例于图1。唯一例外的是Lannigsn矿井，它是基于钢筋混凝土技术建造的（斯托克，1968）。后者创新的使用焊接钢板作为防水隔膜成分。由于这两种技术在防水衬砌的设计中仍然非常有效，故沿用到如今。 然而耗时的安装和高成本材料费用以及大量的劳动量的需求导致了施工缓慢这一不利因素。 在加拿大，设计，生产规范以及制造与安装浇筑衬垫的知识是非常匮乏的。而且该复合衬板采用焊接钢板作为防水隔膜成分，能够使在单位材料用量上节约成本。在冻结矿井的条件下执行高精度高质量的焊接是非常的难度，此外，在这个高度上应用这种方法需要一个自上而下的装配顺序并需要更大的开挖直径。对这种方法的下沉率而言是非常缓慢的。除此之外，这种方法对复杂的几何图形适应能力非常有限。
图1 TMCC工程团队在2010年制作的井壁
笔者感兴趣的是探索新型材料和技术并拿出一个更具有成本效益且易于安装的衬砌设计。在防止水流动方面，具有内部防水膜的复合混凝土设计具有显著的优点，这设计对工程而言注定是非常有价值的。喷涂膜或片膜被认为是可用来代替传统的受到结构的几何形状以及自上而下施工顺序限制的焊接钢模。用新型膜是为了在膜技术上和施工顺序上具有更多的灵活性。同时，为了控制较低的成本，选择基于混凝土的衬砌作为最终的设计方案。通过设置隔膜以保证水无法到达混凝土衬砌，同时也解决了衬砌的潜在结构弱点，如冷缝或破解等问题。因此，便开发出把防水膜添加到传统的混凝土设计中组成新型的设计形式。
2.选择膜材料的新组合衬砌设计
2.1对这种应用，该膜所需的属性
快速安装最大限度减少对凿井周期的影响，
材料，设备和易于管理的安装程序，
运行在施工中严格的质量控制和膜的完整性检测，
可适应复杂的几何形状，
提供优良的抗裂桥接功能，
形成玉混凝土内衬材料稳定的粘接，
能够保证冷接缝操作失败的风险，
坚固耐用（50年或以上的寿命），
可承受高达80巴的静水压力。
在土木工程领域，防水膜广泛用于浅水竖井（在60米深处）和隧道。各种产品的调查显示，现有的技术可以被重组为两大类：表膜和喷涂膜。片膜被交付给定宽度和长度的辊必须上涨或固定到电梯井壁，然后胶合或融合以形成连续的膜祈祷起到防止水到达内部衬里的作用。除了一些特殊情况外，确保这些膜在500米以上的深井中的完整性。数千米的接缝需要无缺陷焊接。出现刺破或撕裂的情况在施工时有很高的潜在可能性。此外，处理复杂的几何形状是非常困难的。在隧道的实际施工中成功的表面了其满足低利率的设计要求。因此，在井壁设计过程中减少传统的片材膜材料的利用是非常有价值的。
以下特征是选择产品时的关键属性：
无缝膜
能快速且有效
快速固化
在操作或施工时能抵御高强度破坏
整体质量保证方案
在提供完整的证明应用之后进行电子测试
应用范围广，例如高湿度和低温条件下应用
设计寿命超过其保护的结构寿命
在井下实施点喷涂的该膜产品，能够提供最佳的解决方案。各种产品都被考虑后选择了竞争对手膜产品和来及斯特林劳埃德的Integritank@HF系统。
竞争对手膜产品是喷涂在喷浆水合水泥聚合物产物基础上的产品。这是一种单涂层粘性水泥产品。然而该产品通常仅额定至10巴的压力。设计寿命，以及裂缝桥接测试的结果表明其达到了最初的需求。但是，该产品在冻土条件进行凿井显示出的不足之处是：
安装条件至少在5°C 。
固化时间在5oC 需要四天，在此期间温度波动不能超过10oC, 否则性质较软很容易遭到破坏。
单个图层的应用使得它更容易出现孔点，这将对其性能产生不利影响。
未建立质量控制程序以保证膜的完整性。
掘进是的一些情况表明了其达不到理想的防水性能。
竞争对手膜产品在发生灵敏度固化过程中发生撞击损坏在凿井环境中不被看好而且固化时间长会严重影响到下沉周期。此外，在冻土条件下，应用面（喷浆初步衬垫）必须维持在温暖的温度下的最小24小时，甚至有可能长达四天。水合材料的问题在于水合速率是对环境温度非常敏感。这可能导致在冻结矿井中存在一个潜在的非常长的固化时间。
有没有一套行之有效的方法去确保或验证在施工期间本产品的完整性，这使得在质量控制方面此选项的缺乏。该产品在表面处理时施加喷浆基层没有被要求，那该产品的优点是显著的。
第二个选项，从斯特林劳埃德生产的Integritank@HF产品是一种三层系统产品。第一层底漆旨在限制从固化的混凝土产生有不利影响的气体对喷膜形成针孔。实际膜是有一种高分子材料形成的双层膜。虽然有不同的颜色颜料，但两层其实是相同的第一层是亮黄色而第二层是白色的。这种双层系统的原理是为了将丢失的点或图层的风险降到最低。第一层图层有缺失的时候将有第二层覆盖。这种颜色的安排是为了可以对涂层情况进行更高效的视觉检查。这种系统要求涂层仅一个小时就能完成固化，这对下沉循环时间有着显著优势。
该膜是无毒的，并提供了一个很高的燃点，这在受限制的区域是非常需要的。他们开发这个产品专门针对地下应用，如隧道防水，这种以丙烯酸树脂化学品为基础的产品，让化学修复起作用而不是水合物起作用，这导致治疗时间缩短为每一层应用程序为一个小时，而不是其他产品六到八个小时。此外，膜材料的水压试验水压力高达100巴，材料应用时间在下沉和衬砌周期中遇到的时间是很好的。相反，水合固化材料，如竞争对手的膜产品，Integritank®HF高频产品的放热化学固化使材料对环境温度变化不太敏感。
该integritank®HF产品最吸引人的特点是质量控制程序。这个制造商有一个简单的操作技术以在应用之后验证该膜的完整性，从而允许在结构完成之前检测出其缺陷。那么它就有可能在工作中检测并修复任何缺陷。该膜提供了防水系统所有理想的特性，无缝，裂纹桥接，复合效应和快速安装（Harper，2011）。它具有很强的抗冲击和摩擦，在这一膜前完成的混凝土衬砌时，有明显的优势。在低于冰点的温度下（零下10摄氏度），成功地进行了裂纹桥接试验，这是一个有趣的属性，在冻结的地面技术可以使用。材料与混凝土相容且依附于混凝土，同时混凝土也连接着它组成一个真实的复合材料层合板。混凝土膜的粘结强度是可比的拉伸混凝土强度。膜材料和钢结构的连接非常牢固，同时，它也允许管道或其他结构处的细节工作。
本产品所有的弱点如下：
在设备表面需要10摄氏度，
应用面必须是相对平稳，浮动的喷射混凝土或使用的渲染产品由供应商提供，
在设备表面需要10摄氏度应用面必须是相对平稳，浮动的喷射混凝土或使用的渲染产品由供应商提供，低温条件是一个问题，因为大多数情况下，高强度静压轴衬垫是必的，地面冻结也被使用。例如，在萨斯喀彻温省钾盐矿就是一个很好的例子。作者提出了一个工作假设：用喷射混凝土层，不只是为创建一个适当的平滑表面，但提供所需的温暖的温度表面的时间喷涂和固化三膜涂层所需的时间。喷射混凝土的水化热材料将保持合适的表面温度。虽然一些冻土喷实验记录在文献中，没有信息发现提供温度曲线随着时间的推移这样的条件。因此，作者通过对低温问题的研究一个概念测试程序2011由TMCC和Cameco公司完成中试规模的证明（崴尔莱特电器，2011）。试验结果表明，该膜系统和适当的喷射混凝土配合，可以在冻结轴条件下使用。使用喷射混凝土作为基材在冷冻表上成功地完成，证明了该方法的有效性。下图2说明了数据样本温度分布随时间的移，这是在这2010个概念验证测试期间获得的。这些没有该膜的应用程序（第一阶段），喷射混凝土温度曲线。对喷射混凝土的岩芯样品进行了室内试验，确定其抗压强度。样品的抗压强度范围从40到75兆帕。这些测试表明，质量在固化的喷射混凝土，即使在被应用和固化在一个冷冻表面上都是优秀的。
对防水膜的结构和性能必须进行仔细的研究。为了这样做我们必须依靠供应商的实际经验。在这些考虑的情景下，我们研究了在膜结构中所涉及的每一个操作的时间和顺序。项目被认为是一个轴的直径完成了7.5米，使用跳跃形式，每6米循环，然后涉及防水6米段的竖井。这一周期时间研究的果表明完整的膜系统的应用和测试在一个六小时窗口是可以实现的，测试的要求是要提供一个至少维持六小时时间的可以保持温度高于10 Cº的表面。
必须设计和建造一个专门的测试系统，以产生喷射混凝土试验的冻结表面。然后执行测试程序，以证明概念的正确性。由于时间和预算的限制，测试矩阵必须是有限的几个选项。进行了试验，喷射混凝土混合超过三不同的面板厚度（75毫米，100毫米和150毫米）。第一阶段的测试是针对专门在获得各种喷射混凝土组合（混合/厚度）的温度分布没有任何膜的应用。图2说明了这第一阶段的测试结果。150mm的样品至少需要6个小时的时间窗口才能实现。
图2 冻结岩石上喷浆混凝土的温度示意图（奥乐提，2011）
该测试程序主要涉及了两种不同的混凝土混合物，三种不同的厚度以及加速剂的不同用剂量。测试结果表明，在没有膜的情况下，目标物的表面温度（ 10℃）能够保持在：
75mm的产物可以保持3小时
100mm的产物可以保持5小时
150mm的产物可以保持6.5小时
第二相的测试结果一直是在150mm厚度的嵌板和表面温度至少能够保持6个小时的条件下重复进行的。但是这一次，我们将防水膜应用到嵌板上，这样就可能减少了热量损失而使温度急剧上升以来达到保温效果。在使用第一个膜被时，我们可以看到喷浆混凝土明显有了一个的温度急剧上升现象（黄色层）。实验结果表明，在一个冰冷的转动条件下，表面温度可以在一个合适的位置保持20个小时。仔细分析实验可知，仅用混凝物作为实验对象得到的表面温度可以维持6小时的实验结果来作为提高和维持底衬内部散发热量的Integritank HF是远远不够的。因此，它极有可能实现延长75mm嵌板上表面温度的维持时间，也就是延长至3个小时以上。最短维持时间就能够应用到第一层和底涂层上。这也暗示着实验要求的喷浆混凝土的厚度可以加降至75mm。但是我们还需要进一步的研究来证明这一点。
假设喷浆混凝土的表面是光滑的，我们通过使用混合凝土内的细聚集体的方式测试表明：膜可以在没有流动喷浆混凝土的条件下成功喷涂到表面上。
这也降低了额外添加一个层到正常喷涂的双膜被（黄和白）系统的费用。膜产品供应商正在考虑研发一种能够代替流动喷浆混凝土的填充/密封产品。这种技术一旦被成熟应用，它将会大大提高使用效率。他们也研发了一种能够在低于10℃的温度条件代替底涂层使用的产品。在干燥和潮湿条件下，该产品可以分别应用在0℃和 5℃的环境中。这个主要解决了测试工序中原始涂层里的水基组分的难题。尽管Stirling Lloyd已经研发出了一种能够在零下温度条件下使用的膜产品，，但是它的特点（闪点，烟雾）并不适合于地下的作业。我们需要研发出一种既能满足地下作业要求，禁得住低温冷冻，在冻土条件下膜系统灵活性又高的多样化产品。
图3 冻结岩石上带膜喷浆混凝土的温度示意图（奥乐提，2011）
分析这两种产品的优缺点我们可以得出结论：Integritank® HF产品为这种应用带来了更多的可能性。包括膜应用时间测试在内的整套质量保证程序都是我们最后的重要选项。在凿井作业中，材料的高耐久性是禁得住严酷条件的重要保证。
3.新的复合膜设计
为了使不规则的岩石表面光滑，喷浆混凝土膜材料也需要地基。假如遇到冻地情况，喷浆混凝土必须有两大作用。第一个作用是能够产生一个适合膜喷涂的应用面。第二个作用是能够产生足够量的热量来平衡冰冷岩墙的低温，以及在特殊时期为创造膜维持一个合适的表面温度。
喷涂膜层能够起到防水的作用，就像焊接钢膜在经典的复合衬垫的设计一样。在设计中，需要考虑衬垫受到的载荷。喷浆混泥土衬垫并不被认为是结构部件耐静水压力的主要原因。设计者必须假设水能够通过喷射混凝土层达到并直接与膜层作用。因此内部混凝土衬垫必须保持完整的液压加载设计。作用于衬垫上的总负载包括地面加载。对于这部分载荷，在计算中可以考虑喷浆混凝土。但是根据地面的情况，这部分载荷主要来自于静水压头。
图4 喷涂膜复合衬垫概念
图4是复合衬垫设计的原理图。在此例中，考虑一个简单的静水混凝土衬垫。实际上最后液压衬垫并没有必要是简单的混凝土。根据高压力的需求，可以考虑各种组合。可以添加内部螺栓钢组件使得衬垫的整体厚度较小。新膜层可以结合任何类型的组合设计。喷在膜在施工过程中的一个极端的灵活性体现在能够很容易改变直径和衬垫厚度。
通过工程实验的数据，对于矿井项目研究，对构建一个液压衬垫与井壁衬垫、传统复合钢/混凝土衬垫和这里提出的新设计的成本进行了比较。这个实验表明，对于同样的矿井，本文提出的衬垫设计方法的总花费比井壁施工的总花费节省了45%. 并且，该方法的施工工期比传统的井壁施工或者复合钢结构。以上均为一个7.5米半径、721米深的矿井的实验结果。但是只有上面491米的衬垫需为水静力的。
4.结论
作者在土木工程隧道行业结合最新的技术提出了一种新的复合衬垫概念设计。充分的测试表明，在静水压力方面,设计寿命和裂纹桥接功能方面，喷洒膜层能够满足深矿衬垫需求。本文新概念设计提供了更有利的替代以前依赖铸铁或焊接钢组件的技术。在大多数情况下（需要完全静水轴衬垫），地面冻结用于下沉。地面基础设施防水喷洒产品适用于冰点以下的环境，但是它们目前的配方不合用于地下环境。目前适用于地下工作环境的产品施加了温度约束以取得成功的应用。
作者通过本文描述的实验工作，设计了一个使现有的膜层产品适用于冻土条件的系统。结果表明，通过在冷冻墙挖掘上应用喷射混凝土层，可以得到适当的温度环境。对超过最低时间需求的一段时窗，特殊配方喷射混凝土的水化阶段产生足够的热量来维持所需温度。通过观察发现，Integritank® HF第一层的应用为混凝土提供了隔绝的作用，并且维持所需的衬底温度超过20小时。
最重要的结论是所提的衬垫设计能够产生很好的节约成本效益。当和传统的焊接钢复合设计或铸铁井壁设计相比较时，喷洒膜方法的凿井速度快了两倍还要多。如果利用本文所述的方法凿井，成本会大大降低。喷洒膜系统比井壁衬垫系统和传统的焊接钢复合衬垫便宜很多。从材料基础方面来比，喷洒膜系统的便宜程度达到了一个数量级以上。
Stirling Lloyd已经设计了一种新的primer，可以应用在0 ºC以下，且比Integritank® HF应用的温度范围更广。以后的重点工作放在把原始配方和一种填充材料相结合，以减少所需要的材料和膜的应用时间。目前在隧道工程中，比较适用的做法是喷射混凝土的表面或者在表面再应用一层渲染层。这样就使得表面做够的光滑，以生成喷洒膜。结合primer与渲染填料能够改善下沉过程中周期时间。
参考文献：
[1]EDDIE, C., HARPER, M. & PSOMAS, S., 2010. Sustainable tunnel linings – Asset protection that will not cost the Earth. Proceedings of the North American Tunnelling Congress 2010.
[2]HARPER, M., 2011. Sprayed Waterproofing Membranes – The Future. 6 th International Symposium on Use of Wet-Mix Sprayed Concrete for Underground Support. September 2011, Tromso, Norway, p 176-189.
[3]KELLAND, J. D.; BLACK, J. C. 1969. Cominco’s Saskatchewan Shafts. 9 th Commonwealth Mining and Metallurgical Congress. Mining and Petroleum Technology Section, pp. 8721-8741.
[4]OUELLET, J., 2011. Field Testing Procedures and Results for the Membrane Composite Liner System.Technical report produced by TMCC technical services for Cameco Corporation, 83p.
[5]STORCK, U. 1968. First Use of the Double Steel and Concrete Sandwich Lining for Keeping High-Pressure Water out of Potash Shaft. CIM Bulletin, pp 1305-1312.
您当前所在位置：