CC BY
251
- © М.Н. Шуплик, 2014
УЛК 622.25/26(075.8)
М.Н. Шуплик
АНАЛИЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ СПОСОБОВ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ
Рассмотрены особенности строительства подземных сооружений в сложных гидрогеологических условиях плотной городской застройки. Проанализированы способы строительства с помощью ограждающих крепей, с применением водопонижения, искусственного замораживания грунтов, струйной цементации, а также с помощью предварительного тампонирования грунтов. Для каждого из рассмотренных способов показаны области их эффективного применении и перспективы использования в городском подземном строительстве. Ключевые слова: строительство подземных сооружений, ограждающие крепи, водопонижение, искусственное замораживание грунтов, струйная цементация, тампонирование грунтов.
Быстрое развитие современных городов, непрерывный рост численности их населения и занимаемых территорий, а также высокие темпы социального и научно-технического прогресса остро ставят вопрос о планомерном, эффективном освоении подземного пространства крупнейших городов и размещения в этом пространстве объектов самого различного назначения. Как показывают исследования, только в ближайшие пять лет в подземном пространстве крупных городов предстоит построить свыше 600 км тоннелей различного назначения, более 200 объектов социального и культурно-бытового назначения, а также другие подземные сооружения, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность городов.
Одобренная Правительством Москвы Концепция комплексного социально-экономического развития Москвы до 2015 года, в основу которой положено экономическое и социальное развитие региона как единого комплекса, предусматривает рост производительности труда в производственной сфере в 2,5-3 раза» Ее планируется примерно на две трети обеспечить за счет повышения технического уровня, на одну треть — за счет совершенствования организации
523
труда и производства. Намечено широкое применение современных технологий, гибких автоматизированных систем и робототехники, углубление специализации и развития межотраслевых производств. Внедрение научно-технических разработок призвано существенно снизить энергоемкость и материалоемкость производства, в 3-4 раза сократить сроки создания и освоения новой техники и технологии.
Следует особо подчеркнуть, что освоение подземного пространства будет осуществляться при повышенном внимании к вопросам экологии, экономии водных и энергетических ресурсов, при этом будет проводиться жесткая ресурсосберегающая политика.
Выбор способа и технологии производства работ при строительстве городских подземных сооружений во многом зависит от целого комплекса взаимоувязанных друг с другом факторов. Наибольшее значение имеет глубина заложения сооружения. Так, при строительстве коммунальных тоннелей на глубине, превышающей 6-7 м, с экономической точки зрения целесообразно переходить на закрытые способы проходки с применением проходческих щитов. Вместе с тем, с увеличением глубины резко увеличивается вероятность проходки в неблагоприятных гидрогеологических условиях. Для примера ниже приведены осредненные результаты анализа гидрогеологических условий для г. Москвы, из которой видно, что, начиная с глубин 20 м, строительство подземных объектов ведется, как правило, в обводненных грунтах.
Глуби- Неустойчивые грунты (песчаные), % Устойчивые грунты (глинистые), %
обводненные необводненные обводненные необводненные
5 6 60 3 31
10 28 28,25 20 23,75
15 52,5 14,5 20,25 6,75
20 61,37 3,29 33,6 1,8
25 55 - 45
Анализируя гидрогеологические условия подземного строительства в других крупных городах России, можно констатировать, что примерно в 20% случаев подземные сооружения строятся или будут строиться в сложных горно-геологических условиях, характеризующимися неустойчивыми грунтами с низкими коэффициентами фильтрации нередко с напорными подземными водами.
524
В г. Москве такие условия составляют примерно 24% общего объема подземного строительства. В этих условиях при строительстве подземных сооружений требуется применение специальных способов производства работ.
В последние годы в связи с интенсивным внедрением современных щитов и микрощитовых комплексов, строители всё чаще стали говорить о том, что с их внедрением роль и значение специальных способов в городском подземном строительстве не так остро стоит, как это было прежде. Действительно, за последние 10 лет в практику строительства тоннелей самого различного назначения внедрены щиты с гидро- и грунтопригрузом, микрощитовые комплексы, продавливающие установки, с помощью которых можно построить подземные объекты в самых сложных гидрогеологических условиях с напором воды до 40 м. Всё это так. Но использование современных щитовых комплексов требует выполнения большого объёма подготовительных работ по строительству стволов, камер, технологических отходов, выполнить которые без применения специальных способов практически невозможно. Так с применением современных щитовых комплексов можно строить тоннели со скоростью 70-200 метров в месяц. Но за счёт подготовительно-заключителных операций по проходке скоростные преимущества таких комплексов теряются особенно если тоннели имеют малую протяженность, что, кстати, характерно для городского подземного строительства, где длина коммунальных тоннелей от монтажных до демонтажных камер колеблется от 30 до 150 метров.
Очень часто возникают проблемы, связанные с проходкой сбоек между тоннелями при строительстве транспортных тоннелей. Сами тоннели проходят без особых проблем с достаточно большими скоростями, а время затраченное на проходку сбоек в сложных гидрогеологических условиях иногда превышает время проходки сами тоннелей.
Остановимся на анализе наиболее применяемых специальных способах в городском подземном строительстве. Следует оговорить, что под специальным способом строительства подразумевается выполнение дополнительного комплекса мероприятий, воздействий, которые осуществляют заблаговременно до начала горнопроходческих работ в несвязных, слабоустойчивых водоносных грунтах или в крепких трещиноватых и водоносных породах. Такие мероприятия,
525
позволяют создать безопасные, комфортные условия для выемки породы и возведения временной или постоянной крепи без нарушения целостности окружающего массива и воздействия на подземные коммуникации, попадающие в зону строительства.
В зависимости от характера воздействия на водоносные породы, времени действия мероприятий, а также типа оборудования, применяемого для выполнения работ, специальные способы в городском подземном строительстве могу быть разделены на три группы, предусматривающие:
применение временных или постоянных ограждающих крепей без изменения физико-механических свойств вмещающих пород;
временное изменение физико-механических свойств горных пород на период выполнения работ по строительству подземного сооружения
закрепление горных пород на период строительства и эксплуатации подземного сооружения.
Рассмотрим их более подробно.
Специальные способы строительства городских подземных сооружений с применение временных или постоянных ограждающих крепей без изменения физико-механических свойств вмещающих пород.
При применении специальных способов первой группы до начала горно-строительных работ по контуру будущего подземного сооружения возводят ограждающую крепь, под защитой которой в дальнейшем осуществляют выемку грунта, а иногда и возведение постоянной крепи.
В зависимости от материала и конструкции ограждающие крепи могут выполняться: из отдельных элементов-шпунтин, погружаемых в грунт на расчётную глубину (шпунтовое ограждение); из замкнутых монолитных или сборных оболочек, выполненных из материала, обладающего достаточной прочностью, погружаются под действием собственного веса по мере разработки грунта внутри оболочки (опускные крепи); из монолитного или сборного железобетона в узких траншеях, отрываемых по периметру подземного сооружения на всю его глубину, как правило, до водоупора (стена в грунте).
Из перечисленных специальных способов первой группы наибольшее применение в практике городского строительства находит способ стена в грунте в различных технологических исполнениях.
526
Строительство подземных сооружений способом стена в грунте заключается в том, что вначале по контуру на всю глубину заложения сооружения в грунте отрывают траншею шириной 0,4-1,5 м. Для удержания стенок от обрушения траншею по мере выемки из неё грунта заполняют высокотиксотропным глинистым раствором. Тиксотропный глинистый раствор, имея низкую вязкость и высокую глинизирующую способность, проникает в грунт и кольмотирует стенки траншеи, образуя на их поверхности тонкую (0,5-30 мм) и достаточно плотную и прочную корку. Наличие такой глинистой корки предотвращает избыточную фильтрацию глинистого раствора в грунтовый массив и удерживает от обрушения стенки траншеи. Глинистая корка является также своеобразным экраном, обеспечивающим передачу на грунт статического и динамического давления глинистого раствора. Для устойчивости траншейных стенок необходимо, чтобы давление глинистого раствора превышало давление грунта и воды. Из этого условия находят требуемую плотность глинистого раствора, которая обычно колеблется в пределах 1,05-1,2 г/см3. После отрывки траншеи на проектную глубину глинистый раствор заменяют постоянной крепью. Под защитой возведенных стен в дальнейшем производят разработку грунта внутри сооружения.
Постоянная крепь по контуру подземного сооружения при этом способе может быть выполнена из монолитного железобетона или из сборного железобетона. В последние годы конструкция стены в грунте по периметру зачастую выполняют из стыкующихся между собой свай (буросекущиеся сваи).
Как показал опыт, применение способа стена в грунте наиболее эффективно в сложных гидрогеологических условиях при наличии высокого уровня грунтовых вод и водооупора на практически достижимой глубине.
Применяемое в настоящее время оборудование позволяет возводить стены в грунте глубиной до 70 м. В России стена в грунте возведена на максимальную глубину равную 38 м. Как показал опыт, при глубине стены в грунте менее 8 м применение способа обычно не даёт существенных технико-экономических преимуществ и в практике строительства не встречается. При определении глубины стены в грунте следует учитывать необходимость её заглубления в водоупор. Величина заглублений принимается равной: в плотной
527
скале 0,5-1 м, в мергеле и плотной глине 0,75-1,5 м, в пластических суглинках и глинах 1,5-2 м.
Применение стены в грунте ограничивается при наличии грунтов, содержащих твердые включения природного или техногенного происхождения (крупные валуны, обломки бетонных конструкций, каменной кладки и др.). В таких случаях при разработке траншеи необходимо использовать технику, оснащенную фрезерным оборудованием, например, фирм «Касагранде», «Бауэр», TONE Boring.
Использование грейферного оборудования, которым крупные включения извлекаются, может привести к деформированию стенки траншеи, падению уровня тиксотропного раствора и деформациям окружающего массива и близкорасположенных зданий.
Использование рассматриваемого способа затруднено при наличии текучих илов, плывунных грунтов, залегающих у поверхности земли.
Затрудняется применение способа в грунтах, имеющих большие коэффициенты фильтрации (большие скорости движения подземных вод), при которых имеют место большие утечки глинистого раствора, исключающие возможность образования экрана на стенках траншеи. Затруднения возникают также при наличии напорных вод с напором, превышающим гидравлическое давление в траншее, в результате чего траншея работает как дрена.
Оценивая рассматриваемый способ, следует отметить, что при правильной технологии его реализации он наиболее полно отвечает требованием безопасности строительства в условиях плотной городской застройки. С его помощью можно строить подземные объекты в непосредственной близости от зданий, сооружений и подземных коммуникаций. В принципе стена в грунте может возводиться на расстоянии превышающим 0,4 м от действующих зданий и сооружений, не допуская деформаций и сдвижения грунтов на глубину до 60 м.
Анализ производственного опыта использования стены в грунте в России показывает, что в силу несоблюдения технического регламента строительства объекты, построенные с применением рассматриваемого способа, в большинстве случаев имели серьёзные дефекты.
Наиболее частым дефектом является нестыковка отдельных за-ходок (свай) по глубине. Так, при строительстве стены в грунте не глубины превышающих 18 м, в 90% случаев конструкции имели нестыковки по глубине и, как следствие, протечки воды с последующим
528
выносом грунта. Причиной такого положения является отсутствие в ряде случаев современных технических средств контроля за вертикальностью в процессе выемки грунта из траншей, неучёт реальных гидрогеологических условий в процессе строительства, низкая квалификация и исполнительская дисциплина.
Слабым местом стены в грунте являются стыки особенно нерабочие, сформированные с применением труб. Такие стыки плохо держат воду и являются источником выноса грунта внутрь сооружения по мере его возведения. Правда в последние годы для уменьшения поступления воды через швы активно стали внедряться специальные шовные конструкции и материалы (стопсол, ватерстоп и др.)
Проблемы зачастую возникают и при выемке грунта изнутри сооружения. За счёт некачественного крепления конструкций происходят недопустимые деформации, а иногда и потеря их устойчивости.
Для обеспечения устойчивости стен в грунте при глубине котлована более 4-6 м необходимо применять их крепление распорными или анкерными конструкциями.
К преимуществам распорных систем перед анкерными следует отнести следующие: их устройство проще, дешевле и не требует специальной технологии и специального оборудования, они могут многократно использоваться. Поэтому там, где это возможно, предпочтение следует отдавать распорным системам.
Хорошо зарекомендовали себя наклонные распорки с упором на фрагмент днища котлована или на специально выполненную свайную опору.
Применение анкерного крепления ограждающих конструкций котлованов взамен распорных систем во многих случаях дает ряд технико-экономических преимуществ, важнейшими из которых являются:
• нет ограничений по ширине котлована;
• расширяется фронт разработки грунта в котловане строительной техникой;
• отсутствуют какие-либо помехи при монтаже конструкций сооружения;
• отпадает необходимость в перекладке распорных элементов;
• применение там, где это возможно, одностороннего крепления ограждения котлована;
529
• достигается существенный технико-экономический эффект в последующих технологических операциях по возведению подземного сооружения (земляные работы, монтаж строительных конструкций), что обеспечивает существенное сокращение сроков строительства.
Анкеры могут устанавливаться во всех грунтах за исключением слабых (глины текучей консистенции, илы, заторфованные грунты и торфы, просадочные грунты).
В тех случаях, где возможно, целесообразно стремиться к отказу от крепления ограждения котлована временными распорными конструкциями или анкерными креплениями и переходить на способы строительства подземных сооружений «сверху-вниз» и «вверх-вниз», при которых в качестве распорной системы для ограждения котлована используются междуэтажные перекрытия. Разработка грунта в котловане в таком случае осуществляется под защитой перекрытий и производится малогабаритными экскаваторами и обычными бульдозерами. Выдача грунта — с помощью грейферного экскаватора через монтажные отверстия в перекрытиях.
Эти методы строительства являются наиболее щадящими по отношению к близлежащим существующим застройкам, обеспечивая минимальные, по сравнению с другими способами крепления котлованов, осадки существующих зданий и сооружений.
Использование метода строительства «вверх-вниз» предусматривает строительство зданий с несколькими подземными этажами за счет одновременного сооружения этажей вверх и вниз от уровня поверхности земли с устройством ограждения котлована способом «стена в грунте», которое часто служит стеной подземной части здания. Строительство по схеме «вверх-вниз» начинается с устройства траншейных «стен в грунте» по периметру сооружения и промежуточных буровых опор (колонн). Траншейные стены и буровые колонны служат опорами будущих конструкций верхнего строения. Далее начинается открытая разработка грунта на первом подземном ярусе и параллельно захватками возводится перекрытие над первым этажом (в уровне земли). При достижении бетоном перекрытия в уровне земли 75% прочности, на нем в специально усиленной зоне стационарно устанавливается башенный кран. По достижении бетоном перекрытия 100% прочности начинается возведение конструкций наземных этажей и одновременно ведется строительство второго и последующих подземных этажей.
530
Вторым в группе по объёмам применения в городском подземном строительстве является способ строительства с помощью шпунтовых ограждений. Способ давно апробированный, и заключается в том, что перед началом выемки грунта по контуру будущего подземного сооружения на всю мощность неустойчивых грунтов плотно друг к другу погружают временное шпунтовое ограждение, состоящее из отдельных элементов-шпунтин. Комплект шпунтин, забиваемых по всему периметру подземного сооружения называют посадом. Шпунтовое ограждение должно быть водонепроницаемым, прочным и не деформироваться при погружении; должно заглубляться в водоупор не менее чем на 1-1,5 м и выступать выше водоносного горизонта на 1-2 м. После погружения шпунтового ограждения под его защитой производится выемка грунта и возводится постоянная крепь или конструкция подземного сооружения.
Шпунтовое ограждение целесообразно применять при следующих условиях: мощность неустойчивых грунтов от 5 до12 м; глубина залегания неустойчивых грунтов не более 20 м от поверхности; наличие ниже неустойчивых грунтов водоупора мощностью не менее 3 м; отсутствие в геологическом разрезе валунов и твёрдых включений более 20 см в поперечнике; величина напора подземных вод до 12 м.
Анализ опыта строительства городских подземных сооружений показывает, что шпунтовые ограждения в течение многих лет успешно применяются при строительстве камер для подземных коммуникаций, стволов шахт, насосных станций, тоннелей метрополитенов мелкого заложения и других подземных сооружений вблизи зданий, подземных коммуникаций.
Недостатком технологии строительства подземных объектов с применением шпунтовых ограждений является то, что для забивки шпунтин зачастую применяют механические молоты, которые отрицательно сказываются на близлежащих зданиях и сооружениях. Для исключения этого недостатка в последние годы погружение шпунтин стали осуществлять с применением вибропогружателей. Очевидно, что в ближайшие годы шпунтовые ограждения в силу своей простоты и надёжности не потеряет своей привлекательности и ещё долгие годы будут использоваться в городском подземном строительстве.
Технология строительства, которая успешно применяется в течение десятилетий и относящаяся к первой группе специальных способов является строительство городских подземных объектов опускным способом.
531
Строительство подземных объектов опускным способом заключается в том, что на площадке, подготовленной к строительству, первоначально возводят стены (конструкцию) будущего подземного сооружения, которые в нижней части снабжены режущим башмаком. В дальнейшем во внутреннем контуре подземного сооружения вынимают грунт. По мере выемки грунта конструкция будущего подземного объекта погружается в массив до тех пор, пока не достигнет проектной глубины.
Такой способ в технической литературе часто называют способ опускного колодца или же погружная крепь в зависимости от типа и назначения возводимого сооружения.
По назначению опускные сооружения могут быть разделены на два типа: опускные колодцы для устройства ответственных зданий и сооружений и опускные подземные сооружения для размещения в них технологического оборудования и служебных помещений (водозаборные и канализационные насосные станции, склады и хранилища различного назначения). Размеры опускных колодцев обычно небольшие — до 4 м в диаметре. Глубина погружения достигает 130 м.
Опускные подземные сооружения по форме выполняют круглыми или прямоугольными больших размеров до 60 м в диаметре и до 250x50 м в плане. Однако глубина погружения таких подземных сооружений не превышает 60 м.
Опускной способ в городском подземном строительстве используют довольно часто. Для расширения области его применения опускание подземных конструкций в большей части осуществляют в так называемой тиксотропной рубашке. Сущность способа опускания в тиксотропной рубашке заключается в применении тиксо-тропного глинистого раствора, которым заполняют полость между наружной поверхностью сооружения и грунтом, что значительно снижает боковое трение, обеспечивает устойчивость грунтовых стен. Полость шириной 10-15 см, которая заполняется глинистым раствором, создаётся благодаря выступу на ножевой части опускного сооружения.
Следует отметить, что в последние годы опускной способ постепенно вытесняется другими специальными способами и, в частности, стеной в грунте. Не смотря на это опускной способ в силу его простоты, дешевизны, надёжности и большому объёму опыта работ ещё долгие годы будет применяться при строительстве городских подземных объектов в условиях плотной городской застройки.
532
Специальные способы, при которых осуществляют временное изменение физико-механических свойств горных пород на период выполнения работ по строительству подземного сооружения
К специальным способам строительства городских подземных сооружений с временно изменяющимися свойствами относятся: искусственное замораживание горных пород; водопонижение; проходка под сжатым воздухом (кессон).
Искусственное замораживание горных пород
Способ заключается в том, что до начала горно-строительных работ по контуру подземного сооружения бурят через 0,8-2 м систему скважин, оборудованных замораживающими колонками. Через замораживающие скважины прокачивают хладоноситель (обычно водный раствор хлористого кальция) с отрицательными температурами (рассольное замораживание).
В результате постоянной циркуляции хладоносителя в замораживающих колонках вода, находящаяся в горной породе, замерзает и вокруг каждой колонки постепенно образуются ледопородные цилиндры, которые в дальнейшем смыкаются в единое ледопородное ограждение. Замороженные породы в результате перехода воды в лёд и понижения температуры резко изменяют свои первоначальные физико-механические свойства (прочность, сцепление и т.д.), что позволяет по достижении ледопородным ограждением проектных размеров приступить к горнопроходческим работам.
Ледопородное ограждение в этом случае выполняет роль временной водонепроницаемой ограждающей крепи, обеспечивающей безопасные условия производства горно-строительных работ
Ледопородное ограждение поддерживают в замороженном состоянии до тех пор, пока не будет закончено строительство подземного сооружения. После возведения сооружения ледопородное ограждение ликвидируется.
Кроме рассольного замораживания в практике городского подземного строительства применяют и безрассольные способы (замораживание жидким азотом, замораживение с применением твёрдой углекислоты).
Следует отметить, что способ замораживания горных пород является одним из ведущих специальных способов в мировой практике.
533
Большое распространение способ получил в Германии, Японии Польше Канаде, Великобритании и др. странах.
Способ замораживания горных пород универсален. Его с успехом применяют при проходке стволов как в трещиноватых, так и рыхлых водоносных породах в условия фильтрации подземных вод. Замораживание может вестись практически на любые глубины. Способ замораживания пока остаётся наиболее надёжным и универсальным специальным способом как в условиях плотной городской застройки, так в горнорудных отраслях промышленности.
Широкое распространение искусственное замораживание грунтов получило благодаря тому, что этот способ довольно хорошо развит в техническом отношении. Создано мощное буровое оборудование, высокопроизводительные стационарные и передвижные замораживающие станции. Способ замораживания имеет и хорошую научную базу. Проведены теоретические и экспериментальные исследования по изучению нестационарных процессов теплообмена в массиве горных пород, замораживающих колонках, холодильном оборудовании, накоплены солидные данные по теплотехническим и механическим свойствам замороженных пород, разработаны инженерные методы расчёта проектирования ледопородных ограждений и холодильного оборудования. Предложены ресурсосберегающие, безмашинные технологии замораживания грунтов с использованием в качестве хладагента твёрдого диоксида углерода (сухого льда).
В целях дальнейшего совершенствования способа в МГГУ предложена и обоснована новая конструкция и технология монтажа завинчивающихся замораживающих колонок. Такая технология незаменима при замораживании грунтов на небольшие глубины (до 25 м), а также при замораживании грунтов между сбойками транспортных тоннелей, так как в ней отсутствуют работы по бурению и монтажу замораживающих скважин, что приводит к резкому ускорению монтажных работ, снижению металлоёмкости способа, снижению сроков и, как следствие, стоимости замораживания.
Несмотря на вышесказанное, за последние 10 лет объёмы строительства подземных сооружений с применением способа замораживания необоснованно резко сократились. Причин такого положения несколько.
Во-первых, считается, что способ весьма дорогостоящий, хотя на этот счёт серьезных исследований по сравнению технико-эко-
534
номических показателей с другими альтернативными способами не проводилось.
Во-вторых, в последние годы в практике городского строительства при проходке котлованов стволов, камер и других объектов, требующих применения временной водоизоляционной завесы, где надёжно и успешно можно использовать искусственное замораживание грунтов, стали без достаточного экономического обоснования применять массивные ограждающие конструкции (стена в грунте в различных исполнениях, струйную цементацию, опускную крепь). Их наличие в грунтах в большинстве случаев приводит к нарушению гидрогеологического режима движения подземных вод, возникновению барражных эффектов и другим негативным последствиям.
При использовании искусственного замораживания после проходки выработки и отключения замораживающей станции происходит оттаивание грунтового массива естественным путём за 2-4 месяца или искусственным в течение 1-1,5 месяцев и в районе производства работ восстанавливается естественная гидрогеологическая обстановка.
В-третьих, одной из причин снижения объёмов замораживания является отсутствие мобильных передвижных станций. Имеющийся парк станций ПХС-100 физически и морально устарел и требует замены более современными холодильными установками.
В Московском Государственном Горном Университете (МГГУ) непрерывно ведутся работы по совершенствованию способа замораживания и его удешевлению. За последние годы обоснованы и разработаны и успешно апробированы новые ресурсосберегающие способы замораживания применительно к городским условиям с использованием твердого диоксида углерода [1], позволяющие отказаться от замораживающих станций и создавать ледогрунтовые ограждения проектных размеров за 5-10 суток вместо 30-70 суток при рассольном замораживании
В настоящее время в МГГУ ведутся научно-исследовательские работы по дальнейшему совершенствованию безрассольного способа замораживания. Обоснованы и разработаны комбинированные способы замораживания, при которых хладоноситель может охлаждаться за счет твердого диоксида углерода до температур от -20 до -60 градусов в специальных испарителях. Такой способ позволяет в сжатые сроки (5-10 суток) создавать проектные размеры
535
ледогрунтового ограждения с резким сокращением материальных, энергетических и стоимостных затрат по сравнению с традиционно применяемым рассольным способом.
Вторым направлением исследований является поиск резервов снижения материальных и стоимостных затрат при замораживании грунтов за счет совершенствование процессов бурения и монтажа замораживающих колонок и времени формирования ледогрунтового ограждения проектных размеров, на долю каждого из которых затрачивается от 35 до 40% общего времени замораживания.
Проведенные исследования показали, что ресурсосбережение и интенсификация процесса замораживания грунтов в городских условиях могут быть достигнуты за счет перехода, где это технически возможно, на конструкции замораживающих колонок нового типа с винтовой навивкой арматуры по её периметру на всю длину, исключающих применение буровых работ при её монтаже [2]. Опытно-промышленные эксперименты показали, что предложенная конструкция колонки нового типа работоспособна, позволяет осуществлять их погружение завинчиванием на заданную глубину.
Применение результатов выполненных исследований содействует дальнейшему совершенствованию технологии искусственного замораживания грунтов в городских условиях и позволит снижать материальные и стоимостные затраты.
Водопонижение
Водопонижение применяют для временного (на период строительства) снижения гидростатических напоров (уровней) подземных вод с целью создания более благоприятных и безопасных условий ведения горно-строительных работ.
Задача водопонижения заключается в соответствующем создании и поддержании на период строительства подземного сооружения требуемой зоны осушенных грунтов, что позволяет вести горнопроходческие работы в относительно благоприятных условиях.
Выбор способа водопонижения зависит от: свойств и условий залегания грунта, условий питания подземных вод, водопроницаемости (коэффициента фильтрации) осушаемых грунтов, размеров осушаемой зоны в грунтах, мощности водоносного горизонта, характеристики технических средств водопонижения.
Наибольшее распространение получил поверхностный способ водопонижения. При этом в зависимости от типа и расположения
536
водопонизительных устройств применяют линейную схему водопо-нижения — водопонизительные устройства располагаются в ряд по прямой линии; контурную — при их расположении по контуру, огибающему сооружение; кольцевую, когда контур расположения водопонизительных устройств замкнутый; ярусный — при расположении водопонизительных устройств на нескольких уступах по глубине котлована.
В зависимости от способа водопонижения применяют следующие технические средства. Для мелкого поверхностного и подземного водопонижения применяют легкие иглофильтровые установки (ПИУ), эжекторные иглофильтры (ЭИ), установки вакуумного (УВВ) и забойного водопонижения (УЗВМ). Для глубокого поверхностного водопонижения применяют водопонизительные и водопоглощающие скважины, и мощные насосы. Для ориентировочного выбора средств водопонижения рекомендуется табл. 1.
Способ водопонижения на сегодняшний день является самым распространённым специальным способом строительства городских подземных сооружений в силу его простоты, эффективности, большого опыта применения и дешевизны по сравнению с другими специальными способами.
В последние годы не обоснованно появилось мнение о катастрофических последствиях искусственного водопонижения, вызывающего дополнительные осадки грунта и связанные с этим деформации прилегающих зданий. Избежать проблемы, связанной с возможными последствиями осадок от водопонижения, многим проектировщикам кажется возможным только при устройстве ограждающей конструкции на всю мощность водоносного горизонта, что совершенно не правильно. Такое положение вызвано тем, что к настоящему времени отсутствуют надёжные теоретические исследования влияния процесса водопонижения на осадки земной поверхности в силу сложности описания процессов, происходящих в массиве при водопонижении. Методы компьютерного моделирования пока применяются в ограниченных объёмах и многим проектировщикам недоступны.
Анализ опыта водопонижения в городских условиях показывает, что осадки земной поверхности в процессе его проведения действительно происходят, как правило, плавно по площади и их величина зависит в основном от: конструкции фильтра, глубины и времени
537
Таблица 1
Рекомендуемые средства водопонижения
Грунты Коэффициент фильтрации Кф, м/сут Величина понижения уровня грунтовых вол, м
до 5 до 20 более 20
Супесь, пески пыле-ватые 0,2-0,7 Установки ЭВВУ, УВВ, ЛИУ, ЭИ Ярусные установки, ЛИУ, ЭИ, ЭВВУ Скважины с погружными насосами и дополнительным вакууми-рованием
Пески: мелкие средние крупные 1-10 10-25 25-50 Легкие иглофильтровые установки
Одноярусные Многоярусные, эжек-торные иглофильтры То же
Пески крупные, граве-листые Гравийный грунт Более 50 Откачка воды из скважины центробежными насосами Откачка воды из скважины погружными насосами То же
Многослойная толща пород различной водо-проницае-мости 0,005-200 Определяется в зависимости от конкретных геологических и гидрогеологических условий
водопонижения. Наибольшее влияние на осадки поверхности оказывают время и глубина водопонижения.
Например, при глубинах водопонижения более 10 м водопони-жаюшими скважинами в течения месяца и более величина осадок может достигнуть 50-70 мм, а при водопонижении вакуумными установками в течение 10-20 суток осадки иногда вообше не проявляются или колеблются в пределах 1-5 мм и лишь при длительном их применении (50-70 суток) осадки могут достичь 10-15 мм.
В связи с этим, в наиболее ответственных случаях, когда водопо-нижение осушествляется в условиях плотной городской застройки для прогнозирования возможных осадок необходимо проводить компьютерное моделирование с учётом гидрогеологических условий, технологии производства работ и длительности процесса водопо-нижения.
Специальные способы, при которых закрепление горных порол осуществляют на периол строительства и эксплуатации полземного сооружения
К наиболее распространённым специальным способам этой группы, применяемых в городском подземном строительстве, относятся: цементация горных пород, силикатизация грунтов, химическое закрепление, струйная цементация (её иногда называют jet grouting).
Цементация. Сушность цементации заключается в том, что до начала ведения горно-строительных работ по периметру сооружения, а иногда и по всей его плошади бурят скважины и под давлением нагнетают в них цементный раствор. Раствор, распространяясь на определенное расстояние от скважины, заполняет пустоты и трешины в породах. После затвердевания раствора водонепроницаемость массива горных пород в значительной степени уменьшается, что даёт возможность возводить внутри закреплённых пород подземные сооружения при отсутствии или с незначительным притоком воды в забой.
Цементацию целесообразно применять: в крепких трешиноватых породах с размером трешин не менее 0,1 мм, удельным водопогло-шением более 0,05 л/сек и скорости движения подземных вод менее 600 м/сут; в гравийно- галечных породах с размером зёрен более 2 мм при условии, что поры между зёрнами свободны от глинистых или песчаных частиц; в крупнозернистых песках при диаметре зёрен более 0,8 мм.
539
Здесь хотелось бы обратить внимание на условия применения цементации. Дело в том, что на практике при выполнении строительных работ сплошь и рядом в грунты нагнетают цементные растворы, не обращая внимания на их гранулометрический состав. При этом способ в любых грунтовых условиях называют цементацией. В случае, если цементный раствор нагнетать в мелкодисперсные грунты с диаметром частиц менее 0,8 мм, сплошности закреплённого массива не получится и через обработанный массив будет поступать вода при выполнении горнопроходческих работ. В этой ситуации при нагнетании цементного раствора в мелкодисперсный грунт за счет давления раствора происходит гидроразрыв массива, формируются искусственные трещины, по которым и течёт раствор порой на значительные расстояния от места производства работ. В этом случае говорить об укреплении массива неправомерно. В лучшем случае происходит частичное уплотнение грунта. Если работы ведутся вблизи действующих коммуникаций (действующие коллектора, дренажные системы, подвалы и т.д.), то в результате выполнения таких работ в них может проникнуть цементный раствор и вывести их строя или же повредить.
Для расширения области эффективного использования цементации в мелкодисперсных грунтах необходимо переходить к использованию цементов более мелкого помола или специальных коллоидных цементов (типа Микродур).
Силикатизация и химическое закрепление грунтов
Силикатизация основывается на нагнетании в массив грунта неорганических высокомолекулярных соединений силикатных растворов жидкого стекла и их производных, которые в соединении с коагулянтом образуют гель кремниевой кислоты, цементирующей частицы грунта. В практике городского подземного строительства используют двухрастворный и однорастворный способы силикатизации.
При двухрастворном способе силикатизации через перфорированные трубы (инъекторы), погруженные в грунт на заданную глубину, закачивают поочерёдно растворы силиката натрия и ко-агулянт_хлористый кальций. Образуемый в результате смешивания растворов гель кремниевой кислоты придаёт грунту прочность и водонепроницаемость. Двухрастворный способ силикатизации применяют для упрочнения песков с коэффициентом фильтрации
540
2-8 м/сут, в которых скорость движения подземных вод менее 5 м/сут, а рН подземных вод менее 9.
При однорастворном способе силикатизации в грунт закачивают один гелеобразующий раствор, приготовленный из смеси силиката натрия с коагулянтом (однофосфорная, кремнефтористоводородные кислоты или алюминат натрия). При смешивании этих растворов происходит в заданное врем образование геля кремниевой кислоты, зависящее от количества коагулянта. Закреплённый на основе силиката натрия и кремнефтористоводородной кислоты грунт имеет прочность на сжатие 2-5 МПа. Однорастворный способ силикатизации применяют для закрепления песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 50 м/сут. Скорость движения подземных вод не более 8 м/сут, рН подземных вод менее 7.
Анализируя опыт применения способа силикатизации, следует отметить, что способ непрерывно совершенствуется и находит всё более широкое использование в практике городского подземного строительства. Причин такого положения несколько: простота технологии, недефицитность и дешевизна расходных материалов, полная экологическая безопасность для окружающей среды. Учитывая названные преимущества, способ силикатизации ещё долгие годы будет востребован в городском подземном строительстве.
При химическом закреплении горных пород (смолизации) в массив нагнетают водные растворы высокомолекулярных органических соединений (смол) с добавками коагулянтов (кислот щавелевой, соляной). В результате химических реакций, происходящих в массиве горных пород, смолы переходят из жидкого в твёрдое состояние. В результате этого горные породы упрочняются, уменьшается их водонепроницаемость и увеличивается прочность, что создаёт благоприятные условия для ведения горнопроходческих работ.
Способ смолизации может применяться в трещиноватых крепких породах, раздельно-зернистых и даже пористых породах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 50 м/сут, при этом минимальный размер частиц несвязного массива 0,01-0,05 мм.
В России было выпущено и апробировано довольно много химических растворов для закрепления грунтов, но самой приемлемой по все критериям оказалась мочевиноформальдегидная (карбамидная) смола с различными отвердителями. Эта смола легко растворяется в воде, имеет малую вязкость, отверждается при невысокой темпера-
541
туре, а самое главное выпускается отечественной промышленностью в больших объёмах и по своей цене вполне доступна для широкого использования. Недостатком этой смолы является некоторая токсичность, обусловленная выделением свободного формальдегида в момент разработки закрепленного массива, поэтом её применение оправдано там, где в процессе эксплуатации подземного сооружения отсутствуют люди.
В зарубежной практике также для закрепления грунтов применяют смолы различных составов и свойств, в том числе и пено-полиуретановые. В практике городского подземного строительства такие смолы применяют в крайне ограниченных объёмах в силу их дороговизны. В несколько больших объёмах смолы иностранных фирм используются в практике ремонта подземных сооружений.
Обобщая имеющийся опыт химического закрепления следует отметить, что смолизация находит применение в различных областях строительства, в том числе и в практике городского подземного строительства. Однако объёмы применения способа пока постепенно падают и на сегодняшний день, несмотря на эффективность способа, носят эпизодический характер. Это связано с тем, что выпускаемые отечественной промышленностью смолы не в полной мере отвечают экологическим требованиям, а продаваемые на рынке зарубежные составы имеют высокую стоимость.
Струйная цементация (jet grouting)
Технология струйной цементации применяется в России сравнительно недавно (опыт её применения менее 10 лет) и основана на использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивании грунта с цементным раствором. После твердения раствора образуется новый материал — грунтоцемент, обладающий достаточными для ведения горно-строительных работ прочностными и деформационными характеристиками.
Существует три основных разновидности технологии [3, 4].
Однокомпонентная технология (jet 1). В этом случае разрушение грунта производят струей цементного раствора. Давление нагнетания раствора составляет 40-60 МПа. В процессе размыва грунта происходит его перемешивание с цементным раствором. После твердения образуется новый материал — грунтоцемент, обладающий по сравнению с первоначальным грунтом повышенными прочностными,
542
деформационными и противофильтрационными характеристиками. Технология jet 1 наиболее проста в исполнении, требует минимального комплекта оборудования, однако диаметр получаемых колонн также является наименьшим по сравнению с другими вариантами технологии. Так, например, в глинах диаметр колонн не превышает 0,6 м, в суглинках и супесях составляет 0,7-0,8 м, в песках достигает 1,0 м.
Двухкомпонентная технология (jet 2). В этом варианте для увеличения длины водоцементной струи используют энергию сжатого воздуха. Для раздельной подачи в монитор цементного раствора и сжатого воздуха применяют двойные концентрические полые штанги. По внутренним штангам подают цементный раствор, а по внешним — сжатый воздух. Монитор также имеет более сложную конструкцию, включающую сопло для водоцементного раствора и дополнительное кольцевое сопло для формирования воздушной рубашки, окружающей основную струю.
Воздушная рубашка, защищающая водоцементную струю, резко снижает сопротивление окружающей среды по боковой поверхности струи и тем самым увеличивает ее разрушающее действие. Давление нагнетания цементного раствора соответствует технологии jet 1. Давление воздуха должно быть не менее 0,5 МПа, подача 7-10 м/ч.
Диаметр колонн, получаемых по этой технологии, в глинах достигает 1,2 м, в суглинках и супесях — 1,5 м, в песчаном грунте — 2,0 м.
Трехкомпонентная технология (jet 3). Этот вариант отличается от предыдущих тем, что водовоздушная струя используется исключительно для размыва грунта и образования в нем полостей, которые впоследствии заполняются цементным раствором. Преимуществом данного варианта является получение колонн из чистого цементного раствора. К недостаткам следует отнести сложность технологической схемы, требующей применения тройных штанг для раздельной подачи воды, сжатого воздуха и цементного раствора, а также дополнительного технологического оборудования — компрессора и цементационного насоса.
В табл. 2 приведены основные технологические параметры рассматриваемых разновидностей технологии струйной цементации. Для всех рассмотренных вариантов струйной цементации расход цемента варьируется в диапазоне 350-700 кг/м3.
543
По сравнению с традиционными технологиями инъекционного закрепления грунтов струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон грунтов — от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов.
Технология струйной цементации грунтов имеет чрезвычайно широкую область практического применения и в первую очередь в городском подземном строительстве при строительстве автотранспортных и коммунальных тоннелей, камер, котлованов и других подземных сооружений самого различного назначения. Технология позволяет выполнять работы в стесненных условиях — в подвальных помещениях, вблизи существующих зданий, на откосах и т.д. В этом случае на объекте устанавливается только малогабаритная буровая установка, а весь инъекционный комплекс располагается на более удобной удаленной площадке.
Способ находит широкое применение при решении задач, связанных с устройством свай, но не столько в области нового строительства, сколько при реконструкции существующих зданий, а также при ремонте аварийных фундаментов.
Технология струйной цементации весьма успешно зарекомендовала себя при устройстве противофильтрационных завес. Причем в отличие от области устройства вертикальных завес, где технология струйной цементации грунтов конкурирует с другими технологиями подземного строительства, в области устройства горизонтальных завес данная технология является практически «монополистом», позволяя создавать с высокой надежностью слой искусственного водоупора в днищах котлованов.
Важным преимуществом технологии является отсутствие ударных нагрузок в процессе производства работ. Именно это преимущество делает технологию незаменимой в условиях плотной городской застройки, когда необходимо выполнять работы без негативного ударного воздействия на фундаменты близко расположенных зданий и сооружений.
Следует отметить, что струйная цементация, применяемая в России, по ряду своих характеристик существенно отличается от технологии, широко используемой во многих промышленно развитых странах многими строительными компаниями. Это объясняется экономической и исторической спецификой развития России. С учётом указанных объективных обстоятельств, опыт использования
544
Таблица 2
Основные параметры технологии струйной цементации грунтов
Параметры технологии Вариант
№ 1 № 2 № 3
Давление Вода МПа ПРГ ПРГ 300-500
Цементный раствор МПа 400-600 400-600 40-60
Сжатый воздух МПа не исп. 8-12 8-12
Вода л/мин ПРГ ПРГ 70-100
Расход Цементный раствор л/мин 60-150 100-150 150-250
Сжатый воздух М3/ч не исп. 6-18 6-18
Количество сопел Вода шт. ПРГ (1) ПРГ (1) 1-2
Цементный раствор шт. 2-6 1-2 1
Диаметр сопел Вода мм ПРГ ПРГ
(1,6-2,4) (1,6-2,4) 1,8-2,5
Цементный раствор мм 1,6-3,0 2,0-4,0 3,5-6,0
Скорость вращения монитора об/мин 10-30 10-30 10-30
Время подъема монитора на 4 см с 8-15 10-20 15-25
Диаметр колонн Песчаный грунт м 0,6-1,0 1,0-2,0 1,5-2,5
Глинистый грунт м 0,5-1,0 1,0-1,5 1,0-2,0
Примечание. ПРГ — предварительный размыв грунта.
сл сл
зарубежного импортного оборудования и технологий российскими специалистами до настоящего времени ограничен и, по-видимому, имеет ограниченные перспективы расширения в обозримом будущем. В связи с этим, учитывая перспективность способа, научным и проектным организациям необходимо приложить максимум усилий для дальнейшего совершенствования способа с точки зрения отработки параметров технологии и разработки более дешёвого отечественного оборудования.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шуплик М.Н., Плохих В.А., Никифоров К.П., Киселев В.Н. Перспективные технологии замораживания грунтов в подземном строительстве // Подземное пространство мира. — 2001. — № 4. — С. 28-40.
2. Шуплик М.Н., Корчак A.B., НикитушкинA.B., НикитушкинP.A. Устройство для замораживания грунтов при строительстве подземных сооружений. Патент на полезную модель № 84869 от 17 марта 2009 года.
3. 3. БройдИ.И. Струйная геотехнология. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2004. — 448 с.
4. 4. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. — Пермь: Пресстайм, 2007. — 168 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Шуплик Михаил Николаевич — доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет, [email protected]
546
