CC BY
112
УДК 622.257.15
А.В. Угляница, Ю.В. Покатилов
ФОРМИРОВАНИЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЗАВЕСЫ ЗА ОБДЕЛКОЙ ЗАГЛУБЛЕННЫХ В ОБВОДНЕННЫЙ ГРУНТ СООРУЖЕНИЙ
При эксплуатации заглубленных в обводненный грунт сооружений со временем происходит нарушение гидроизоляции обделки и герметичности стыков её железобетонных элементов. Грунтовая вода, проникая внутрь сооружения, препятствует его нормальной эксплуатации и оказывает коррозионное воздействие на обделку сооружения и расположенное в нем оборудование.
Для вывода подземных сооружений из такой ситуации применяют тампонаж - нагнетание твердеющих вяжущих растворов за обделку, среди которых наибольшее распространение получили цементно-силикатные растворы с цементно-водным массовым отношением Ц:В=1:0,5 и 1:1 с добавкой силиката натрия в количестве 3 - 5 % от массы цемента.
Для заполнения крупных пустот за обделкой применяют цементно-песчаные растворы с Ц:П:В = 1:3:1,5 и 1:3:1 с добавкой силиката натрия в количестве 3 % от массы цемента.
При нагнетании растворов на основе цемента за обделку заглубленных в обводненный грунт сооружений происходит заполнение раствором пустот за обделкой (если они присутствуют) и гидрорасчленение контакта между обделкой и водонасыщенным грунтом с образованием вокруг обделки оболочки из затвердевшего раствора, которая выполняет функцию противофильтрацион-ной завесы и одновременно упрочняет обделку, повышая ее несущую способность.
Однако, как показывает практический опыт института КузНИИшахтострой и Кузбасского государственного технического университета нагнетание растворов на основе цемента за обделку заглубленных в обводненный грунт сооружений не позволяет создавать за обделкой качественную тампонажную завесу, поскольку после тампонажа всегда остаётся остаточный водоприток в подземное сооружение. При этом через некоторое время, водоприток через обделку внутрь сооружения начинает увеличиваться и часто, через 1,0-2,0 года после тампонажа, возвращается к своему исходному значению.
Одной из причин появления остаточных водо-притоков после тампонажа является отсутствие эффективной технологии проведения гидрорасчленения контакта между обделкой подземного сооружения и водонасыщенным грунтом и методики определения ее рациональных параметров.
Существующие в настоящее время технологии и методики определения параметров гидрорасчле-ния разработаны для горных пород или угольного массива [1, 2].
Применительно к процессу гидрорасчленения и тампонирования контакта между обделкой подземного сооружения и вышележащим грунтом они не пригодны, поскольку в данном случае над обделкой находится водонасыщенная пластическая масса грунта.
При этом величина раскрытия трещины гидрорасчленения (толщина тампонажной оболочки между обделкой и грунтом) и радиус распространения раствора от скважины будут зависеть от свойств тампонажного раствора и грунта, конечного давления, режимов нагнетания раствора и других факторов.
Исследовать этот процесс путем построения его математической модели, крайне затруднительно, т.к. неизвестно какой тампонажный раствор лучше подойдет для такого гидрорасчленения и какие режимы нагнетания надо применять для формирования вокруг обделки качественной там-понажной оболочки необходимой толщины, сплошности, плотности и на заданное расстояние от скважины.
В этих условиях наиболее предпочтительным методом исследования является метод физического моделирования процесса гидрорасчленения контакта между обделкой и водонасыщенным грунтом на экспериментальном лабораторном стенде-модели.
Для исследования процесса распространения цементно-селикатных растворов от скважины при тампонаже заглубленных в обводненный грунт подземных сооружений в ГУ КузГТУ на основе методов теории подобия и моделирования разработана экспериментальная установка (стенд-модель), моделирующая процесс гидрорасчленения контакта между обделкой подземного сооружения и водонасыщенным грунтом (см. рис. 1).
На рис. 2 представлен поперечный разрез стенда - модели.
Корпус стенда-модели 1, выполнен в виде сектора с углом при вершине 110 Модель позволяет моделировать гидрорасчленение на расстояние от скважины до 2,5 м. Давление вышележащего грунта на обделку (горное давление) моделируется давлением воздуха в надувной камере 6.
На экспериментальном стенде-модели выполнена серия экспериментов по гидравлическому расширению контакта между обделкой подземного сооружения и водонасыщенным грунтом, в которых использовались цементно-силикатные
тмпонажные растворы с цементно-водным массовым отношением Ц:В = 1:0,5; 1:0,75 и 1:1. Количество силиката натрия в растворах принималось
78
А.В. Угляница, Ю.В. Покатилов
равным: 1; 3 и 5 % от массы цемента (добавка силиката натрия в количестве более 5% оказалась нецелесообразной, т. к. после приготовления такого раствора он начинал быстро терять подвижность). Температура раствора составляла 10-120 С. В качестве грунта над обделкой в модели применяли водонасыщенную глину с плотностью р = 2-103 кг/м3.
Эксперименты проводили при давлении грунта на обделку Ргр, равным: 0,10; 0,15 и 0,20 МПа, что соответствовало глубине расположения сооружения - 5,0; 7,5 и 10 м.
Величину конечного давления нагнетания раствора в скважину Рск для исключения деформации обделки и прорыва раствора на земную поверхность принимали равным Рск =1,25Ргр (как принято на практике).
Нагнетание проводили способом с постоянным давлением до отказа в поглощении раствора. Расход раствора в скважину для поддержания за-
данного давления нагнетания регулировали с помощью маслостанции.
Через 24 часа после нагнетания раствора стенд-модель вскрывали, замеряли радиус распространения раствора от скважины Я и толщину слоя тампонажного камня д. Для получения достоверного результата количество повторов одинаковых экспериментов было определено на основе методов планирования экспериментов, равным 3.
Конечной целью экспериментов являлось нахождение рационального состава цементносиликатного раствора, нагнетание которого с конечным давлением, равным Рск =1,25Ргр, позволило бы на как можно большем расстоянии от скважины Я сформировать в трещине гидрорасчленения наиболее толстый слой тампонажного камня д.
В табл. приведен фрагмент результатов экспериментальных исследований.
Выполненные эксперименты показали, что для
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки:
1 - маслостанция; 2 - система гидроцилиндров для нагнетания тампонажного раствора; 3 - стенд-модель; 4 - инъектор-скважина (моделирует тампонажную скважину).
3
Рис. 2. Поперечный разрез стенда - модели:
1 - корпус; 2 - крышка; 3 - бетон, моделирующий обделку сооружения;
4 - грунт над обделкой сооружения; 5 - резиновая диафрагма; 6 - надувная резиновая камера;7 - ниппель с манометром для накачивания надувной камеры.
Фрагмент результатов экспериментальных исследований
Концент- рация раствора, Ц:В Добавка силиката натрия, % Давление, МПа-10-1 Радиус распространения раствора от скважины R, м Толщина слоя тампонажного камня S, (м-10-3) на расстоянии от скважины:
грунта на обделку, Ргр нагнетания раствора, Р 1 ск 0,3 R 0,б R 0,9 R
1:0,5 5 0,2 0,25 1,53 l,0 5,1 3,3
1:0,5 3 0,2 0,25 1,24 б,3 4,3 3,0
1:0,5 1 0,2 0,25 0,89 5,8 4,1 3,0
1:075 5 0,2 0,25 2,38 l,2 5,3 3,4
1:075 3 0,2 0,25 1,56 б,4 4,3 3,1
1:075 1 0,2 0,25 1,09 3,2 2,3 1,4
1:1 5 0,2 0,25 > 2,5 2,3 2,0 каналы
1:1 3 0,2 0,25 > 2,5 1,4 каналы каналы
формирования тампонажной завесы вокруг заглубленного в обводненный грунт подземного сооружения наиболее рациональным составом цементосиликатного раствора является состав с Ц:В=1:0,75 с добавкой силиката натрия в количестве 5% от массы цемента.
При нагнетании данного раствора происходило гидрорасчленение контакта между обделкой и водонасыщенным грунтом на расстоянии от скважины > 2,0 м с формированием слоя тампонажного камня в трещине гидрорасчленения толщиной д ~ 5 мм на удалении от скважины 0,6 Я.
При нагнетании более густого раствора с Ц:В=1:0,5 радиус распространения раствора от скважины снижался.
При нагнетании более жидкого раствора с Ц:В=1:1 раствор производил гидрорасчленение по всей длине модели и истекал из неё. При этом над обделкой формировался слой тампонажного камня незначительной толщины и в виде отдельных каналов.
Снижение количества добавки силиката натрия в цементный раствор до 3 и 1 % от массы
цемента приводило к снижению проницаемости раствора и, как следствие, уменьшению радиуса распространения раствора от скважины Я и толщины слоя тампонажного камня д.
Результаты выполненных экспериментальных исследований позволили дать физическое объяснение факту возникновения остаточных водопри-токов в заглубленное в обводненный грунт подземное сооружение после нагнетания за его обделку растворов на основе цемента.
Причина заключается в том, что за обделкой подземного сооружения, в данном случае, формируется тампонажная оболочка незначительной толщины и недостаточной сплошности. Такая оболочка способна пропускать через себя грунтовую воду, обуславливая остаточный водоприток в подземное сооружение.
Кроме этого, тампонажная оболочка такой незначительной толщины под действием техногенного сейсмического воздействия разрушается с течением времени и водоприток в подземное сооружение возвращается к своей исходной величине.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хямяляйнен, В. А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок / В. А Хямяляйнен, Ю. В. Бурков, П. С. Сыркин. - М. : Недра, 1994, - 400 с.
2. Усачев, П. М. Гидравлический разрыв пласта. - М. : Недра, 1986. - 280 с.
□ Авторы статьи:
Угляница Андрей Владимирович
- докт. техн. наук, профессор, декан факультета наземного и подземного строительства КузГТУ Тел. (3842) 396952
Покатилов Юрий Владимирович
- старший преподаватель каф. строительного производства и экспертизы недвижимости КузГТУ, тел. (3842) 396392, e-mail: yumal28@mail.ru
