CC BY
11Причины, обуславливающие необходимость укрепления грунтов при подземном строительстве
Евсеев Александр Владимирович
аспирант, кафедра геотехнологии освоения недр, Национальный исследовательский технологический университет Московский институт стали и сплавов, Московский горный институт, evseev_amcc@mail.ru
Статья посвящена вопросам строительства тоннелей и подземных сооружений в условиях, связанных с риском столкновения с непредвиденными грунтовыми условиями. Особое внимание уделяется основному из существующих рисков попадания в неустойчивые грунтовые слои горных пород, содержащие значительные объемы высоконапорных вод.
Отмечена необходимость подавления водопри-токов при строительстве заглубленных сооружений, посредством дренажа, предварительной - опережающей и последующей - укрепительной цементации.
Выявлена и обоснована необходимость использования метода цементации при строительстве тоннелей, при определенной структуре скальных пород или почвы, которая определяет степень устойчивости пород. Рассмотрены варианты укрепления слабых и неустойчивых пород путем заполнения пустот цементационным материалом, обладающим необходимой прочностью и сцеплением. Приведено краткое описание предмета исследования и технологии ведения работ. Ключевые слова: укрепительная цементация, предварительная цементация, последующая цементация, водоприток, скважина.
Цель данной статьи - продемонстрировать, как и каким образом изменились современные подходы в сравнении с традиционными методами, а так же продемонстрировать преимущество первых технологий. Представленная технология базируется на одном материале. Объясняется это тем, что параллельное использование разных материалов приводит к существенному усложнению анализа. Выбранный подход позволяет представить практическое подтверждение тому, о чем говориться в статье, не утверждая при этом, что это единственно возможный способ. Практические подходы к применению технологий предварительной цементации, подкреплены теорией, где это представляется целесообразным и помогает разъяснить практические наблюдения. Все результаты основаны на практических наблюдений. Анализ изданной на сегодняшний день литературы по цементации позволяет говорить о том, что около 90% изданий, если не более, посвящены цементации почв и фундаментов, а так же ряду технологий последующей ( укрепительной) цементации, используемых в целях реконструкции и ограничения водопритока. Важнейшим преимуществом предварительной (опережающей) цементации (в случаях, когда ее осуществление возможно), крайне мало освещено в профессиональной литературе. Данная статья представляет собой попытку частично заполнить этот информационный пробел.
Краткое описание предмета исследования
Нагнетание цементационного раствора в породу осуществляется путем бурения скважин необходимого диаметра, длины и направления, последующего размещения пакеров в непосредственной близости от устья скважин (допускаются и другие способы, обеспечивающие герметичное соединение со скважиной). Подсоединения цементационного рукава высокого давления или трубопровода к цементационному насосу и пакеру, и нагнетания приготовленного раствора в трещины и стыки окружающих скважину пород.
Укрепление грунтов при строительстве осуществляется двумя принципиально разными способами:
- предварительное укрепление, при котором в первичной породе с поверхности пробуриваются скважин, в них нагнетается цементационный раствор, после чего ему дают затвердеть . Только после этого продолжается разработка грунта в укрепленном массиве. В некоторых случаях предварительная цементация может быть проведена с поверхности , главным образом при строительстве тоннелей мелкого заложения, когда имеется свободный доступ к поверхности грунтов , расположенных над тоннелем.
- последующее укрепление, при котором бурение скважин для цементации и нагнетание в них цементного раствора осуществляется из пространства строящегося объекта. Скважины пробуриваются в тех местах, где водоприток превышает превышает допустимые нормы.
В большинстве случаев укрепление грунтов при строительстве обусловлено необходимостью ограничения водопритока.
В некоторых случаях основной причиной цементации может являться повышение устойчивости грунта, хотя чаще этот эффект рассматривается как побочный, достигаемый при цементации с целью ограничения водопритока. При строительстве подземных сооружений цементационные растворы на основе минерального вяжущего используются чаще, чем растворы на основе других материалов, однако имеется целый ряд успешно используемых химических растворов.
Технология цементации под давлением или технология нагнетания цементационного раствора в массив , окружающий зону строительства, существует более 50 лет и за последние 25 лет существенно усовершенствована. Наиболее значительные результаты в деле совершенствования данной технологии и превращения ее в высокоэффективную, с экономической точки зрения, достигнуты при освоении подземного пространства Москвы. Технология нагнетания цементационного раствора была успешно
О £
ю
5
2
сч
1Л £
Б
а
2 ©
применена в различных породах, от мягких осадочных пород и до гранитного гнейса, в условиях высокого гидростатического давления( до 500 м водного столба), а также в городских тоннелях мелкого заложения с низким гидростатическим давлением.
Положительный эффект от правильного выполнения предварительной цементации выражается и в том, что в построенных с применением такой цементации объектах не образуется конденсат ( менее 1 л/мин. на 100м ), и в том, что снижается приток грунтовых вод , который связан с наличием более крупных каналов водопритока. В качестве примера можно привести Сочинские автодорожные тоннели, проложенные в сильно обводненных условиях , в которых показатель допустимого уровня притока воды равен 30 л/мин. на 100 м тоннеля. При таком значении показателя достигается эффективное соотношение между расходами на цементацию и расходами на откачку воды на протяжении всего срока эксплуатации объекта.
Необходимо подчеркнуть, что применение одной лишь последующей (укрепительной) цементации без дополнительных затрат не обеспечивает достижения ни одного из вышеперечисленных результатов. По этой причине укрепительную цементацию в строительстве необходимо рассматривать исключительно к предварительной (опережающей) цементации, о чем будет рассказано далее.
Область исследования
Основная область данного исследования - это цементация грунта в строительстве заглубленных сооружений, сооружаемых буро-взрывным либо механическим способом, с использованием растворов на основе цемента, а так же химических и минеральных цементационных растворов. Новейшие технические разработки неразрывно связаны с усовершенствованием технологии материалов, а также с применением более современного оборудования и усовершенствованных процедур его использования.
Традиционная технология укрепления с применением цементных растворов
Изначально цементация грунта была разработана для использования в строительстве оснований гидроплотин, а так же для целей общей стабилизации грунта. Обычно такого вида работы имеют
очень не значительные практические ограничения на заданной строительной площадке, вследствие чего цементация, как правило, рассматривается как отдельный вид работ, который мог быть выполнен вне зависимости от других видов строительных работ.
Именно поэтому применение традиционных методов закачивания цемента в грунт не имело существенных недостатков. Типичная последовательность выполнения этой задачи была такова:
- На коротких участках скважин (3-5 м) проводилась неоднократная опрессов-ка водой с целью составления карты во-допроводимости по всей длине скважины. Этот процесс включал в себя проведение опрессовки водой через равномерные промежутки по всей длине дляопре-деления общей картины потери воды, то есть определение того, какие участки скважины водопроницаемы, а на каких участках вода может свободно утекать.
Результаты замеров использовались для принятия решения относительно состава суспензии, а именно, соотношения массы цемента и воды ( водоцементного отношения В/Ц), атак же для принятия решения о выборе в качестве цементационного материала цемента либо других материалов.
Выводы
Общей чертой применения описанного выше базового метода являлось, то что процесс предварительной цементации довольно эффективный с точки зрения времени и ресурсов, затрачиваемых на достижения эффекта. Эффективное использование времени особенно важно, когда речь идет о работе в подземных условиях. Как правило, покрывающие породы и ограниченное свободное пространство позволяют использовать данную технологию, не создавая риска повреждений и разрушений. Именно поэтому в строительстве подземных сооружений в условиях города нужны именно эти подходы.
Литература
1. Кипко Э.Я. Исследование и томпа-нажобводненных трещиноватых горных пород через скважины, пробуренные с поверхности при сооружении капитальных горных выработок. - Дис. Док. Тех.-наук.. - М.- 1973, - 387 с.
2. «Инструкция по наблюдениям за-деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработкеме-
роприятий по обеспечению их устойчивости» (утв. Госгортехнадзоро-м СССР 21.07.1970)
3. Николай Трупак. Цементация трещиноватых пород в горном деле. - «Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии» 1956 - 420 с.
4. Б.Л. Картозия, Б.И. Федунец Б.Л. Шахтное и подземное строительство. Том 1. Академия горных наук, Москва, 2001. - 607 с.
5. Кузьмин Е.В. Упрочнение горных пород при подземной добыче руд . - М.: Недра, 1991. - 253 с.
The reasons for the need to soil strengthen in underground construction Evseev A.V.
National Research Technological University Moscow
Institute of Steel and Alloys Moscow Mining Institute The article is analyzed task of the tunnels and underground structures construction in conditions of risk-related collisions with unforeseen ground conditions. Attention is paid to the main existing risk of falling into unstable ground layers of rocks containing significant amounts of high-pressure water. The need to suppress water inflows during the construction of buried structures, through drainage, preliminary, advanced and subsequent, strengthening cementation was noted.
Its shown the necessity of using the cementation method in the construction of tunnels, with a specific rock structure or soil, which determines the degree of rock stability, has been identified and justified. The options for strengthening weak and unstable rocks are considered by filling the voids with cementation material that has the necessary strength and adhesion. It is given a brief description of the subject of research and technology of work. Key words: reinforcing carburizing, preliminary carburizing, subsequent cementation, water inflow, well. References
1. Kipko E.Ya. A research and tompanazhobvodnenny jointed rocks through the wells drilled from a surface at a construction of capital excavations. - Yew. Dock. Technical sciences. - M - 1973, - 387 pages.
2. «The instruction for observations of deformations
of boards, slopes of ledges and dumps on pits and razrabotkemeropriyatiya on ensuring their stability» (утв. State mining inspection of the USSR 7/21/1970)
3. Nikolay Trupak. Cementation of jointed breeds
in mining. - «The state scientific and technical publishing house of literature on ferrous and nonferrous metallurgy» of 1956 - 420 pages.
4. B.L. Kartoziya, B.I. Fedunets B.L. Mine and
underground construction. Volume 1. Academy of mountain sciences, Moscow, 2001. - 607 pages.
Kuzmin E.V. Hardening of rocks at underground extraction of ores. - M.: Subsoil, 1991. -253 pages.
