CC BY
15Разработка технологии гидроизоляции эксплуатируемого подземного сооружения в обводненных грунтах
Угляница Андрей Владимирович
д.т.н., профессор, профессор Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева (КузГТУ), uav@Kuzstu.ru,
Для предотвращения фильтрации грунтовых вод в эксплуатируемое подземное сооружение через его обделку предложено вокруг наружной поверхности обделки подземного сооружения изготавливать подземным способом две гидроизоляционные оболочки, верхнюю из уплотненного цементацией грунтового массива с пониженной водопроницаемостью и нижнюю из це-ментно-силикатного камня. Для изготовления верхней оболочки из подземного сооружения через его обделку производят бурение скважин и поочередное нагнетание через них в обводненный грунт цементного раствора с его гидроразрывом, а для изготовления нижней оболочки между скважинами в обделку устанавливают вровень с её наружной поверхностью инъекционные трубки диаметром 102 - 152 мм, поочередно нагнетают в инъекционные трубки цементно-силикатный раствор, создают под действием давления нагнетания раствора на грунт напротив инъекционной трубки зародышевую щель между наружной поверхностью обделки и грунтом, производят гидрорасчленение зародышевой щели по контакту обделки с грунтом и заполняют щель гидрорасчленения цементно-силикатным раствором до отказа в его поглощении. Для определения оптимальных параметров процесса гидрорасчленения выполнены лабораторные экспериментальные исследования на лабораторном стенде-модели.
Ключевые слова: подземное сооружение, обделка, обводненный грунт, гидроизоляция, нагнетание, цементный раствор.
Введение. При эксплуатации подземных сооружений, расположенных в обводненных грунтах, со временем происходит физический износ обделки подземного сооружения и нарушение сплошности её гидроизоляционного покрытия. В результате грунтовые воды, фильтруясь через изношенное гидроизоляционное покрытие и обделку, проникают внутрь подземного сооружения, препятствуют его нормальной эксплуатации и оказывают коррозионное воздействие на подземное сооружение и расположенное в нем оборудование.
Для замены изношенной гидроизоляции эксплуатируемого подземного сооружения при глубине его залегания до 7-10 м на практике широко применяют открытый способ производства ремонтных работ, который включает выемку грунта с земной поверхности до подземного сооружения с обнажением его обделки, удаление поврежденной гидроизоляции, нанесение на наружную поверхность обделки новой гидроизоляционной оболочки и обратную засыпку котлована над подземным сооружением [1]. При этом, в неустойчивых обводненных грунтах, подлежащий к выемке грунтовый массив предварительно ограждают «шпунтовой стеной» или «стеной в грунте» и, при необходимости, производят во-допонижение уровня грунтовых вод в отгороженном грунтовом массиве [2].
Недостаток данной технологии заключается в высокой стоимости и трудоемкости работ по разработке и обратной засыпке грунта, ограждению грунтового массива и водопонижению, которые возрастают с увеличением глубины заложения подземного сооружения. Кроме этого, данную технологию невозможно реализовать при расположении над подземным сооружением подземных коммуникаций или капитальных строений на земной поверхности, а также при значительной глубине заложения подземного сооружения.
При глубине заложения подземного сооружения более 7-10 м или невозможности вскрытия его обделки с поверхности для предотвращения проникновения грунтовых вод в подземное сооружение через его изношенную обделку на практике применяют подземный способ гидроизоляции, который включает бурение через обделку подземного сооружения в грунт скважин, помещение в них инъекторов и поочередное нагнетание через скважины в грунт цементного раствора под давлением с обеспечением его гидроразрыва [3, 4]. При этом, после разрыва грунта цементным раствором, осуществляется обжатие грунта путем расширения трещин гидроразрыва за счет подачи цементного раствора, увеличение плотности и прочности грунта и, как следствие, его водонепроницаемости в пределах длины скважин.
Однако, как показывает практический опыт применения цементации обводненных грунтов, нагнетание цементного раствора через скважины в обводненный грунт с обеспечением его гидроразрыва не позволяет ликвидировать поровую водопроницаемость грунта вокруг подземного сооружения и, как следствие, полностью предотвратить проникновение грунтовых вод в эксплуатируемое подземное сооружение через его обделку.
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
см о см
о ш т
X
3
<
т О X X
Цель исследования. Разработка технологии восстановления гидроизоляции эксплуатируемого подземного сооружения в обводненных грунтах подземным способом для предотвращения проникновения грунтовых вод в эксплуатируемое подземное сооружение через его обделку.
Для достижения поставленной цели предложены технические и технологические решения заключающиеся в следующем. Производят бурение скважин в обводненный грунт из подземного сооружения через его обделку, помещение в них инъекторов, поочередное нагнетание через скважины в грунт цементного раствора под давлением с обеспечением его гидроразрыва и нагнетание цементного раствора до отказа в его поглощении. После цементации грунта через скважины, между ними из подземного сооружения в обделку устанавливают инъекционные трубки вровень с наружной поверхностью обделки, в каждую инъекционную трубку поочередно нагнетают цементно-силикат-ный раствор, создают под действием давления нагнетания раствора на грунт напротив инъекционной трубки зародышевую щель между наружной поверхностью обделки и грунтом, производят гидрорасчленение зародышевой щели по контакту поверхности обделки с грунтом и заполняют щель гидрорасчленения цементно-силикатным раствором до отказа в его поглощении.
После нагнетания через скважины в грунт цементного раствора с обеспечением его гидроразрыва, гидрорасчленения контакта между наружной поверхностью обделки подземного сооружения и грунтом и заполнения щелей гидрорасчленения цементно-силикатным раствором, вокруг подземного сооружения формируются две гидроизоляционные оболочки, верхняя из уплотненного цементацией грунтового массива с искусственно пониженной водопроницаемостью и нижняя из цементно-силикатного камня.
Материал и методы исследования. В настоящее время разработаны технологии и методики определения параметров гидрорасчления горных пород и угольного массива [5, 6]. Однако, для гидрорасчленения контакта между обделкой подземного сооружения и вышележащим грунтом эти технологии не подходят, поскольку в них производят гидрорасчленение однородной среды (горной породы или угля), а в рассматриваемом случае производят гидрорасчленение разнородных физических сред по их контакту (бетона и грунта).
Величина радиуса распространения цементно-сили-катного раствора от инъекционной трубки по трещине гидрорасчленения и толщина оболочки цементно-сили-катного камня между обделкой и грунтом (величина раскрытия трещины гидрорасчленения) будут зависить от состава и свойств цементно-силикатного раствора, свойств грунта, конечного давления и режимов нагнетания цементно-силикатного раствора и других факторов. Исследовать этот многофакторный процесс путем построения его математической модели, крайне затруднительно, поэтому в данном случае наиболее предпочтительным методом исследования является метод физического моделирования процесса гидрорасчленения контакта между обделкой и водонасыщенным грунтом на экспериментальном лабораторном стенде-модели.
С этой целью в КузГТУ была разработана экспериментальная установка со стендом-моделью, которая моделирует процесс гидрорасчленения контакта между обделкой подземного сооружения и водонасыщенным грунтом. Экс-
периментальная установка состоит из (рис. 1) маслостан-ции 1, гидроцилиндра для нагнетания цементно-силикат-ного раствора 2, стенда-модели 3 с инъекционной трубкой 4 с внутренним диаметром 100 мм. Стенд-модель выполнен в виде сектора с углом при вершине 110 и длиной 2,5 м и состоит из (рис. 2) стального корпуса 1 с крышкой 2, слоя бетона 3 толщиной 20 мм, который моделирует бетонную обделку подземного сооружения, слоя грунта 4 толщиной 100 мм, резиновой диафрагмы 5 для герметизации крышки корпуса стенда-модели, надувного резинового элемента 6, который моделирует давление грунта на обделку подземного сооружения, ниппеля 7 для накачивания воздухом надувного элемента 6.
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки
Рис. 2. Поперечный разрез стенда-модели
Экспериментальная установка работает следующим образом (рис. 2). В корпус стенда-модели 1 на слой бетона 3 укладывают слой грунта 4 и надувной резиновый элемент 6. На корпус стенда-модели 1 устанавливают крышку 2 с резиновой диафрагмой 5 и притягивают крышку 2 к корпусу 1 болтами. Через ниппель 7 надувают резиновый элемент 6 до заданного давления. Гидроцилиндром 2 производят нагнетание цементно-силикатного раствора с заданным давлением в инъекционную трубку 4 стенда модели 3 (рис. 1). Под действием давления нагнетания раствора на грунт над инъекционной трубкой происходит образование зародышевой щели и гидрорасчленение контакта между слоями бетона 3 и грунта 4 (рис. 2). Нагнетание цементно-силикатного раствора производят с заданным давлением до отказа в его поглощении. Через 24 ч после нагнетания раствора со стенда-модели снимают крышку, удаляют из корпуса модели надувной элемент и грунт, замеряют радиус распространения раствора И по щели гидрорасчленения от инъекционной трубки и толщину слоя цементно-си-ликатного камня 5.
Гидрорасчленения между надувным элементом и бетонной обделкой стенда-модели производили це-ментно-силикатными растворами с цементно-водным массовыми отношениями Ц:В = 1:0,5; 1:0,75 и 1:1. Количество силиката натрия ( жидкого стекла) в растворах принималось: 1, 3, 5 и 7% от массы цемента. Температура раствора составляла 10 - 120 С. В качестве грунта
4
в модели применяли водонасыщенную глину с плотностью р = 2-103 кг/м3 Эксперименты проводили при давлении грунта на обделку Рг, равным: 0,10, 0,15 и 0,20 МПа, что соответствовало глубине расположения подземного сооружения - 5,0, 7,5 и 10 м. Величину конечного давления нагнетания раствора в инъекционную трубку Рт принимали равным Рт = 1,5Рг. Для получения достоверного результата количество повторов одинаковых экспериментов было определено на основе методов планирования экспериментов, равным 3 [7]. В таблице приведены фрагменты результатов выполненных экспериментальных исследований.
Выполненные экспериментальные исследования показали, что для формирования вокруг обделки подземного сооружения гидроизоляционной оболочки из це-ментно-силикатного камня наиболее рациональным составом цементно-силикатного 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 И > 2,0 м с формированием слоя тампонажного камня в щели гидрорасчленения толщиной б ~5 мм. Добавка силиката натрия в количестве 7% оказалась нецелесообразной, т.к. после приготовления такого раствора он быстро начинал терять свою подвижность.
Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований процесса гидрорасчленения контакта между обделкой и водонасыщенным грунтом на экспериментальном лабораторном стенде-модели.
Состав це- Давление, Радиус Толщина слоя
ментно- сили- МПа распро- тампонажного
катного стране- камня б, (м10-3)
раствора ния рас- на расстоянии от
твора от скважины:
Кон- До- грунта нагнета- сква-
цен- бавка на обде- ния рас- жины, И, 0,3 И 0,6 И 0,9 И
тра- сили- лку, Рг твора, м
ция, ката Рт
Ц:В натрия,
%
1:0,5 5 0,2 0,3 1,53 7,0 5,1 3,3
1:0,5 3 0,2 0,3 1,24 6,3 4,3 3,0
1:0,5 1 0,2 0,3 0,89 5,8 4,1 3,0
1:075 5 0,2 0,3 2,38 7,2 5,3 3,4
1:075 3 0,2 0,3 1,56 6,4 4,3 3,1
1:075 1 0,2 0,3 1,09 3,2 2,3 1,4
1:1 5 0,2 0,3 > 2,5 2,3 2,0 ка-
налы
1:1 3 0,2 0,3 > 2,5 1,4 ка- ка-
налы налы
обделку 2 (обычно монолитную или сборную железобетонную) бурят скважины 3 в грунт 4. Производят через скважины 3 нагнетание цементного раствора 5 в грунт 4 с его гидроразрывом. Цементный раствор 5, распространяясь от скважин 3 по трещинам гидроразрыва 6, обжимает обводненный грунт 4. В результате вокруг подземного сооружения 1 в пределах длины скважин 3 формируется гидроизоляционная оболочка из уплотненного грунтового массива 7.
Результаты исследований и их обсуждение. На
основе выполненного анализа и экспериментальных исследований разработана технология гидроизоляции эксплуатируемого подземного сооружения в обводненных грунтах подземным способом. На рис. 3 показан принцип формирования гидроизоляционных оболочек вокруг обделки эксплуатируемого подземного сооружения в обводненных грунтах подземным способом.
Гидроизоляцию эксплуатируемого подземного сооружения в обводненных грунтах осуществляют следующим образом. Из подземного сооружения 1 через его
Рис.3. Принцип формирования гидроизоляционных оболочек вокруг обделки эксплуатируемого подземного сооружения подземным способом.
После нагнетания цементного раствора 5 в обводненный грунт 4 между скважинами 3 из подземного сооружения 1 в обделку 2 вровень с её наружной поверхностью 8 устанавливают инъекционные трубки 9. Производят поочередное нагнетание цементно-силикатного раствора 10 в инъекционные трубки 9. При этом в процессе нагнетания, за счет давления раствора на грунт, напротив инъекционной трубки 9 создают зародышевую щель 11 между наружной поверхностью обделки 8 и грунтом 4, производят гидрорасчленение зародышевой щели 11 по контакту поверхности обделки 8 с грунтом 4 и заполняют щель гидрорасчленения 12 цементно-сили-катным раствором 10 до отказа в его поглощении.
После выполнения данных работ вокруг подземного сооружения 1 будут сформированы две гидроизоляционные оболочки, верхняя 7 из уплотненного цементацией грунтового массива с искусственно пониженной водопроницаемостью и нижняя 13 из цементно-силикат-ного камня.
Скважины 3 для нагнетания цементного раствора 5 бурят диаметром 42-72 мм. При этом в обделке (обычно бетонной или железобетонной) пробуривают алмазной коронкой сквозное отверстие, а затем через него шнековым буром в грунте выбуривают скважину. Расстояние между скважинами принимают 2*2 м. Для нагнетания цементного раствора в устьевую часть скважины (в обделку) замоно-личивают тампонажную трубку 14 (инъектор). В неустойчивых грунтах в обделку, вместо тампонажной трубки, устанавливают распорный инъектор с перфорированной нагнетательной трубой, которая размещается в скважине.
В скважины поочередно нагнетают стабильный цементный раствор с цементно-водным массовым соотношением Ц:В=1:0,5 до отказа в его поглощении. Конечное давление нагнетания цементного раствора в скважину
X X
о
го А
с.
X
го т
о
м о м
CS
о
CS
о ш m
X
Рск назначают с учетом объемного веса обводненного грунта р над подземным сооружением и глубины его заложения И из выражения: Рск = 1,25 р*И. В случае прорыва цементного раствора на земную поверхность давление нагнетания раствора снижают.
Сквозные отверстия в обделке подземного сооружения под инъекционные трубки бурят алмазной коронкой (буром) с внутренним диаметром, равным 102-152 мм, поскольку при внутреннем диаметре трубок < 102 мм площадь контакта нагнетаемого цементно-силикатного раствора с грунтом в инъекционной трубке может оказаться недостаточной для образования зародышевой щели гидрорасчленения в грунте напротив инъекционной трубки, а при внутреннем диаметре трубок > 152 мм будет происходить ослабление несущей способности обделки подземного сооружения и возрастать стоимость установки в обделку инъекционных трубок.
В инъекционные трубки нагнетают цементно-сили-катный раствор с цементно-водным массовым соотношением Ц:В=1:0,75 с добавкой силиката натрия (жидкого стекла) в количестве 5% от массы цемента до отказа в его поглощении. Конечное давление нагнетания цементно-силикатного раствора в инъекционную трубку Рт назначают с учетом объемного веса обводненного грунта р над подземным сооружением и глубины его заложения И из выражения: Рт = 1,5 р*И.
Выводы
1. Для предотвращения проникновения грунтовых вод в эксплуатируемое подземное сооружение предложена технология формирования за наружной поверхностью обделки подземного сооружения двух гидроизоляционных оболочек: верхней, формируемой вокруг сооружения путем цементации грунта через скважины с его гидроразрывами, и нижней, формируемой из це-ментно-силикатного камня путем гидрорасчленения контакта обделки сооружения с грунтом цементно-силикат-ным раствором.
2. Экспериментально установлено, что для гидрорасчленения контакта обделки подземного сооружения с грунтом необходимо применять цементно-силикатный раствор с Ц:В=1:0,75 с добавкой силиката натрия (жидкого стекла) в количестве 5% от массы цемента, конечное давление нагнетания цементно-силикатного раствора в инъекционную трубку должно превышать гидростатическое давление обводненного грунта на обделку в 1,5 раза и расстояние между инъекционными трубками составлять 2,0 м.
Литература
1. РД 153-34.0-21.601-98. Типовая инструкция по эксплуатации производственных зданий и сооружений энергопредприятий. Часть II, Раздел 2, Технология ремонтов зданий и сооружений. 2020.- 94 с.
2. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений: Учеб. пособие/под ред. Б.И. Далма-това; 3-е изд.- М.: Изд-во АСВ, 2006.- 428с.
3. Патент РФ № 2439246 С1 (RU). Маннапов Р.Х., Ре-зепина Г.Е. Способ укрепления грунта. Заявл. 22.09.2010; Опубл. 01.10.2012.
4. Патент РФ № 2324788 С2 (RU). Способ уплотнения грунта и устройство для его осуществления. Заявл. 05.04.2006; Опубл. 20.05.2008.
5. Хямяляйнен В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркмн.— М.: Недра, 1986.400 с.
6. Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта.- М.: Недра, 1886.- 280 с.
7. Ашмарин И. П. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов / И. П. Ашмарин, И. Н. Васильев, В. А. Амбросов. - Л. : ЛГУ, 1975. -76 с.
Development of technology for waterproofing an operating
underground structure in watered soils Uglyanitsa A.V.
T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University To prevent the filtration of groundwater into the operated underground structure through its lining, it is proposed to produce by the underground method two waterproofing shells around the outer surface of the lining of the underground structure: the upper one from a soil massif compacted with cementation with reduced water permeability and the lower one made of cement-silicate stone. For the manufacture of the upper shell, wells are drilled from an underground structure through its lining, and the cement slurry is injected through these wells into the watered soil alternately with its hydraulic fracturing; and for the manufacture of the lower shell between the wells, injection pipes with a diameter of 102-152 mm are installed in the lining flush with its outer surface, the cement-silicate mortar is alternately injected into the injection pipes, an embryonic gap between the outer surface of the lining and the soil is created under the action of the injection pressure of the solution on the ground opposite the injection pipe, the embryonic gap is hydraulically separated by the contact of the lining with the ground and the hydraulic fracture gap is filled with a cement-silicate solution until refusal to absorb it. To determine the optimal parameters of the hydraulic separation process, laboratory experimental studies were carried out on a laboratory model bench.
Keywords: underground structure, lining, watered soil,
waterproofing, injection, cement mortar. References
1. Guideline 153-34.0-21.601-98. Typical instructions for the operation of industrial buildings and structures of energy enterprises. Part II, Section 2, Technology for repair of buildings and structures. 2020. - 94 p.
2. Design of foundations of buildings and underground structures:
manual / under the editorship of B.I. Dalmatov. - Moscow: АСВ, 2006. - 428 p.
3. The RF patent № 2439246 С1 (RU). Mannapov R.Kh., Rezepina
G.E. Method of soil strengthening. Claimed 22.09.2010; published 01.10.2012.
4. The RF patent № 2324788 С2 (RU). Method of soil compaction
and device for its implementation. Claimed 05.04.2006; published 20.05.2008.
5. Khyamyalyainen V.A. Grout covering around permanent mine
workings / V.A. Khyamyalyainen, Yu.V.Burkov, P.S. Syrkin. -Moscow: Nedra, 1986. - 400 p.
6. Usachev P.M. Hydraulic fracturing. - Moscow: Nedra, 1986. -
280 p.
7. Ashmarin I.P. Rapid statistical processing methods and experiment planning / I.P. Ashmarin, I.N. Vasiliev, V.A. Ambrosov. - Leningrad: LSU, 1975. - 76 p.
3
<
m о x
X
