745

возможность регулирования времени отвердения в пределах 0,1–3 ч; противофильтрационная плотность и механическая прочность грунта, соответствующая цели инъекции.

Для обеспечения высоких прочностных характеристик грунтов (>1 МПа) могут использоваться все виды растворов на основе цемента (цементные силикатные, цементные с различными добавками), силикатные (твердые гели) с органическими и неорганическими отвердителями и растворы на основе полимерных смол.

Для повышения водонепроницаемости, устойчивости и обеспечения прочностных характеристик грунтов в пределах от 0,3 до 1 МПа используются цементные и силикатные растворы жидких консистенций, а также цементно-силикатно-бентонитовые и силикатные растворы с неорганическими отвердителями (однорастворная силикатизация).

На основе цемента готовят нестабильные суспензии (чистые цементно-песчаные или с другими инертными материалами растворы) или его суспензии (цементно-бентонитовые, цементно-силикатные с добавками или бентонитовые растворы). Основные виды таких растворов представлены в табл. 2 работы [42].

Растворы на основе цемента следует использовать для придания прочности и снижения водопроницаемости крупнопористых несвязных грунтов с коэффициентом фильтрации от 80 м/сут и выше, а также трещиноватых скальных грунтов с величиной раскрытия трещин от 0,1 мм и более и удельным водопоглащением 0,01 л/мин и выше. Водопроницаемость раствора в грунт зависит от гранулометрического состава цементов и пластифицирующих добавок к ним.

Для заполнения пустот, крупных пор и трещин следует использовать экономичные растворы с инертными материалами (песок, зола уноса и т.п.). При этом следует иметь в виду, что при использовании нестабильных суспензий происходит отфильтровывание раствора и его уплотнение, в этом случае трудно регулировать зону распространения инъекционного раствора, что может приводить к непроизвольным его расходам. Стабильные суспензии имеют лучшие реологические свойства, повышенную сопротивляемость размыву, а сроки схватывания можно регулировать в широких пределах.

Для получения стабильных растворов в цементные суспензии добавляют суспензии обычных и бентонитовых глин с диспергирующими и пластифицирующими добавками. Наиболее эффективной добавкой, обеспечивающей удобство инъекционных работ, снижение затрат на приготовление растворов и доставку материалов является силикат натрия.

Силикатные растворы следует использовать для повышения прочности и водонепроницаемости пористых грунтов с коэффициентом фильтрации от 0,1 до 80 м/сут, трещиноватых скальных грунтов с раскрытием трещин от 0,05 мм, а также для первичной и вторичной (после инъекции растворов на основе цемента) обработки грунтов.

Рекомендуемые для обработки грунтов силикатные растворы приведены в работе [42, табл. 6.7.3.3].

Для обеспечения высоких прочностных характеристик грунта следует использовать двухрастворную силикатизацию, однорастворные рецептуры с отвердителями (кремнефтористоводородной кислотой, формамидом) и силикатно-полимерные растворы. Остальные силикатные рецептуры обеспечивают водонепро-ницаемость и прочность укрепленного грунта от 0,3 до 1 МПа и могут применяться как для обработки грунтов до и после их цементации, так и самостоятельно, в зависимости от характеристики разрабатываемой зоны и требований к укрепленному грунту.

Предварительно выбор инъекционных растворов следует осуществлять в соответствии

срекомендациями СП 32–105 [42, табл. 6.7.3.4 и 6.7.3.5].

2.4.3.Основные технологические схемы

иметоды инъекционного закрепления грунтов

Взависимости от инженерно-геологических условий возможны следующие варианты вскрытия скважинами упрочняемых участков (рис. 2.26).

На рис. 2.26: I вариант. Бурение последующих заходок начинают после окончания инъекционных работ предыдущих заходок скважин.

II вариант. Каждую скважину бурят отдельными заходками на всю длину с предварительной инъекцией каждой заходки.

III вариант. В отличие от варианта II длины заходок на последующих скважинах увеличивают сообразно с уменьшением проницаемости (водопоглощения скважин) упрочняемого массива за счет упрочнения грунтов через предыдущие скважины. Оптимальную длину заходок назначают в зависимости от поглощающей способности скважин и производительности средств нагнетания. Водопоглощение скважины (заходки) определяют в процессе ее бурения по поглощению промывочной жидкости при начальном давлении нагнетания укрепляющего раствора.

Рис. 2.26. Варианты вскрытия скважинами упрочняемого участка:

—бурение по породе и нагнетание;

—разбуривание заинъекционного участка скважины

Бурение прекращают и начинают инъекцию укрепляющего раствора при величине водопоглощения, равной расходу промывочной жидкости в скважину.

В общем случае принимают одну из следующих схем расположения инъекционных скважин (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Схема расположения инъекционных скважин:

а— параллельное; б — радиально-тангенциальное;

в— радиальное; г — из опережающей выработки

При этом схема а предполагает бурение скважин из буровой инъекционной камеры выше контура основного тоннеля. Для повышения прочности грунта в инъекционные скважины устанавливают арматуру или перфорированные трубы.

При схеме б инъекционные скважины бурят из забоя по контуру в радиальном и тангенциальном направлениях с выходом забоя скважин на 0,5–1 м за контур. Эта схема обеспечивает инъецирование грунтов с беспорядочной трещиноватостью. Схему б, как и схему а, целесообразно применять в зонах геологических нарушений, представленных трещиноватыми грунтами протяженностью до 30–35 м.

Схема в предполагает бурение инъекционных скважин по всей площади забоя, в протяженных зонах, представленных меланитизированными грунтами с большим водопритоком.

Схема г предполагает бурение инъекционных скважин из опережающей разведочной штольни в направлении основного тоннеля.

Взависимости от инженерно-геологических условий обводненных участков и зон нарушений при строительстве тоннелей работы по инъецированию укрепляющих растворы можно осуществлять следующими методами (рис. 2.28):

— инъекция заходками через пакерующие устройства;

— инъекция через манжетную колонну;

— инъекция через буровой став.

Инъекция через пакерующие устройства выполняется в случае, когда работы ведутся отдельными заходками от забоя скважины к устью. Для выделения инъекционных заходок применяют пакерующие устройства-тампоны (см. рис. 2.28, д). Толщу грунтового массива инъецируют, перемещая тампон по мере выполнения работ в заходке.

Применяют два способа инъекции грунтового массива; заходками в восходящем и в нисходящем порядке. В первом случае скважину бурят на полную глубину, а инъекцию осуществляют отдельными заходками от забоя скважины к устью. Этот способ с точки зрения организации работ наиболее удобный, так как позволяет значительно снизить стоимость инъекционных работ за счет исключения операций по разбуриванию скважин на ранее укрепленных участках.

Применение этого метода возможно при упорядоченной трещиноватости и отсутствии в инъецируемой зоне трещин и пустот, по которым раствор может выносить в скважину за пакером, что может привести к потере скважины.

При хаотическом расположении трещин инъекцию грунтового массива выполняют нисходящими заходками, т.е. скважину бурят на глубину первой заходки, определяют удельное водопоглощение и инъецируют. Затем скважину разбуривают в пределах заинъецированной зоны и бурят на глубину второй заходки и т.д.

Вэтом случае нет необходимости устанавливать пакер на границе каждой заходки, и его устанавливают в устье скважины.

Достоинством такого способа инъекции являются: простота операций по герметизации устьев скважин, высокое качество инъекционных работ, благодаря многократной цементации ближайших

кзабою зон, возможность инъецирования при больших давлениях, так как предохранительный грунтовой целик увеличивается по мере упрочнения каждой последующей заходки.

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рис. 2.28. Методы обработки грунтов и обустройство скважин:

а— конструкция скважины; б — бурение с промывкой водой; в — бурение

снисходящей инъекцией; г — инъекция через кондуктор; д — инъекция через пакер; е — инъекция через манжетную колонну

Перспективной для случая укрепления неоднородных несвязных грунтов является технология инъецирования через манжетные колонны (см. рис. 2.28, е). Эта технология, впервые разработанная французской фирмой Soletanche, получила распространение во всем мире. Заключается она в обработке связующими композициями массива грунта через систему длинных (более 10 м) скважин, оборудованных сборными трубами (колоннами). Трубы по длине с определенным интервалом имеют отверстия, перекрытые с внешней стороны манжетами. Устройство труб позволяет проводить инъекцию связующих композиций на строго определенном уровне скважины [Транспортное строительство. 1992. № 3. С. 17–19].

Инъекция через манжетные колонны позволяет:

—обрабатывать зону несвязных грунтов короткими (до 0,2 м) участками, что обеспечивает более равномерное распространение связующей композиции вдоль скважины;

—применять на каждом участке лучший для данных условий вид связующей композиции, что влияет на экономические показатели работы;

—повторять сколько угодно раз обработку любого участка грунта, что гарантирует высокое качество работы;

—разделить операции бурения скважин и инъекции связующих композиций, что увеличивает темпы проведения работ.

На практике обычно применяют манжетные колонны с поперечными диафрагмами или с двойным тампоном.

Манжетная ко-лонна с попереч-ными диафрагмами представляет собой сборную перфорированную трубу (рис. 2.29), секции которой отделены одна от другой диафрагмами та-ким образом, что инъекция связую-щей композиции в последующий участок грунта требует разрушения диафрагмы между граничащими секциями. Через манжетную колонну такой конструкции можно проводить лишь последовательную обработку участков грунта от забоя выработки.

Более уникальной является конструкция манжетной колонны с двойным тампоном (рис. 2.30).

3

Рис. 2.30. Манжетная колона с двойным тампоном:

1 — скважина; 2 — обойменный бетон; 3 — соединительные муфты; 4 — манжетная колона; 5 — резиновая манжета; 6 — обтюратор; 7 — связующая композиция

Вней внутри сборной перфорированной трубы свободно перемещается обтюратор, тампоны которого предотвращают прорыв связующей композиции за границы обрабатываемого участка грунта. Нагнетание связующей композиции через такую колонну может начинаться после установки тампонов против очередной манжеты. Преимуществом манжетной колонны с двойным тампоном перед колонной с поперечными диафрагмами является возможность произвольного выбора последовательности обработки участков грунта повторение инъекции сколько угодно раз на любом уровне скважины.

Манжетные колонны устанавливают после забуривания скважин на проектную глубину. Пространство между трубой и стенками скважины заполняют цементной или глиноцементной суспензией. После схватывания суспензии образуется обойма, надежно связующая трубу с грунтом. Инъекция связующей композиции производится путем разрыва обоймы на заданном уровне скважины.

Укрепление грунтов при помощи манжетных колонн является весьма сложным делом, которое требует точности выбора материалов и правильности назначения параметров конструкции колонн, определения режимов инъецирования, а также высокой квалификации операторов.

Вобщем случае инъецирование укрепляющих растворов через манжетную колонну осуществляется следующим способом:

а) под глинистым раствором через превентор бурят на проектную длину инъекционную скважину;

б) в скважину устанавливают манжетную колонну, которая представляет собой трубу, перфорированную отверстиями через 0,3–0,5 м и закрытыми резиновыми манжетами;

в) в манжетную колонну опускают двойной тампон, который устанавливают против нижней манжеты;

г) через двойной тампон по инъекционной колонне нагнетают обойменный бетон, который через манжеты выходит в затрубное пространство и вытесняет промывочный раствор;

д) после заполнения обойменным бетоном скважину оставляют на суточную выдержку, а манжетную колонну промывают;

е) после набора прочности схватывающего обойменного бетона 1–1,5 МПа начинают проводить нагнетание укрепляющего раствора.

Инъецируют укрепляющий раствор с помощью того же специального тампона, который последовательно устанавливают против каждой манжеты, и раствор, разрывая под давлением бетонную обойму, проникает в грунт. Инъецирование через манжеты осуществляют последовательно от забойной к устьевой манжете. Количество раствора, необходимое для укрепления грунта через каждую манжету, определяют в зависимости от типа раствора и характеристики грунтов.

После проведения инъецирования манжетную колонну промывают, что позволяет при необходимости провести повторное нагнетание укрепляющего раствора.

Количество и размер отверстий в секциях манжетной колонны определяют из гидравлических расчетов. Обычно в каждой секции колонны устраивают от двух до четырех отверстий диаметром 46 мм.

В значительной степени эффективность инъекции через манжетные колонны определяется выбором материала манжет, перекрывающих отверстия в секциях. Манжеты на отверстиях предохраняют колонну от закупорки цементной суспензией при устройстве обоймы и, главным образом, срабатывают как клапаны во время инъекции связующих композиций. При устройстве манжет необходимо следить за их герметичным прилеганием к отверстиям. Следует учитывать, что манжета, находящаяся на участке крепких скальных грунтов или заделанная в весьма прочную обойму, не срабатывает, если искусственным путем не повысить упругий отпор массива и обоймы. Одним из общепринятых приемов повышения упругого отпора является обустройство манжеты толстым слоем пористой резины.

Последней, весьма важной подготовительной операцией перед началом инъекции связующих композиций является устройство обоймы. На этом этапе необходимо произвести правильный выбор состава обойменного бетона и метода заполнения им кольцевого зазора.

Состав обойменного бетона устанавливают только опытным путем. Если бетон имеет слишком большую прочность (более 6 МПа), то разрыва обоймы может не произойти и скважина останется полностью или частично необработанной. Наоборот, в случае недостаточной прочности бетона (менее 1 МПа) вследствие пластичности обоймы может происходить передвижение связующей композиции вдоль колонны, что также приводит к резкому снижению эффективности укрепления грунта или полной остановке процесса из-за выхода композиции на поверхность. В первом приближении для устройства обоймы рекомендуется использовать глиноцементную суспензию следующего состава (в частях по массе): портландцемент М400–100; бетонитовая глина — 25–40, вода — 35–45; раствор силиката натрия — 1–5.

При правильно подобранном составе бетона инъекцию связующей композиции можно начинать через 8–12 ч после устройства обоймы.

Устройство обоймы в зависимости от конструкции манжетной колонны производят через обсадные трубы во время их извлечения, манжетную колонну (при применении колонны с тампонами) или посредством дополнительной трубы, расположенной параллельно колонне на ее поверхности. Метод устройства обоймы должен предотвращать обрушение стенок скважины и цементацию грунта вокруг нее. Повышенное (более 1 МПа) давление нагнетания обойменного бетона в скважину может привести к образованию обоймы большой толщины из-за обрушения стенок скважины или частичной цементации грунта вокруг нее, а это сопровождается трудностями при разрыве обоймы.

Заключительным и наиболее ответственным этапом работы является инъекция связующих композиций. В этом случае эффективность укрепления во многом будет зависеть от квалификации операторов и от искусства управления ими процессом.

Прежде всего по данным геологических и гидрогеологических изысканий определяют последовательность обработки зон грунта вдоль скважин. Как правило, первичной обработке подлежат зоны наиболее проницаемого грунта, в которые методом последовательных попыток инъецируют сначала суспензии, например цементные или глиноцементные, затем коллоидные силикатные растворы и далее, по мере необходимости, растворы на основе синтетических смол. После этого инъекцию связующих композиций продолжают в любой установленной последовательности, обеспечивающей минимальные трудозатраты и время технологического цикла.

Процессом инъецирования управляет оператор, используя диаграмму «расход – давление». Инъекцию через буровой став (рис. 2.31) выполняют в том случае, когда стенки скважин

неустойчивы и не позволяют установить нагнетательную арматуру. Нагнетают раствор одновременно с бурением небольшими заходками 0,3–0,5 м по следующему циклу: бурение – инъекция – промывка и т.д. Во избежание попадания частиц грунта в буровой снаряд в период смены режимов (промывка – нагнетание) он оборудуется обратным клапаном. Во избежание выхода инъекционного раствора на забой устье скважины оборудуют превентором.

Указанный метод позволяет осуществлять инъекционные работы в неустойчивых водонасыщенных грунтах.

Применение этого метода требует особого внимания, так как возможен прихват бурового инструмента в скважине, поэтому предельную глубину устанавливают в процессе опытных нагнетаний.

Рис. 2.31. Устройство для нагнетания раствора через буровой став: 1 — буровая штанга; 2 — муфта; 3 — шаровой клапан;

4 — пружина; 5 — буровая головка

Набор оборудования для приготовления инъекционных растворов регламентируется объемами работ и составом растворов. Многокомпонентные растворы приготавливают в зависимости от конкретных условий в передвижных или стационарных растворосмесительных установках.

Нагнетание инъекционного раствора следует производить зажимным способом при использовании насосов с регулируемым приводом или полуциркулярным при использовании насосов с нерегулируемым приводом.

При зажимном способе весь нагнетаемый насосом раствор (за исключением технологических потерь) поступает в грунт, а изменение расхода раствора производится путем изменения подачи насоса.

При полуциркулярном способе часть раствора из насоса возвращается в расходную емкость, не поступая в грунт.

Нагнетание проводится в зависимости от применяемых растворов по одно- и двухкомпонетной схеме инъекции (рис. 2.32).

По однокомпонетной схеме инъекционный раствор нагнетают одним насосом по раствороводу в скважину. Все необходимые компоненты добавляют в расходную мешалку (емкость) непосредственно перед нагнетанием.

По двухкомпонентной схеме инъекционный раствор нагнетают двумя насосами (двумя камерами) по двум раствороводам в одну скважину (компоненты «А» и «Б» смешивают в устье гидравлического смесителя). При инъекции цементно-силикатных растворов одним насосом нагнетают цементный (цементно-бентонитовый) раствор, вторым насосом — силикат натрия, при инъекции силикатных растворов одним насосом подается раствор силиката натрия, вторым — раствор отвердителя и т.п.

а)

б)

в)

Рис. 2.32. Схемы растворных узлов для приготовления

инагнетания инъекционных растворов:

а— стационарный узел для приготовления растворов на основе цемента

иглин; б — промежуточный для случаев значительного удаления растворного узла от забоя; в — призабойный для приготовления

суспензионных и химических растворов; 1 — шнековый конвейер; 2 — бункер-дозатор бентонита; 3 — бункер-дозатор воды; 4 — бункер-дозатор раствора; 5 — бункер-дозатор цемента; 6

— растворосмеситель; 7 — растворонакопитель; 8 — однокомпонентный насос; 9 — запорная

арматура; 10 — двухкомпонентный насос; 11 — манолет; 12 — самописец давления и расхода; 13 — гидравлический смеситель; 14 — скважина

Начальное давление нагнетания раствора Pc должно назначаться, исходя из конкретных инженерно-геологических условий, главным образом величины гидростатического напора подземных вод Pг:

Давление отказа нагнетаемого раствора для инъецируемой зоны определяется на стадии опытных работ, на основании данных инъекционных работ в аналогичных условиях и применяется равным 5–6 МПа для обеспечения водопроницаемости и 8–18 МПа при укреплении грунтов.

2.4.4. Проектирование, организация и производство работ

Все способы инъекционного закрепления грунтов включают в себя две основные части: общестроительную и специальную — технологическую.

Вне зависимости от того, раздельно или совместно разрабатываются эти части, проект должен содержать следующие проработки, решения, данные и материалы:

а) технико-экономическое обоснование выбора инъекционного закрепления грунтов; б) обоснованное решение о назначении типа (вида) основания, фундаментов или других

заглубленных конструкций из закрепленных грунтов; в) масштабные инженерно-геологические планы и разрезы с нанесением обоснованных

расчетом контуров и указанием расчетных размеров закрепленных массивов, требованиям к прочностным деформационным и другим свойствам закрепленных грунтов;

г) обоснованные расчетом данные об объемах закрепленных грунтовых массивов и общем количестве необходимых для выполнения работ материалов;

д) точные данные о пространственном расположении в закрепляемых массивах инъекторов или инъекционных и контрольных скважин в плане и по глубине (вертикальные, наклонные, горизонтальные) с указанием их глубин, наклонов, диаметров скважин и о допускаемых отклонениях по направлениям, а также о местоположении единичных инъекций (заходок) по глубинам;

е) данные о номенклатуре, характеристиках и количестве необходимых для выполнения работ механизмов и оборудования (бурового, забивного, насосного, инъекционного, компрессорного, емкостей и др.);

ж) обоснованные расчетами решения по режиму процесса закрепления (удельные расходы при нагнетании закрепляющих реагентов, величины давлений при нагнетании, ожидаемая производительность инъекционных работ, температура нагнетаемых растворов);

и) строительный генплан с нанесением на него расположения транспортных путей, сетей водоснабжения, теплоснабжения, канализации, электроснабжения и освещения, растворного узла и растворопроводов, складов для материалов, а также иных временных построек и устройств, необходимых для выполнения работ; дополняющие генплан графики поступления на строительство материалов, специального оборудования и строительных машин и графиков потребности в рабочих кадрах;

к) технологические карты или схемы с описанием способов и технологической последовательности производимых работ, стоимостей, трудозатрат и потребностей в механизмах и материалах по этапам;

л) объемы работ по контрольному закреплению и указания по их выполнению; м) дополнительные указания к мероприятиям по контролю качества работ по

закреплению грунтов, технике безопасности, охране окружающей среды;

н) другие данные общестроительного характера (вспомогательные устройства, мероприятия при работах в зимних условиях, обеспечение рабочего персонала пассажирским транспортом и общественным питанием);

п) смета, калькуляция и единичные расценки; р) календарный план работ, в котором на основе объемов работ, технологии и наличия

механизмов и оборудования устанавливаются последовательность и сроки выполнения отдельных видов работ, календарно определяются потребности в трудовых и других ресурсах по срокам, а также сроки поставки отдельных видов оборудования и материалов.

Общестроительная часть проекта закрепления в силу ее общего характера может выполняться каждой проектной организацией профиля «Промышленные и гражданские сооружения». Специальная технологическая часть проекта может выполняться лишь специализированной проектной организацией или подразделением, имеющим специалистов по закреплению грунтов и опыт проектирования таких мероприятий.

Работы по проектированию инъекционного закрепления грунтов выполняют в следующем порядке. Общестроительную часть проектирования начинают с техникоэкономического анализа вероятных способов технического решения данной конкретной строительной задачи и в случае выбора закрепления грунтов составляют соответствующее обоснование выбора этого решения в качестве оптимального. Затем в соответствии с решаемой задачей выбирают тот или иной тип или вид заглубленных устройств из закрепленных грунтов, назначают конструктивную схему закрепления и расчетом определяют местоположение и размеры создаваемых закрепленных массивов и устанавливают соответствующие технические требования к закрепленным грунтам.

Далее в порядке специального технологического проектирования делают выбор конкретного способа закрепления, которым определяются особенности технологии и состав необходимых материалов.

Инъекционные работы должны сопровождаться лабораторными исследованиями, обеспечивающими выбор исходных материалов для приготовления растворов, определения их реологических и физико-механических характеристик.

При проведении инъекционных работ их параметры следует корректировать в зависимости от изменений геологических и гидрогеологических характеристик грунтов, пересекаемых в процессе ведения работ.

Работы по закреплению грунтов следует проводить в соответствии с ППР, в котором отражаются:

схема размещения инъекторов или скважин в забое выработки или на земной поверхности;

схема размещения оборудования;

технологические схемы режимов бурения скважин (в скальных грунтах); способы приготовления инъекционных растворов и их инъекции; спецификация материалов; техника безопасности и производственной санитарии при проведении работ.

Работы рекомендуется проводить круглосуточно.

Работы по укреплению грунтов должны выполняться специализированным строительным участком, имеющим в своем составе несколько звеньев по бурению скважин или забивке инъекторов, по проведению инъекции, а также лабораторию.

Производители работ должны оснащаться полным комплектом технологического оборудования, запасными частями и резервным оборудованием, электроэнергией, водой и сжатым воздухом от источников, используемых при проходке тоннельной или иной выработки.

В процессе инъекционных работ следует вести общий журнал работ, журнал буровых работ или забивки скважин, нагнетания растворов, лабораторных исследований физикомеханических свойств грунтов и контроля качества инъекционных растворов.

При обнаружении инженерно-геологических условий, отличающихся от данных в проектной документации, но не требующих ее переработки, а также в случае изменения