книги / Строительство подземных сооружений в городах

Рис. 4.3. Схема низкотемпературного (азотного) замораживания: 1 — подводящая трубка; 2 — трубка для отвода испарившегося азота; 3 — стальной оголовок замораживающей колонки.

Способ низкотемпературного замораживания с применением жидкого азота обладает рядом преимуществ в сравнении с обычным (рассольным) замораживанием. При замораживании жидким азотом не нужны замораживающие станции, а также сети трубопроводов. Доставленный на стройплощадку жидкий азот из цистерн пускают сразу в замораживающие колонки. Скорость замораживания увеличивается, что особенно важно при больших скоростях фильтрации грунтовых вод, а также при поступлении термальных и минерализованных вод.

Доставляют жидкий азот в смонтированных на автомобилях цистернах вместимостью 1200, 3000 и 5000 л. На замораживание 1 м3 грунта с содержанием воды до 30% расходуется 1000 л жидкого азота. Жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен, нетоксичен и недорог.

При низкотемпературном замораживании замораживающие колонки соединяют последовательно в одну систему. Жидкий азот поступает во внутреннюю (питающую) трубу первой замораживающей колонки. В кольцевом пространстве колонки жидкий азот испаряется и в газообразном состоянии поднимается к оголовку колонки, откуда затем по трубопроводу поступает в питающую трубу соседней колонки и т. д. (рис. 85). Из последней колонки системы он поступает в атмосферу при температуре около

— 40градусов С.

Применение технологии низкотемпературного замораживания эффективно при ликвидации прорывов воды и плывунов в горные выработки, а также при выполнении срочных работ в водоносных грунтах.

111

Искусственное замораживание является универсальным средством стабилизации грунтов и обеспечения возможности ведения работ в водоносных породах. В то же время оно имеет ряд недостатков. Пучение обводненных грунтов вследствие увеличения их объема при замораживании и осадка при оттаивании может приводить к деформациям поверхностных сооружений, под которыми ведутся работы по замораживанию, особенно если они выполняются на небольшой глубине. Подготовительные работы сложны, а сам процесс замораживания длителен, стоимость таких работ довольно высока.

Совмещенное применение замораживания и водопонижения позволяет осушить грунт в котловане, огражденном замкнутой водонепроницаемой ледогрунтовой стеной.

4.2. Искусственное понижение уровня грунтовых вод

Водопонижение на строительстве метрополитенов применяют при строительстве сооружений, возводимых открытым способом, при проходке станционных и перегонных тоннелей закрытым способом, при строительстве стволов шахт, а также выполнении различных работ, сопутствующих сооружению тоннелей метрополитена (перекладка коммуникаций, подводка или укрепление фундаментов и др.).

Для водопонижения применяют: легкие иглофильтровые установки, эжекторные иглофильтры, установки вакуумного и забойного водопонижения, а также глубинные насосы, устанавливаемые в водопонижающие скважины.

Сущность метода водопонижения основывается на том, что при откачке грунтовых вод, поступающих в скважину, котлован или подземную выработку, поверхность воды в грунте приобретает воронкообразную форму с уклоном к месту откачки (рис. 4.4.). Воронкообразную (пониженную) поверхность грунтовых вод

откачки уровень грунтовых вод восстанавливается. Целью водопонижения является

112

Рис. 4.4. Схема водопонижения:

а - одной скважиной; б - двумя скважинами при водоупоре ниже дна котлована;

в- то же на уровне дна котлована;

1- контур котлована под строящееся сооружение; 2 - водопонижающая скважина; 3 - сухой грунт, находящийся выше уровня грунтовых вод (УГВ);

4 - депрессионная воронка (осушенный водопонижением грунт)

5 - поверхность депрессии; 6 - обводненный грунт;

7 — погружной насос; 8 — водоупорный слой;

h — максимальная высота остаточного слоя воды, снимаемого открытым водоотливом.

113

Однако в ряде случаев (например, когда близко под дном котлована залегают

размеры осушаемой зоны в грунте, способы производства горнопроходческих или строительных работ, продолжительность водопонижения, характеристики имеющихся технических средств водопонижения.

Водопонижающие скважины бурят за пределами контура возводимых конструкций. Их расположение в плане зависит от размеров сооружения, а также от гидрогеологических характеристик грунтов и может быть: линейным (в один или несколько рядов по прямой линии, например, при проходке перегонных тоннелей), контурным (по контуру, огибающему сооружение, например, котлован, для сооружения станции метрополитена открытого способа работ), кольцевым (например, при проходке шахтных стволов), комбинированным (например, когда при широких котлованах внутри контура водопонижающих скважин располагают еще один или несколько рядов таких же скважин).

4.3. Водопонижение с помощью легких иглофильтров

Этот способ основан на создании и поддержании вакуума самовсасывающими

50 мм и длиной до 8,5 м, соединенных герметично. В нижней части колонны имеется фильтровое звено, состоящее из двух труб: наружной, имеющей по всей поверхности равномерно распределенные отверстия, и внутренней, с открытым нижним концом. Наружная труба обматывается спиралью, поверх которой натягивается фильтрационная сетка. Звено заканчивается наконечником с шаровым клапаном. Каждый иглофильтр погружают в грунт с помощью гидроподмыва, используя давление струи воды.

Одним ярусом легких иглофильтров можно понизить уровень грунтовых вод до 4,5 м. Для понижения грунтовых вод на большую глубину применяют иглофильтры, которые располагают ярусами. Легкие иглофильтровые установки типа ЛИУ используют при разработке котлованов и траншей в грунтах с коэффициентом фильтрации до 1 м/сут.

114

4.4. Водопонижение с помощью эжекторных иглофильтров

Такие иглофильтры имеют специальное устройство для подъема воды — эжектор (водоструйный насос). Одним ярусом таких эжекторных иглофильтров

водоподъемник (эжектор) на трубе 2. Рабочая вода в эжектор подается по кольцевому

неблагоприятных геологических условиях бурят специальные скважины, в которые вставляют иглофильтры.

Эжекторные иглофильтровые установки применяются для водопонижения при разработке грунта котлованов и траншей глубиной до 10 - 12 м.

Рис. 4.5. Схема работы легкой иглофильтровой установки: 1 — насосный агрегат; 2 — иглофильтр; 3 — коллектор;

4 — фильтровая часть иглофильтра УГВ — уровень грунтовых вод.

115

Рис. 4.6. Схема действия эжекторного иглофильтра.

4.5. Вакуумный метод водопонижения

Метод основан на создании устойчивого вакуума на наружных поверхностях водоприемных устройств (фильтровых участках труб). Вакуумирование водонасыщенных грунтов применяют для усиления эффекта водопонижения в сложных гидрогеологических условиях — в грунтах с коэффициентами фильтрации 0,05— 2 м/сут, при малой водопроницаемости, низкой водоотдаче и неоднородном сложении грунтов, в частности при переслаивании водоносных и водоупорных слоев.

Вакуумирование достигается применением установок вакуумного водопонижения УВВ с обычным иглофильтром для понижения уровня грунтовых вод до глубины 6-7 м, эжекторными вакуумными водопонижающими установками ЭВВУ с вакуумными концентрическими скважинами, позволяющими вести врдополижение до глубины 20-22 м в переслаивающихся водоносных и водоупорных грунтах, и установками забойного водопонижения УЗВМ, предназначенными для осушения мелких и пылеватых песков в призабойной зоне при открытом и закрытом способах работ (рис. 4.7).

из иглофильтров. Вода откачивается водоводяным эжектором. Оба эжектора питаются рабочей водой, поступающей к ним от центробежного насоса. Для обеспечения устойчивой работы каждый из эжекторов может принимать на себя функции другого.

116

Рис. 4.7. Расположение установки забойного вакуумного водопонижения при сооружении перегонного тоннеля метрополитена:

I — иглофильтры; 2 — деревянное крепление груди забоя; 3 — рычаг для укладки тюбингов; 4 — тюбингоукладчик;

5 — тюбинговая обделка тоннеля; 6 — манометр; 7 — вакуумметр; 8 — водоструйный насос; 9 — манометр; 10 — циркуляционный бак;

II — дефлектор; 12 — сбрасывающий рукав; 13 — центробежный насос; 14 — электродвигатель; 15 — гибкий соединительный рукав; 6 — наращиваемое звено коллектора; 17 — откаточные пути;

18 — домкрат для передвижки тюбингоукладчнка; 19 — коллектор;

20 — породопогрузочная машина; 21 — передвижное звено пути.

4.6. Глубинное водопонижение

Этот способ основан на откачке воды из водоносных слоев с помощью глубинных центробежных насосов, устанавливаемых в водопонижающих скважинах, пробуренных вокруг будущей подземной выработки. В скважины опускают трубчатые фильтры на уровень водоносного горизонта, и затем буровые обсадные трубы извлекают из грунта, при этом создается непосредственный контакт фильтра с окружающим его грунтом. В результате откачки воды из скважины глубинным насосом образуется депрессионная воронка, внутри которой грунты в значительной степени осушаются. Глубинное водопонижение применяют при откачке воды с глубин более 20 м.

4.7. Укрепление грунтов способом цементации

Цементацию грунтов применяют при проходке стволов шахт, усилении оснований фундаментов существующих зданий, для водоподавления и создания

117

защитной цементной оболочки в грунте вокруг обделки сооруженного тоннеля. Процесс заключается в нагнетании под давлением через пробуренные скважины цементных, цементно-глинистых или глинисто-цементных растворов, которые заполняют трещины, пустоты и поры в грунтовом массиве, что приводит к ликвидации или резкому сокращению водопритока. Наилучший эффект цементация дает в трещиноватых скальных грунтах, в валунно-галечниковых отложениях и гравелистых грунтах при скорости движения грунтовых вод до 300 м/сут и удельном

выработки, и последующую, выполняемую после проходки и закрепления выработки с целью заполнения оставшихся пустот.

При цементации с поверхности (рис. 4.8, а) скважины располагают на расстоянии 2 - 2,5 м от стены будущей выработки. Расстояние между скважинами 2 - 3 м.

Глубина цементационных скважин зависит от размеров зоны цементации. Скважины бурят и породы цементируют в несколько приемов (зонами), в пределах

на расстоянии 0,5 - 1 м от крепи через 0,8 - 1,5 м одну от другой под углом.

Для приготовления цементационных растворов применяют растворосмесители, а нагнетание производят цементными растворонасосами. Применяют также передвижные (смонтированные на автомобилях) цементационные установки, оборудованные смесительными баками, гидравлическими цементомешалками, водяными и цементационными насосами.

Цементацию можно вести нисходящими заходками, когда бурение и нагнетание производят последовательно участками сверху вниз, и восходящими заходками, когда скважины бурят сразу на полную глубину, а раствор нагнетают с одновременным подъемом инъектора.

Очередность нагнетания раствора в скважины устанавливается проектом в зависимости от характера трещиноватости и водоносности пород. Цементацию заканчивают, когда удельное водопоглощение пород не превышает 0,05 л/мин на 1 м длины скважин

118

Рис. 4.8. Схема цементации грунтов перед проходкой ствола шахты:

а-с поверхности земли; б — из забоя ствола; 1 — контур ствола; 2 — цементационная скважина (заштрихована зона нагнетания уплотняющего слоя цементного раствора); 3 — растворомешалка; 4 — растворовасос; 5 — цементационный трубопровод; 6 — тампонная перемычка:

7 — обратный трубопровод (при циркуляционном способе нагнетания раствора).

4.8. Химическое закрепление грунтов

При строительстве метрополитенов химическими методами закрепляют грунты

с отвердителем или синтетической смолы с отвердителем или другими химическими инъекционными материалами. В первом случае процесс называют силикатизацией, во втором — смолизацией.

При силикатизации также широко используют цементно-силикатные

иглиносиликатные растворы в смеси с отвердителями.

Вкачестве отвердителей можно применять хлористый кальций, ортофосфорную, кремнефтористоводородную или щавелевую кислоту, алюминат натрия.

При смолизации используются водные растворы карбамидных смол с кислотными отвердителями.

119

Вид, концентрацию и рецептуру растворов выбирают в зависимости от физико­ механических свойств грунтов и гидрогеологических условий закрепляемого участка.

Силикатизацию (двух и однорастворную) и смолизацию можно использовать как способ постоянного закрепления грунтов оснований зданий и сооружений на весь период их эксплуатации. Эти способы эффективные в песчаных грунтах и трещиноватых скальных породах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут.

При двухрастворной силикатизации производят поочередное нагнетание через инъекторы силиката натрия (жидкого стекла) и раствора отвердителя (хлористого кальция).

Рис. 4.9. Вертикальный инъектор для закрепления грунтов

При однорастворной силикатизации одновременно нагнетают гелеобразующую смесь из раствора силиката натрия с отвердителем. По этой же технологии нагнетаются цементно-силикатные и глиносиликатные растворы, состоящие из смеси цемента или бентонитовых глин, силиката натрия.

В песчаных и других слабых грунтах инъекторы погружают в грунт ударами пневматических молотков или дизель-молотов копровых установок. В гравелистых, трещиноватых скальных грунтах инъекторы погружают в предварительно пробуренные скважины.

Инъектор для вертикального инъектирования (рис. 4.9.) представляет собой колонну стальных бесшовных труб 3. Нижняя часть инъектора состоит из конического наконечника 5 и участка цельнотянутой трубы 4, по периметру которой просверлены отверстия диаметром 3 мм, расположенные в шахматном порядке. От засорения грунтом отверстия защищены резиновыми клапанами. Верхняя труба имеет штуцер 2 для присоединения к нагнетательному шлангу и съемный наголовник / для восприятия ударов при погружении.

120