745

Рис. 3.7. Примеры устройств противофильтрационных завес:

а, б — защита строительных котлованов от затопления подземной водой; в — защита коллектора от притока подземной воды; г — предотвращение фильтрации воды в основании дамбы; д —

предотвращение инфильтрации воды из канала; е — устройство противофильтрационной завесы в месте

пересечения трассы трубопроводов; 1 — завеса; 2 — водоупор; 3 — шпунтовая стенка; 4 — распорки;

5 — коллектор; 6 — глиняное ядро; 7 — трубопровод

Несущие конструкции устраивают в виде сплошных стен или отдельно стоящих опор. Они могут применяться в качестве фундаментов зданий и сооружений, подпорных стен, для укрепления слабых оснований и откосов, стабилизации оползней, усиления фундаментов существующих сооружений и т.д. На рис. 3.8 показаны примеры выполнения несущих конструкций в грунте.

а)	б)

в)	г)

д)	е)

Рис. 3.8. Примеры устройства несущих конструкций в грунте:

а — столбчатые фундаменты; б — подпорная стенка; в — укрепление слабого основания; г — стабилизация оползня; д, е — усиление фундаментов существующего здания;

1 — несущий слой; 2 — возводимое здание; 3 — разрабатываемый объем грунта; 4 — отдельно стоящий фундамент; 5 — поверхность скольжения; 6 — кольцевая обойма; 7 — отдельно стоящие столбы;

8 — ленточный фундамент; 9 — скважина

В НИИОСП Госстроя СССР разработана также струйная технология устройства грунтовых анкеров — простая и надежная, не требующая применения сложного оборудования. Результаты проведенных в институте исследований, связанных с разработкой струйной технологии устройства противофильтрационных завес и несущих конструкций в грунте, могут быть использованы при устройстве грунтовых анкеров.

Сущность разработанной технологии заключается в следующем (рис. 3.9). В предварительно пробуренную направляющую скважину опускают струйный монитор вместе с анкерной тягой, имеющей на конце закрепленную анкерную плиту. Анкерную тягу размещают в расположенном внутри монитора по его продольной оси канала так, чтобы анкерная плита прилегала снаружи к нижнему торцу мониторной головки. Верх анкерной тяги на время опускания монитора в скважину закрепляют на мониторе.

Рис. 3.9. Схема устройства грунтового анкера:

I— опускание в скважину струйного монитора вместе с анкерной тягой; II — размыв стенок скважины; III — готовый грунтовый анкер;

1 — анкерная тяга; 2 — вертлюг; 3 — подводящий трубопровод; 4 — струйный монитор; 5 — головка струйного монитора; 6 — сопло; 7 — струя цементного молока; 8 — анкерная плита; 9 — корень грунтового анкера

После опускания монитора освобождают верх анкерной тяги и начинают нагнетание цементного молока через боковые сопла монитора. При этом происходит размыв стенок скважины с одновременным вращением монитора вокруг его продольной оси и перемещением вверх по скважине. Анкерная тяга остается на месте, постепенно высвобождаясь из монитора. Излив цементного молока осуществляется под защитой воздушной рубашки или без нее в зависимости от требующейся глубины размыва.

Цементное молоко, размывая стенки скважины и перемешиваясь с грунтом, образует корень анкера цилиндрической формы, по продольной оси которого проходит анкерная тяга, а в торце заделана анкерная плита. Размыв стенок скважины может производиться водяной струей, для чего струйный монитор оснащают дополнительным соплом, через которое подается раствор. В этом случае прочность материала корня анкера повышается и увеличивается экономическая эффективность технологии (благодаря уменьшению потерь цемента). Возможна также укладка песчаного или мелкофракционного бетона, а также фибробетона.

В связи с тем, что на механическое бурение направляющих скважин уходит до 80 % общего времени, целесообразно их устройство осуществлять путем размыва. Необходимую для этого воду можно подавать в забой по отдельному каналу, устроенному

в струйном мониторе, или по каналу, в котором размещается анкерная тяга. В последнем случае в анкерной плите, прикрывающей этот канал снизу, устраивают отверстия, внутренние очертания которых выполнены такими же, как у водяных сопел монитора.

Диаметр корня анкера в зависимости от вида грунта и используемого давления размыва колеблется от 100 до 200 см; в принципе он может достигать и большей величины, но ограничивающим фактором здесь является прочность материала на местное сжатие под анкерной плитой. Необходимая длина корня анкера определяется расчетом, причем корень анкера может доходить до поверхности земли.

Данная технология позволяет устраивать вертикальные и наклонные грунтовые анкеры (временные и постоянные) как до возведения основного сооружения, так и после. Следует ожидать, что струйная технология устройства грунтовых анкеров получит широкое распространение.

Крепление бортов глубоких котлованов всегда считалось одной из наиболее сложных задач подземного строительства. В последнее время актуальность задачи возросла в связи с увеличивающимся объемом строительства станций мелкого заложения и с появившимся и ежегодно растущим спросом на подземные многоуровневые автопаркинги, расположенные под строящимися жилыми домами. Особенно ярко это проявляется в таком крупнейшем мегаполисе, как Москва, где практически каждый элитный дом, строящийся в центральной части города, предусматривает подземную автостоянку, значительно повышающую финансовую привлекательность проекта для инвесторов [Метро-инвест. 2004. № 2. С. 12–15].

В качестве примера можно отметить работы по устройству ограждения котлована многоуровневой автостоянки на ул. Мытной в Москве, выполненные ЗАО «ИнжПроектСтрой» по проекту ООО «Инженерное бюро Юркевича». Для обеспечения устойчивости бортов проектной организацией было предусмотрено устройство вертикальных и наклонных свай (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Устройство вертикальных и наклонных свай

Устройство свай выполнялось технологическим комплексом в составе: буровая установка RАRТОР TWS/51400, миксерная станция МС-10 и цементировочный насос ТW351. Устройство свай диаметром 800–850 мм выполняли в технологическом режиме струйной цементации JET1 при давлении нагнетания цементного состава 400–450 атм.

Безаварийная разработка грунта в котловане подтвердила верность решений проектной организации, а также высокое качество выполненных строительных работ. Это обеспечило устойчивость бортов котлована без сооружения дополнительных расстрелов, подкосов, анкеров и др., а в последующем значительно облегчило выполнение бетонных работ в котловане.

Между тем строительство котлованов в условиях чрезвычайно плотной городской застройки имеет свои особенности. В первую очередь это касается невозможности

устройства ограждений котлованов с помощью забивки свай или металлического шпунта из-за негативного воздействия на фундаменты и стены близко расположенных зданий. Применение буронабивных свай значительно увеличивает продолжительность и стоимость строительства и не всегда обеспечивает водонепроницаемость стен котлована из-за расхождения свай на больших глубинах.

Наиболее сложной является ситуация, когда не удается заглубить буровые сваи в слой естественного водоупора.

Поскольку традиционное водопонижение в стесненных условиях может привести к аварийным осадкам соседних зданий, надежды возлагаются на малоэффективные инъекционные методы, предусматривающие нагнетание в днище котлована цементных составов и синтетических смол.

Комплексным решением этих проблем, на наш взгляд, является применение при строительстве котлованов струйной цементации грунтов, которая позволяет в обводненном грунтовом массиве сформировать слой искусственного водоупора из взаимосекущихся грунтоцементных свай (см. рис. 3.4).

Устройство горизонтальных завес стало эффективным с помощью данной технологии по нескольким причинам. Во-первых, она дает возможность сооружения грунтоцементных колонн в «утопленном» высотном положении. Для этого в процессе прямого хода бурят скважину до проектной отметки подошвы ПФЗ, включают высоконапорную подачу цементного раствора и начинают подъем буровой колонны с одновременным ее вращением. При достижении проектной отметки кровли ПФЗ подачу цементного раствора прекращают, а буровой инструмент извлекают на поверхность. Вторым преимуществом технологии является возможность создания сплошных грунтовых массивов, состоящих из взаимно секущихся грунтоцементных колонн. Для этого устройство сплошного тела завесы разбивают на этапы. Например, при двух этапах устройство колонн выполняют не подряд, а через одну колонну. После твердения грунтоцемента возвращаются к началу участка и проводят устройство пропущенных колонн. В этом случае струя цементного раствора «сканирует» поверхность ранее выполненных колонн, обеспечивая абсолютно полное примыкание к ним новой колонны. Схема, иллюстрирующая сущность технологии и порядок устройства колонн, показана на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Технология и порядок устройства колонн

Устройство горизонтальных противофильтрационных завес (ПФЗ) может выполняться как с дневной поверхности строительной площадки, так и с промежуточной отметки пионерного котлована. Глубина пионерного котлована ограничивается уровнем грунтовых вод. Последнее решение не только резко сокращает общий объем бурения, но и существенно его облегчает, так как в этом случае удаляется верхний слой грунта, содержащий остатки старых фундаментов, строительный мусор и т.п.

Толщина завесы определяется из условия, что вес тела завесы должен быть равен силе давления грунтовой воды на подошву завесы. При недостаточной толщине завесу располагают так, чтобы над ней оставался пригруз из слоя грунта.

При проектировании параметров свай особое внимание должно уделяться определению шага свай B = ID, 0 < I < 1. Так как при бурении происходит отклонение оси свай от вертикали, то возможно появление областей, не перекрытых сваями, что приведет к поступлению воды в котлован.

График для определения предельной глубины котлована для свай диаметром 700 мм, устраиваемых по однокомпонентной технологии Jet1 (с применением только струи из цементного состава) и свай диаметром 1500 мм, устраиваемых по двухкомпонентной технологии Jet2 (цементный состав, сжатый воздух), представлен на рис. 3.12. Анализ графика показывает, что однокомпонентная технология может быть использована только для сравнительно неглубоких котлованов. В большинстве случаев целесообразным является применение технологии Jet2, которая не только обеспечивает необходимую водонепроницаемость, но и в 4–6 раз позволяет снизить объем буровых работ, а следовательно, время и стоимость устройства противофильтрационной завесы.

Заслуживает внимания опыт применения струйной технологии в г. Казани.

Трасса первых двух перегонных тоннелей от ст. «Площадь Тукая» до ст. «Суконная слобода» Казанского метрополитена проходит по центральной плотно застроенной части города.

Строительство тоннелей осуществляется в сложных горно-геологических условиях. Вмещающие грунты представлены пылеватыми и мелкозернистыми песками в водонасыщенном состоянии. В подобных условиях практически любое сдвижение грунтового массива, сопровождающее подземные работы, могло привести к осадкам зданий, которые расположены в непосредственной близости от трассы тоннеля. Именно по этой причине МУП «Казметрострой» применяет один из самых современных проходческих комплексов — щит фирмы «LOVAT» с грунтовым пригрузом забоя, обеспечивающим минимальное сдвижение земной поверхности.

Шаг расположения свай I, м

Рис. 3.12. Предельная глубина устройства горизонтальной завесы в зависимости от шага свай при различных отклонениях оси сваи от вертикали

Хотя трасса тоннелей проложена вдоль центральной улицы на безопасном расстоянии от большинства зданий, при подходе к приемному котловану не удалось обойти здание банка «Татарстан» Сбербанка РФ, играющего значительную роль в финансовой жизни столицы Татарстана. Тоннель должен был пройти в непосредственной близости от фундаментов здания (в плане левая граница тоннеля попадала в пятно здания) с подработкой грунтов в его основании. В данной ситуации Управление строительства

метрополитена приняло решение о проведении дополнительных мероприятий по обеспечению безопасного состояния здания. Это обосновывалось тем, что в слабых и обводненных грунтах даже незначительное сдвижение грунтового массива могло привести к аварийным осадкам фундамента и разрушению здания банка.

Для его укрепления было решено использовать идею подведения под фундамент дополнительных свай, устраиваемых по струйной технологии (сваи ССТ). Длина свай была выбрана из условия, чтобы их подошвы находилась ниже уровня лотка тоннеля. При таком варианте даже в случае аварийной ситуации — переборе грунта и подработке основания фундаментов — новые фундаменты из свай ССТ должны были принять всю нагрузку от веса здания. Проектирование и выполнение работ по устройству свай ССТ было поручено специализированному строительному предприятию «РЕГИОН» (г. Пермь), обладающему необходимым технологическим оборудованием и, главное, практическим опытом производства подобных работ.

Разработанный проект включал устройство одного основного ряда свай глубиной 12 м, двух рядов дополнительных коротких свай с целью увеличения изгибной прочности свайных кустов, а также предварительное компенсационное нагнетание цементного раствора под подошву фундамента через сеть инъекционных труб с манжетами с целью устранения возможных осадок здания в процессе устройства грунтоцементных свай (рис. 3.13).

На первом этапе работ производили нагнетание цементного состава в грунтовое основание здания для заполнения пор и пустот, образовавшихся при искусственном понижении УГВ вблизи площадки строительства котлована. В результате под фундаментной плитой здания был сформирован искусственный геомассив мощностью до 3 м, который впоследствии обеспечил надежный контакт между сваями и фундаментной плитой здания.

На втором этапе выполняли непосредственно устройство свай ССТ по технологии струйной цементации грунтов. Бурение лидерных скважин производили буровой установкой BERETTA T43 (Италия), нагнетание цементного состава — цементировочным трехплунжерным насосом GEOASTRA5T302 (Италия) под давлением 45–50 МПа. Цементный раствор с водоцементным соотношением В:Ц = 0,9 готовили в миксерной станции СКПР55ОО производительностью 5,5 м3/ч. При этом использовали добавки-пластификаторы и добавки, уменьшающие усадку раствора в процессе твердения скрепляющего состава.

Рис. 3.13. Проектное решение по укреплению фундамента здания

После окончания работ по укреплению фундаментов здания МУП «Казметрострой» был пройден тоннель на участке расположения здания и проведен тщательный осмотр всех маяков, установленных ранее на стенах здания. Он показал, что ни на одном из них не появилось даже мельчайшей трещины. Это подтвердило правильность проектного решения — об экономичной и технологичной эффективности струйной цементации грунтов для обеспечения безопасного состояния зданий при проходке тоннелей метрополитенов.

Применение струйной цементации грунтов для решения данной задачи было выполнено в России впервые.

Струйные аппараты широко применяются также и для решения других задач: очистки зумпфов, главного водоотлива, водосборников и т.п. [Транспортное строительство. 1987. № 10. С. 17–20].

В частности, на рис. 3.14 представлена схема гидроэлеваторной очистки песколовок насосной главного водоотлива, реализованная в тоннельном отряде № 19. Песколовка представляет собой коническую вертикальную выработку, сооруженную на входе в водосборник, предназначенную для осаждения в ней поступающих с водой взвесей и защищающую от заиливания основную водосборную емкость и колодцы насосов.

Питание установки производилось от насоса ЦНС 300×360 главного водоотлива (гидроэлеватор отбирал часть воды, а остальная откачивалась на поверхность), высокие энергетические возможности которого позволили смонтировать гидроэлеватор за пределами песколовки. При этом длина всасывающей части увеличилась до 25–30 м при геодезической высоте всасывания 5–6 м. Помимо относительно высоких потерь во всасывающем трубопроводе он чаще забивается щепой и продуктами химического закрепления, хотя открытая установка гидроэлеватора обеспечивает полную доступность к шлангам.

Выдача шлама производилась в шахтный вагон ВПК-7, уплотненный со стороны разгрузочного борта.

На рис. 3.15 представлена технологическая схема использования струйных аппаратов на щитовых горнопроходческих комплексах «Wirth», примененная в тоннельных отрядах № 21 и 22.

Необходимость здесь струйных аппаратов вызвана тем, что через отверстия ротора выносится значительное количество шлама различной крупности, пропорциональное притоку воды. Этим существенно усложняется установка очередного лоткового блока. Ручная очистка пространства под него при наличии воды весьма трудоемка и малопроизводительна. При аварийных выносах материала из зон разломов и тектонических нарушений положение усугубляется, и очистка рабочего пространства под комплексом превращается в тяжелую необходимость.

Рис. 3.14. Технологическая схема очистки песколовки главного водоотлива: 1 — песколовка; 2 — задвижка; 3 — гидроэлеватор; 4 — вагон ВПК-7

Рис. 3.15. Технологическая схема использования струйных аппаратов на щитовых горно-проходческих комплексах:

1 — насос; 2 — напорный состав; 3 — перегружатель комплекса; 4 — вагон ВПК-7; 5 — выдачной став гидроэлеватора; 6

— вагон УВГ-2,5; 7 — выдачной став пневмоэлеватора; 8 — прямоточный гидроэлеватор; 9 — загрузочная емкость пневмоэлеватора; 10 — воздуховод; 11 — пневмоэлеватор

Именно в такой ситуации в зоне домкратов горно-проход-ческого комплекса тоннельного отряда № 21 был установлен пневмоэлеватор с горловиной диаметром 64 мм. Несмотря на значительный вакуум, пневмоаппарат обеспечивал самовсасывание материала на удалении не более 90–120 мм от среза всасывающего устройства, что вынудило персонал установить на всасывающей части емкость 9 с откидной верхней решеткой, через которую материал вручную загружался в аппарат и по ставу 7 разгружался в вагон УГВ-2,5, расположенный на расстоянии 3–5 м. Несмотря на то, что достигнутая производительность погрузки при этом не превышала 5–7 м3 в смену, а ручной работы избежать, в сущности, не удалось, облегчение труда было бесспорным хотя бы за счет того, что исключились перегрузки и материал не надо было поднимать лопатой через борт вагона.

Таким образом, гидроэлеваторная очистка под горно-проход-ческими комплексами легко вписалась в основной технологический процесс проходки разведочно-дренажной штольни и может осуществляться в одном темпе с ним или независимо от него, но, главное, не создает ему помех и обеспечивает определенные резервы на случаи интенсивных выносов песчано-шламовых материалов из зон нарушений.

Значительные сложности при строительстве тоннеля вызывала очистка лотка межшпального пространства разведочно-дренажной штольни, принимающей приток и выносы шламовых материалов не только от своего забоя, но и из забоев тоннеля. При больших длинах зашламленной части штольни (порядка нескольких километров) и притоках, полностью не перехватываемых транзитными насосными станциями и частично

направляемых на порталы по штольне, ее очистка становилась весьма проблематичной, поскольку единовременно организовать интенсивную очистку штольни на всей длине было практически невозможно, а результаты очистки отдельных зон, если их столь же интенсивно не расширять, довольно скоро уничтожались новыми выносами.

Возможности использования здесь гидроэлеваторных установок тоже ограничены по меньшей мере двумя факторами. Во-первых, предусмотренные проектом трубопроводы подачи чистой воды в забой на охлаждение ротора с трудом обеспечивают его потребности и тем более не предусматривают отбора воды для гидроэлеваторов. Питание гидроэлеватора от отдельного передвижного насоса с забором воды непосредственно из лотка очищенной стороны штольни осложняется отсутствием насосов, способных нормально работать на загрязненной воде. С другой стороны, ограничиваются и возможности длительного (в течение нескольких часов) использования в качестве емкости для отстоя и накопления шлама вагона ВПК-7, так как его нахождение на путях парализует транспортные операции в штольне.

В заключение следует отметить, что зарубежный и отечественный опыт освоения струйной технологии позволяет расширить область ее применения, в том числе при проходке шахт и тоннелей в слабых обводненных грунтах. В частности, при строительстве шахт (рис. 3.16) из промежуточного забоя создают массив укрепленного грунта конической формы из секущихся грунтоцементных свай, внутри которого осуществляется проходка обычным способом. При проходке тоннеля в слабых обводненных грунтах также сооружают конический массив закрепленного грунта, внутри которого ведется проходка тоннеля, а затем — следующий конический массив и т.д. В последнем случае укрепление грунтов следует производить по однокомпонентной технологии — размыв грунта производится вращаемой струей закрепляющего раствора без сжатого воздуха. Укрепление грунтов при проходке тоннелей целесообразно вести при повышенном давлении жидкости и пониженных ее расходах. Для поддержания необходимого статического давления следует применять превенторы.

Рис. 3.16. Технологическая схема проходки шахты

вводонасыщенном грунте: 1 — шахта; 2, 3, 4 — ряды секущихся грунтоцементных свай

3.2.Компенсационное нагнетание

3.2.1.Сущность способа и условия применения

Впоследние годы в зарубежной практике метростроения для снижения осадок земной поверхности, подвижек и деформаций грунтового массива в условиях плотной городской застройки все более широкое применение находит новая технология — компенсационное нагнетание строительного раствора в зону между верхом строящегося подземного сооружения и низом фундаментов зданий. Подавая в грунт под давлением стабилизирующий состав, создают так называемый «строительный подъем» массива, компенсируя таким образом потери грунта при проходке тоннеля и предупреждая тем самым повреждения поверхностных зданий и сооружений (рис. 3.17, а).

Применение компенсационного нагнетания возможно при строительстве подземных сооружений практически в любых нескальных грунтах естественной влажности, за исключением неустойчивых и закарстованных. В зависимости от прочностнодеформационных свойств грунтов применяют различные виды нагнетания: уплотняющее, фильтрационное и кливажное (рис. 3.17, б). Так, в несвязных грунтах с низкой степенью проницаемости применяют уплотняющее нагнетание жесткого строительного раствора, обладающего высокой вязкостью. Для этого в цементный раствор вводят мелкодисперсные добавки, а для обеспечения необходимого угла внутреннего трения — песок. При таком составе раствор не проникает в поры грунта, а остается в нем в виде инородного гомогенного тела. За счет этого происходит уплотнение и обжатие части грунтового массива и предотвращается развитие осадок ниже горизонта нагнетания.

Внесвязных грунтах с высокой степенью проницаемости применяют напорное фильтрационное нагнетание жидкой смеси с высоким содержанием частиц твердой фракции, которые оседают вблизи инъектора, а вода фильтруется в грунтовый массив.

Вглинистых грунтах эффективно кливажное нагнетание под большим давлением растворов, обладающих малой вязкостью, что способствует раскрытию в грунте трещин с образованием кливажа и обеспечивает проникание раствора в грунт. При этом объем инъекции должен быть строго ограничен, чтобы контролировать эффект нагнетания. Такая технологическая схема осуществляется в постадийном режиме с выдерживанием между отдельными стадиями интервалов, достаточных для обеспечения схватывания раствора, инъецированного на предыдущей стадии.

Вбольшинстве случаев до начала основных работ по компенсационному нагнетанию выполняют так называемую преконсолидацию грунтового массива для его предварительного закрепления и предотвращения разуплотнения грунтовой толщи вследствие проходки подземного сооружения. Это повышает эффективность последующего компенсационного нагнетания.

Всоответствии с конкретными инженерно-геологическими условиями, характером распределения и интенсивностью внешних нагрузок, а также требованиями технологии, зону инъекции размещают в непосредственной близости от земной поверхности (фундаментов зданий) или над перекрытием подземного сооружения. Работы по компенсационному нагнетанию производят либо с поверхности, либо из существующих или устраиваемых подземных выработок (шахтных стволов, камер, котлованов, подвальных этажей зданий и т.п.), забуривая вертикальные, горизонтальные или наклонные скважины либо погружая в грунт специальные инъекторы.

Вне зависимости от применяемой технологии нагнетания инъекторы погружают в грунт до приближения фронта горно-про-ходческих работ. При фильтрационной и кливажной схемах нагнетания, когда используют текучие растворы, предпочтительнее манжетные инъекторы малого диаметра многоразового применения. Вязкие растворы при уплотняющем режиме требуют применения инъекторов большого диаметра из-за необходимости их периодического разбуривания после забивания раствором на каждой стадии нагнетания.

Вкачестве стабилизирующих составов используют цемент-но-песчаный или цементнобентонитовый раствор с добавками, регулирующими вязкость, сроки схватывания, твердения и пр. Объем и давление нагнетания определяют соответствующими расчетами и корректируют в