745

зависимости от поведения грунтового массива и наземных зданий и сооружений. Для определения параметров компенсационного нагнетания используют численные методы расчета, в основном метод конечных элементов, а также их корректировку путем опытной проверки в натурных условиях. На всех этапах строительства подземного сооружения и в процессе компенсационного нагнетания осуществляют геотехнический мониторинг (в режиме реального времени) напряженно-деформированного состояния грунтового массива, тоннельной обделки, фундаментов зданий и сооружений. Для этого используют автоматизированные следящие системы, включающие электронную контрольно-измерительную аппаратуру и современную компьютерную технику.

3.2.2. Опыт применения компенсационного нагнетания

3.2.2.1. Зарубежный опыт

Наиболее крупномасштабные работы по компенсационному нагнетанию выполнены на строительстве станций Юбилейной линии (12,4 км) метрополитена в Лондоне («Вестминстер», «Ватерлоо», «Лондон бридж», «Грин парк»), расположенных на участках плотно застроенной территории с 4 тыс. зданий, многие из которых имеют историческую и архитектурную ценность. Так, например, при возведении пересадочной ст. «Вестминстер» нагнетание вели в толщу лондонских глин, залегающих под слоем гравия. Из пяти шахтных стволов были задавлены манжетные инъекторы с шагом 1 м суммарной длиной около 1 км. Применение компенсационного нагнетания позволило избежать чрезмерных осадок грунтового массива и земной поверхности.

Трехсводчатая ст. «Ватерлоо» этой же линии длиной 140 м с путевыми тоннелями диаметром 8 м и средним — 10 м заложена на небольшой глубине от земной поверхности в непосредственной близости от фундаментов чувствительных к осадкам зданий (Арка Виктории и Элизабет Хаус) и двухпутного железнодорожного тоннеля «Ватерлоо и Сити Лэйн» мелкого заложения. Для принятой технологии щитовой проходки станционных тоннелей прогнозировали осадки поверхности земли до 200 мм, исходя из допуска 2 %-го объема выпусков грунта в забое щита. Компенсационное нагнетание (рис. 3.18) должно было ограничить осадки до 25 мм и защитить наземные здания и сооружения.

В процессе производства работ применили трехстадийное нагнетание, предусматривающее: предварительную консолидацию грунтового массива до начала проходки тоннелей; фильтрационное нагнетание во время проходки тоннелей для предотвращения смещений до поверхности земли; контрольное нагнетание после проходки тоннелей для исключения случайных осадок. Работы вели через шесть временных и три постоянных шахтных ствола, задавливая в грунт горизонтальные манжетные инъекторы (общей длиной около 27 км). Цементнобентонитовую смесь с добавками силиката нагнетали в шестиметровую зону контакта между пластами галечниковых отложений Темзы и лондонскими глинами над сводом станции. Применение компенсационного нагнетания позволило ограничить осадки наземных сооружений до 10–15 мм, отклонения от вертикали — 1 : 1000 и исключить повреждения конструкций.

Рис. 3.18. Схема компенсационного нагнетания над ст. Ватерлоо в Лондоне:

1 — аллювиальные отложения; 2 — фундамент Арки Виктории; 3 — тоннель «Ватерлоо и Сити Лэйн»; 4 — здание Элизабет Хаус; 5 — насыпной грунт;

6 — гравий; 7 — лондонская глина; 8 — горизонтальные скважины; 9 — инъекторы для компенсационного нагнетания; 10 — контур пилот-тоннеля; 11 — контур основного тоннеля

В зоне строительства ст. «Лондон Бридж» общей площадью около 20 тыс. м2 фирмой «Soletanch» проведены работы по компенсационному нагнетанию, что позволило снизить осадки под зданиями до 25 мм. В первую очередь была проведена преконсолидация

верхней части грунтового массива, сложенного водонасыщенными гравелистыми грунтами. Работы вели с поверхности через скважины диаметром 50 мм и глубиной 30 м. Нагнетание химически активных составов позволило снизить водопроницаемость гравия с 10 -4 до 5 10 -7 м/с и предотвратить разжижение грунтов.

Компенсационное нагнетание осуществляли под фундаменты 12 зданий. Для этого из шахтных стволов и вспомогательных выработок в глинистый грунт установили около 12 тыс. м манжетных инъекторов диаметром 127 мм в трех метрах над кровлей станции. Некоторые инъекторы достигали длины 65 м. Кливажным нагнетанием над кровлей тоннелей в толще лондонских глин была создана грунтоцементная плита толщиной 3–5 м

иобеспечен контролируемый «строительный подъем» поверхности. По мере проходки тоннеля осадки не превысили 25 мм, в то время как прогнозируемые без компенсационного нагнетания составили бы 200 мм.

Станционный комплекс «Саутворк» включает три эскалаторных тоннеля, средний станционный тоннель диаметром 9,2 м, два путевых тоннеля диаметрами 7 м, систему соединительных подходных выработок и шахтных стволов. Тоннели пролегают под опорами железнодорожного путепровода на глубине 4,9–15 м от поверхности земли в толще лондонских глин. Проходку тоннелей со сборной железобетонной обделкой вели из пилот-тоннелей диаметром 4,4 м. Во избежание осадок путепровода было предусмотрено компенсационное нагнетание с предварительной стабилизацией грунтового массива системой нагелей длиной 7–11 м и диаметром 25 мм, которые закрепляли в пробуренных из пилот-тоннелей шпурах цементным раствором (рис. 3.19).

Вкаждой заходке закрепляли 12 нагелей с шагом 1,2 м. По мере расширения тоннельных выработок части нагелей срезали. После стабилизации грунтового массива выполняли компенсационное нагнетание. Инъекторы устанавливали с поверхности земли

ииз двух временных шахтных стволов. Общий объем компенсационного нагнетания составил 1800 м3. Таким образом, под опорами железнодорожного путепровода были созданы грунтоцементные плиты, что позволило ограничить осадки до 25 мм вместо 130 мм, прогнозируемых при отсутствии компенсационного нагнетания.

Компенсационное нагнетание было проведено также в районе ст. «Грин Парк» на площади более 4000 м3 для защиты группы зданий. Из шахтного ствола на глубине до 17 м в грунт были установлены манжетные инъекторы. Применение трехстадийного нагнетания позволило свести к минимуму осадки земной поверхности и зданий, о чем свидетельствуют данные проведенных с помощью 150 электроуровней и 16 экстензометров измерений.

Рис. 3.19. Схема компенсационного нагнетания над станцией метрополитена «Саутворк» в Лондоне:

1 — аллювиальные отложения; 2 — опора железнодорожного путепровода; 3 — скважины для нагнетания в гравийную толщу; 4 — гравии; 5 — лондонская глина; 6 — манжетные инъекторы; 7 —

зона консолидации грунтов; 8 — зона компенсационного нагнетания; 9 — уровень измерений осадок; 10 — путевые тоннели; 11 — станционный тоннель; 12 — промежуточный вестибюль

Кливажная технология компенсационного нагнетания была использована при строительстве ряда подземных объектов в Австрии. Так, при возведении трехсводчатой станции длиной 110 м, пролетом 30 м и высотой 8 м Венского метрополитена применили новоавст-

рийский метод с раскрытием выработки по частям. Станция заложена в жестких третичных глинах и плотных илистых грунтах на 12 м ниже подошвы фундамента пятиэтажного кирпичного административного здания, построенного в начале XX в. Для производства инъекционных работ из специально пройденной вспомогательной выработки в грунт задавили горизонтальные манжетные инъекторы, расположив их в три яруса примерно посередине между подошвы фундамента здания и шелыгой свода станционного тоннеля (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Схема компенсационного нагнетания над станцией метро в Вене: 1 — песок; 2 — глина; 3 — административное здание; 4 — зона закрепленного грунта; 5 — станция метрополитена; 6 — шахтный ствол

После преконсолидации грунтового массива проводили нагнетание укрепляющего раствора в соответствии с технологической последовательностью раскрытия станционной выработки в 7 этапов. В процессе проходки тоннелей и компенсационного нагнетания осуществляли мониторинг перемещений грунтового массива и состояния наземного здания с помощью деформометров и экстензометров. Кроме того, измеряли осадки поверхности земли на территории прилегающего парка. По результатам мониторинга было установлено, что по окончании проходки станционных тоннелей осадки непосредственно под фундаментом здания не превышали 35 мм, а за пределами зоны нагнетания составляли 75–80 мм. На отдельных этапах нагнетания были зафиксированы «подъемы» здания на 10 мм. На территории парка при отсутствии компенсационного нагнетания осадки достигали 100 мм. Односводчатая ст. «Гусман эль Буэно» метрополитена Мадрида (Испания) пролетом 21 м и высотой 13 м заложена на 20 м ниже фундаментов 2-, 10-этажных зданий в толще песчаных и глинистых грунтов с водяными линзами. Проходку станции вели способом опорного ядра с возведением стен в штольневых выработках. Основную опасность представляли осадки и повреждения фундаментов зданий, построенных 30–60 лет назад. Чтобы их ограничить, была разработана программа компенсационного нагнетания с учетом опыта работ на Юбилейной линии Лондонского метрополитена. Предусматривалось создание грунтоцементной плиты над поперечным пешеходным переходом непосредственно над станционной выработкой (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Схема компенсационного нагнетания над станцией метрополитена «Гусман эль Буэно» в Мадриде: 1 — улица Виктория; 2 — 9-этажное здание; 3 — 7-этажное здание; 4 — улица Бобадилия; 5 — 10-этажное здание; 6 — песчаная отсыпка; 7 — грунтоцементная плита; 8 — пешеходный переход; 9 — станция

метрополитена; 10 — глины; 11 — глинистые пески; 12 — пески

Инъекторы устанавливали в одной из наклонных галерей. До начала работ по компенсационному нагнетанию были проведены обследования зданий и установлены реперы и марки на их стенах и дорожном покрытии улиц. Как показали данные мониторинга, на первой стадии раскрытия станционной выработки (проходка боковых штолен) никаких смещений не наблюдалось. Осадки проявились при раскрытии сводовой части выработки. Проведенное нагнетание за обделку не вызвало ожидаемого подъема поверхности земли. Осадки возросли, и на проезжей части улицы образовался местный провал, для заполнения которого потребовалось 500 м3 бетона. Только после проведения компенсационного нагнетания удалось стабилизировать грунтовый массив и снизить осадки фундаментов зданий до 30–40 мм. Незначительные трещины, появившиеся в кладке фундаментов, были признаны неопасными.

Широкомасштабные работы по компенсационному нагнетанию были проведены также на строительстве двух подземных линий метрополитена в Лиссабоне (Португалия). Трасса тоннелей проходит в плотно застроенной части города под историческими зданиями в толще неоднородных грунтов, представленных сыпучими и плотными песками с прослойками мягких связных грунтов. Глубина заложения тоннелей относительно подошвы фундаментов зданий изменяется от 3,5 м до 10 м.

Проходку тоннелей вели механизированными щитами с грунтовым пригрузом, а возведение станций — новоавстрийским способом. Для оценки напряженнодеформированного состояния грунтового массива в результате компенсационного нагнетания были выполнены расчеты методом конечных элементов. Моделировались все стадии проходки тоннелей или компенсационного нагнетания. Кроме того, были организованы опытные работы в натурных условиях.

Для проведения компенсационного нагнетания из шахтного ствола в грунт задавили 726 манжетных инъекторов ниже уровня грунтовых вод на расстоянии 1,1 м от обделки тоннеля. Нагнетание цементно-бентонитового раствора вели в течение 12 сут в две стадии: вначале для создания «строительного подъема», используя для этого только 54 инъектора, а затем (для окончательного закрепления массива грунта объемом 728 м3) — остальные.

Врезультате исследований установлено, что применение компенсационного нагнетания привело к снижению осадок примерно в 2 раза. Результаты расчета методом конечных элементов показали, что при заложении тоннелей на глубине 10 м зону инъекции следует располагать как можно ближе к поверхности земли, что приводит к минимизации осадок земной поверхности без потребности дополнительной их компенсации за счет преконсолидации грунтового массива.

3.2.2.2.Отечественный опыт

ВРоссии компенсационное нагнетание в широких масштабах не применялось, однако в связи со значительно возросшими объемами подземного строительства в Москве и других крупных городах подобная технология становится все более востребованной. Так, на строительстве крупнейшего Лефортовского тоннеля в Москве возникла необходимость выработки защитных мер по ограничению сдвижений и деформаций грунтового массива, поверхности земли и ряда ценных архитектурно-исторических ансамблей. В результате предварительных проработок, проведенных, в частности, отделами инжиниринга «Сольэкспер Интернасьональ» и «ВИНСИ Констрюксьон Гран Прожэ», французская фирма «ВИНСИ» решила прибегнуть к технологии строительной компании «Солетанш Баши», разработавшей свое ноу-хау по компенсационному нагнетанию в девяностых годах при строительстве метро в Лондоне, Пуэрто-Рико и Мадриде. Для успешного обеспечения строительства «Солетанш Баши» прибегла к помощи своего местного представительства в России «СолетаншСтрой» филиала «Солдата», специализирующегося

в инструментальном обеспечении. Работы были проведены в период с марта по июль 2002 г.

Чтобы покрыть затрагиваемую осадками зону, обычным способом были вырыты 3 колодца глубиной 6,5 м (диаметр колодцев: 7,5 и 9,5 м). Их использование, при меньшей стоимости и без чрезмерных помех, позволяет покрыть 5 200 м2 обрабатываемой площади. При строительстве колодцев были тщательно закреплены металлические приспособления диаметром 6′′ на месте каждой буровой скважины в круговой бетонной стенке в соответствии с предписаниями, определенными программой CASTAUR (положение, наклон, направление).

Построение замкнутой сети буровых скважин варьировалась в зависимости от покрытия тоннеля и предусмотренного максимального осадка (рис. 3.22). Расстояние между скважинами колебалось в концевых частях от 1,5 до 2,5 м в зависимости от глубины и ожидаемых осадок.

Для бурения скважин были применены бурильные станки, способные работать в круговых колодцах, чтобы осуществить около 8 км бурения, необходимого для работ по нагнетанию (254 буровые скважины от 15 до 65 пог. м). Учитывая значительные длины буровых скважин (до 65 м), диаметр штанг 89 мм был выбран по отношению к классическому диаметру 76 мм, чтобы уменьшить отклонения и обеспечить лучшее удаление шлама путем уменьшения кольцевого пространства, и таким образом обеспечить лучшую устойчивость буровых скважин.

Рис. 3.22. Принципиальный разрез скважин нагнетания и фундаментов

В конце бурения буровую скважину заполняли жидким раствором, в который опускали манжетную трубу. Раствор заполнения или замены подавался в скважину блоком штанг, при этом его уровень пополнялся по мере их извлечения. Жидкий раствор играет важную роль, его состав (С/Е) позволяет достигать во время нагнетания прочность, достаточную для избежания циркуляции раствора вдоль трубы, но в таком количестве, чтобы не происходили пробои в месте расположения манжет.

Эффективный контроль осадок и подвижек грунта является существенным моментом в успехе компенсационного нагнетания. Эта система должна соединять точность измерений и высокую частоту топографических замеров. Она должна позволять получать в реальном времени реакцию грунта в зависимости от проводимых работ по проходке и компенсационных нагнетаний. Поэтому «Солетанш Баши» использовал систему CYCLOPS (CYCLic OPtical Surveyor), разработанную ее инструментальным филиалом «Солдата» совместно с фирмой «ИЖН».

Задачи системы CYCLOPS: локализовать и количественно определить наблюдаемые деформации; информировать ответственных в случае подвижек, позволить им проанализировать возникающие ситуации. Речь идет об автоматическом теодолите с механическим приводом, управляемым компьютером. Чтобы отвечать потребностям

строительства, теодолит автоматически контролирует положение по осям X, Y и Z шестидесяти «мишеней», распределенных в зоне проведения работ.

Для нагнетания в скважины использовались растворы на основе бентонита и цемента. Процесс нагнетания обеспечивался станцией SINNUS EPICEA, включающей 8 точек

нагнетания. Этот контейнер нагнетания объединяет часть «управление» и часть «насосы».

Простые или двойные пакеры обеспечивали соединение между системой распределения и оснащением буровой скважины. После нагнетания пакер сжимается, затем снова расширяется в месте следующего прохода (рис. 3.23).

Рис. 3.23. Принцип оснащения скважины манжетными трубами и расширяющимся пакером

Нагнетание производили восходящими заходками. Принцип заключается в нагнетании последовательными слоями, начиная с нижней части нагнетаемой зоны до верхней границы в часть буровой скважины, оснащенную манжетными трубами (ТАМ). Главными параметрами нагнетания являются:

—количество раствора на заходку и фазу;

—максимальное давление нагнетания (давление нагнетания, измеряемое с учетом потери нагрузки между буровой головкой и пакером в буровой скважине);

—темп нагнетания.

Технология компенсационного нагнетания проходит 3 фазы.

Целью предварительной фазы кондиционирования, называемой также «нагнетание ноль» является предварительное сжатие грунтов, расположенных над тоннелем, чтобы получить немедленный ответ в течение следующих фаз и задействовать общую систему компенсации и установленную систему инструментального контроля. Эта фаза позволяет осуществить:

—модель прогноза осадок, вызванных проходкой тоннеля, основанную на теоретическом подходе к осадкам по гауссовской рубашке, в зонах, где тоннель проходит без компенсационных работ,

—модель прогноза поднятий, параметрируемую по типу встречаемого фундамента и типу нагнетаемого раствора.

Целью этой фазы кондиционирования является также легкое поднятие защищаемого сооружения до прохода тоннельного щита.

Непосредственная фаза компенсации имеет целью компенсировать осадки здания в реальном времени, непосредственно над тоннелем в ходе проходки. Система нагнетания должна отвечать на напряжения путем «гомеопатического» нагнетания строго необходимых объемов, чтобы компенсировать осадки, вызываемые проходкой, в непосредственной близости от забоя, не порождая избыточного давления, которое может дестабилизировать фронтальный забой тоннеля. Именно здесь информационная система COGNAC определения осадок и реакций нагнетания находит интенсивное применение.

Суточная программа нагнетания определяется в зависимости от продвижения тоннельного щита и предварительных осадок. Эта программа осуществляется во время проведения работ по проходке, при инструментальном контроле зданий и площадки.

Очень точные количества раствора нагнетаются прямо под фундаменты здания. Это вмешательство носит почти хирургический характер.

Третья, последняя, фаза, осуществляемая после проходки тоннеля, позволяет производить выравнивание и изменение состава грунта. В течение этой фазы, помимо всего остального, можно проводить измерения воздействия долгосрочных осадок, которыми нельзя пренебрегать.

Предварительные расчеты осадок, проводившиеся проектными организациями, привели к оценке ускоренных осадок при проходе тоннельного щита под военным училищем от 20 до 53 мм.

Реально измеренные деформации во время и после прохода тоннельного щита остались в диапазоне от +1 до –2 мм максимум. Операция по компенсационному нагнетанию, широко ограниченная условиями контракта (10 мм) и приведшая к поглощению, как минимум, 90 % предусмотренных осадок, выполнила таким образом свою задачу: обеспечить проходку тоннеля под зданием Алексеевского военного училища с сохранением целостности этого объекта.

3.3. Термическая обработка грунтов

Сущность термического закрепления просадочных лессовых и глинистых грунтов достаточно подробно изложена в работе [8, п. 2.8, рис. 2.46].

Вданном разделе конкретизируются и уточняются некоторые наиболее существенные детали способов и технологий термического закрепления грунтов.

Вобщем случае, существует три разновидности термической обработки грунтов:

—конвективные, предусматривающие нагнетание газов нагретых в печах вне скважин (до 10 м), в устье скважин (до 15 м) и в стволе скважин (до 25 м);

—кондуктивные, предусматривающие спекание грунтов в массиве электронагревателями или другими материалами, загружаемыми в ствол скважины;

—смешанные с использованием конвективных и кондуктивных способов.

При этом применяют различные виды топлива: природный газ, соляровое масло или твердое топливо.

Передача тепла грунту может осуществляться путем теплопроводности, конвекции и излучения. Наиболее эффективно нагреваются грунты при конвективном теплообмене, т.е. когда тепло переносит движущаяся среда — горячие газы и продукты сгорания топлива. Горячие газы, проходя по порам грунта, нагревают его, вызывая, кроме того, химические реакции.

При термоупрочнении массива грунта в скважине создают избыточное давление. Под действием этого давления и повышения температуры свободная влага перемещается к периферийной зоне массива и при температуре 100 °С или несколько большей начинает выходить на поверхность земли в виде пара. В интервале температур 100–130 °С начинает удаляться химически связанная вода, а при нагреве до 200 °С испаряется почти вся свободная и рыхлосвязанная вода. При температуре около 200 °С выгорают органические, гумусовые, включения [54, гл. 9]. В интервале температур 200–400 °С начинается дегидратация каолинитов, удаляется прочно связанная и химически связанная вода, снижается способность грунтов к просадке и пучению. При температурах 400–600 °С продолжается дегидратация каолинитов, в процессе которой разрушается их кристаллическая решетка и несколько снижается прочность массива на сжатие. Однако дальнейшее повышение температуры быстро восстанавливает утраченную прочность массива, и затем она продолжает расти. Лессовидный суглинок становится более пористым, частично спекается, меняет цвет.

В интервале температур 600–900 °С происходит диссоциация карбонатов СаСО3 с выделением СО2 и ассоциация сернокислого кальция CaSО4 с выделением SO3. При наличии свободной извести СаО происходят реакции извести с кремнеземом и полуторными окислами. Образующиеся силикаты, алюминаты и алюмоферриты повышают прочность массива до 4 МПа.

При дальнейшем повышении температуры до 1200 °С ускоряются процессы декарбонизации и образования силикатов, алюминатов и алюмоферритов и начинается спекание и плавление грунта. Стенки скважин оплавляются на толщину 5–10 см, при этом часть расплава стекает вниз. Оплавленный слой препятствует дальнейшей передаче тепла грунту вокруг скважины путем конвекции.

С увеличением в грунте количества грубодисперсных фракций процесс термохимического упрочнения ускоряется в связи с повышением газопроницаемости грунта. Обычно термохимическому упрочнению подвергают грунты с газопроницаемостью не менее 10–20 см/мин. Термический метод упрочнения наиболее эффективен в глинистых грунтах с влажностью 7–12 % и плотностью до 1500–1650 кг/м3 при высоком содержании глинистых минералов, особенно каолинитов, и при низком уровне грунтовых вод. В грунтах с малым содержанием глинистых минералов, водостойкость которых обеспечивается термообработкой при температуре выше 400 °С, этот метод экономически нецелесообразен.

Технология термического укрепления грунтов конвективными методами (горячим

	воздухом или путем сжигания топлива в скважине) сводится к следующему.
	Воздух			нагревается в прокалочной печи
	до			температуры			600–800		°С	и
	подается			вентилятором или компрессором
	по					термоизолированному
	трубопроводу			в скважину, устье					которой
				герметизируется				специальным
	затвором (рис.		Рис. 3.24. Схема установки	3.24).		Для		уменьшения
			для термического упрочнения
	теплопотерь		грунтов горячим воздухом:	устье	скважины изолируют при-
	мерно	на	1 — компрессор; 2 — трубопровод	толщину		верхнего		буферного
			холодного воздуха; 3 — экономайзер
	слоя грунта в		для подогрева воздуха; 4 — агрегат	1 м, который не упрочняется, а
	после	термо-	для нагревания воздуха;	обработки			грунта	удаляется.
			5 — трубопровод горячего воздуха;
	Упрочняемая		6 — затвор скважины;	толща		прогревается			путем
	конвекции		7 — скважина; 8 — зона	тепла	в	процессе		фильтрации
			термического закрепления
	нагретого			воздуха		по	порам	грунта		при

избыточном давлении в скважине в пределах 0,05–0,1 МПа. Предварительно воздух подогревают в экономайзере.

Температуру воздуха в скважине регулируют, так как чрезмерно высокая температура может вызвать оплавление стенок скважины, уменьшив или прекратив совсем фильтрацию горячего воздуха в глубь массива и его упрочнение. Диаметр термоупрочненного грунта столба, образованного этим методом, составляет обычно 2–3 м.

Упрочнение грунтов путем сжигания топлива в скважине, также как и предыдущий метод применяют для закрепления лессовых и глинистых грунтов на глубину 10–15 м (рис. 3.25).

Рис. 3.25. Схема установки для термического упрочнения грунта горячими газообразными продуктами горения, полученными при сжигании топлива в толще грунта:

1 — компрессор; 2 — трубопровод холодного воздуха; 3 — жидкое топливо; 4 — фильтр; 5 и 6 — соответственно насос и трубопровод для подачи топлива к форсунке 7; 8 — затвор скважины с камерой сгорания; 9 — скважина; 10 — зона термического закрепления

Термическое или термохимическое закрепление грунтов производится газообразными продуктами горения, полученными при сгорании топлива непосредственно в толще укрепляемого грунта или в устье скважины. В скважине постоянно поддерживают избыточное давление, что усиливает фильтрацию раскаленных газов в грунт.

На всю глубину закрепляемого массива проходят скважины диаметром 150–200 мм. Радиус обжига составляет обычно 1–1,5 м, в связи с чем скважины располагают на расстоянии 2–2,5 м друг от друга. Устье скважины оборудуют герметическим затвором (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Герметический затвор скважины с камерой сгорания конструкции Южнии:

1 — крышка; 2 — трубка для подачи избыточного воздуха; 3 — форсунка; 4 — глазок; 5— арматура; 6 — бетон; 7 — скважина; 8 — керамические воронки камеры сгорания 9; 10 — подача

топлива; 11 — подача воздуха

Перед началом обжига в скважину нагнетают холодный воздух, проверяя герметизацию всей системы.

Для термического упрочнения грунтов применяют установки, работающие на естественном и коксовом газе, а также на жидком и твердом топливе.

Наибольшую часть затрат при этом методе составляют расходы на получение и подачу сжатого воздуха –30 % и более стоимости всех работ. На одну скважину при использовании в ней газового топлива с теплотой сгорания 33–42 кДж/м3 или жидкого топлива с теплотой сгорания 42 кДж/кг требуется подавать около 1,5–2 м3 воздуха в 1 мин под давлением 0,05–0,07 МПа.

В ряде установок обработка грунта осуществляется факелом, возникающим у сопла форсунки или у выходного отверстия труб, подающих горючую смесь в камеру сгорания. Верхняя часть скважины в этом случае нагревается восходящим теплом, а нижняя — горячими газами сгорания, перемещающимися по длине скважины и проникающими в поры грунта под давлением сжатого воздуха.

Нередко для упрочнения даже однородного грунта и тем более грунта со слоистым сложением на разных глубинах требуются различные режимы обработки. В этих случаях применяют зональный способ термической обработки (рис. 3.27).

Рис. 3.27. Схема термического закрепления грунта при зональном способе обжига:

1 — зона закрепленного грунта; 2 — кондуктор; 3 — подача воздуха; 4 — подача газа; 5 — глазок; 6 — труба-регулятор; 7— асбестовый сальник; 8 — скважина

Оборудование скважины при зональном способе состоит из кондуктора, закрытого сверху герметической крышкой и закрепленных на нем звеньев трубы-регулятора, нижний конец которой, обмотанный асбестом, служит сальником. Работы по упрочнению грунта ведут в такой последовательности: пробуривают и оборудуют скважину; после этого подают в форсунку одновременно топливо и сжатый воздух и разжигают смесь; затем постепенно увеличивают подачу топлива и воздуха до получения устойчивого сгорания газовоздушной смеси внутри кондуктора и, наконец, повышают давление воздуха до величин, обеспечивающих горение газовоздушной смеси ниже трубы-регулятора. Закрепление ведут по зонам снизу вверх.

Есть и другие способы перемещения пламени по скважине. Так, в МИСИ им. В.В. Куйбышева В.С. Подъяконовым, И.Д. Май-дановым и К.Т. Тайляковым разработана установка с использованием газового топлива, где грунт обрабатывается перемещаемой по скважине низкотемпературной плазмой. Все оборудование установки, за исключением конденсатора, располагается на поверхности земли. При создании необходимых скоростей движения и состава горючей смеси установка позволяет управлять плазмой, удерживая ее на определенном уровне или перемещая на любую глубину. Пламя нагревает зону скважины, находящуюся лишь в пределах его ядра и ниже.

Обычно обработку грунта ведут параллельно в нескольких скважинах, заканчивая ее после выдерживания заданного температурного режима и давления в течение намеченного времени. При обжиге не следует чрезмерно увеличивать объем сжигаемого топлива в скважине, так как это приведет к повышению температуры и оплавлению стенок скважины, что резко уменьшит ее газопропускную способность и ухудшит эффект упрочнения.

При оптимальной технологии термическое упрочнение грунтостолба диаметром 2–3 м и длиной 10–15 м можно выполнить через скважину диаметром 10–20 см в течение сравнительно длительного времени (5–10 дней), что является основным недостатком метода.

Р. Погосян разработал газопламенный способ закрепления грунтов, основанный на спекании и расплавлении засыпанного в пробуренную в грунте скважину заранее приготовленного гранулированного глинистого грунта. Обычно грунтокаменный столб длиной до 3 м и диаметром 0,4–0,65 м образуется этим способом за 5–7 ч.

При упрочнении плывунов в процессе проходки шахтных стволов и других подземных выработок в некоторых случаях применяют способ электроплавления.

Для его осуществления по контуру предполагаемой выработки в пересекаемых ею плывунах толщиной Н устанавливают электронагреватели (рис. 3.28) длиной

l = H + 0,5,

(3.1)