книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

грунтовых вод с одновременным извлечением обсадных труб. Затрубное пространство выше отметки статического уровня грунтовых вод засыпают плотным грунтом.

После опускания всех эжекторных иглофильтров на проект­ ную глубину и монтажа поверхностного оборудования осуще­

ствляют пуск установки в работу.	• '
2.4. ВОДОПОНИЖЕНИЕ ВАКУУМНЫМИ УСТАНОВКАМИ
Принцип действия вакуумных водопонижающих	устройств

заключается в создании на наружных поверхностях водопри­ емных устройств устойчивого вакуума. Вакуумирование водонасыщенных грунтов применяют для усиления эффекта водо-

понижения в сложных гидрогеологических			условиях — при		ма­
лой водопроницаемости,	низкой	водоотдаче		и неоднородном
сложении грунтов, в частности,		при переслаивании водонос;
ных и водоупорных грунтов. Вакуумное			водопонижение		ра­
ционально применять	в грунтах, имеющих			коэффициенты
фильтрации от 0,01 до 2 м/сут.		значительно		снизить высоту
Вакуумирование позволяет

остаточного слоя воды над водоупором в случае его близкого залегания от дна сооружения и уменьшает продолжительность периода развития депрессии в слабопроницаемых грунтах. При слоистом строении грунтовой толщи вакуумирование поз­

воляет понизить		уровень грунтовых		вод во всех		водоносных
прослойках.		водопонижающим			установкам	относятся
К вакуумным
установки	вакуумного		водопонижения		(УВВ),	эжекторные
установки	с вакуумными концентрическими					скважинами
(ЭВВУ),	установки		забойного	водопонижения		(УЗВ) и
(УЗВМ).

Установки УВВ применяют для водопонижения в мелкозер­ нистых пылеватых и глинистых песках, супесях, легких суглин­ ках, илах и лессах с коэффициентом фильтрации 0,01— 2 м/сут, плохо поддающиеся осушению обычными легкими иг­ лофильтровыми установками ЛИУ.

Установки УВВ дают возможность понизить уровень грун­ товых вод до 7 м от поверхности.

Для понижения уровня грунтовых вод с помощью устано­ вок УВВ в грунт погружают обычные иглофильтры, вокруг ко­ торых обязательно устраивают обсыпку. Для обсыпки исполь­ зуют чистый песок с диаметрами частиц от 0,5 до 2 мм.

Песчаную обсыпку в безнапорных водоносных слоях с ко­ эффициентом фильтрации от 2 до 0,5 м/сут устраивают высо­ той 2,5—3,5 м от забоя скважины.-В остальных случаях песча­ ную .обсыпку следует устраивать до поверхности земли.

Рис. 2.11. Принципиальная схема установки УВВ-2

В установках УВВ для создания в полости всасывающего

коллектора устойчивого вакуума используют		водовоздушный
эжектор, осуществляющий	откачку воздуха,	выделяющегося
из водовоздушной смеси,	поступающей из иглофильтров.

В настоящее время применяют стационарные и передвиж­ ные вакуумные установки. Большое распространение в практи­ ке водопонижения получила стационарная установка УВВ-2, принципиальная схема которой показана на рис. 2.11.

На схеме показан принцип работы установки с подсосом воздуха. Грунтовая вода поступает к приемным звеньям игло­

фильтров 1, как показано на рис. 2.11	сплошными стрелками,
а воздух — пунктирными стрелками. В	приемном звене вода и

воздух смешиваются и далее водовоздушная смесь через со­

единительные трубопроводы 2	поступает во всасывающий
коллектор 4, где вода и воздух	внов'ь	(отделяются	друг от
друга. Вода собирается в нижней	части коллектора,		воздух —
в верхней. Из коллектора вода и	воздух	поступают	в патру­

бок приемного бака 3, откуда вода отбирается водо-водяным 6, а воздух водовоздушным 11 эжекторами, работающими на во­ де от центробежного насоса 12.

Каждый из указанных эжекторов может, однако, откачи­ вать не только ту фазу,-на которую он рассчитан, но и смесь

фаз. Так(1 при большом притоке воды,		превышающем	произво­
дительность водо-водяного эжектора,		часть воды	поступает
(вместе с воздухом)	по рукаву 5 к водовоздушному		эжектору,
откачивающему при	этом водовоздушную смесь. При среднем
и малом расходе воды часть воздуха		откачивается	вместе с

водой водо-водяным эжектором. Целесообразное распределение воды и воздуха между эжекторами происходит при работе установки автоматически, без искусственной подрегулировки.

Вода и воздух, отобранные водо-водяным и водовоздушным эжекторами, выбрасываются вместе с рабочей водой, получен­ ной от центробежного насоса, в циркуляционный бак 9-

Из бака воздух уходит в атмосферу, а вода частично идет в сбросную линию 7 (через водосливную воронку 5), а частич­ но на питание центробежного насоса.

В комплект установки УВВ-2 входят: всасывающая систе­ ма, насосный агрегат и сбросная линия, а также электрообо­ рудование, размещениоё в специальном ящике.

Всасывающая система состоит из 50 легких иглофильтров, 50 соединительных трубопроводов и 12 звеньев всасывающего коллектора.

Каждое звено всасывающего коллектора имеет шесть шту­ церов для подключения иглофильтров с помощью рукавов. Расстояние между штуцерами принято равным 0,75 м. Звенья коллектора соединяют на фланцах. Для облегчения монтажа один фланец звена коллектора выполнен подвижным.

Насосный агрегат состоит из трех блоков: блока центро­ бежного насоса, включающего в себя центробежный насос 6К-8, электродвигатель АО-2-72-4 мощностью 30 кВт, опорную раму и начальный участок напорного трубопровода; приемно­ го блока, включающего в себя патрубок, водо-водяной эжектор; блока циркуляционного резервуара, включающего в себя бак, водовоздушный эжектор, грязевой эжектор 10, сливной стояк с воронкой и колпак. Все три блока объединены в единую си­ стему спиральными рукавами. Сбросная линия состоит из двух спиральных рукавов диаметром 150 мм и длиной по 8 м.

Кроме установки УВВ-2 применяют стационарные (установ­ ки вакуумного водопонижения УВВ-2А, УВВ-ЗА-6КМ, УВВ-З-ГНОМ, принципы действия которых аналогичен выше­ описанному.

Харьковским инженерно-строительным институтам совмест­ но с различными производственными организациями разрабо­ тан ряд передвижных установок вакуумного водопонижения (ПУВВ) : ПУВВ-1, ПУВВ-2, ПУВВ-ЗД, ПУВВ-4Е, применение которых сокращает продолжительность монтажных работ на строительной площадке при выполнении работ по водопонижению.

Эжекторные установки с вакуумными концентрическими скважинами применяют при осушении слоистых грунтов раз­ ной проницаемости. Осушение супесчаных и глинистых грун­ тов, переслаивающихся песчаными прослойками, иглофильтро­ выми или эжекторными установками возможно только при мно­ гоярусном расположении иглофильтров, что значительно уве­ личивает сроки водопонижения и стоимость работ. В этих условиях более целесообразно применение вакуумных концент­ рических скважин, которые позволяют осуществлять откачку

воды из всех слоев грунта одновременно.

Конструкция

вакуумной

концентриче­

ской

скважины

показана

на

рис. 2.12.

Она

состоит

из

вакуумного

водоприем­

ника

1, который

установлен

в

заранее

пробуренную

скважину

2.

Водоприем-

ник

состоит

из двух

ставов

труб — на­

ружного 5 и внутреннего 7, образующих

концентрический

зазор

6.

Наружный

став труб на участке водоносных пород

выполнен

в

виде фильтровой

оболоч­

ки 5, а выше, где породы не подлежат

осушению, — в виде

сплошной

трубы.

Фильтровая

оболочка

изготовлена

из

узкой профильтрованной стальнойоцин­

кованной ленты

и имеет

скважность

12—15%.

Внутренний став труб 7 представля­

ет собой

эжекторный

иглофильтр

с

эжектором 4 и приемной сеткой эжекто­

ра 3. Для обеспечения фиксированного

положения

водоприемного устройства

в

скважине

предусмотрены

по

глубине

направляющие хомуты

9.

Пространство

между

водоприемником

и

пробуренной

скважиной

на всю

высоту

водоносных

пород

заполняют

песчано-гравийной

смесью 8. Выше водоносных грунтов это

пространство заполняют глиной 10, т. е.

устраивают ^так

называемый

замок. На­

личие

в конструкции

кольцевого зазо­

ра 6 обеспечивает

распространение

ва­

куума,

создаваемого эжекторным

иг­

лофильтром,

вокруг

фильтровой

оболоч­

Рис. 2.12. Схе.ча ваку-

ки по всей ее высоте. Все это позволяет

осуществлять отвод вод из всех водонос­

умконцентрического

во­

ных

прослоек прорезаемой

фильтром

во­

доприемника

доносной

толщи. Максимальный дебит

вакуумного концентрического водоприемника не должен пре­ вышать 5 м3/ч, в противном случае эжектор не развивает ва­ куума.

В настоящее время изготовлена эжекторная вакуумная во­ допонижающая установка ЭВВУ, которая работает с вакуум­ ными концентрическими скважинами и может быть использо­

вана и с обычными эжекторными’ иглофильтрами. Для	созда­
ния давления и скорости в рабочей воде, необходимых	для
эжекторов, в комплект установки входят два (основной	и ре­

зервный) насоса 6МС-7 с электродвигателями мощностью 75 кВт и подачей 175 м3/ч при максимальном напоре 86 м.

Кроме того, в установку входят: 30 вакуумных концентри­ ческих эжекторных иглофильтров, циркуляционный резервуар, напорно-распределительный трубопровод, сливной коллектор, сбросной коллектор для отвода воды, электрооборудование.

Установки забойного водопонижения применяют при строи­ тельстве горизонтальных и наклонных подземных сооружений и проведении горных выработок в обводненных, слабоустойчи­

вых породах с малыми коэффициентами	фильтрации от 3 до
0,01 м/сут.	" ' **!

Сущность забойного водопонижения заключается в том, что непосредственно из забоя и по контуру выработки через сква­ жины (рис. 2.13) производят откачку воды, в результате чего происходит осушение грунта (пород) в месте проведения вы­ работки.

Для забойного водопонижения применяют установки типа УЗВ (УЗВ-1, УЗВ-2: УЗВ-З), УЗВМ (УЗВМ-2, УЗВМ-З), УВВ. Эти установки имеют аналогичную компоновочную схему и отличаются конструкцией отдельных узлов, геометрическими и рабочими параметрами, массой и основными размерами. Уста­ новки имеют набор иглофильтровых труб и насосный агрегат. Фильтровые звенья имеют конструкцию, аналогичную фильт­ рам, которыми комплектуют установки типа ЛИУ

Основным узлом насосного агрегата указанных установок является водоструйный насос, создающий вакуум в группе иг-

У U U 1 U U

,v**‘

Рис. 2.13. Схема забойного водопонижения с применением установки УЗВ:

/ — иглофильтры; 2 — рукава; 3 — коллектор; 4 — всасывающий рукав; 5 — приводная станция

лофильтров, размещенных в обводненных породах забоя вы­ работки.

Техническая характеристика ряда установок забойного во-

д о п о н и ж е н и я п р и в е д е н а н и ж е .
Тип установки			УЗВ-2	УЗВМ -2	УЗВМ-З
Подача, м3/ч			50	60	35
Максимальное разрежение			во всасы­
вающей	системе,	МПа	0 ,0 8	0 ,0 9 3	0 ,0 9 3
Напор,	м		20	20	20
Число	иглофильтров		17	17	17
Масса	установки,	кг	1560	1040	1320

2.5. ВОДОПОНИЖЕНИЕ СКВАЖИНАМИ

Водопонизительные установки из системы отдельных сква­ жин применяют в виде: самоизливающихся скважин различ­ ного наклона; водопоглощающих скважин; сквозных фильтров и водопонижающих скважин, оборудованных глубинными на­ сосами.

Самоизливающиеся скважины применяют для снятия избы­ точного давления в напорных водоносных горизонтах, а также для глубокого водопонижения (горизонтальные скважины на откосах открытых котлованов, лучевые водозаборы, восстаю­ щие скважины из подземных выработок). Такие скважины вы­ полняют в большинстве случаев вертикальными или под не­ большим углом к вертикали и забуривают с разных горизон­ тов: с поверхности земли, с берм на откосах, со дна котлова­ на, из подземных выработок—.в зависимости от принятого по­ рядка производства работ и от объекта, для защиты которого они предназначены. Они могут служить в основном средством снятия напора, когда излив из них обеспечивает достаточное снижение пьезометрического уровня грунтовых вод в напор­ ном водоносном слое или же могут быть использованы в каче­ стве резервного мероприятия, когда напор снимается с помо­ щью водопонизительных скважин на случай аварийных пере­ рывов в работе насосов.

Число самоизливающихся скважин и их параметры — диа­ метр, длина фильтрового звена, состав фильтровой обсыпки, отметка устья — определяют расчётом с учетом отметки излива воды и гидравлических потерь напора в них.

Размещение самоизливающихся скважин выбирают с уче­ том местных гидрогеологических условий, а также условий производства работ (конфигурация котлована, траншей, под­ земных выработок, размещения оборудования, трасс движе­ ния механизмов и транспорта).

В подземных выработках самоизливающиеся скважины при­ меняют любого наклона и используют в зависимости от необ­

ходимости для водопонижения во всех слоях, окружающих вы­ работки. Эти скважины бурят специальными станками непо­ средственно из подземных выработок. Скважины могут при­ меняться как в скальных, так и в нескальных грунтах. Неглу­ бокие самоизливающиеся скважины в нескольких грунтах можно выполнять путем забивки или вдавливания фильтровой колонны в потолок, стенки или почву горной выработки (за­ бивные фильтры).

Водопоглощающие скважины применяют для сбрасывания грунтовых вод в нижележащие пласты; для водопонижения в условиях, когда ниже водоупора, подстилающего верхние во­ доносные грунты, залегают неводоносные грунты, имеющие коэффициенты фильтрации не ниже 10 м/сут, или при значи­ тельной разности пьезометрических уровней водоносных плас­ тов.

Для их эффективной работы необходимо соблюдение усло­ вий, которые редко, сочетаются одновременно: скважины долж­ ны располагаться в тех районах, где верхний водоносный слой хорошо отдает воду и имеет достаточную толщу ниже той отметки, до которой требуется понизить уровень грунтовых вод; скважины должны располагаться на тех уровнях, когда ниже­ лежащие грунты' способны хорошо принимать воду (обладают достаточно высокой поглощающей способностью) и иметь ко­ эффициент фильтрации, минимум в 2 раза больший коэффици­ ента фильтрации вышележащих пород.

Сквозным фильтром называют скважины, пробуренные с поверхности земли, выходящие в подземную выработку и обо­ рудованные фильтровыми устройствами в зоне осушаемых по­ род. Вода проникает через фильтр в скважину, а оттуда сбра­ сывается в подземную горную выработку. Сквозные фильтры преимущественно распространены в горнодобывающей про­ мышленности, но не исключено их применение и на других подземных объектах, когда для строительства подземного со­ оружения возможно и оправдано устройство дренажных вы­ работок (тоннелей, галерей, штолен, штреков). Сквозные фильтры оборудуют фильтровыми звеньями во всех водонос­ ных слоях» которые они прорезают. При небольшой толщине водоносных слоев они полностью перекрываются фильтрами, при большой — фильтры устанавливают в нижней части водо­ носного горизонта. В нижней части сквозные фильтры обору­ дуют з'адвижками.

Водопонизительные скважины (рис. 2.14), оборудованные глубинными насосами, применяют для откачки воды из водо­

носных	пород	с коэффициентом	фильтрации	более	2 м/сут,
требующих значительного понижения уровня				грунтовых		вод,
а также	при	небольших глубинах	водопонижения,		когда	ис­

пользование иглофильтров затруднительно из-за больших при-

Рис.	2 .14 .	Водопонизительная			скваж и н а			с
погружным насосом:
/ — отводящий			трубопровод;	2 — задвижка;			3 —
заглушка;		4 — фундамент		трубопровода;			5 —-
скважина;		6 — заполнитель;		7 — сплошная			тру­
ба с	фильтром;		9 — гравийная обсыпка;			10 — на­
порный трубопровод; 11 — погружный						насос		с
электродвигателем; 12 — отстойник;					13 — заглуш­
ка

токов, необходимости осушения значительных площадей и стесненности территории.

2.5.1. Конструкции водопонизительных скважин

Конструкции водопонизительной скважины во многом за­ висят от способа их бурения, свойств пересекаемых грунтов. В неустойчивых грунтах водопонизительные скважины по ме­ ре их бурения закрепляют телескопически обсадными труба­ ми. Ряд возможных конструкций водопонизительных скважин показан на рис. 2.15.

В телескопическом креплении скважины предусматривают следующие колонны обсадных труб: кондуктор, предназначен­ ный для закрепления скважин в верхней толще грунтов; тех­ нические (промежуточные) колонны, опускаемые в скважину после кондуктора, и эксплуатационная (фильтровая) колонна. Последняя промежуточная колонна может служить в качествефильтровой, предназначенной для крепления ствола скважины

винтервале залегания дренируемого врдоносного горизонта.

Взависимости от типа и размеров применяемого фильтра, габаритов'водоподъемных механизмов, глубины залегания, мощ­ ности и водообильности пласта, а также характера слагающих его грунтов, определяющих необходимость устройства песчано­ гравийной обсыпки, устанавливают размер эксплуатационной

колонны обсадных	труб, а затем — колонность	скважины сни­
зу вверх с учетом технических условий бурения.		и последующей
Разница между	диаметрами предыдущей

а

б

8

г

д

е

ж

з

и

Рис. 2.15. Возможные конструкции водопоннзительных скважин, закреплен­ ных металлическими трубами:

а—в — одноколонные; г - и — двухколонны (в скобках даны размеры обточенных муфт)

колонн обсадных труб при ударно-канатном бурении принима­ ют в пределах 70—100 мм, а при вращательном бурении — 80— 100 мм (для диаметра труб до 700 мм) или 100— 150 мм (для диаметра труб более 700 мм).

Выход колонн обсадных труб, т. е. мàкcимaльнyю длину колонны одного диаметра, при различных способах бурения принимают в следующих пределах:

для ударно-канатного способа бурения в сухих,-связных и рыхлых грунтах — 25—30 мм, а в тех же грунтах, насыщенных

водой, и водоносных— 35—40	мм; для вращательного		спосо­
ба бурения в грунтах разных типов— 100 мм.
Меньшее значение выхода	колонны обсадных	труб	при
ударно-канатном бурении следует принимать при		возведении

скважин диаметром более 345 мм, а также при частом чередо­ вании в разрезе прослоек связных, рыхлых, водоупорных и во­ доносных грунтов.

2.5.2. Бурение водопонизительных скважин

Водопонизительные скважины чаще всего бурят удариоканатным или роторным способами. При ударно-канатном спо­ собе разрушение забоя скважины осуществляется долотом бла­ годаря возвратно-поступательному движению бурового снаря­ да, которое передается от буровой установки канатом. Разру­ шенный грунт удаляют желонками.

Операции по бурению при ударно-канатном способе выпол­ няют в следующей последовательности: спуск на забой буро?

вого снаряда; разрушение грунта забоя долотом			(долбление);
подъем бурового снаряда; спуск желонки;		очистка		скважины
от разрушенного грунта (желонирование) ;		подъем		желонки;
крепление скважины	обсадными трубами.	При	бурении рых­
лых и малосвязных	грунтов операции «спуск»,		«разрушение

забоя» и «подъем бурового снаряда» отсутствуют.

Для эффективного разрушения грунтов массу бурового сна­ ряда подбирают таким образом, чтобы ее величина в килограм­

мах, приходящаяся на	1 мм длины лезвия долота, находилась
в следующих пределах:	для мягких грунтов 2,5—4; для грун­

тов средней крепости 4—5.

Ударно-канатное бурение практически может быть приме­ нено почти во всех геологических условиях. Отсутствие про­ мывочной жидкости при бурении позволяет получить высокий дебит грунтовых вод из водопонизительных скважин без про­ ведения дополнительных работ. К недостаткам этого способа следует отнести большой расход обсадных труб, предназна­ ченных для крепления скважин.

Вращательный способ бурения заключается в разрушении грунтов грунторазрушающим инструментом в результате его непрерывного вращения с приложением осевой нагрузки. Р аз­