Особенности реализации инъекционных технологий составами на полимерной основе с регулируемыми параметрами в подземном строительстве. Часть I

Тер-Мартиросян А.З., Анжело Г.О., Алексеев В.A. Особенности реализации инъекционных технологий составами на полимерной основе с регулируемыми параметрами в подземном строительстве. Часть I. Нанотехнологии в строительстве. 2025;17(4):466–474. –474. – EDN: CWCJQO.

Ter-Martirosyan A.Z., Anzhelo G.O., Alexeev V.A. The features of the implementation of injection technologies using polymer-based compositions with adjustable parameters for underground construction. Part I. Nanotechnologies in construction. 2025;17(4):466–474. –474. – EDN: CWCJQO.

В Российской Федерации и за рубежом в последние годы инъекционные технологии все более обширно применяются в подземном строительстве [1, 2] как отдельный самостоятельный технологический передел [3, 4] для обеспечения безопасности зданий и сооружений [5, 6]. Известно значительное количество российских и зарубежных проектов, которые были реализованы на объектах гражданского, гидротехнического, транспортного строительств, горнорудной отрасли, подтверждающих высокую эффективность инъектирования различных инъекционных систем

• [7, 8] в рамках решения задач стабилизации грунтовых массивов, создания противофильтрационных завес, восстановления гидроизоляционных систем, компенсационного нагнетания, инъекционного упрочнения грунтов [9, 10] и т.п.

Так, при строительстве объектов транспортной инфраструктуры в условиях города Москвы широко применяются технологии закрепления грунтов и компенсационного нагнетания, позволяющие поддерживать исходное напряженно-деформированное состояние грунтового массива [11, 12] и стабилизировать осадки в зоне влияния [13, 14], причем в процессе нагнетания характерно изменяются свойства

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ грунтов в зоне обработки инъекционными составами [15, 16].

Нагнетание различных твердеющих смесей в грунт в зависимости от режима [17, 18] позволяет как управлять НДС грунтов [19, 20], так и качественно повышать их физико-механические характеристики для решения ряда возникающих задач, как, например, для стабилизации грунтов [6, 10], повышения их водонепроницаемости [21], при использовании специальных способов работ в строительстве [22, 23].

При недостаточной несущей способности оснований фундаментов существует возможность реализации процесса инъецирования без остановки строительного процесса [20, 24] или в рамках реконструкции [20, 25], считается, что при условии закрепления грунтовой толщи до 5–10 метров достаточно использования малогабаритной техники и смесительно-инъекционного оборудования, что особенно удобно при работе с нижних и цокольных этажей здания, подвалов и приямков, максимально близких к нижним отметкам фундаментов.

Анализ применяемых технологий и реализованных объектов выявляет закономерности использования, в основном, при инъекциях минеральных растворов на базе неорганических вяжущих веществ различных модификаций. При инъекциях низкопрочных дисперсных грунтов или трещиноватых скальных массивов рыхлой структуры с высокими удельными водопоглощениями при гидроопробы-ваниях достаточно часто происходит распространение минеральных растворов по каналу наименьшего гидравлического сопротивления [26], что связано с особенностями их гидратации (т.к. в водонасыщенных средах за счет разбавления водной средой изменяется истинное водоцементное отношение, что влияет на динамику твердения и конечные прочностные показатели) и фактического изменения концентрации закрепляющего вяжущего вещества в объеме твердеющего массива [27, 28]. Неоднократно было отмечено, что в сложных инженерно-геологических условиях при высокой обводненности массива, наличии слоев слабых грунтов с низкими физико-механическими характеристиками процесс нагнетания минеральных систем дает достаточно непредсказуемые результаты [16, 27], что часто требует предварительной обработки полимерными составами или полной замены инъекционной смеси на полимерные инъекционные материалы с регулируемыми параметрами [25, 29].

Однако ознакомление с данными современных исследований [25, 30], отраженных в работах различных авторов [31, 32], показывает, что влияние расхода и способа инъецирования полимерных смесей на свойства закрепленных грунтов практически не изучено, отсутствует ряд нормативных методик для разных составов с прогнозированием достигаемых свойств [31, 33], что особенно важно непосредственно на этапе проектирования и формирования бюджета строительного объекта [31, 34]. Практически не публикуются результаты российских ученых по лабораторным исследованиям химического закрепления грунтов полимерными составами, свойства геополимеров могут иметь как низкие прочностные свойства, так и чрезмерно завышенные, высокая нестабильность закрепленного массива часто не позволяет учитывать его в качестве надежного основания.

Основными полимерными материалами, используемыми в качестве инъекционных, выступают эпо-скидные и полиуретановые составы, ранее также использовались карбамидные, фенолформальдегидные, фурановые и метакрилатные смолы, в настоящее время практически не используемые из-за высокой токсичности соединений, что особенно затрудняло работы в ограниченных пространствах (тоннели, шахты, подвалы, здания) [35, 36].

Карбамидные или мочевино-формальдегидные смолы хоть и применялись на ряде объектов, но требовали значительных издержек на защиту рабочего персонала: создания системы принудительной вентиляции, работы в защитных очках, противогазах и респираторах [35, 36]. Карбамидные смолы различной модификации являются производным мочевины и представляют собой продукты поликонденсации формальдегида (CH2O) с мочевиной (карбамидом CO(NH2)2) или ее производными: тиомочевиной, меламином и т.д. В зависимости от условий конденсации (температуры, pH среды) получают либо нерастворимые неплавкие соединения, либо растворимые плавкие продукты, которые представляют собой мутную, однородную сиропообразную жидкость, которую далее можно использовать при нагнетании в грунты [37, 38].

Фурановые смолы – термореактивные олиго меры , образующиеся из соединений, содержащих фурановый цикл, способны медленно отверждаться при нормальных условиях (исключая смолы, состоящие из мономеров на основе фурфурила и ацетона, например фурфурилиденацетона), быстро отверждаются при нагревании (150÷170 °С) или (и) в присутствии катализаторов (главным образом, ароматических сульфокислот или минеральных кислот), с образованием тепло-, кислото- и щелочестойких материалов, характеризующихся высоким коксовым числом к (до 85÷90%).

Метакрилаты - смеси, состоящие из акриловых и метакриловых смол, некоторые виды и модификации акрилатов используются также в качестве гидроизоляционных герметизирующих материалов для гидроизоляции деформационных и холодных швов, ликвидации водопроявлений [39].

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Достаточно перспективным является направление по снижению токсичности смол для более широкого применения в строительных технологиях, что требует задания новых, более строгих параметров к токсичности используемых составов и модификации их производителями к достижению таких требований.

Инъекции эпоксидных составов в качестве закрепляющего агента в песках мелкой и средней крупности аллювиального генезиса с коэффициентом фильтрации Kф = 5–15 м/сут дают достижение прочности закрепленных образцов на одноосное сжатие в пределах 0,5–2,5 МПа и плотности в диапазоне 1,85–2,15 г/см3 [40, 41]. Одним из недостатков инъецирования эпоксидной смолой считается ее низкая водостойкость при наборе структурной прочности, что особенно негативно сказывается на процессах твердения в водонасыщенных грунтах с высокой влажностью, характерных для средней полосы Российской Федерации. Развитие химической промышленности за рубежом позволяет за счет ряда присадок и модификации составов снижать зависимость твердения смесей на основе эпоксидов от влажности среды, соответственно, есть предпосылки оптимизации свойств эпоксидных смесей и у отечественных производителей при научно-техническом прогрессе [42, 43].

Анализ данных исследований различных источников, в основном, подтверждает достижение проектных значений, закрепленных полимерными системами грунтов, причем наиболее широко представлены современные полиуретановые составы [30], дающие достаточно широкий спектр свойств, что позволяет использовать их при решении ряда задач. Однако отсутствуют единые требования к параметрам технологии для методов инъекционного введения в грунты твердеющих полимеров, требований к ним и границ применения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В рамках исследования анализировалось применение полимерных инъекционных композиций в подземном строительстве, которые могут рассматриваться как основные переделы для решения многих задач:

• 1.    Технологии закрепления грунтов (повышение их физико-механических свойств, повышение водонепроницаемости, создание дополнительного напряжения в грунтах – при компенсационном нагнетании). В технологии следует различать инъекции в различные типы грунтов (дисперсные, глинистые, трещиноватые скальные массивы), имеющие свои особенности.

• 2.    Ликвидация водопроявлений, активных течей в подземных конструкциях методом нагнета-

• Рис. 1. Водопроявление в подземной конструкции в зоне сопряжения, а также через тело бетона, неплотности, свищи и трещины

• 3.    Также отдельно следует выделить инъектиро-вание трещин в бетонных конструкциях с целью их герметизации (не рассматривается в рамках данного исследования).

ния в контактную зону сопряжения конструкций и грунтового массива (см. рис. 1).

Для исследования было проанализирована большая выборка открытых источников, для анализа выбрана наиболее распространенная технология инъецирования полиуретановых составов (как более широко отраженная в ряде публикаций), которая широко внедряется как в зарубежной, так и в отечественной практике и представляет собой в основном использование полиуретановой инъекционной смеси – продукта реакции полиола и изоцианата, смешанных в определенных объемных пропорциях, нагнетаемых далее в различные среды. Получаемая при этом одно- или двухкомпонентная смесь в конце химической реакции становится полимером, увеличивающимся в объеме более чем в 20 раз при определенных условиях, и существуют модификации, которые, наоборот, практически не расширяются (имеют коэффициент вспенивания близкий к 1,0). Как и в классических материалах, полиуретановые смеси при повышении пористости, соответственно, понижают свои физико-механические характеристики, однако при расширении они могут создавать давление в грунте до 10 МПа локально, уплотняя грунт в зонах нагнетания и повышая его прочностные показатели в зоне влияния обрабатываемого грунта. Получаемая полиуретановая смола относится к категории пеноматериалов с закрытыми ячейками в форме неправильных многогранников с плотностью от 30–35 (для полиуретанов с расширением в 30 раз) и свыше 1200–1300 кг/м3 (для полиуретанов, практически не имеющих расширения). Благодаря закрытом типу пор затвердевший пенополиуретан относительно устойчив к водопоглощению и может использоваться как для объемного закрепления грун-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ тов, для вытеснения водных масс, создания противо-фильтрационных завес и ликвидации нештатных ситуаций в строительстве (см. рис. 2, 3), подавления активных течей и водопроявлений (см. рис. 1). Такой перечень возможных применений делает полиуретановые составы наиболее универсальными инъекционными смесями, позволяющими решать широкий комплекс задач за счет регулирования их свойств. Тем не менее, существует ряд вопросов, которые не отражены в нормативной документации для инъекционных технологий с использованием полимерных материалов, что требует научного-техниче-ского сопровождения и экспериментально-опытного моделирования при реализации проектов [44, 45].

Для повышения прочности и контроля закрепленной зоны обычно используется технология двухрастворного нагнетания, включающая инъецирование двухкомпонентного высокоэластичного быстрореагирующего состава. К сожалению, для инъекционных составов практически не используется лабораторное экспериментальное исследование зависимости деформационно-прочностных свойств закрепленного грунта от способа нагнетания полиуретановых составов различных характеристик и параметров нагнетания, что особенно важно при дальнейшем выполнении работ. Это связано с отсутствием как методик, так и релевантного опыта, ввиду недавнего появления и внедрения устойчивых инъекционных полимерных систем с прогнозируемыми свойствами.

Считается, что нагнетание в песчаные грунты различной крупности для их упрочнения методом пропитки наиболее оптимально с полиуретановыми составами с минимальными коэффициентами вспенивания, т.к. при этом можно получать достаточно прочные массивы, набирающие прочность на одноосное сжатие до 5–10 МПа. Использование

Рис. 2. Прорыв напорных вод водоносных горизонтов через дно котлована расширяющихся полиуретанов в песках также достаточно эффективно за счет эффекта уплотнения песчаных частиц, купирования крупных и средних водонасыщенных водяных каналов с отжатием воды и заполнением их твердеющим полимером. При нагнетании в глинистые грунты полиуретановых составов, в основном, решается задача уплотнения массива с повышением его деформационных свойств, при повышении проектного давления и использовании составов с К расширения > 5–10 может возникать эффект компенсационного нагнетания, что находит свое применение для решения ряда геотехнических задач. Для дисперсных и глинистых грунтов при этом отсутствуют четкая методология проектных решений по нагнетанию полимерных композиций (несмотря на наличие значительного количества опыта завершенных объектов), критериев расчетного обоснования, требований к параметрам технологии и применяемым материалам.

Наиболее предсказуемым процессом является нагнетание полимерных полиуретановых смесей

Рис. 3. Прорыв плывунного грунта через ограждение котлована

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ в трещиноватые грунты скального типа с тампонажем и полной закупоркой трещиноватости после нагнетания, обычно используемое для повышения водонепроницаемости массива (задача повышения физико-механических характеристик скальных оснований встает редко и больше характерна для разрушенных сильнотрещиноватых или карстующихся пород, задача упрочнения которых более эффективно решается инъекциями минеральных составов), в основном используемая в горном деле [26, 27, 35]. Подбирая параметры структурообразования для оптимальных скоростей реакции и объемного расширения составов для различных типов пористости (с различными диаметрами условных поровых каналов, разветвленности и сообщенности трещин массива, гидростатическом давлении в грунтовом массиве, толщине закрепляемой толщи), можно решать задачи повышения водонепроницаемости трещиноватых пород до практически полной водонепроницаемости, сравнимой с низкомарочными бетонами.

Технология выполнения инъекционных работ для зданий и сооружений в промышленном и гражданском строительстве состоит обычно из следующих этапов: бурения скважин и их обустройства; установке манжетного инъектора в манжетную колонну, установке двойного пакера в зону нагнетания и непосредственно инъекция, также вариациями технологии являются инъекция через буровой став (забуриваемая часть при этом имеет перфорацию, через которую происходит нагнетание смесей в грунт) и инъекция через забивные пики, когда нагнетание производится через нижнюю часть металлической пики при постепенном ее извлечении грузоподъемным оборудованием. Наиболее регулируемой технологией является манжетная, т.к. трубы-инъекторы оснащаются резиновыми манжетами, выполняющими роль обратного клапана, не позволяющего попадать раствору обратно из скважины в инъектор при снижении давления, а обойменный раствор исключает перетоки между горизонтами нагнетания, позволяя обрабатывать именно заданные точки инъекции однократным закачиванием определенного объема или в несколько этапов распределенного объема в зависимости от типа решаемой задачи.

В период реализации крупнейших проектов по строительству объектов метрополитена г. Москвы (2013–2024 гг.) проводились противоаварийные мероприятия и ликвидация внештатных ситуаций при строительстве подземных сооружений, такие как затопление котлованов (как через ограждающие конструкции, так и через дно / разрабатываемое поэтапно основание) – см. рис. 2, рис. 3, нарушение герметичности сопряжения конструкций (вход/ выход ТПМК в станционные котлованы), ликвидация течей и водопроявлений в тоннелях [39], стабилиза- ция грунтов оснований зданий и сооружений [16, 32] в зоне влияния . Наработки проектных решений при решении комплекса задач для внештатных ситуаций позволяют сформировать следующие предпосылки: – в рамках оперативной реализации мероприятий по закреплению грунтов, восстановления противофильтрационных свойств полимерные материалы более предпочтительны за счет наиболее быстрого набора прочности относительно минеральных составов (в основном, окончательных характеристик полимерные составы достигают через 6-24 ч., минеральные составы – через 7–24 суток);

– более быстрый набор прочности полимерных смесей позволяет работать как захватками, так и по всему фронту работ, а в условиях концентрации аварийной ситуации на одном участке позволяет работать из ограниченного числа скважин;

– в условиях высокого водопритока и гидростатического напора даже при необходимости нагнетания цементных составов наиболее оптимально предварительное нагнетание полимерных быстроре-агирующих составов для исключения размытий, тампонирования потенциальных мест выходов, снятия гидростатического напора;

– при ликвидации водопроявлений в сопрягаемых конструкциях, например, таких, как стыки блоков тоннельной обделки или сопряжение «тоннель – котлован», «тоннель – ходок / сбойка», полимерные материалы являются предпочтительными за счет более высокой эластичности в условиях некоторых допускаемых подвижек, т.к. использование цементных составов при подвижке образует трещины, являющиеся каналами водопритоков, а для исключения образования таких трещин необходимо создавать достаточно большой закрепленный массив с большими объемами инъекции.

Для анализа формирования другого аспекта реализации инъекций полимерных составов – при восстановлении гидроизоляционных свойств конструкций – требования частично сформулированы в положениях ГОСТ 33762-2016 «Материалы и системы для защиты и ремонта бетонных конструкций. Требования к инъекционно-уплотняющим составам и уплотнениям трещин, полостей и расщелин» в части адгезионно-герметизирующего замыкания или компрессионно-герметизирующего замыкания (группы АГ, КГ), но отсутствуют методики для ликвидации активных течей, водоподавления через структуры, отличные от трещин в бетоне и т.д.

Для определения механизмов работы инъекционных полимерных смесей, нагнетаемых в дисперсные и глинистые грунты с целью их закрепления, также требуется формирование требований к ним, разра-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ботка нормативных требований и определение назначения оптимального контроля качества, дающего однозначную оценку достижения проектных задач.

Исследования выполнялись с использованием материально-технической базы Головного регионального центра коллективного пользования научным оборудованием и установками НИУ МГСУ при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-

15-2025-549). Далее в рамках исследований по Программе развития НИУ МГСУ на 2025–2036 годы в рамках реализации Программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» планируется разработка методических рекомендаций по закреплению оснований грунтов, устранению активных течей при строительстве и эксплуатации подземных сооружений.

Продолжение следует.