Перспективы применения струйной цементации в городском подземном строительстве с целью снижения экологических рисков

Струйная геотехнология (Jet grouting method) – это подземный размыв грунта горизонтальными струями из заранее пробуренных скважин с образованием полостей в грунте заданных формы и размеров, с синхронным заполнением этих полостей материалом с заданными свойствами и с синхронным перемешиванием, при необходимости, разрыхленного грунта с твердеющим раствором [2].

Технология струйной цементации грунтов появилась практически одновременно в трёх странах - Японии, Италии, Англии около 7-8 лет назад. До этого технология была разработана в СССР ещё в 1980 году институтом «Гидроспецпроект». Данная технология не получила распространение из-за отсутствия материалов и технологий для производства необходимого оборудования [1].

Основной идеей струйной геотехнологии является имитация с помощью технических средств природных процессов, осуществляемая направленно многократным ускорением, с целью изменения характеристик грунтов. Можно создавать подземные конструкций заданных форм и размеров. Струйная технология позволяет осуществлять процессы, обратные по отношению к природным: из искусственно, химически связанных дисперсных грунтов образовывать техногенную горную породу (грунтобетон) для использования её в качестве строительного материала.

Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором. На рис. 1 представлены этапы основных операций возведения грунтобетонных свай методом струйной геотехнологии [3]. После твердения раствора образуется новый материал – грунтобетон, обладающий высокими прочностными и деформационными характеристиками. Струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон грунтов от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов.

Другим важным преимуществом технологии является чрезвычайно высокая предсказуемость результатов укрепления грунтов. Это даёт возможность уже на этапе проектирования и заключения подрядных договоров достаточно точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики создаваемой подземной конструкции.

Этап 1.              Этап 2.              ЭтапЗ.

Бурение скважины Изготовление ГЦС Армирование ГЦС

Рис. 1. Этапы основных операций возведения грунтобетонных свай методом струйной геотехнологии.

Задачи:

• •    закрепление естественных грунтов на месте их залегания;

• •    замещение естественных грунтов    другими грунтами или

• твердеющими материалами

• •    взаимное замещение грунтов, расположенных в разных геологических слоях

• •    изменение характеристик естественных грунтов (мелиорация грунтов)

• •    изменение структуры грунтового массива.

В свою очередь, принципиальная возможность решения указанных технических задач позволяет выполнять подземные несущие и противофильтрационные конструкции, элементы зданий и сооружений, отдельные сооружения и создавать массивы грунтов с заданными свойствами.

Таким образом, можно сооружать под землёй фундаменты, сваи, искусственные основания, подпорные стены, горизонтальные или наклонные плиты и экраны, противофильтрационные завесы, дренажные конструкции и пр. Также струйную геотехнологию можно использовать в сочетании с другими технологиями [2].

Область применения:

• •    укрепление слабых грунтов (строительство тоннелей и коллекторов);

• •    ограждение котлованов в обводнённых грунтах;

• •    устройство противофильтрационных завес;

• •    усиление фундаментов при реконструкции и надстройки зданий;

• •    укрепление грунтов в основании плитных фундаментов;

• •    повышения устойчивости склонов и откосов;

• •    заполнение карстовых полостей в трещиноватых скальных грунтах.

Технологические схемы

Применяется три технологических метода применения струйной цементации .

По технологии Jet 1 в предварительно пробуренную технологическую скважину опускают специальный скважинный монитор, являющийся устройством, обеспечивающим струеформирование и перемещение струи, имеющий одно или несколько боковых насадок. К монитору подают по гибкому рукаву размывающую жидкость, например, цементный раствор.

При этом из насадки выходит высокоскоростная струя раствора, которая производит размыв грунта, образуя в нём горизонтальную каверну. При этом размытый грунт вместе с отработанным раствором частично выносится на поверхность в виде пульпы, которая по канавке направляется специальный пульпоприёмник (траншею или зумпф). Монитор приводят во вращение вокруг вертикальной оси и одновременно медленно начинают поднимать. В результате, по мере подъема вращаемого монитора, часть размытого вращаемой струёй грунта перемешивается с раствором, и таким образом в грунтовом массиве образуется цилиндрическая размытая полость, заполненная грунторастворной смесью. После завершения подъёма монитора и затвердевания цемента в грунте образуется колонна закреплённого грунта (грунтобетона).

В технологии Jet 2 наряду с боковой насадкой, в мониторе монтируется соосная с ней воздушная насадка, через которую одновременно с подачей раствора через центральную насадку подается подаётся сжатый воздух, создающий искусственный воздушный поток вокруг струи раствора. При этом размытый грунт выносится по скважине в потоке аэрированного раствора.

При этом диаметр грунтобетонной колонны существенно больше.

Технология Jet 3 получается, когда размыв грунта производят водяной струёй в искусственном воздушном потоке, с выносом размытого грунта через скважину в составе водовоздушной пульпы, а закрепляющий раствор подают в виде отдельной струи через насадку, расположенную ниже соосных размывающих насадок. При этом образующаяся грунтобетонная колонна имеет наибольший диаметр ((1,5-2,5) при прочих равных характеристик их процесса размыва). В этом случае раствор расходуется непосредственно для закрепления грунта.

Технология Jet 3 не имеет широкого спектра применения, ввиду сложности технологического оборудования, необходимости также дополнительного оборудования при использовании трёх шлангов. Конструктивная особенности мониторов являются сложными и быстрее выходят из строя. Если монитор не вращать вокруг вертикальной оси, а медленно поднимать с фиксируемым направлением размывающей насадки, то в грунте формируется плоская прорезь, заполненная твердеющим раствором. После затвердевания указанного раствора образуется плоская (панельная) конструкция средней толщиной порядка 15 см. Такие плоские конструкции используются обычно в качестве секций противофильтрационных завес [2].

Преимущества струйной геотехнологии:

• •    использование жидкой струи – в качестве рабочего разрушающего инструмента, естественного грунта – в качестве строительного материала, совмещения по времени разработки грунта и заполнения полости;

• •    исключение необходимости предварительной отрывки котлованов, строительного водопонижения, обязательного вывода сооружаемых конструкций на поверхность земли, поддержания устойчивости стенок выработки, предварительного усиления фундаментов соседних зданий и сооружений, переноса коммуникаций;

• •    отсутствие вибраций, ударных нагрузок, сильных шумовых эффектов, существенных осадок фундаментов и подъемов поверхности грунта;

• •    возможность выполнения строительных работ: в непосредственной близости от зданий и сооружений, под фундаментами зданий и сооружений, в слабых и водонасыщенных грунтах, в грунтах с крупными твердыми включениями, в том числе и строительство мусора, в стеснённых условиях, на глубинах до 30 м и более, под дном рек, каналов, водоёмов.

Строительство новых зданий и сооружений в условиях тесной застройки, связанные с вмешательством в подземную среду, вызывает непосредственные изменения в этой среде, в том числе и на достаточно больших расстояниях от строящегося объекта. Возникают оползневые проявления в основаниях соседних зданий под влиянием динамических и вибрационных воздействий появляются тиксотропные свойства некоторых слабых грунтов под фундаментами зданий, происходят ускоренный рост карстово-суффозионных полостей, суффозионные разрушения грунтовых оснований существующих зданий при интенсивном водопонижении на котлованах, подпор подземных вод при строительстве заглубленных помещений и подземных сооружений [1].

Наиболее эффективным средством для искусственного преобразования подземного пространства в настоящее время следует признать современную струйную геотехнологию в различных её видах.

Для предотвращения нарушения устойчивости оснований при отрывке котлованов под новые здания или подземные гаражи, а также при прокладке глубоких коллекторов или линий метро на полностью или частичные застроенной территории струйная геотехнология может быть использована при усилении фундаментов существующих зданий или сооружений путём сооружения грунтобетонных колонн непосредственно под подошвами фундаментов. При этом появляется возможность отрывки котлованов непосредственно примыкающих к зданию.

В случаях прокладки по застроенной территории транспортных сооружений (транспортных тоннелей, эстакад, линий метро), эксплуатация которых может привести к опасным вибрациям оснований существующих зданий, целесообразно выполнять предварительное закрепление грунтов в виде массивов из пересекающихся грунтобетонных колонн, примыкающих к указанным транспортным сооружениям. В результате амплитуды колебаний, передающихся на основания, будут многократно уменьшены, а собственная частота колебаний закреплённого массива будет достаточно высокой и окажется за пределами резонансной области.

В случаях наличия больших линз плывунов в подземном пространстве застраиваемой территории целесообразно их ликвидировать с использованием струйной геотехнологии. Для этого в первую очередь, линза гидрогеологически изолируется от смежных объёмов плывунных грунтов путём устройства подземной стенки из пересекающихся грунтобетонных колонн. Это возможно при условии, что плотность применяемого твердеющего раствора будет равна плотности закрепляемого грунта. В этом случае не будет происходить гравитационного оседания раствора в полужидкой среде. Затем с поверхности до кровли линзы пробуриваются с обсадкой рабочие и разгрузочные скважины. После этого через рабочие скважины последовательно производится нагнетание под необходимым давлением в линзу твердеющего раствора или песчаной пульпы высокой консистенции с вытеснением плывунного грунта через разгрузочные скважины в предварительно открытые траншеи, и таким образом производится последовательное замещение плывуна твердеющим материалом или песком.

При наличии на застраиваемой территории участков слабых водонасыщенных грунтов большой мощности целесообразно выполнить превентивное укрепление грунтов путём их уплотнения, например, под вакуумной пригрузкой, с сооружением сетки вертикальных песчаных дрен или заполненных песком пересекающихся прорезей при помощи усовершенствованной замещающей струйной геотехнологии. С помощью этой же технологии возможно сооружение искусственных оснований на определённой глубине – в виде песчаных подушек заданной мощности или устройство искусственного упора для свай в виде грунтобетонной плиты на заданной глубине.

При расположении застраиваемой территории над тектоническим разломом, когда на ней зафиксировано выделение из земли радона (такое явление наблюдается, например, в Крылатском, г. Москва), целесообразно выполнение с помощью струйной геотехнологии горизонтальной грунтобетонной плиты или экрана, выполняемого методом контролируемого гидравлического разрыва, на глубине ниже подошвы будущих фундаментов предполагаемых объектов[4,5].

Превентивное искусственное преобразование подземного пространства территорий можно рассматривать как объект для вложения капитала, то есть как самостоятельную отрасль хозяйственной деятельности. Возможно применение струйной геотехнологии в реконструкции, упрощении и ускорении строительства сооружений в мегаполисах. Так же в целях снижения экологических рисков в городском подземном строительстве.