ХИМИЧЕСКОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ

Силикатизация. При строительстве тоннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах возможно закрепление их химическими средствами. Необходимость в химическом закреплении грунтов может возникнуть при строительстве городских тоннелей закрытым или открытым способами вблизи фундаментов зданий или рядом с другими подземными сооружениями, а также при проходке шахтных стволов и наклонных выработок, при продавливании тоннелей через насыпи или другие препятствия. Химическое закрепление грунтов используют также для создания надежного основания котлованов, заложенных в неустойчивых грунтах. При этом представляется возможным избежать осадок поверхности земли и предотвратить повреждения расположенных поблизости зданий и сооружений, а также подземных коммуникаций. Применяемые для закрепления грунта химические растворы должны иметь малую вязкость, не быть токсичными, не оказывать коррозионного действия по отношению к насосному оборудованию.

В подземном строительстве получила распространение силикатизация, при которой в грунт инъектируют раствор хлористого кальция (СаСЬ) и жидкое стекло (^O-wSiCh, где п — модуль жидкого стекла, принимаемый равным 2,5-3) с добавками растворимых химикалий (фосфатов, алюминатов и бикарбонатов), способствующих осаждению геля. В результате химической реакции образуется гель кремневой кислоты [Si02*(m- 1)Н20], связывающий частицы грунта в прочный и водонепроницаемый монолит.

Для нагнетания химических реагентов применяют инъекторы различной конструкции, отличающиеся типом перфорированного участка и другими конструктивными особенностями. Инъекторы состоят из цельнотянутых стальных труб диаметром 19^2 мм со стенками толщиной до 6 мм. В нижней части трубы снабжены коническим наконечником, а на длине 0,5-1 м имеют перфорированное звено с отверстиями 1,5-3 мм. Верхняя труба оснащена специальным наголовником для забивки и имеет приспособление для подсоединения нагнетательного шланга.

Применяют инъекторы двух типов, отличающиеся конструкцией перфорированных звеньев. Инъекторы первого типа снабжены перфорированным звеном с отверстиями, расположенными в шахматном порядке из расчета 60-80 отверстий на 1 м длины (рис. 8.12, а). Во избежание забивания отверстий грунтом они покрыты резиновыми кольцевыми муфтами толщиной 1-1,5 мм, действующими как односторонние клапаны. Это позволяет лучше распределять нагнетаемый материал и производить повторное нагнетание на одном уровне до полного закрепления грунта.

Конструкции инъекторов (а, б) и манжетной колонны (в)

Рис. 8.12. Конструкции инъекторов (а, б) и манжетной колонны (в):

  • 1 — наголовник; 2 — кран; 3 — штуцер; 4 — шланг; 5 — наконечник;
  • 6 — перфорированное звено, 7 — колонна труб; 8 — ниппель; 9 — резиновая манжета; 10 — перфорированная трубка; 11 — тампоны;
  • 12 — стенка скважины; 13 — глиноцементное заполнение;
  • 14 — манжетная труба

В инъекторах второго типа на участке перфорированного звена проточены круговые канавки шириной 8-10 и глубиной 2-3 мм, в которых просверлены отверстия, перекрытые резиновыми муфтами (рис. 8.12, б). Используют также инъекторы с несколькими перфорированными звеньями, расположенными через 0,3-0,4 м. Инъекторы погружают в грунт отдельными секциями по 1-1,5 м пневматическими отбойными молотками или залавливают гидравлическими домкратами. Максимальная глубина погружения инъекторов в песчаных грунтах составляет 12-15 м, а в гравелистых — 3-3,5 м. При большей глубине забивки инъекторы погружают в заранее пробуренные скважины. В слабых грунтах бурение производят с обсадкой трубками, которые не доводят до закрепляемой зоны на 1—1,5 м.

При строительстве тоннелей мелкого заложения скважины забуривают с поверхности земли, а при глубоком заложении выработок - чаще всего из забоя. Инъекторы можно погружать и из вспомогательных выработок: штолен, пилот-тоннелей и т.п. В пробуренные скважины опускают манжетные колонны труб, извлекая при этом обсадную трубу. Зазор между манжетными трубами и грунтом заполняют пластичной глиноцементной смесью во избежание прорыва инвестируемого раствора по затрубному пространству. Затем в скважину опускают перфорированную трубку малого диаметра с двумя тампонами-ограничителями, устанавливая ее против любого перфорированного кольца манжетной трубы (рис. 8.12, в). Вместо стальной манжетной трубы иногда применяют пластмассовые инъекторы. После закрепления грунта по мере проходки выработки такие инъекторы могут быть срезаны вместе с грунтом.

Схема расположения скважин под инъекторы зависит от способа закрепления грунта. Возможно устройство вертикальных наклонных и горизонтальных скважин при закреплении грунта по контуру тоннельной выработки или в виде сплошного массива, аналогично тому, как это принято при искусственном замораживании грунтов (рис. 8.13).

Инъекторы располагают в один или несколько рядов в шахматном порядке на расстоянии, определяемом свойствами закрепляемых грунтов и гидрогеологическими условиями. В зависимости от радиуса г закрепления расстояния между инвесторами в одном ряду принимают равными 1,73г, а между рядами инъекторов — 1,5г. Радиус закрепления грунта, в свою очередь, зависит от коэффициента фильтрации и устанавливается опытным нагнетанием. Для однородных грунтов, закрепляемых двухрастворной силикатизацией г = 0,25АГф, где Кф — коэффициент фильтрации грунта, м/сут.

При однорастворной силикатизации величина радиуса закрепления изменяется от 0,3 до 1,0 м. Таким образом, зоны влияния соседних инъекторов пересекаются и создается сплошной экран из закрепленного грунта. Глубина закрепления за одну заходку на 0,5г превышает длину перфорированной части инъектора.

Последовательность и технология нагнетания растворов определяются, главным образом, коэффициентами фильтрации грунтов и показателем жесткости грунтовых вод. При коэффициенте фильтрации от 2 до 80 м/сут и показателе жесткости грунтовых вод pH < 9 применяют двухрастворную силикатизацию. Для этого жидкое стекло плотностью 1,35-1,44 г/см3 и 27-30%-ный раствор хлористого кальция плотностью 1,26-1,28 г/см3 нагнетают через инъекторы в грунт с определенными интервалами.

Схемы химического закрепления грунта при строительстве тоннелей открытым {а, б) и закрытым (в-д) способами

Рис. 8.13. Схемы химического закрепления грунта при строительстве тоннелей открытым {а, б) и закрытым (в-д) способами:

/ — подземная выработка; 2 — фундамент здания; 3 — скважины;

4 — закрепленный грунт; 5 — подземные коммуникации

Расход раствора, нагнетаемого в одну заходку, можно определить по формуле

где г — радиус закрепления грунта;

/ — глубина заходки;

г — коэффициент пористости грунта;

ко — коэффициент, учитывающий свойства грунтов и принимаемый равным 5 для песков, 8 — для лессов и 15 — для плывунов.

Разрыв во времени между нагнетанием жидкого стекла и хлористого кальция должен быть, по возможности, минимальным, составляя обычно от 1 до 24 ч в зависимости от скорости движения подземных вод. При скорости движения подземных вод менее 1 м/сут применяют последовательное нагнетание реагентов, при котором инъек- тор погружают до проектной отметки, постепенно нагнетая под давлением около 0,3 МПа жидкое стекло, а затем заменяют инъектор и снизу вверх нагнетают под давлением до 0,8 МПа раствор хлористого кальция. Если скорость движения подземных вод составляет от 1- 3 м/сут, нагнетание ведут по заходкам, поочередно погружая и извлекая инъекторы и нагнетая через них то жидкое стекло, то хлористый кальций. Одновременно нагнетание жидкого стекла и хлористого кальция через два ряда расположенных инъекторов ведут при скорости движения подземных вод более 3 м/сут.

В песчаных грунтах с коэффициентами фильтрации 0,5-5 м/сут и с показателем жесткости воды pH < 7, а также в лессовидных грунтах с коэффициентами фильтрации 0,1-0,2 м/с, расположенных выше уровня грунтовых вод, применяют однорастворную силикатизацию, нагнетая в грунт гелеобразующую смесь, приготовленную непосредственно перед нагнетанием. Для усиления эффекта силикатизации используют фосфорную, серную, кремнефтористоводородную кислоты, сернокислый алюминий и другие реагенты.

Для нагнетания растворов в грунт применяют поршневые, шестеренчатые и диафрагмовые насосы. Распространены одноплунжерные насосы-дозаторы, обеспечивающие объемное напорное дозирование инъектируемого раствора. При помощи силикатизации можно закреплять практически любые несвязные грунты с коэффициентами фильтрации более 0,1 м/сут. При этом достигается создание прочного (Ясж = 2-5 МПа) водонепроницаемого, стойкого к химической агрессии и долговечного монолита.

Смолизация. Для закрепления слабых и неустойчивых водоносных грунтов ненарушенной структуры с коэффициентами фильтрации 0,3-10 м/сут наряду с силикатизацией применяют смолизацию с использованием органических крепителей на основе различных синтетических смол. Обладающие незначительной вязкостью смолы хорошо проникают в грунт и после добавления отвердителя полимеризу-

ются с образованием геля, который затвердевает, придавая грунту требуемую прочность и водонепроницаемость. Закреплять смолиза- цией можно различные несвязные грунты, кроме глинистых и карбонатных песков, содержащих более 3-4% по массе глинистых частиц или карбонатов.

В нашей стране для закрепления грунтов используют карбамидно- мочевинно-формальдегидные (КМ), мочевинно-формальдегидные (МФ-17) и другие смолы. Наиболее широко применяют водные гелеобразующие растворы МФ-17 и 40-50%-ный раствор нетоксичной карбамидной смолы — крепитель-М, имеющие время гелеобразова- ния 30-35 мин и прочность не менее 1 МПа. Для закрепления мелкозернистых водонасыщенных песков с коэффициентом фильтрации менее 1 м/сут используют растворы карбамидной смолы: крепитель-К и УКС. В качестве коагулянтов-отвердителей служат 3-5%-ные растворы соляной, серной, фосфорной, щавелевой кислоты, персульфат аммония, солянокислый анилин и др.

Радиус распространения смолы в грунте вокруг инъектора можно определить по формуле

где Qp — расход нагнетаемого раствора, м3/мин;

/ — время нагнетания, мин;

/ — глубина заходки, м;

е -— коэффициент пористости грунта.

Например, карбамидная смола распространяется в грунте в радиусе от 0,3 до 8 м при давлении нагнетания до 0,5 МПа, повышая прочность грунта на сжатие до 1-3,6 МПа.

Требуемый расход полимерраствора для закрепления грунта вокруг одного инъектора можно определить по формуле:

где к — коэффициент перерасхода раствора; ki = 1,05;

— коэффициент технологических потерь; к2 = 1,05;

Vrp — объем закрепляемого грунта;

8р — коэффициент заполнения пор.

Для проверки степени водонепроницаемости химически закрепленного массива грунтов проходят шурфы или пробуривают контрольные скважины, в которые через инъекторы нагнетают воду, определяя удельное водопоглощение грунтов. Применяют также геофизические методы контроля радиуса распространения и монолитности закрепленного грунтового массива.

Смолизацию успешно применяют в нашей стране и за рубежом при строительстве тоннелей в несвязных водонасыщенных грунтах близ фундаментов зданий и подземных коммуникаций. Следует отметить, что стоимость закрепления 1 м"3 грунта смолизацией не превышает стоимости закрепления способом двухрастворной силикатизации.

Применяют и другие способы закрепления и стабилизации грунтов. Так, глинистые грунты можно закреплять электрохимическими способами: электроосмосом, электрофорезом и электролизом. При этом одновременно с электрообработкой грунтов нагнетают цемент, известь, гипс и другие материалы. В плывунных грунтах может оказаться эффективным термический способ закрепления, основанный на спекании грунта под действием высоких температур. Получает распространение газовая силикатизация, при которой жидкое стекло отверждается углекислым газом.

Для закрепления трещиноватых и кавернозных скальных и полус- кальных грунтов, а также крупнообломочных гравелисто-галечни- ковых отложений применяют тампонаж. При этом вода из трещин и пустот вытесняется тампонажным раствором, а грунт превращается в водонепроницаемый монолит. В зависимости от размеров трещин и пор, а также от скорости движения подземных вод тампонаж производят различными материалами: цементным раствором (цементация), глинистым раствором (глинизацией) или битумной эмульсией (битумизацией).

Помимо перечисленных способов, в последние годы при строительстве тоннелей применяют гидроактивную однокомпонентную систему химического закрепления грунта с использованием нового материала — гидроактивного полиуретана.

Особенностью данной технология является то, что грунтовые воды используются в качестве второго реагента, необходимого для протекания реакции образования геля гидроактивного полимера. Реакция гелеобразования гидроактивного пенополиуретана начинается только после его инъецирования в грунт за счет привлечения воды, насыщающей его поры. Достоинством такого способа является отсутствие потерь времени на гелеобразование полимера и вымывание грунтовыми водами, движущимися с повышенными скоростями. Время его полимеризации можно регулировать в достаточно широких пределах. Материал, образовавшийся по завершении реакции, имеет трехмерную структуру, нерастворим в воде, устойчив к воздействию агрессивных сред. Прочность грунта, закрепленного гидроактивным составом, достигает 10—15 МПа.

Химическое закрепление грунтов обладает рядом преимуществ по сравнению с другими способами:

простота производства работ;

  • • портативность применяемого оборудования;
  • • короткие сроки выполнения работ;
  • • возможность закрепления грунта на любой глубине без раскрытия каких-либо специальных выработок и земляных работ;
  • • возможность ведения подземных работ без прекращения движения над строящимся тоннелем.

К недостаткам данного способа относится токсичность применяемых материалов, что отрицательно влияет на состояние окружающей среды и на здоровье работающих в тоннеле людей.

 
Посмотреть оригинал