2. Основные принципы строительства горных выработок и подземных сооружений с применением ссс
2.1. Водопонижение
Сущность способа водопонижения заключается в непрерывной и интенсивной откачке воды из грунтового массива через систему скважин. В результате поверхность грунтовой воды снижается к месту откачки и образует депрессионную поверхность. Вокруг одной скважины эта поверхность имеет форму воронки и называется депрессионной воронкой. Если скважины расположить с определенным интервалом так, чтобы «стенки» воронок пересеклись, то уровень воды на месте сооружения подземного сооружения можно снизить. В результате грунты осушаются, что позволяет вести работы в относительно благоприятных условиях. Понижать уровень грунтовых вод таким образом эффективно в песчаных, гравийно-галечных и трещиноватых скальных грунтах.
В зависимости от способа строительства подземного сооружения (открытый или закрытый) и глубины его заложения возможны три основные схемы водопонижения: водопонижение с поверхности, водопонижение из выработки и комбинированное водопонижение.
При выборе схемы водопонижения необходимо учитывать: свойства и условия залегания грунтов, условия залегания грунтовых вод, проницаемость (коэффициент фильрации) осушаемых грунтов, размер осушаемой зоны, мощность водоносного горизонта, характеристики технических средств водопонижения.
При открытом способе строительства подземных сооружений для осушения котлованов и траншей широко используется водопонижение с поверхности. Сущность его заключается в следующем. На некотором расстоянии от контура вокруг будующего подземного сооружения с поверхности земли бурят систему водопонизительных скважин.
Для водопонижения с поверхности используют легкие иглофильтровые установки (ЛИУ), эжекторные иглофильтровые установки (ЭИ), установки вакуумного водопонижения (УВВ), эжекторные вакуумные водопонижающие установки (ЭВВУ) с вакуумными концентрическими скважинами (ВКС) и установки забойного водопонижения (УЗВМ).
При водопонижении легкими иглофильтровыми установками (рис. 3.1) воду откачивают насосами 1, создающими вакуум в системе скважин с трубчатыми водоприемниками – иглофильтрами 2, через которые грунтовая вода, поступая в коллектор 4, откачивается за пределы осушаемого участка. Иглофильтр представляет собой колонку из труб, оканчивающуюся фильтровым звеном 3. Общая длина иглофильтра достигает 8,5 м.
Рис. 3.1. Схема осушения котлована легкой иглофильтровой установкой
Легкие иглофильтровые установки применяют для понижения уровня подземных вод на 4–5 м в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации от 1 до 40 м/сут. Для понижения уровня грунтовых вод на глубину более 5 м водопонижение ведут ступенями с применением ярусных водопонизительных систем, располагая иглофильтры на двух или нескольких уступах в откосах котлована. Иглофильтры присоединяют к коллектору, входящему в состав комплекса установки, с расстоянием 0,75 или 1,5 м.
Принцип действия эжекторного иглофильтра основан на создании вакуума непосредственно в колонке струей воды, нагнетаемой центробежным насосом между наружной (надфильтровой) и внутренней (водоприемной) трубами иглофильтра. Струя рабочей воды, нагнетаемой насосом, выходит из насадки с большой скоростью, создает разряжение в колонке и увлекает грунтовую воду, поступающую в фильтровое звено из окружающего грунта. При такой системе скорость движения воды в грунте возрастает, так как на нее воздействуют не только гравитационные силы, но и вакуум, создающий эффект подсоса. За счет этого появляется возможность осушения грунтов с небольшим коэффициентом фильтрации (0,1–10 м/ сут), а глубина водопонижения достигает 20 м. В отечественной практике используют три типа эжекторных иглофильтровых установок: ЭИ-2,5, ЭИ-4 и ЭИ-6, различающиеся диаметром фильтров.
Рис. 3.2. Производство работ с осушением котлована (фирма ООО "ГИДРОМОНТАЖ" г. Королев)
Для водопонижения в мелкозернистых пылеватых и глинистых песках, супесях, легких суглинках, илах и лёссах с коэффициентом фильтрации 0,5–2 м/сут на глубину 6–7 м могут быть использованы установки типа УВВ. Установка оборудована обычными иглофильтрами, но при погружении их в грунт обязательно устраивают обсыпку из чистого крупнозернистого песка. Вода отсасывается через иглофильтр благодаря устойчивому вaкууму, который создается в полости всасывающего коллектора с помощью водовоздушного эжектора.
При необходимости понизить уровень грунтовых вод с поверхности на значительную глубину (от 5 до 20 м в грунтах с коэффициентом фильции более 50 м/сут, а также глубине более 20 м используют водопонижающие скважины большого диаметра, в которые опускают глубинные насосы. Скважины диаметром 325–425 мм бурят по контуру будущего котлована на расстоянии 5–15 м одна от другой и опускают в них трубчатые фильтры и специальные глубинные насосы, работающие под водой.
При закрытом способе строительства подземных сооружений при мелком заложении для осушения участков большой протяженности скважины располагают по контурной замкнутой схеме. Откачку грунтовых вод ведут непрерывно на отдельных участках, разделенных поперечными рядами скважин. Отключение водопонизительной системы участка допускается только после возведения тоннельной обделки и окончания гидроизоляционных работ, осуществляемых на этом участке тоннеля. Технические средства водопонижения выбирают в соответствии с принципами, изложенными ранее.
При закрытом способе сооружения тоннелей на глубоком заложении для осушения забоя применяют схему водопонижения из выработки. Сущность забойного водопонижния заключается в том, что откачку воды производят через вдавленные в грунт из забоя выработки иглофильтры, в результате чего происходит осушение грунта на очередную заходку. Для забойного водопонижения применяют установки типа УЗВ (рис. 3.3). Иглофильтры установки внедряют на 2–3 м в призабойную зону водоносных грунтов. Установка может быть смонтирована на специальной платформе, что позволяет перемещать ее вслед за продвижением забоя выработки либо на укладчике тоннельной отделки.
Рис. 3.3. Схема забойного водопонижения с применением установки УЗВ: 1– игло-фильтры; 2 – водосборный коллектор; 3 – всасывающий рукав; 4 – насосный агрегат