Контрольные вопросы

Что называется взрывом?

Для чего применяют капсюли-детонаторы, электродетонаторы, ДШ?

Какова конструкция шпурового заряда при обычном и контурном взрывании?

Назовите способы взрывания зарядов ВВ.

Назначение и характеристика специальных способов работ

Проходка тоннелей и разработка котлованов часто осложняются при наличии воды в разрабатываемых грунтах. В скальных грунтах, известняках, песчаниках, гранитах и других устойчивых грунтах воду отводят от забоя по дренажным канавам или откачивают с помощью насосов. Для обеспечения беспрепятственного отвода воды в таких условиях проходку стремятся вести на подъем. Однако бывают случаи, когда большие притоки воды, особенно напорной, сильно затрудняют и замедляют разработку грунта. Большие трудности проявляются при проходке стволов или наклонных тоннелей, где отвод воды от забоя по уклону невозможен, а устройство зумпфов (колодцев) для откачки воды насосами затруднено.

При насыщении водой илистых, песчаных, песчано-глинистых грунтов забой становится неустойчивым, происходит вынос водоносного грунта из-под крепления забоя в выработку. Насыщенный водой грунт как бы «плывет» из забоя и закрепить его бывает очень трудно, а иногда невозможно.

Для преодоления участков со сложными гидрогеологическими условиями необходимо обеспечить стабилизацию грунта в забое или исключить попадание воды в подземную выработку или котлован, т. е. создать такие условия, при которых проходку выработки или разработку котлована можно было бы вести обычными способами: щитовым, сплошного забоя, уступным, поярусной разработкой котлованов и др. Применение специальных способов на период производства работ по возведению постоянной крепи выработки позволяет изменить физико-механические свойства грунтов, в которых проходят тоннель, повысить их прочность и устойчивость, устранить приток воды (частично или полностью).

К числу таких специальных способов относятся следующие.

Искусственное замораживание грунтов. При этом способе воду из грунта не удаляют, а замораживают ее вместе с грунтом с помощью специальных устройств – замораживающих колонок. В результате замораживания при постепенном отборе тепла от грунта создается ледогрунтовый массив, имеющий большую механическую прочность и полностью водонепроницаемый.

Искусственное замораживание применяют при проходке выработок, возведению тоннельной обделки и ее гидроизоляции. После окончания этих работ происходит оттаивание грунтов и восстановление их естественного состояния с последующей передачей горного и гидростатического давления на возведенную постоянную обделку.

Водопонижение. Этот способ состоит в осушении грунтов, в которых строится тоннель, или снятии напора в водоносных грунтах путем откачки воды из них через специально устраиваемые для этих целей водопонижающие скважины, в которых устанавливают водооткачивающие средства. Эффективность способа зависит от того, насколько быстро грунт может отдавать воду. Степень водоотдачи грунта характеризуется коэффициентом фильтрации, представляющим собой среднюю скорость движения воды по скелету грунта под действием собственного веса, выраженную в метрах в сутки. Например, крупнозернистый песок имеет коэффициент фильтрации 15-25 м/сут, мелкозернистый-1-5 м/сут, илистые грунты – 0,1-0,3 м/сут. Наилучшего осушения можно добиться в песчаных грунтах, имеющих наибольший коэффициент фильтрации.

Закрепление грунтов. Этот способ основан на нагнетании в грунт специальных растворов, которые, проникая в поры грунта, придают ему прочность и водонепроницаемость. Для закрепления грунтов применяют различные способы: цементацию (нагнетание цементного раствора), глинизацию (нагнетание тампонажного глинистого раствора с различными добавками), химическое закрепление – силикатизацию (двухрастворная – последовательное нагнетание раствора жидкого стекла, а затем раствора хлористого кальция, однорастворная – нагнетание гелеобразующей смеси, приготовленной непосредственно перед нагнетанием путем смешивания раствора жидкого стекла и кислотных отвердителей), смолизацию – нагнетание растворов смол с отвердителями.

К специальным способам закрепления грунтов относятся также битумизация и термическое закрепление, но эти методы применимы, при небольших объемах грунтов, подлежащих закреплению, поэтому в метростроении они не применяются.

Способ закрепления грунтов выбирают при составлении проекта на основании данных инженерно-геологических изысканий, характеристик грунтов и технико-экономического анализа (см. таблицу).

Кессонный способ. Сущность этого способа заключается в том, что в огражденное замкнутое пространство, называемое рабочей зоной, где выполняются работы по возведению сооружения, нагнетают сжатый воздух, который отжимает воду из грунта, что позволяет разрабатывать грунт и устанавливать временное и постоянное крепление в практически сухом забое. При этом давление сжатого воздуха в нижней части рабочей зоны для полного отжатия воды должно быть равно или несколько меньше гидростатического напора воды.

Совмещенные специальные способы работ. Эти способы основаны на применении в конкретных условиях строительства одновременно двух специальных способов, которые в определенной последовательности или параллельно создают технологию, позволяющую вести строительство в сложных гидрогеологических условиях.

Примерные области применения различных способов закрепления грунтов

Способ закрепления грунтов	Вид грунта	Коэффициент фильтрации, м/сут
Цементация и глинизация	Трещиноватые скальные грунты, известняки, песчаники, гр.авелистые грунты, крупнозернистые пески	80-500
Силикатизация:
двухрастворная	Песчаные, песчано-глинистые грунты	2-80
однорастворная	То же	0,5-50
Смолизация	Песчаные, илистые, песчано-глинистые грунты	0,5-80

Примером такого совмещения двух методов является проходка тоннелей под сжатым воздухом с одновременным водопонижением: в этом случае применение водопонижения позволяет уменьшить гидррстатический напор, что дает возможность вести проходку тоннеля кессонным способом при более низком давлении в рабочей зоне.

Совмещенное применение замораживания и водопонижения позволяет осушить грунт в котловане, огражденном замкнутой водонепроницаемой ледогрунтовой стеной.

Искусственное замораживание грунтов

Искусственное замораживание грунтов на строительстве метрополитенов применяют при проходке стволов шахт, эскалаторных тоннелей, перегонных тоннелей, строительстве станций закрытого способа, разработке котлованов под сооружения метрополитена возводимых открытым способом.

Искусственное замораживание грунтов позволяет создать прочное ограждение кругового или прямоугольного очертания из замороженного грунта, препятствующее проникновению в сооружаемую выработку грунтовой воды или водонасыщенных неустойчивых грунтов. Такое ограждение воспринимает давление окружающего выработку или котлован грунта, а также гидростатический напор грунтовых вод.

Замораживание грунтов рассольным способом. Для замораживания грунтов обычно используют так называемый холодильный агент (хладагент). Обычно в качестве хладагента применяют охлажденный водный раствор хлористого кальция (рассол), который обладает способностью оставаться жидким при отрицательных температурах. Такой рассол, охлажденный на замораживающей станции, по системе труб подают к замораживающим колонкам, опущенным в пробуренные скважины.

Рис. 83. Установка для замораживания грунтов: а – схема циркуляции раствора; б – схема замораживающей станции; в – конструкция замораживающей колонки; 1 – рассольный бак; 2 – обратный рассолопровод; 3 – термометр; 4 – водомер; 5 – манометр; 6 – коллекторное кольцо; 7 – отводящая труба; 5 – замораживающие колонки; 9 – питающая труба; 10 – кран; 11 – распределительный рассолопровод; 12 – прямой рассолопровод; 13 – насос; 14 – конденсатор; 15 – аммиачный компрессор; 16 – испаритель; 17 – регулирующий вентиль; 18 – головка замораживающей колонки

Для создания ледогрунтового ограждения предварительно по контуру будущей выработки через всю толщу водоносных грунтов бурят скважины, заглубляя концы их на 2-5 м в водоупорный грунт (глины, плотные безводные сланцы, мергели). Расстояние между этими скважинами определяется проектом из расчета, что радиус намораживаемого вокруг скважины ледогрунтового цилиндра составляет 1,25– 1,5м.

В случаях когда не представляется возможным заглубить контурные замораживающие скважины в водоупор, грунтовой массив замораживают по всему сечению сооружаемой выработки, для чего замораживающие скважины бурят и внутри контурных скважин.

В пробуренные скважины опускают замораживающие трубы – колонки с наглухо заваренным нижним концом (дном) (рис. 83). В колонки, не доходя до дна их на 40-50 см, опускают трубы меньшего диаметра с открытым нижним концом – питающие трубы.

Замораживающие колонки через специальные оголовки соединяют в расположенную на поверхности общую систему, состоящую из трубы-распределителя, по которой к питающим трубам подается охлажденный на замораживающей станции раствор хлористого кальция (рассол), и трубы-коллектора, отводящей рассол из колонок к той же станции.

На замораживающей станции монтируют насосно-компрессорные агрегаты и устройства, предназначенные для обеспечения работы всей системы замораживания. Холодный рассол насосами нагнетается в распределитель, откуда он равномерно расходится по питающим трубам замораживающих колонок. Достигнув дна колонки, рассол, давление которого поддерживается насосами на станции, поднимается вверх по кольцевому пространству между питающей трубой и замораживающей колонкой, омывая ее внутренние стенки. При этом происходит теплообмен: рассол отнимает тепло у грунта, окружающего колонку, и понижает его температуру, что постепенно приводит к замораживанию грунта. Затем из колонки через оголовок рассол поступает в коллектор, а из него – на замораживающую станцию, где вновь охлаждается.

На замораживающей станции монтируют две системы машин и механизмов. Первая система (аммиачная) предназначена для охлаждения рассола аммиаком и включает компрессор, конденсатор и испаритель, соединенные трубопроводами. Вторая система (рассольная) предназначена для обеспечения циркуляции рассола и включает рассольный бак, насос, трубопроводы, распределитель, коллектор и замораживающие колонки.

Охлаждение рассола происходит следующим образом. Компрессор сжимает засасываемые из испарителя пары жидкого аммиака до давления 0,8-1,2 МПа, при этом происходит нагрев паров аммиака. Сжатые пары аммиака поступают по трубопроводу в конденсатор, состоящий из труб, постоянно омываемых холодной водой, где пары аммиака охлаждаются, превращаясь в жидкость. Жидкий аммиак поступает в испаритель. Секции испарителя находятся в баке, заполненном рассолом – водным раствором хлористого кальция, замерзающим при температуре – 34?С. Испаряясь, жидкий аммиак отнимает от рассола значительное количество тепла, необходимое для парообразования, при этом рассол охлаждается до температуры -20…-26?С. Затем с помощью центробежного насоса охлаждаемый рассол нагнетается в распределитель, из которого поступает в замораживающие колонки, и, отдавая часть холода грунту, возвращается обратно по коллектору в испаритель для повторного охлаждения. Далее цикл повторяется.

Постепенно вокруг каждой колонки образуется массив замороженного грунта цилиндрической формы. При дальнейшем замораживании объем замороженных цилиндров увеличивается, и они смерзаются между собой в сплошной кольцевой массив (рис. 84).

Время, необходимое для образования замороженного массива, зависит от гидрогеологических условий, числа замораживающих колонок, температуры циркулирующего рассола, проектной толщины замороженного массива. Ориентировочный срок для создания замороженного контура при расстоянии между скважинами 1,25 м колеблется в пределах от 40 до 60 сут при круглосуточной работе замораживающей станции. Этот процесс называют активным замораживанием. Чтобы массив поддерживался в замороженном состоянии, замораживающая станция в течение всего времени лроходки в замороженной зоне работает по режиму, определяемому в проекте (в одну или две смены),– это период поддержания замораживания.

Рис. 84. Последовательность образования ледогрунтового кольцевого массива вокруг ствола шахты: а – начальный период; б – середина процесса; в – конец замораживания

Об образовании замкнутого ледогрунтового ограждения судят по поднятию уровня воды в специально пробуренной контрольной гидрогеологической скважине. Когда образование замкнутого ледогрунтового ограждения на одном из водоносных горизонтов заканчивается и начинается его утолщение, вода внутри замороженного контура испытывает давление утолщающихся стен ограждения, и уровень воды в контрольной скважине поднимается.

Работы по проведению замораживания начинают с бурения скважин и установки в них замораживающих колонок с питающими трубами. Параллельно ведут работы по строительству замораживающей станции, монтажу оборудования и рассолопроводов с таким расчетом, чтобы к окончанию бурения скважин можно было провести испытания и ввести всю систему в работу.

Производство горнопроходческих и строительных работ в замороженной зоне имеет ряд особенностей. Работы следует вести при тщательном контроле за состоянием ледогрунтового ограждения и режимом работы замораживающей станции для сохранения размеров ледогрунтового ограждения и его температуры.

При открытых работах выемку грунта из котлована в период положительных температур воздуха необходимо вести с защитой стенок ледогрунтового ограждения от действия атмосферных осадков и солнечных лучей.

При разработке грунта буровзрывным способом необходимо соблюдать меры предосторожности, не допускать деформации ледогрунтового ограждения и повреждения замораживающих колонок.

После окончания проходческих работ и возведения постоянной обделки сооружения приступают к оттаиванию замороженных грунтов, которое может происходить естественным путем или выполняется искусственно путем нагнетания в скважины нагретого рассола или воды.

Низкотемпературное замораживание с использованием жидкого азота. В последние годы в практике метростроения для искусственного замораживания грунтов стали применять новый хладагент – жидкий азот, представляющий собой бесцветную жидкость, температура испарения которой очень низка (при атмосферном давлении она равна –195,8?С).

Получают жидкий азот на специальных заводах путем сжижения атмосферного воздуха при низких температурах и последующего разделения его на жидкий азот и кислород, имеющие разные температуры испарения. Жидкий азот транспортируют в специальных емкостях (танках).

В отличие от других промышленных хладагентов (аммиака, фреона), которые можно использовать только в замкнутой системе холодильной установки, жидкий азот используют однократно (испаряющийся газ выпускают в окружающую среду).

Способ низкотемпературного замораживания с применением жидкого азота обладает рядом преимуществ в сравнении с обычным (рассольным) замораживанием. При замораживании жидким азотом не нужны замораживающие станции, а также сети трубопроводов. Доставленный на стройплощадку жидкий азот из цистерн пускают сразу в замораживающие колонки. Скорость замораживания увеличивается, что особенно важно при больших скоростях фильтрации грунтовых вод, а также при поступлении термальных и минерализованных вод.

Доставляют жидкий азот в смонтированных на автомобилях цистернах вместимостью 1200, 3000 и 5000 л. На замораживание 1 м³ грунта с содержанием воды до 30% расходуется 1000 л жидкого азота. Жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен, нетоксичен и недорог.

При низкотемпературном замораживании замораживающие колонки соединяют последовательно в одну систему. Жидкий азот поступает во внутреннюю (питающую) трубу первой замораживающей колонки. В кольцевом пространстве колонки жидкий азот испаряется и в газообразном сотоянии поднимается к оголовку колонки, откуда затем по трубопроводу поступает в питающую трубу соседней колонки и т. д. (рис. 85). Из последней колонки системы он поступает в атмосферу при температуре около – 40?С.

Рис. 85. Схема низкотемпературного (азотного) замораживания: 1 – подводящая трубка; 2 – трубка для отвода испарившегося азота; 3 – стальной оголовок замораживающей колонки

Применение технологии низкотемпературного замораживания эффективно при ликвидации прорывов воды и плывунов в горные выработки, а также при выполнении срочных работ в водоносных грунтах.

Искусственное замораживание является универсальным средством стабилизации грунтов и обеспечения возможности ведения работ в водоносных породах. В то же время оно имеет ряд недостатков. Пучение обводненных грунтов вследствие увеличения их объема при замораживании и осадка при оттаивании может приводить к деформациям поверхностных сооружений, под которыми ведутся работы по замораживанию, особенно если они выполняются на небольшой глубине. Подготовительные работы сложны, а сам процесс замораживания длителен, стоимость таких работ довольно высока.

Совмещенное применение замораживания и водопонижения позволяет осушить грунт в котловане, огражденном замкнутой водонепроницаемой ледогрунтовой стеной.

Искусственное понижение уровня грунтовых вод

Водопонижение на строительстве метрополитенов применяют при сооружении станций, тоннелей и подземных переходов, возводимых открытым способом, при проходке станционных и перегонных тоннелей закрытым способом, при строительстве стволов шахт, а также выполнении различных работ, сопутствующих сооружению тоннелей метрополитена (перекладка коммуникаций, подводка или укрепление фундаментов и др.).

Для водопонижения применяют: легкие иглофильтровые установки, эжекторные иглофильтры, установки вакуумного и забойного водопонижения, а также глубинные насосы, устанавливаемые в водопонижающие скважины,

Сущность метода водопонижения основывается на том, что при откачке грунтовых вод, поступающих в скважину, котлован или подземную выработку, поверхность воды в грунте приобретает воронкообразную форму с уклоном к месту откачки (рис. 86). Воронкообразную (пониженную) поверхность грунтовых вод называют депрессионной поверхностью, а пространство между этой поверхностью и непониженной поверхностью грунтового потока – депрессионной воронкой.

По мере откачки воды депрессионная воронка увеличивается по площади распространения и в глубину. Если интенсивность откачки остается постоянной, то со временем наступает стабилизация-установившийся режим, при котором не происходит дальнейшего развития депрессионной воронки. С прекращением откачки уровень грунтовых вод восстанавливается. Целью водопонижения является развитие и поддержание депрессионной воронки в водоносных грунтах, т. е. их поддержание в осушенном состоянии в течение всего периода возведения сооружения. В ряде случаев водо-понижение применяют для снятия избыточного напора в подстилающих водоносных грунтах, отделенных от дна котлована слоем водоупорного грунта.

Рис. 86. Схема водопонижения: а – одной скважиной; б – двумя скважинами при водоупоре ниже дйа котлована; в – то же на уровне дна котлована; 1 – контур котлована под строящееся сооружение; 2 – водопони-жающая скважина; 3 – сухой грунт, находящийся выше уровня грунтовых вод (УГВ); 4 – депрессионная воронка (осушенный водопонижением грунт); 5 – поверхность депрессии; 6 – обводненный грунт; 7 – погружной насос; 8 – водоупорный слой; h – максимальная высота остаточного слоя воды, снимаемого открытым водоотливом

Однако в ряде случаев (например, когда близко под дном котлована залегают водоупорные грунты) полностью осушить водоносные грунты не удается и над водоупором остается слой воды толщиной 0,5-1 м. Для его снятия чаще всего применяют открытый водоотлив с помощью переносных насосных установок, откачивающих воду из устраиваемых временных колодцев (зумпфов).

При выборе способа водопонижения учитывают характеристики грунтов и условия их залегания, мощность водоносного слоя, коэффициент фильтрации, размеры осушаемой зоны в грунте, способы производства горнопроходческих или строительных работ, продолжительность водопонижения, характеристики имеющихся технических средств водопонижения.

Водопонижающие скважины бурят за пределами контура возводимых конструкций. Их расположение в плане зависит от размеров сооружения, а также от гидрогеологических характеристик грунтов и может быть: линейным (в один или несколько рядов по прямой линии, например, при проходке перегонных тоннелей), контурным (по контуру, огибающему сооружение, например, котлован, для сооружения станции метрополитена открытого способа работ), кольцевым (например, при проходке шахтных стволов), комбинированным (например, когда при широких котлованах внутри контура водопонижающих скважин располагают еще один или несколько рядов таких же скважин).

Водопонижение с помощью легких иглофильтров. Этот способ основан на создании и поддержании вакуума самовсасывающими насосами в широко разветвленной сети иглофильтров, погруженных в грунт и соединенных резиновыми шлангами с коллектором (рис. 87). Грунтовая вода засасывается через фильтры во всасывающий коллектор и откачивается насосами за пределы осушаемой площади.

Легкий иглофильтр представляет собой колонну труб диаметром 46-50 мм и длиной до 8,5 м, соединенных герметично. В нижней части колонны имеется фильтровое звено, состоящее из двух труб: наружной, имеющей по всей поверхности равномерно распределенные отверстия, и внутренней, с открытым нижним концом. Наружная труба обматывается спиралью, поверх которой натягивается фильтрационная сетка. Звено заканчивается наконечником с шаровым клапаном. Каждый иглофильтр погружают в грунт с помощью гидроподмыва, используя давление струи воды.

Одним ярусом легких иглофильтров можно понизить уровень грунтовых вод до 4,5 м. Для понижения грунтовых вод на большую глубину применяют иглофильтры, которые располагают ярусами. Легкие иглофильтровые установки типа ЛИУ используют при разработке котлованов и траншей в грунтах с коэффициентом фильтрации до 1 м/сут.

Водопонижение с помощью эжекторных иглофильтров. Такие иглофильтры имеют специальное устройство для подъема воды – эжектор (водоструйный насос). Одним ярусом таких эжекторных иглофильтров можно понизить уровень грунтовых вод до 18-20м в грунтах с коэффициентом фильтрации 0,5-1 м/сут.

В основу конструкции эжекторных иглофильтров положен принцип действия водоструйного насоса, в котором движущаяся с большой скоростью струя воды забирает с собой некоторое дополнительное количество воды с нижнего уровня и поднимает его на более высокий. Схема действия эжекторного иглофильтра основана на следующем (рис. 88). В колонну 1 иглофильтра опускают эжекторный водоподъемник (эжектор) на трубе 2. Рабочая вода в эжектор подается по кольцевому пространству между внешней и внутренней водоподъемной трубами. Вытекая из насадки 6 с большой скоростью под действием насоса 4, струя рабочей воды вовлекает за собой в диффузор 5 воду, поступающую в фильтровое звено 7 из окружающих пород. Откачиваемая иглофильтрами грунтовая вода в смеси с рабочей водой по трубе 2 поступает в циркуляционный резервуар 3, из которого часть избыточной воды уходит в водосток и канализацию, а другая часть снова поступает в центробежные насосы для питания иглофильтров.

Погружение эжекторных иглофильтров происходит при подмыве воды, поступающей через шаровой клапан 8. При большой глубине, а также неблагоприятных геологических условиях бурят специальные скважины, в которые вставляют иглофильтры.

На строительстве применяются эжекторные установки типа ЭЙ. В комплект установки входят от 16 до 36 иглофильтров, высоко– и низконапорные насосы с электродвигателями, распределительный трубопровод и циркуляционный бак. Эжекторные иглофильтровые установки применяются для водопонижения при разработке грунта котлованов и траншей глубиной до 10-12 м.

Рис. 87. Схема работы легкой иглофильтровой установки: 1 – насосный агрегат; 2 – иглофильтр; 3 – коллектор; 4 – фильтровая часть иглофильтра УГВ – уровень грунтовых вод

Рис. 88. Схема действия эжекторного иглофильтра

Вакуумный метод водопонижения. Метод основан на создании устойчивого вакуума на наружных поверхностях водоприемных устройств (фильтровых участках труб). Вакуумирование водонасыщенных грунтов применяют для усиления эффекта водопонижения в сложных гидрогеологических условиях – в грунтах с коэффициентами фильтрации 0,05– 2 м/сут, при малой водопроницаемости, низкой водоотдаче и неоднородном сложении грунтов, в частности при переслаивании водоносных и водоупорных слоев.

Вакуумирование достигается применением установок вакуумного водопонижения УВВ с обычным иглофильтром для понижения уровня грунтовых вод до глубины 6-7 м, эжекторными вакуумными водопонижающими установками ЭВВУ с вакуумными концентрическими скважинами, позволяющими вести врдополижение до глубины 20-22 м в переслаивающихся водоносных и водоупорных грунтах, и установками забойного водопонижения УЗВМ, предназначенными для осушения мелких и пылеватых песков в призабойной зоне при открытом и закрытом способах работ.

В установках УВВ для создания в полости всасывающего коллектора устойчивого вакуума используется водовоздушный эжектор, активизирующий в основном воду, которая выделяется из во-довоздушной смеси, поступающей из иглофильтров. Вода откачивается водоводяным эжектором. Оба эжектора питаются рабочей водой, поступающей к ним от центробежного насоса. Для обеспечения устойчивой работы каждый из эжекторов может принимать на себя функции другого.

Эжекторные вакуумные водопонижающие установки с вакуумными концентрическими скважинами отличается от обычных установок с эжекторными иглофильтрами конструкцией скважин.

Установка забойного водопонижения, работающая на принципе вакуумного водопонижения (рис. 89) при проходке тоннеля щитовым способом позволяет преодолевать участки со сложными гидрогеологическими условиями.

Глубинное водопонижение. Этот способ основан на откачке воды из водоносных слоев с помощью глубинных центробежных насосов, устанавливаемых в водопонижающих скважинах, пробуренных вокруг будущей подземной выработки. В скважины опускают трубчатые фильтры на уровень водоносного горизонта, и затем буровые обсадные трубы извлекают из грунта, при этом создается непосредственный контакт фильтра с окружающим его грунтом. В результате откачки воды из скважины глубинным насосом образуется депрессионная воронка, внутри которой грунты в значительной степени осушаются. Глубинное водопонижение применяют при откачке воды с глубин более 20 м.

Рис. 89. Расположение установки забойного вакуумного водопонижения при сооружении перегонного тоннеля метрополитена: 1 – иглофильтры; 2 – деревянное крепление груди забоя; 3 – рычаг для укладки тюбингов; 4 – тюбингоукладчик; 5 – тюбинговая обделка тоннеля; 6 – манометр; 7 – вакуумметр; 8 – водоструйный насос; 9 – манометр; 10 – циркуляционный бак; 11 – дефлектор; 12 – сбрасывающий рукав; 13 – центробежный насос; 14 – электродвигатель; 15 – гибкий соединительный рукав; 16 – наращиваемое звено коллектора; 17 – откаточные пути; 18 – домкрат для передвижки тюбингоукладчнка; 19 – коллектор; 20 – породопогрузочная машина; 21 – передвижное звено пути

Укрепление грунтов способом цементации

Цементацию грунтов применяют при проходке стволов шахт, усилении оснований фундаментов существующих зданий, для во-доподавления и создания защитной цементной оболочки в грунте вокруг обделки сооруженного тоннеля. Процесс заключается в нагнетании под давлением через пробуренные скважины цементных, цементно-глинистых или глинисто-цементных растворов, которые заполняют трещины, пустоты и поры в грунтовом массиве, что приводит к ликвидации или резкому сокращению водопритока. Наилучший эффект цементация дает в трещиноватых скальных грунтах, в валунно-галечниковых отложениях и гравелистых грунтах при скорости движения грунтовых вод до 300 м/сут и удельном во-допоглощении не менее 0,5 л/мин. Не поддаются цементации мелкозернистые пески, плывуны, глинистые грунты.

Различают два вида цементации: предварительную, осуществляемую до проходки выработки через скважины, пробуренные с поверхности или из забоя выработки, и последующую, выполняемую после проходки и закрепления выработки с целью заполнения оставшихся пустот.

При цементации с поверхности (рис. 90, а) скважины располагают на расстоянии 2-2,5 м от стены будущей выработки. Расстояние между скважинами 2-3 м.

Глубина цементационных скважин зависит от размеров зоны цементации. Скважины бурят и породы цементируют в несколько приемов (зонами), в пределах 10-15 м. После окончания цементации (через 1-3 сут) цементную пробку разбуривают и скважину углубляют для подготовки к цементации следующего участка.

При цементации пород из забоя (рис. 90, б) скважины располагают на расстоянии 0,5-1 м от крепи через 0,8-1,5 м одну от другой под углом.

Рис. 90. Схема цементации грунтов перед проходкой ствола шахты: а-с поверхности земли; б – из забоя ствола; 1 – контур ствола; 2 – цементационная скважина (заштрихована зона нагнетания уплотняющего слоя цементного раствора); 3 – растворомешалка; 4 – растворовасос; 5 – цементационный трубопровод; 6 – тампонная перемычка: 7 – обратный трубопровод (при циркуляционном способе нагнетания раствора)

Для приготовления цементационных растворов применяют растворосмесители, а нагнетание производят цементными растворонасосами. Применяют также передвижные (смонтированные на автомобилях) цементационные установки, оборудованные смесительными баками, гидравлическими цементомешалками, водяными и цементационными насосами.

Цементацию можно вести нисходящими заходками, когда бурение и нагнетание производят последовательно участками сверху вниз, и восходящими заходками, когда скважины бурят сразу на полную глубину, а раствор нагнетают с одновременным подъемом инъектора.

Очередность нагнетания раствора в скважины устанавливается проектом в зависимости от характера трещиноватости и водоносности пород. Цементацию заканчивают, когда удельное водопоглощение пород не превышает 0,05 л/мин на 1 м длины скважин.

Химическое закрепление грунтов

При строительстве метрополитенов химическими методами закрепляют грунты под фундаментами зданий и сооружений, расположенных вблизи трассы метрополитена, с целью защиты от возможных осадок при проходке тоннелей закрытым способом, а также для защиты подземных коммуникаций от просадок и в некоторых других случаях.

Процесс заключается в нагнетании в грунт под давлением (через систему инъекторов или скважин) водных растворов силиката натрия (жидкого стекла) с отвердителем или синтетической смолы с отвердителем. В первом случае процесс называют силикатизацией, во втором – смолизацией.

При силикатизации также широко используют цементно-силикатные и глиносиликатные растворы в смеси с отвердителями.

В качестве отвердителей можно применять хлористый кальций, ортофосфорную, кремнефтористоводородную или щавелевую кислоту, алюминат натрия.

При смолизации используются водные растворы карбамидных смол с кислотными отвердителями.

Вид, концентрацию и рецептуру растворов выбирают в зависимости от физико-механических свойств грунтов и гидрогеологических условий закрепляемого участка.

Силикатизацию (двух– и однорастворную) и смолизацию можно использовать как способ постоянного закрепления грунтов оснований зданий и сооружений на весь период их эксплуатации. Эти способы эффективные в песчаных грунтах и трещиноватых скальных породах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут.

При двухрастворной силикатизации производят поочередное нагнетание через инъекторы силиката натрия (жидкого стекла) и раствора отвердителя (хлористого кальция).

Рис. 91. Вертикальный инъектор для закрепления грунтов

При однорастворной силикатизации одновременно нагнетают гелеобразующую смесь из раствора силиката натрия с отвердителем. По этой же технологии нагнетаются цементно-сили-катные и глиносиликатные растворы, состоящие из смеси цемента или бентонитовых глин, силиката натрия.

В песчаных и других слабых грунтах инъекторы погружают в грунт ударами пневматических молотков или дизель-молотов копровых установок. В гравелистых, трещиноватых скальных грунтах инъекторы погружают в предварительно пробуренные скважины.

Инъектор для вертикального инъектирования (рис. 91) представляет собой колонну стальных бесшовных труб 3. Нижняя часть инъектора состоит из конического наконечника 5 и участка цельнотянутой трубы 4, по периметру которой просверлены отверстия диаметром 3 мм, расположенные в шахматном порядке. От засорения грунтом отверстия защищены резиновыми клапанами. Верхняя труба имеет штуцер 2 для присоединения к нагнетательному шлангу и съемный наголовник / для восприятия ударов при погружении.

При проведении работ из забоя тоннеля применяются горизонтальные инъекторы, состоящие из манжетных колонн и тампонов. Манжетная колонна состоит из звеньев, труб, которые наращивают по мере бурения колонны или ее углубления в скважину. На каждом звене расположены прорези’с отверстиями, прикрытыми резиновыми манжетами. Первое звено манжетной колонны имеет наконечник для заглубления в грунт.

Тампон представляет собой две соединенные друг с другом трубы, имеющие в средней части отверстия для выхода раствора, прикрытые резиновой манжетой, а на концах разжимные клапаны, которые регулируют проникновение раствора в строго ограниченную зону инъекционной манжетной колонны. Тампон закрепляют на трубе, по которой подается инъекционный раствор в зону между двумя клапанами.

Нагнетание химических растворов ведут заходками, обеспечивающими монолитность закрепления грунта. Так, закрепление грунта с помощью вертикальных инъекторов ведут сверху вниз заходками на длину перфорированной части инъектора. На каждой заходке нагнетают раствор, в результате чего вокруг инъектора образуется столбчатый участок закрепленной породы (рис. 92). Иногда применяют нагнетание восходящими заходками, при котором инъектор сразу забивают на полную глубину, а затем поднимают вверх по мере нагнетания отдельными заходками. Для сплошного закрепления массива грунта инъекторы располагают в плане рядами в шахматном порядке. Радиус зоны закрепления породы вокруг одного инъектора зависит от коэффициента фильтрации грунтов и колеблется в пределах от 30 до 100 см.

При закреплении грунта в процессе проходки тоннеля глубина заходки может колебаться в пределах от 5-8 до 25-30 м в зависимости от гидрогеологических условий участка и длины пробуриваемых скважин.

Расстояние между инъекторами в ряду, а также расстояния между рядами инъекторов принимают в полтора раза (или несколько больше) превышающими радиус зоны закрепления грунта от одного инъектора.

Бурение скважин или задавливание инъекторов ведут при наличии впереди забоя целика закрепленного грунта или бетонной стенки, в которой устанавливают кондукторы для бурения скважин, установки инъекторов и в случае необходимости запорной арматуры, для предотвращения выброса водоносного грунта.

Инъекцию раствора выполняют следующим образом. Манжетную колонну устанавливают сразу на всю длину пробуренной скважины. Тампон закрепляют на трубе, по которой подается раствор, и вдвигают ее в манжетную колонну до конца последней. По мере продвижения тампона на нужную длину трубу наращивают. Среднюю часть тампона с отверстиями устанавливают строго против отверстий в манжетной колонне в тех местах, где надо делать инъекцию. Этим обеспечивается быстрота и качество работ по закреплению грунтов.

В ряде случаев применяют прямое инъецирование в грунт через инъекторы без применения манжетных колонн. Технология таких работ заключается в последовательной обработке зоны неустойчивых грунтов заходками по 3-5 м в направлении от забоя в глубь горного массива (рис. 93). Работу начинают с бурения скважин, установки инъекторов и закрепления грунта на первой заходке у бетонной стенки. Затем повторяют те же операции на следующей заходке, пока вся зона не будет закреплена.

Рис. 92. Схема расположения инъекторов в массиве закрепляемого грунта: а – при одиночной инъекции; б – при закреплении на глубину двух заходок

Рис. 93. Схема химического закрепления грунта при проходке горизонтальной выработки: а – подготовка тоннеля к производству закрепления грунтов; б – бурение скважин для закрепления первого (начального) участка зоны неустойчивых грунтов; в – проходка тоннеля по первому участку закрепленных грунтов; г – выход тоннеля из зоны закрепленных неустойчивых грунтов; 1 – тоннель; 2 – оборудование для химического закрепления грунтов; 3 и 6 – зоны устойчивых грунтов; 4 – бетонная предохранительная стенка; 5 – зона неустойчивых грунтов; 7, S – первый и второй участки зоны неустойчивых грунтов, закрепленные химическим способом; 9 – проходческое оборудование

Способы нагнетания растворов. Технологию процесса двухрастворной силикатизации выбирают в зависимости от скорости движения подземных вод: чем больше скорость, тем быстрее должны вступить в химическую реакцию нагнетаемые растворы, чтобы не произошло их вымывание.

При последовательном способе инъектор забивают на глубину первой заходки, нагнетают жидкое стекло, затем забивают его на глубину второй заходки и снова нагнетают тот же раствор, повторяя процесс до требуемой глубины. После этого инъектор извлекают, забивают на полную глубину другой инъектор и, постепенно извлекая его, нагнетают раствор хлористого кальция. Этот способ применяют при скоростях потока воды менее 1 м/сут.

При способе нагнетания по заходкам на глубину каждой за-ходки поочередно забивают и извлекают инъектор для жидкого стекла и инъектор для хлористого кальция. Этот способ применим при скоростях потока от 1 до 3 м/сут.

При одновременном способе нагнетания на каждую заходку забивают два инъектора на расстоянии 15-20 см один от другого и одновременно нагнетают в инъектор жидкое стекло, в другой-раствор хлористого кальция. Этот способ целесообразно применять при скоростях потока более 3 м/сут.

Однорастворную силикатизацию применяют для закрепления мелкозернистых и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации 0,5-2,0 м/сут. Гелеобразующую смесь готовят непосредственно перед нагнетанием путем смешивания в смесителе жидкого стекла с раствором отвердителей и сразу же с помощью насосов через инъектор нагнетают в грунт.

Смолизацию грунтов ведут по принципу однорастворной силикатизации. Рабочий раствор приготовляют непосредственно перед нагнетанием в такой последовательности: в отдельных баках готовят растворы смолы и отвердителя. Затем к раствору смолы добавляют отвердитель и после тщательного перемешивания смесь нагнетают в грунт через инъекторы. Время гелеобразования 1,5-4 ч.

При силикатизации и смолизации необходимо вести постоянный контроль качества исходных материалов и строго соблюдать подобранные лабораторным путем их количества при перемешивании. Качество выполненных работ проверяют путем забивки в разных местах контрольных инъекторов, через которые нагнетают воду для определения остаточного удельного водопоглощения закрепленных грунтов.

Проходка тоннелей под сжатым воздухом (кессонный способ)

При проходке тоннелей в сложных гидрогеологических условиях сжатый воздух используют в следующих целях:

для отжатия воды из зоны проходки и осушения забоя при ведении проходческих работ в неустойчивых плывунных грунтах или грунтах с большим водопритоком;

для создания дополнительного давления на забой (если такое давление может заменить временную крепь) при проходке в связных породах, подстилающих дно водоема или слой водонасыщен-ных грунтов с гидростатическим напором (для предотвращения их деформации и поступления воды в тоннель).

Проходка тоннелей под сжатым воздухом (кессонная проходка) имеет ряд особенностей.

При подходе забоя тоннеля к участку водоносных грунтов (рис. 94) в пройденной части тоннеля, имеющей постоянную обделку, сооружают воздухонепроницаемую (герметичную) шлюзовую перегородку. Эта перегородка отделяет сооруженную часть тоннеля от находящейся впереди рабочей зоны, в которой создают повышенное давление воздуха. Конструкция шлюзовой перегородки должна быть рассчитана на давление сжатого воздуха, в 1,5 раза превышающее давление воздуха в рабочей зоне.

Через воздухонепроницаемую перегородку пропускают коммуникации, для подачи в рабочую зону сжатого воздуха электроэнергии, воды и для других целей.

Рис. 94. Схема проходки тоннеля с применением сжатого воздуха в горизонтальном направлении: 1 – проходческий щит; 2 – рабочая зона; 3 – тюбингоукладчик; 4 – предохранительный экран; 5 – аварийный помост; 6 – шлюзовая перегородка; 7 – шлюзовые аппараты; 8 – зона нормального атмосферного давления; 9 – трубопроводы сжатого воздуха; 10 – горный комплекс для проходки тоннелей; 11 – бытовые помещения; 12 – компрессорная

Для прохода людей из построенной части тоннеля, т. е. из зоны с нормальным атмосферным давлением в рабочую зону и обратно, а также для транспортирования материалов и грунта в шлюзовой перегородке устраивают специальные камеры-шлюзовые аппараты.

При переходе из зоны нормального атмосферного давления в зону повышенного давления люди находятся в шлюзовых аппаратах в течение всего периода времени, пока давление воздуха в них поднимается до давления, равного давлению в рабочей зоне. Процесс перехода из зоны нормального давления в рабочую зону, связанный с постепенным повышением давления воздуха в шлюзовых аппаратах, называют шлюзованием, или компрессией. Обратный процесс – переход из рабочей зоны в зону нормального давления – (постепенное понижение давления воздуха в шлюзовых аппаратах) называют вышлюзованием, или декомпрессией. Время пребывания людей в шлюзовых аппаратах в период компрессии и декомпрессии установлено специальными нормами, приведенными в Правилах безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (кессонные работы).

Особенности выполнения проходческих работ. Основными операциями при проходке тоннелей под сжатым воздухом в пределах рабочей зоны являются разработка и погрузка породы в забое, установка временного крепления, возведение постоянной обделки и ее гидроизоляция, шлюзование и вышлюзование.

Цикл работ по проходке тоннеля под сжатым воздухом считают законченным, если после снятия повышенного давления в рабочей зоне через возведенную постоянную обделку внутрь тоннеля не просачивается вода или плывунный грунт.

Наиболее ответственным участком работ является забой, где под влиянием сжатого воздуха происходит частичное изменение свойств грунта (изменяется его влажность, нарушается устойчивость, изменяется режим грунтовых вод). Нарушение установленного режима подачи сжатого воздуха в забой или резкое изменение инженерно-геологических условий сказывается на состоянии работ и темпах проходки тоннеля.

Давление сжатого воздуха в рабочей зоне на уровне подошвы выработки должно быть равным гидростатическому, а при отсутствии притока воды в лоток тоннельного забоя оно может быть понижено до величины, равной гидростатическому давлению на уровне ¹/₃ диаметра от подошвы выработки.

Применение сжатого воздуха в тоннелестроении ограничивается следующими условиями: максимально допустимым давлением воздуха, при котором могут работать люди без вреда для здоровья, степенью воздухонепроницаемости породы, окружающей выработку, минимальной толщиной слоя породы над выработкой, исключающей возможность прорыва сжатого воздуха на поверхность. .

Максимальное давление воздуха в рабочей зоне, при котором можно вести строительные работы, в соответствии с действующими Правилами безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (кессонные работы) составляет 0,39 МПа.

Проходку тоннелей под сжатым воздухом ведут, как правило, щитовым способом. При проходке тоннеля обычным щитом однородный грунт в забое разрабатывают ярусами последовательно сверху вниз, начиная с верхнего яруса, одновременно во всех ячейках одного яруса.

В неустойчивых песчаных грунтах, залегающих в верхней части забоя, грунт разрабатывают в пределах аванбека щита с передвижкой ее на часть цикла (30-40 см), перекрепление забоя ведут одновременно с выемкой грунта.

При оборудовании щита специальными устройствами, разделяющими забой на ярусы, в целях ускорения работ допускается одновременная разработка грунта в нескольких ярусах, однако без опережения заходок в нижних ярусах.

Взрывные работы в забое можно вести с использованием электровзрывания, рассчитанного только на рыхление массива грунта мелкими шпурами и небольшими зарядами. При залегании неустойчивых грунтов в верхней части забоя, а устойчивых скальных в нижней части шпуры располагают так, чтобы между взрываемой частью забоя и неустойчивыми грунтами оставалась перекрывающая толща устойчивых ненарушенных грунтов.

Рис. 95. Схема расположения предохранительных устройств при проходке тоннелей под сжатым воздухом: 1 – щит; 2 – блокоукладчик; 3 – предохранительный экран; 4 – предохранительный помост; 5 – лестница; 6 – подвески крепления помоста к тюбингам; 7 – шлюзовая перегородка; 8 – герметическая дверь; 9 – ребра жесткости экрана

В процессе проходки до снятия повышенного давления выполняют весь комплекс работ по созданию надежной гидроизоляции тоннельной обделки.

Устройство для обеспечения безопасности. К таким устройствам относятся аварийный шлюз, предохранительные (аварийные) перемычки, предохранительный экран, аварийный помост (рис. 95).

Аварийным шлюзом является один из шлюзовых аппаратов, установленных в верхней части шлюзовой перегородки, который служит для спасения людей в случае аварии в сооружаемом тоннеле. При ведении всех работ дверь аварийного шлюза, выходящая в рабочую зону, всегда должна быть открыта.

Аварийную перемычку устраивают при длине рабочей зоны более 250 м, она предназначена для отсечения участка построенного тоннеля в случае возникновения аварийного положения в забое. Перемычка имеет проем с герметической дверью, открывающейся ь сторону забоя.

При проходке тоннелей кессонным способом под водоемами устраивают дополнительные предохранительные устройства (предохранительный экран и аварийный помост), обеспечивающие возможность работающим в кессоне в случае необходимости быстро покинуть рабочую зону. Предохранительный экран – это металлическая воздухонепроницаемая перегородка (диафрагма) с герметической дверью, предназначенная для предотвращения затопления участка тоннеля между экраном и шлюзами. Экран устанавливают в верхней половине тоннеля на расстоянии от забоя не более 50 м и периодически переносят его вслед за продвижением забоя.

Аварийный помост служит для соединения предохранительного экрана с аварийным шлюзом, его устраивают в верхней части тоннеля на всем протяжении от экрана до шлюзовой перегородки.

В связи с повышенным содержанием кислорода в воздухе рабочей зоны возможно активное возгорание предметов, находящихся в тоннеле. Поэтому рабочая зона должна быть оборудована устройствами, необходимыми для предупреждения и тушения пожаров. Для этой цели прокладывают специальный пожарный водопровод со стояками для разбора воды, увеличивают число пожарных постов с огнетушителями, которые могут работать при повышенном давлении.

Для наблюдения за давлением сжатого воздуха в рабочей зоне и шлюзовых аппаратах, расходом сжатого воздуха, его составом, температурой и степенью загрязненности служит система контрольно-измерительных приборов (манометры, счетчики, газоанализаторы, термометры и др.).

В соответствии с требованиями Правил безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (кессонные работы) за состоянием здоровья работающих под сжатым воздухом на строительстве тоннелей органами Министерства здравоохранения установлен специальный медицинский надзор. Для обеспечения соблюдения этих требований организуют кессонный здравпункт или амбулаторию, оборудованные специальными рекомпрессионными камерами.

Все работающие в кессоне периодически проходят специальную медицинскую комиссию.