10.2 Цементаційні роботи
Вперше цементація тріщинуватих порід почала проводитися у процесі проходки шахт і здійснювалася, починаючи з 1864 р. шляхом простого заливання цементного розчину в тріщини порід. З 1878 р. починає застосовуватися нагнітання розчину під тиском, і в 1895 р. з’являється перший офіційний технічний звіт, присвячений результатам використання цього способу.
У 1907 р. цементація порід вперше була застосована для крупної гідротехнічної споруди з метою боротьби з фільтрацією в основі греблі Нью-Кротон (США), заввишки 72 м.
Розрізнюють три основних види робіт при цементації основи: влаштування протифільтраційної глибокої завіси, закріплюючу (площадну) та зв’язну цементацію.
Протифільтраційна завіса знижує фільтраційний тиск на підошву греблі, фільтраційні витрати та запобігає суфозії ґрунтів основ.
Закріплююча цементація призначена для підвищення міцності і монолітності основи на глибину 5 – 10 м.
Зв’язна цементація призначена для підвищення міцності та водонепроникності контактного шва між бетоном споруди та породою основи.
Сутність способу цементації полягає у наступному: бурять систему свердловин і нагнітають під тиском у пори і тріщини ґрунту цементний розчин (суспензію), яка твердіє та забезпечує ущільнення і закріплення ґрунту. Можливість застосування цього методу залежить від розміру тріщин і пор ґрунту, від реальної швидкості фільтрації ґрунтових вод і від їх хімічного складу.
Розмір тріщин і пор визначає можливість проникнення в них хімічного розчину. При правильному призначенні консистенції розчину і режиму нагнітання під час використання звичайних цементів можна тампонувати тріщини розміром 0,1 мм та більше. При використанні цементів тонкого помолу, пластифікаторів і цементно-глинистих розчинів можливо цементування більш дрібних тріщин.
Цементацію піщаних ґрунтів можна виконувати при коефіцієнті фільтрації kф= 100 м/добу. При значеннях від 30 до 100 м/добу піски цементуються розчинами з пластифікуючими домішками.
10.3 Виконання цементаційних робіт
Цементацію з природної поверхні землі виконують до початку основних робіт по гідровузлу, що виключає труднощі, пов’язані з одночасним проведенням різних робіт у котловані. Однак виконана таким чином цементаційна завіса частково руйнується в місцях примикання її до бетонної споруди у процесі розробки котловану вибухами і в подальшому потребує ремонту. Виконання цементаційної завіси з природної поверхні землі ускладнюється необхідністю організації цементного господарства до початку робіт у котловані. Зазвичай цей спосіб застосовують тільки при влаштуванні берегових завіс.
Цементаційні роботи з дна котловану виконують лише в деяких випадках під час влаштування закріплюючої цементації. Зазвичай закріплююча цементація одночасно виконує роль зв’язаної цементації для з’єднання бетону споруди з основою та виконується крізь шар укладеного бетону товщиною 2 – 3 м.
Цементацію крізь тіло бетонної споруди можна здійснювати наступними способами:
а) з поверхонь частково зведеного об’єкта. В цьому випадку одночасне проведення цементаційних та будівельно-монтажних робіт знижує темпи їх виконання та ускладнює їх організацію, крім того поверхня бетону споруди забруднюється, що потребує додаткових витрат ресурсів та часу на її очищення та затрудняє зчеплення бетону та сусідніх блоків;
б) з поверхонь повністю зведеної споруди. Цей спосіб менш економічний і його можна застосовувати лише у тих випадках, коли, наприклад, не має потерни або у греблях з низьким водозливним порогом. Одним із різновидів цього способу є влаштування ін’єкційного ядра із місцевих матеріалів;
в) з галерей, що влаштовують у споруді для спостереження за її станом і роботою в процесі експлуатації та для виконання ремонтів (рис. 10.1). Цей спосіб дозволяє виконувати цементаційні роботи ізольовано від інших робіт та не впливати на їх інтенсивність. Крім того цементаційні роботи не залежать від пори року та погодних умов. Галереї у спорудах зазвичай мають висоту до 4 – 5 м, ширину 3 – 4 м та товщину шару бетону під ними до 4 – 5 м. Для зменшення обсягу буріння в бетоні під підлогою галереї ще в процесі бетонування споруди на всю товщу бетону закладають труби, крізь які і виконують буріння цементаційних свердловин до проектної глибини в основі.
г) крізь виступаючу у верхній б’єф залізобетонну плиту (рис.10.2). У цьому випадку так само, як і з галерей у бетон заздалегідь закладають труби з відстанню, що дорівнює кроку цементаційних свердловин.
Рисунок 10.1 – Цементаційна завіса, виконана з галерей, що влаштовані в споруді:
1 – протифільтраційна завіса; 2 – вертикальні дренажні свердловини; 3 – траншеї або кювети; 4 – свердловини закріплюючої цементації; 5 – свердловини зв’язної цементації
Рисунок 10.2 – Цементаційна завіса ярусного устрою
Цементацію з підземних виробіток здійснюють головним чином при влаштуванні глибоких берегових завіс. Завіси в цих випадках влаштовують в декілька ярусів із спеціально пройдених для цього штолень та штреків. Окремим варіантом цього способу є закріплююча цементація з тунелю за оброблення. Ін’єкцію розчина у процесі цементації з підземних виробіток виконують у першу чергу у штольнях нижнього ярусу, а потім у вищерозташованих. Породу навкруги штолень цементують по всьому периметру. Це покращує з’єднання ярусів завіси та захищає штольню від притоку фільтраційних вод.
Роботи з цементації гірських порід можна виконувати трьома способами (рис. 10.3): 1) бурінням свердловин і цементацією на проектну глибину в один прийом; 2) бурінням свердловин і цементацією низхідними зонами та 3) бурінням свердловин на проектну глибину і цементацією висхідними зонами.
а б в
Рисунок 10.3 – Способи цементації гірських порід:
а – буріння свердловин і цементація на повну глибину; б – буріння свердловин і цементація низхідними зонами; в – буріння свердловин на повну глибину і цементація висхідними зонами; І – VІ – послідовність проведення робіт; 1, 2, 3 – зони цементації;
Т – положення тампону в момент нагнітання розчину
Перший спосіб (рис. 10.3 а) застосовують при закріплюючій цементації, при влаштуванні тимчасових та неглибоких (до 15 м) постійних завіс. При постійних завісах порода повинна добре тримати стінки свердловини і мати по всій глибині однакову тріщинуватість.
При цементації низхідними зонами (рис. 10.3 б) спочатку бурять свердловину на глибину зони. Потім в свердловину ін׳єцюють розчин до відмови, тобто коли повністю припиняється поглинання розчину, або коли при максимальному тиску питоме поглинання розчину буде менш 0,01 л/хвилину.
Глибина зони залежить від ступеня тріщинуватості породи і складає зазвичай 2 – 5 м у породах з крупною тріщинуватістю і 10 – 20 м у породах з дрібною тріщинуватістю. При недостатньо вивченій тріщинуватості глибину зони приймають в межах 4 – 6 м і не більш 10 м.
Для цементації другої зони розбурюють свердловину в першій зоні і поглиблюють її до підошви другої зони, після чого проводять цементацію, потім пробурюють свердловину у другій зоні і тому подібне.
До достоїнств способу низхідними зонами відноситься можливість уточнення глибини завісив процесі виконання робіт в залежності від якості зустрічних порід і можливість цементації при високому тиску, так як ущільнення наступних зон виконується при закінченій цементації вищерозташованих. Крім того, якість цементації підвищується завдяки багаторазовому нагнітанню розчину у верхні зони. До недоліків способу слід віднести втрати часу і коштів на неодноразове переобладнання свердловин для буріння та цементації і необхідність розбурювання цементного каменю попередньої зони перед бурінням наступної. Розбурювання починають через 6 – 8 годин закінчення цементації.
Буріння свердловини на всю глибину та ін’єкцію висхідними зонами (рис. 10.3 в) застосовують при добре вивченому стані породи, коли необхідну глибину завіси можна встановити заздалегідь. Цементацію здійснюють за допомогою тампонів, які ізолюють зону, що цементується від вище розташованих. Піднімаючи ущільнювач по мірі цементації наступної зони, обробляють всю свердловину. Цей спосіб дозволяє повністю використовувати можливості бурового обладнання, працювати з максимальною продуктивністю під час буріння свердловини на всю глибину без багаторазових перестановок.
Цей спосіб можна застосовувати лише при відсутності в породі вертикальних або близьких до вертикальних тріщин. Недоліком способу є розташування над кожною зоною, що цементується не ущільненої породи, в зв’язку з чим ін’єкція виконується з меншим при другому способі тиском.