2527

Рис. 19.7. Вакуум-концентриче- ская скважина с металлической фильтровой оболочкой: 1 – вакуумный водоприемник; 2 – скважина; 3 – наружная труба; 4 – внутренняя труба; 5 – концентрический зазор; 6 – труба; 7–эжек- торный иглофильтр; 8 – приемная сетка эжектора; 9 – хомуты; 10 – песчаногравийная смесь; 11 – глина

эжектору рабочая вода с поверхности (рис. 19.7). Внутренняя труба представляет собой эжекторный иглофильтр с эжектором и приемной сеткой. Скважину на всю высоту фильтровой оболочки заполняют песчано-гравийной смесью, а вверху над обсыпкой скважину закрывают глиняным замком. Кольцевой зазор, образованный между внутренней трубой и фильтровой оболочкой, обеспечивает распространение вакуума, создаваемого эжекторным иглофильтром, вокруг водоприемника по всей высоте фильтра. Это позволяет отводить воду из всех водоносных прослоек прорезаемой фильтром водонасыщенной толщи породы.

Установками ЭВВУ осушают слоистые породы, содержащие супеси и суглинки, с коэффициентом фильтрации менее 0,01 м/сут. на глубину 20 м и более.

При проведении подземных выработок в обводненных слабоустойчивых породах, таких как мелкие и пылеватые пески, с коэффициентами фильтрации 0,1 2 м/сут. применяют установки забойного вакуумного водопонижения УЗВ. Сущность забойного водопонижения заключается в том, что непосредственно из забоя и по контуру выработки через скважины производят откачку воды, в результате чего происходит осушение породы.

68

Установка включает в себя иглофильтры, соединительные рукава, водосборный коллектор, всасывающий рукав и насосный агрегат (рис. 19.8). Особенностью работы такой установки является создание вакуума в группе иглофильтров одним насосом.

Установки типа УЗВ находят широкое применение при строительстве котлованов, траншей, колодцев, подземных пешеходных переходов.

Водопонижение скважинами. Водопонизительные уста-

новки из системы отдельных скважин применяют при необходимости понизить уровень грунтовых вод с поверхности на значительную глубину, от 5 до 20 м и более, в породах с коэффициентом фильтрации более 4 м/сут. Подобные установки выполняют в виде самоизливающихся скважин, водопоглощающих скважин, сквозных фильтров и водопонижающих скважин.

Самоизливающиеся скважины применяют для снятия избыточного гидростатического напора, а также для глубокого водопонижения (горизонтальные скважины на откосах котлованов,

Рис. 19.8. Схема забойного водопонижения с применением установки УЗВ: 1 – иглофильтры; 2 – рукава; 3 – коллектор; 4 – всасывающий рукав; 5 – приводная станция

69

восстающие скважины из подземных выработок). Они в основном служат дополнительным средством при работе поверхностных водопонизительных установок. Эти скважины бурят специальными станками из выработок и применяют как в скальных, так и нескальных породах. Водопоглощающие скважины применяют для сбрасывания подземных вод в нижележащие пласты или для водопонижения в условиях, когда ниже водоупора, подстилающего верхние водоносные породы, залегают сухие породы, имеющие коэффициенты фильтрации не ниже 10 м/сут. Сквозные фильтры – это скважины, пробуренные с поверхности земли, выходящие в подземную выработку и оборудованные фильтровыми устройствами в зоне осушаемых пород. Вода проникает через фильтр в скважину и по ней сбрасывается в выработку.

Водопонижающие скважины оборудованы глубинными насосами и используются для откачки воды из водонасыщенных пород с коэффициентом фильтрации более 4 м/сут., требующих значительного понижения уровня грунтовых вод, а также когда применение иглофильтров затруднительно из-за больших притоков воды, необходимости осушения значительных площадей и стес-

ненности территории (рис. 19.9). Диаметр водопонижающих скважин изменяется от 100 мм при небольших дебитах водоносных пород и малой глубине до 750 мм при больших дебитах, средний диаметр составляет

300 400 мм.

Для приема воды, поступающей из породного массива в скважины, устраивают специаль-

Рис. 19.9. Схема водопонижающей скважины с глубинным насосом: 1 – колено с фланцем; 2 – опорная плита; 3 – труба; 4 – хомут; 5 – муфта; 6 – обсадная труба; 7 – электрокабель; 8 – насос; 9 – сетка; 10 – электродвигатель

70

ные водопроницаемые устройства – трубчатые, сетчатые и гравийные фильтры (рис.19.10). В скальных трещиноватых породах используют трубчатые фильтры с круглой (диаметр 7 10 мм) или щелевой (2,5 5 50 250 мм) перфорацией. В крупно- и среднезернистых песках – сетчатые фильтры, в которых на перфорированной трубе диаметром 200 350 мм укрепляется фильтрационная сетка из латунной или медной проволоки. В тонко- и среднезернистых песках, а также заиленных грунтах устраиваются гравийные фильтры, когда в обсадную колонну труб, опущенную в скважину, вводят опорный каркас из перфорированных труб с продольно-закрепленными стальными стержнями, на которые навита проволока из нержавеющей стали. Зазор между обсадной колонной и опорным каркасом заполняют песчаногравийной смесью. Затем обсадные трубы извлекают.

Скважины располагают с шагом 5 15 м. После установки фильтров в скважину опускают погружной насос типа АТИ производительностьюот30до400 м3/ч,которымведутоткачкуводы.

а)

Рис. 19.10. Фильтры для скважин: а – сетчатый; б – гравийный; 1 – водоносная порода; 2 – гравийная обсыпка; 3 – проволочная обмотка; 4 – опорные ребра; 5 – опорный каркас на трубы; 6 – проходные отверстия

б)

71

Электроосмос. При необходимости водопонижения в мелкозернистых, илистых или глинистых породах с коэффициентами фильтрации менее 0,05 м/сут., водоотдача которых столь низка, что обычные способы водопонижения становятся неэффективными, применяют электроосмотический дренаж.

Сущность электроосмоса заключается в следующем. Вокруг частиц породы имеется слой воды, связанный с его поверхностью и обычно отрицательно заряженный. На нем лежит более толстый слой воды, заряженный положительно. Свободная незаряженная вода находится между положительно заряженными слоями жидкости. При погружении электродов в породу и подаче на них напряжения постоянного тока положительно заряженные молекулы подвижного слоя и заряженной свободной воды устремляются к отрицательному электроду. Используя это явление для увеличения водопритоков, к водопонижающим скважинам, расположенным на расстоянии 1,5 м от борта котлована и оборудованным иглофильтрами, подводят постоянный электрический ток (катоды). Между скважинами в шахматном порядке через 0,75 1,5 м друг от друга и на расстоянии 0,7 м от контура котлована забивают в породу стальные трубы-аноды, соединяя их с положительным полюсом источника тока. Глубина погружения иглофильтров должна быть не менее чем на 3 м ниже проектного пониженного уровня подземных вод. Глубина погружения электродов должна соответствовать глубине погружения иглофильтров. Рабочее напряжение на установке составляет 40 60 В (рис. 19.11).

Рис. 19.11. Схема электроосушения пород: 1 – насосная установка; 2 – двига- тель-генератор; 3 – игло- фильтр-катод; 4 – трубыаноды; 5 – пониженный уровень подземных вод; 6 – всасывающий коллектор

72

Воздействие постоянного электрического тока на водоносные породы приводит к электроосмосу – фильтрации воды к катодам (иглофильтрам) – и электроосмотическому укреплению осушаемой породы. Дебит воды возрастает почти в 4 раза по сравнению с обычной откачкой. При этом исключается налипание глинистых частиц на фильтровые звенья труб, что обычно наблюдается при вакуумировании скважин. Однако при электроосмосе требуются дополнительные расходы на оборудование и электроэнергию.

19.3. ХИМИЧЕСКОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ (ТАМПОНИРОВАНИЕ) ГОРНЫХ ПОРОД

Сущность способа тампонирования заключается в искусственном заполнении пустот, трещин и пор массива горных пород материалом, способным со временем затвердевать и препятствовать тем самым движению по ним подземных вод. Для этого в горном массиве бурят специальные скважины, через которые нагнетают тампонажный раствор. Давление нагнетания принимают в 2 3 раза больше гидростатического давления подземных вод. Тампонажный раствор, распространяясь на определенное расстояние от скважин, заполняет пустоты и трещины в породах. После затвердения тампонажного раствора водопроницаемость массива горных пород в значительной степени уменьшается, а прочность увеличивается, что дает возможность возводить тоннели в относительно благоприятных гидрогеологических условиях.

Для нагнетания тампонажных растворов применяют цементационные головки и инъекторы. Инъекторы состоят из стальных цельнотянутых труб диаметром 19 42 мм со стенками толщиной до 6 мм (рис. 19.12). В нижней части трубы снабжены коническим наконечником, а на длине 0,5 1 м имеют перфорированное звено с отверстиями 2 3 мм. Верхняя труба оснащена специальным наголовником для забивки и имеет приспособление для присоединения нагнетательного шланга. Инъекторы в перфорированном звене имеют отверстия, расположенные в шахмат-

73

Рис. 19.12. 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

ном порядке из расчета 60 80 отверстий на 1 м длины, либо проточенные канавки шириной 8 10 и глубиной 2 3 мм, в которых просверлены отверстия. Отверстия во избежание забивания породой покрыты резиновыми кольцевыми муфтами толщиной 1 1,5 мм, действующими как односторонние клапаны.

Инъекторы погружают в породу секциями по 1 1,5 м с помощью отбойных молотков или задавливают гидродомкратами. Максимальная глубина погружения инъекторов в песчаных породах 12 15 м, в гравелистых – 3 4 м. При большей глубине забивки инъекторы погружают в заранее пробуренные скважины. В слабых породах бурение скважин производят с обсадными трубами.

74

Цементационные головки представляют собой цельные стальные трубы с торцевым отверстием, через которое раствор подается в породу. Их опускают также в готовые скважины.

Виды химического закрепления пород. Основными кри-

териями при выборе вида тампонирования пород являются их фильтрационная способность и требования к прочности породы. В зависимости от материала раствора, нагнетаемого в породный массив, различают следующие виды тампонирования: цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация.

Цементация. Применяется для снижения притоков воды или газа при строительстве тоннелей в трещиноватых водоносных или газоносных породах, защиты бетонной обделки от действия агрессивных подземных вод, восстановления разрушенной обделки, укрепления массива горных пород, возведения противофильтрационных завес. В место заложения подземной выработки через систему скважин в горный массив нагнетают цементный раствор, который, затвердевая, уменьшает трещиноватость водоносных пород. Применяют цементы: портландцемент, глиноземистый, пуццолановый марки 400 и выше. Образуется водонепроницаемый массив зацементированной породы, внутри которого возводят тоннель при отсутствии или с незначительным притоком воды.

Цементацию целесообразно применять в крепких трещиноватых горных породах с размером трещин не менее 0,1 мм и скоростью движения подземных вод менее 600 м/сут. в гравийногалечных породах с размером зерен более 2 мм; в крупнозернистых песках.

Глинизация. В горные породы вместо цементного раствора нагнетают водный раствор глины. Достоинство способа в том, что для раствора может быть использована дешевая местная глина, которая способна противостоять действию агрессивных вод, разрушающих даже специальные цементы. К недостаткам можно отнести большой расход материалов, малую сопротивляемость внешнему давлению, ненадежность тампонирования тонкотрещиноватых горных пород. В связи с этим глинизацию целесообразно применять только в карстовых породах или в породах с весьма крупной трещиноватостью.

75

Битумизация. В трещиноватые породы через скважины нагнетают расплавленный битум при температуре 140 190 С. Попадая в заполненные водой трещины и пустоты горных пород, горячий битум отвердевает и делает массив водонепроницаемым. Битумизация может применяться при значительных скоростях движения подземных вод и наличии в горном массиве крупных трещин размерами более 0,6 мм. Однако способу битумизации присущи существенные недостатки: необходимость тепловой обработки породного массива перед нагнетанием; производственные неудобства, связанные с использованием горячего битума и подогревом его в процессе нагнетания; высокая пластичность твердого битума и способность подвижки его в трещинах породы при напорах воды более 0,3 МПа. Поэтому способ битумизации не нашел широкого применения в практике подземного строительства.

Силикатизация. Применяются силикатные растворы жидкого стекла и их производные, которые при соединении с коагулянтом (окислителем) образуют гель кремниевой кислоты, цементирующей частицы породы. Различают двухрастворный, однорастворный и газовый способы силикатизации.

При двухрастворном способе нагнетают в породу поочередно растворы силиката натрия (жидкого стекла) и хлористого кальция. Порода получает прочность 1,5 5 МПа и водонепроницаемость. Этот способ применяют для упрочнения песков с коэффициентом фильтрации 2 80 м/сут.

При однорастворном способе в породу закачивается раствор из силиката натрия и коагулянта – ортофосфорной, кремнефтори- сто-водородной кислот или алюмината натрия. Порода получает прочность 2 5 МПа. Способ применяют для закрепления песчаных пород с коэффициентом фильтрации 0,5 20 м/сут. и лессовых пород с коэффициентом фильтрации 0,1 0,2 м/сут.

При газовой силикатизации в породу через скважины, оборудованные инъекторами, нагнетается углекислый газ для предварительной активизации породы, затем раствор силиката натрия и, наконец, вторично углекислый газ для отвердения раствора. Породы приобретают прочность, водоустойчивость и водонепро-

76

ницаемость. Способ применяется для закрепления песчаных пород с коэффициентом фильтрации не ниже 0,1 м/сут.

Способы силикатизации применяют при скорости движения подземных вод менее 5 м/сут.

Смолизация. В массив горных пород нагнетают водные растворы синтетических смол с добавками-отвердителями. В результате химических реакций смолы переходят из жидкого в твердое состояние и породы упрочняются, уменьшается их водопроницаемость. Так, пески, закрепленные синтетическими смолами, обладают прочностью на сжатие до 5 МПа. Этот способ может применяться в трещиноватых крепких, раздельнозернистых и даже пористых породах с коэффициентом фильтрации 0,5 50 м/сут. Объемы применения смолизации ограничены

всвязи с высокой стоимостью синтетических смол.

Впрактике подземного строительства применяют для закрепления и стабилизации пород электрохимические и термические способы. Так, глинистые породы закрепляют электроосмосом, электрофорезом и электролизом одновременно с нагнетанием цемента, извести и гипса. Плывунные породы обрабатывают термическим способом, при котором порода спекается под действием высоких температур.

Схемы тампонирования. Тампонирование горных пород при строительстве тоннелей осуществляется по двум технологическим схемам: с поверхности земли и из забоя выработки.

При тампонировании с поверхности выбор схемы расположения тампонажных скважин зависит от глубины заложения выработки, гидрогеологических условий, наличия и глубины залегания водоупора. Если породы водоупора залегают на небольшой глубине от выработки, тампонажные скважины располагают в один или два ряда, в зависимости от горно-геологических условий, параллельно оси выработки (рис. 19.13). При отсутствии водоупоров тампонированию подвергают весь массив, в котором будет располагаться выработка.

При тампонировании пород из забоя тоннеля работы выполняют отдельными участками (захватками) определенной длины с последовательным чередованием процессов тампонирования и проведения выработки (рис. 19.14).

77