СОЗДАНИЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕС МЕТОДОМ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

 

Радченко В.Г.,

к. т. н. ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»

Семёнов Ю.Д.,

инж. ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»

Сулимов В.С.,

инж. ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»

Смоленков В.Ю.,

инж. ООО «Геоизол»

Таймасханов А.М.,

инж. ООО «Геоизол» 

 

  В гидротехническом строительстве предшествующий опыт создания завес свидетельствует о том, что применяемые технологии, такие, как – инъекционные (цементационные) завесы, химическое уплотнение с помощью силикатизации, применение полимерных растворов, а также такой способ как «стена в грунте», весьма трудоемки и требуют значительных материальных затрат. Это связано, в первую очередь, с тем, что для обеспечения необходимой плотности инъекционных завес, учитывая радиус распространения инъекционных композиций до 0,5-0,6 м, требуется большой объем буровых работ, использование для нагнетания специальных манжетных колонн и многое другое. Способ «стена в грунте» целесообразно применять при устройстве завес относительно небольшой глубины при большой протяженности сооружения.

  В последнее время, в гидротехническом строительстве получил известность еще один метод создания противофильтрационных завес (стенок) – метод струйной цементации (jet grouting). Метод основан на использовании энергии раствора, истекающих в виде высоконапорной струи из сопла специализированного оборудования.  

  Струйная технология – относительно новая технология. Начало её применения в строительстве относится к 70-м годам прошлого столетия, когда впервые с использованием струи высокого давления в Японии были созданы грунтобетонные «стенки» разного назначения при строительстве гражданских объектов. В качестве примеров использования струйной технологии можно привести ряд объектов фирмы «Кайима»: основание фундамента деформирующегося здания, которое было укреплено сваями круглого сечения с глубиной заложения до 26,5 м, осуществленное в грунте, состоящем из слоев песка, ила и гравия; свайное основание в песчано-гравийном грунте под систему трубопроводов с целью предотвращения неравномерных деформаций в местах их стыковки; временная подпорная стенка из круглых пересекающихся свай общей протяженностью 120 м, возведенная при строительстве туннеля и др. В отечественной практике струйная технология впервые была применена Всесоюзным объединением «Гидроспецстрой» Минэнерго СССР. В 1979 г. ВО «Гидроспецстрой» на строительстве Загорской ГАЭС для ограждения котлована от притока грунтовых вод была сооружена с использованием струйной технологии противофильтрационная завеса. Длина завесы составляла около 200 м, глубина 6-10 м, общая площадь - 1500 м². В качестве материала заполнителя использовали бентонитоцементный раствор.

  Технология создания завес (стенок) струйным методом включает в себя следующие основные элементы. На начальном этапе в процессе прямого хода буровой колонны производят бурение скважин до проектной отметки (рис. 1 поз.1). Буровой раствор поступает через открытый прямой клапан в буровой наконечник для удаления шлама в процессе бурения. В качестве бурового раствора используется вода, бентонитовый или цементный раствор. В некоторых случаях в забой скважины вместо воды подают воздух, который создает «эрлифтный эффект», способствуя выносу мелких частиц на поверхность.

  В процессе обратного хода буровой колонны, при медленном подъеме и одновременном вращении буровой штанги, струя цементного раствора подается под высоким давлением и с очень большой скоростью через сопла малого диаметра. Высокая скорость струи позволяет разрушать структуру грунта и смешивать их в натурных условиях с цементным раствором. Получаемая смесь грунта и раствора со временем затвердевает вокруг вертикальной оси скважины (рис. 1, поз.2). После создания ряда таких колонн (рис. 1, поз.3), заложенных по определенной схеме, в грунте возникает вертикально ориентированная конструкция, способная после набора прочности воспринимать как силовую, так и фильтрационную нагрузку.

  Противофильтрационные завесы (ПФЗ), выполненные струйным методом, образуются за счет пересекающихся колонн, возведенных в один или несколько рядов, или с использованием панелей (рис. 2), получаемых при ламинарной струйной цементации. При ламинарной струйной цементации монитор не вращается и струя работает в одном направлении. Фрагменты противофильтрационных завес (пересекающиеся колонны и панели), выполненные струйным методом представлены на рис.3.

  Ламинарная струйная цементация может быть выполнена в двух вариантах - по сквозной и тупиковой схемам (рис. 4). В первом случае струя прорезает массив грунта между предварительно пробуренными скважинами, во втором - скважина служит для перемещения мониторной головки и излива пульпы.

  В зависимости от числа основных компонентов, вводимых в грунт основания, технология струйной цементации может включать три метода: однокомпонентный (раствор, обычно водоцементный); двухкомпонентный (раствор + воздух; раствор + вода) и трехкомпонентный (раствор + воздух + вода).

  Однокомпонентная струйная цементация характеризуется размывом, перемешиванием и закреплением грунтов исключительно струей цементного раствора с созданием колонны диаметром от 0,6 до 1,2 м.

  Двухкомпонентный метод отличается от однокомпонентного тем, что дополнительно используется ореол сжатого воздуха (воздушная система). Образующаяся при этом воздушная рубашка отделяет рабочую струю цементного раствора от грунтовой воды и пульпы и тем самым увеличивает радиус действия струи раствора. В этом случае диаметр колонны может достигать 1,8 м. Второй вариант двухкомпонентного метода - это когда вместо воздуха через верхнее сопло подают воду (водная система).

  При трехкомпонентном методе струя воды помещается внутрь струи сжатого воздуха и подается через верхнее сопло, что позволяет увеличить диаметр размыва и использовать «эрлифтный эффект» для выноса мелких легких частиц грунта. Одновременно из нижнего распылителя подается связующий раствор, перемешивающий крупные тяжелые частицы грунта. После твердения диаметр колонны может превышать 2 м.

  Таким образом, при двух- и трехкомпонентных методах диаметр зацементированной колонны может быть увеличен путем предварительной выемки грунта, которая выполняется с помощью водяной или воздушно-водяной струи, формирующей ходы в грунте перед тем как с помощью нагнетания раствора они будут заполнены. Кроме того, воздух в скважине создает «эрлифтный эффект», способствуя выносу мелких частиц и пульпы на поверхность.

  Комплект технологического оборудования, необходимый для производства струйной цементации грунтов с использованием однокомпонентного метода включает: цементировочный насос высокого давления; миксерную станцию; буровую установку; силос для хранения цемента. Для двухкомпонентного метода дополнительно необходим компрессор. Для трехкомпонентного метода - компрессор и второй насос для нагнетания цемента под давлением до 50-60 атм.

  Буровая установка, применяемая в технологии струйной цементации, должна быть оснащена дополнительным устройством автоматизированного подъема буровой колонны с заданной скоростью. Это является основным требованием для гарантированного качества работ - устройства колонн без разрывов, постоянным диаметром и необходимым содержанием цемента в единице объема грунта. Время подъема инструмента зависит от типа грунта и интенсивности подачи инъекционного компонента, обычно, от 5 до 30 см/мин. Связные грунты, как правило, требуют больше времени для достижения эффективного действия и качественного смешивания породы с инъектируемым компонентом.

  Так как разрушение и смешивание грунта требует больших затрат кинетической энергии, то для реализации метода струйной цементации необходимо применение мощных высоконапорных насосов. Давление нагнетания раствора в буровом снаряде составляет от 35 до 70 МПа. Важной частью технологического оборудования составляет монитор, оснащенный соплами предназначенными для преобразования высокого давления раствора, создаваемого насосом, в кинетическую энергию струи. Сопла изготавливаются из специального металлокерамического сплава. Диаметр сопел составляет 1,5-5,0 мм.

  Комплекс машин для струйной цементации оснащен компьютерной системой контроля основных технологических процессов. Точная фиксация рабочих параметров цементационного процесса – основа управления технологией и качеством цементации.

  Растворный узел включает цементный силос, смеситель и резервуары для перемешивания и циркуляции бентонита. Этот узел можно использовать и при обычном процессе цементирования. Чтобы обеспечить удовлетворительное перемешивание рекомендуется применять коллоидные миксеры с высокой сопротивляемостью сдвигу. Для приготовления цементного раствора в больших количествах необходима миксерная станция производительностью 15-20 м³/час.

  В качестве цемента применяют обычно ординарный или быстротвердеющий портландцемент. Однако, тип цемента может быть изменен при каких-то иных химических характеристиках воды, например,  как сульфатостойкий цемент. Инъекционный раствор обычно готовят смешивая портландцемент с водой при водоцементном отношении от 1,5 до 0,8. Бентонит может быть также включен, чтобы улучшить характеристики смеси при ее закачивании, а также для повышения деформационных свойств материала.

  Следует заметить, что в случае грунтов с возможностью интенсивной фильтрации инъекционный раствор может размываться до того, как он схватится. В этом случае необходимо применять смеси с добавлением, например, 3% хлоридов (CaCl₂) по весу относительного цемента. С целью ускорения перехода заполнителя из жидкого состояния в твердое в раствор-заполнитель добавляют ускорители схватывания (жидкое стекло и др.)

  Струйная цементация отличается от обычной цементации тремя основными особенностями: метод может применяться для большинства нескальных грунтов – от мягкой глины и песка до гравия; исходный пункт в результате цементации полностью преобразуется в новый материал – грунтобетон, характеризующийся высокой прочностью, низкой способностью к деформациям и очень низкой водопроницаемостью; геометрические размеры и свойства грунтобетонных элементов могут обоснованно выбираться на стадии проектирования и экспериментально проверяться в процессе возведения сооружения.

  Давление при подаче цементного раствора – это один из наиболее важных параметров, определяющий радиус действия струи. Его классифицируют следующим образом: низкое - 20¸25 МПа; среднее - 30¸40 МПа; высокое - 40¸70 МПа. Но при этом рекомендуется учитывать, что больший радиус действия не влечет увеличения радиуса колонн; постоянный радиус достигается благодаря продолжительности процесса. Поэтому увеличение давления в некоторых случаях не приводит к ожидаемым результатам и увеличение затрат энергии не вызывает соответствующего увеличения диаметра колонн.

  Чтобы достичь эффектного смешивания грунтов основания и инъекционного раствора скорость вращения бурового снаряда должна быть достаточно низкой, скорость подъема должна обеспечивать однородное распределение раствора в освобождаемом пространстве. Скорость вращения обычно колеблется от 10 до 30 об/мин.

  Завеса, выполненная струйным методом обычно имеет весьма низкую водопроницаемость, порядка 10^-9 см/сек. Но такая  водопроницаемость может быть в основном на небольшой глубине и при достаточно одинаковых свойствах грунтов. Повышение коэффициента фильтрации до 10^-7 см/сек может иметь место на значительных глубинах и при более сложных условиях распространения завесы, когда необходимо уменьшать ее проницаемость за счет заполнения образовавшихся «окон», уменьшения расстояния между осями колонн или назначая дополнительные линии колонн.

  Работоспособность законченной завесы будет зависеть от ее эффективной толщины и стенки взаимопроникновения колонн. Хорошее взаимопроникновение особенно важно в гравийных грунтах при больших напорах, когда эрозия грунтобетона может начаться вокруг незацементированных зон. В выветрелых скальных породах и в грунтах, содержащих крупные камни, могут быть зоны, которые необходимо перекрывать двумя или тремя линиями колонн, чтобы ликвидировать наличие «окон», оказавшимся незацементированными в законченной завесе. Контроль вертикальности для минимизации влияния незацементированных «окон», особенно на глубине, является основным методом для достижения более низкой проницаемости завесы.

  С учетом того, что полной сплошности завесы удается достичь не всегда (не в 100% случаев), расчетное значение её коэффициента фильтрации рекомендуется принимать равным 1¸5 10^-5 см/сек. Для заинъектированного основания здания водонепроницаемость часто принимается в пределах от 1 до 5 люжонов. Требуемая водонепроницаемость струйной завесы обычно ниже, чем эта величина из соображений снижения средней ширины струйной завесы по сравнению с шириной обычной цементационной завесы.

  Жесткость завесы обычно не должна значительно отличаться от жесткости основания плотины, что создает благоприятное распределение напряжений вокруг завесы и в основании, что в свою очередь приведет к одинаковым деформациям в ходе строительства и при эксплуатации. Жесткость грунтобетона отражает свойства материалов заполняющих смесь и, следовательно, может регулироваться путем изменения пропорции цемента, бентонита и других составляющих в инъекционном растворе. При прочих равных инженерно-геологических условиях грунтобетонные сваи способны воспринимать большую нагрузку, чем буронабивные сопоставимого диаметра за счет увеличения сопротивления по их боковой поверхности. Прочность на сжатие образцов грунтобетона в зависимости от типа грунта приведена в табл.1.

Таблица 1

   Эффективность струйной цементации значительно зависит от характеристик грунтов основания. В частности метод дает удовлетворительные результаты для крупнозернистых грунтов, тогда как его использование для плотных глинистых грунтов вызывает некоторые проблемы и метод практически не используется для скальных пород.  Положительные результаты были получены при цементации речных гравийно-галечных отложений, включавших крупную гальку, поскольку пористость грунта позволяет легко проникать раствору в грунт, а крупные фрагменты оказываются включенными в противофильтрационную завесу сами.

  Метод струйной цементации (без дополнительных мероприятий) не пригоден в зонах, где имеется значительная фильтрация в грунтах, которая может способствовать возникновению ходов сосредоточенной фильтрации во время строительства и выносу инъекционного раствора из формируемой завесы.

  Метод не пригоден также на таких глубинах, когда невозможно контролировать расположение колонн с достаточной точностью, чтобы обеспечить их взаимное пересечение. Известны положительные результаты создания противофильтрационных завес, полученные на глубинах более 65 м.

  Оценка качества возведения противофильтрационных завес методом струйной цементации должна производиться: перед началом строительства (предварительный контроль); в процессе строительства (технологический контроль) и по окончании строительства (поверочный контроль и эксплуатационный мониторинг).

  Поверочный контроль включает в себя бурение исследовательских скважин и выполнение инженерно-геологических изысканий. Перспективны также геофизические исследования, которые можно применить и после сооружения завесы в качестве неразрушающих методов контроля, сравнивая результаты, полученные до сооружения объекта и после.

  Перед началом работ для конкретных грунтовых условий необходимо: оценить каким образом получить нужную грунтобетонную смесь; испытать полученную смесь; оценить размер колонн для каждого слоя грунта; оценить в целом возможность выполнения эффективной завесы.

  Основой для проектирования завесы является величина диаметра единичной колонны (или толщина панели). В литературе имеются данные о корреляции между тремя упоминавшимися выше технологиями (однокомпонентная, двухкомпонентная и трехкомпонентная), что позволяет оценить диаметр колонн, выполненных струйной цементацией, как функцию грансостава грунта для случая несвязных грунтов или прочности при сдвиге для случая связных грунтов. Однако, так как количество данных, на которых основана эмпирическая корреляция, ограничено, то они могут использоваться только как предварительные. Полевые опыты являются наиболее надежными при оценке эффективности струйной цементации для каждого типа грунта.

  На этом этапе должны быть выполнены, по крайней мере, три-четыре колонны с различными параметрами смесей, с возможностью откопать грунт вокруг колонн, чтобы определить их размеры при различных грунтовых условиях и параметрах выполнения завесы.

  Технологический контроль осуществляется для оценки качества выполняемой цементации. Он включает ежедневный постоянный анализ данных автоматической записи параметров в процессе бурения и при выполнении струйной цементации: скорости опускания и подъема монитора; количество оборотов монитора; данные по измерениям вертикальности скважин; свойств раствора (соблюдение требуемых пропорций компонентов и правильность их смешивания); давление раствора, давление воздуха (воды) и их расход. Основные параметры, которые обычно контролируют при выполнении струйной цементации и характерные диапазоны изменения этих параметров приведены в табл.2.

Таблица 2.Основные контролируемые параметры выполнения струйной цементации и характерные диапазоны их изменения

Параметры подготовки	Единицыизмерения	1-комп.метод	2-комп.метод(воздушная схема)	3-комп.метод
Время подготовки на 1 шагподъема Dt	сек	4-6	6-10	8-80
Шаг подъема снаряда	мм	40-50	40-50	40-50
Средняя скорость подъемаcнаряда V=h/Dt	мм/сек.	4-10	1-8	0.5-5
Скорость вращения w	об/мин	5-40	5-40	5-40
Диаметр сопел для инъекции d	мм	1.2-4	2-4	2-4
Количество сопел	шт.	1-2	1-2	1-2
Давление при цементации Pg	МПа	40-55	20-40	2-10
Давление воздуха Pa	МПа		0.5-2	0.5-2
Давление воды Pw	МПа			20-55
Расход рабочей смеси Qg	м3/сек	1-10	1-10	1-3.5
Расход воздуха Qa	м3/сек		70-150	70-150
Расход воды QW	м3/сек			0.5-2.5
Водоцементное отношение, по весу		1.5-0.8	1.5-0.8	1.5-1.2

   Поверочные испытания после возведения завесы проводят для того, чтобы убедиться, что получены желаемые результаты. Они включают проверку сплошности завесы и выбуривание образцов для определения прочности грунтобетона и водонепроницаемости. На основе результатов этих испытаний намечают направление дальнейших работ или проводят сравнение качества построенной завесы с заданием на проектирование и оценивают влияние погрешностей, допущенных при сооружении завесы. Для обнаружения плохо проработанных зон применяют прозванивание, выбуривание, томографию.

  Эксплуатационный мониторинг включает наблюдения по пьезометрам за падением напора на завесе и в точках сбора фильтрующейся воды. Эти наблюдения необходимо начинать до начала струйной цементации с целью получения более достоверной информации.

  В гидротехническом строительстве за рубежом метод струйной цементации в последние 10-15 лет применяли как при строительстве новых грунтовых плотин, так и при ремонте уже построенных плотин: Джон Харт (John Hart), Канада; Пергау (Pergau), Малайзия; Тика (Thika), Кения; Сайнт Маргуерита–3 (Sainte Marguerite-3), Турция; Эртан (Ertan), Китай; Падули (Paduli), Суио Руф (Suio Roof) и Форколетта (Forcoletta), Италия и Сиаолангди (Xiaolangdi) Китай (рис. 6).

  Одним из последних примеров применения струйной технологии является строительство противофильтрационной завесы на плотине Сиаолонгди в Китае. Гидроузел расположен в провинции Хенань, на реке Желтой, в 40 км на север от города Луоянг и в 130 км ниже гидроузла Санменся. Гидроузел многоцелевой. Основные задачи - контроль паводков, электроэнергетика, водоснабжение, ирригация, борьба с заилением и др.

  Гидрологические данные характеризуются следующими показателями: среднегодовой сток - 40,55·10⁹ м³; максимальный годовой сток - 67,95-10⁹ м³; среднегодовой расход - 342 м³/сек; максимальный расход - 22000 м³/сек.

  В составе гидроузла плотина из грунтовых материалов, комплекс водосбросных сооружений и подземное здание ГЭС с 6 агрегатами общей мощностью 1800 МВт. Плотина каменно-земляная высотой 154 м с наклонным ядром и понуром из суглинка. Длина плотины по гребню 1667 м, объем - 51,85 млн. м³. Коренные породы в основании плотины - пермский и триасовый песчаники, аргиллиты и известняки. В русле реки 80-метровый слой аллювиальных отложений (рис.6).

  В основании плотины два противофильтрационных контура. Основной контур расположен под ядром плотины и состоит из «стены в грунте» из грунтобетона и глубокой цементационной завесы. Вспомогательный контур размещен под верховым банкетом плотины и представляет собой стенку-диафрагму, выполненную на правобережной половине русла (до отм. 130,0 м) методом «стена в грунте», а выше (до отм. 150,0 м) методом струйной цементации.

  На левобережной половине грунтобетонная стенка полностью была выполнена методом струйной цементации на всю глубину (до 52 м).

  Грунт основания под верховым банкетом, где проходит стенка, по высоте состоит из 2-х зон. Верхняя - насыпной гравийно-галечниковый грунт с плотностью 2,05-2,20 т/м³. Нижерасположенные четвертичные аллювиальные отложения имеют более разнозернистый гранулометрический состав с меньшим количеством средних и мелких фракций и относительно большим числом булыжников и крупных камней. Проницаемость нижней зоны оценивалась величинами 36¸200 м/сут, а коэффициент фильтрации принимали равным примерно 10^-3 см/сек.

  Стенка-диафрагма, выполнявшаяся струйным методом, была запроектирована в один ряд с шагом скважин 1 м. Диаметр колонны был принят равным 1,2 м, отклонение скважин от вертикали допускалось не более 0,5%. Прочность полученного грунтоцементного материала R28 была задана в пределах 1,5¸2,2 МПа, коэффициент фильтрации не более 10^-6 см/сек.

  В качестве бурового оборудования итальянская фирма «IMPREGILO», которая вела работы, использовала 4 буровых станка: один HD 90, два – Казагранде С6 и один С8. Отклонение скважин замеряли с помощью инклинометров SISGEO С6004 и C800U. Высокое давление струи создавали установкой SIRI02SC. Буровой ствол с двойной обсадкой подходил для работы с различными растворами. Внутренний диаметр ствола, где проходил раствор имел диаметр 30 мм, тогда как внешний диаметр был равен 90 мм. Между ними проходил канал сжатого воздуха. Установка была оборудована прибором LUTZ CL 88 для автоматической записи таких параметров как глубина скважины, давление раствора, скорость вращения, скорость подъема снаряда.

  Для смешивания бентонито-цементного раствора использовали два смесителя с производительностью 12 м³/час и 24 м³/час с двумя насосами высокого давления - НТ 400 и 7 Т-450, а также цементные силосы, воздушный компрессор и др. Состав раствора: водоцементное отношение - 1,89/1; количество бентонита по отношению к цементу - 5%. Показатель вязкости (marsh) - 35-40 сек. Плотность была задана равной 1,31- 1,35 г/см³.

  Перед началом основных работ были проведены опытные работы. В слое насыпного песчано-гравийного материала были выполнены 4 отдельных сваи на глубину 10м. Через 7 дней их откопали на 5 м и составили описание. Результаты измерений приведены в табл.3. 

Таблица 3

   Таким образом, заданный минимальный диаметр, равный 1,2 м, был обеспечен.

  Кроме одиночных колонн был выполнен колодец из 25 колонн, которые по внешнему контуру имели высоту (глубину) 32 м, а внутренние только 2 м (рис.7). Шаг скважин 1 м. В этом случае также определяли отклонение скважин от вертикали. Кроме того, колонны колодца были испытаны на водопроницаемость. Замеры показали, что коэффициент фильтрации грунтобетонных колонн изменялся в пределах 1,41·10^-5¸9.52·10^-6 см/сек. Аллювиальный грунт в основании для сравнения имел коэффициент фильтрации 2,8·10^-3 см/сек.

  В процессе выполнения самой стенки осуществляли контроль за врезкой скважин в скальное основание как минимум на 0,5 м. Для колонн, которые не достаточно пересекались по данным проходки, скорость подъема монитора в процессе инъекции уменьшали, чтобы увеличить диаметр колонн и, тем самым достичь лучшего пересечения. Анализ данных всех замеров показал, что минимальное отклонение скважин от вертикали составило 0,05%, максимальное 1,52%. Среди всех пробуренных скважин 243 имели отклонение меньше 0,55%, 144 - имели отклонение в пределах 0,5-1,0%, а 21 скважина отклонилась более чем на 1%. В целом в стенке были только два места, где не обеспечивалось надежное пересечение. Поэтому, в этом месте были выполнены две дополнительные промежуточные колонны.

  Контроль качества раствора осуществляли непрерывно с целью проверки его плотности и вязкости. Если плотность превышала заданную величину (1,35 г/см³) то ее немедленно корректировали. Вязкость проверяли как минимум дважды в смену.

  В случае остановки процесса цементации его старались сразу же возобновить. При этом головку снаряда (монитор) опускали в уже зацементированное тело колонны на глубину порядка 1 м с тем, чтобы иметь надежное сопряжение в том месте, где произошло прерывание рабочего процесса.

  Всего было выполнено 408 свай (колонн). Общая длина пробуренных скважин составила 11500 п.м, а общая площадь противофильтрационной стенки выполненной струйной цементацией - 9897 м². Строительство стенки продолжалось 150 дней. Анализ данных контроля показал, что качество работ хорошее. Сопряжение колонн между собой и со скальным основанием было обеспечено.