Общие сведения о струйной геотехнологии

Различные грунты, служащие основаниями зданий и сооружений, являются продуктом геологических и метеорологических процессов, вследствие которых на протяжении многих тысяч и миллионов лет происходило формирование, перемещение и разрушение горных пород. В результате тектонических процессов, движения воды, льда, воздуха и колебаний температур, а также техногенных процессов, связанных с деятельностью человека, происходили различные явления, приведшие к образованию конкретных видов грунтов с различными свойствами и определившие их плановое и высотное расположение.

Основной идеей струйной геотехнологии является имитация с помощью технических средств природных процессов, осуществляемая направленно и с многократным ускорением, с целью изменения характеристик грунтов, создания на их основе материалов с требуемыми свойствами и формирование из указанных материалов подземных конструкций заданных формы и размеров. Струйная геотехнология позволяет осуществлять процессы, обратные по отношению к природным: из искусственно, химически связанных дисперсных грунтов образовывать техногенную горную породу (грунтобетон) для использования ее в качестве строительного материала.

Струйная геотехнология (Jet grouting method)  - это подземный размыв грунта горизонтальными струями из заранее пробуренных скважин с образованием полостей в грунте заданных формы и размеров, с синхронным заполнением этих полостей материалом с заданными свойствами и с синхронным перемешиванием, при необходимости, разрыхленного грунта с твердеющим раствором.

Технически струйная геотехнология осуществляется следующим способом. В предварительно пробуренную технологическую скважину (рис. 1.1) опускают специальный скважинный монитор, имеющий боковую насадку (возможно и несколько боковых насадок).

К монитору подают по гибкому рукаву размывающую жидкость, например, цементный раствор. При этом из насадки выходит высокоскоростная струя раствора, которая производит размыв грунта, образуя в нем горизонтальную каверну. При этом размытый грунт вместе с офаботанным раствором частично выносится на поверхность в виде пульпы, которая по канавке направляется в специальный пульпоприемник (траншею или зумпф).

Рис. 1.1. Сооружение грунтобетонных колонн по однокомпонентной технологии 1 - технологическая скважина; 2- гидравлический буровой станок; 3-скважинный струйный однокомпонентный монитор; 4 - высокоскоростная струя твердеющего раствора; 5-твердеющий раствор; б-размываемая полость; 7-изливающаяся растоворо-грунтовая смесь; 8- готовая грунтобетонная колонна

Монитор приводят во вращение вокруг вертикальной оси и одновременно начинают медленно поднимать. В результате, по мере подъема вращаемого монитора, часть размытого вращаемой струей грунта (в пределах радиуса размывающей способности струи) перемешивается с раствором, и таким образом в грунтовом массиве образуется цилиндрическая размытая полость, заполненная грунторастворной смесью. После завершения подъема монитора и затвердевания цемента в грунте образуется колонна закрепленного грунта (фунтобетона). Совокупность указанных операций и составляет однокомпо-нентную струйную геотехнологию.

Если, наряду с боковой насадкой, в мониторе монтируется соосная с ней воздушная насадка, через которую одновременно с подачей раствора через ценфальную насадку подается сжатый воздух, создающий искусственный воздушный поток вокруг струи раствора (рис. 1.2), то здесь имеет место двух-компонентная технология.

Рис. 1.2. Соосные жидкостная и воздушная насадки для создания жидкостной струи в искусственном воздушном потоке 1 - жидкостная насадка; 2- воздушная насадка
При этом размытый грунт выносится по скважине в потоке аэрированного раствора. На рис. 1.3 показано сооружение грунтобетонных колонн по двухкомпонентной технологии.

Рис. 1.3. Сооружение грунтобетонных колонн по двухкомпонентной технологии 1 - технологическая скважина; 2-гидравлический буровой станок; 3-скважинный струйный трехкомпонентный монитор; 4 - двухкомпонентный вертлюг; 5-твердеющий раствор; 6- сжатый воздух; 7- высокоскоростная струя твердеющего раствора в искусственном воздушном потоке; 8-изливающаяся пульпа размытого грунта; 9-размываемая полость; 10-готовая грунтобетонная колонна

При двухкомпонентной геотехнологии диаметр грунтобетонной колонны существенно больше, чем при однокомпонентной (при условии равенства всех остальных характеристик процесса).

Трехкомпонентная технология получается, когда размыв грунта производят водяной струей в искусственном воздушном потоке, с выносом размытого грунта через скважину в составе водовоздушной пульпы, а закрепляющий раствор подают в виде отдельной струи через насадку, расположенную ниже соосных размывающих насадок (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Сооружение грунтобетонных колонн по трехкомпонентной технологии 1 - технологическая скважина; 2 - гидравлический буровой станок; 3 - скважинный струйный трехкомпонентный монитор; 4 - трехкомпонентный вертлюг; 5 - напорная вода; 6- сжатый воздух; 7-твердеющий раствор; 8- высокоскоростная водяная струя в искусственном воздушном потоке; 9- изливающаяся пульпа размытого грунта; 10- струя твердеющего раствора; 11-размываемая полость; 12-готовая грунтобетонная колонна

При этом образующаяся грунтобетонная колонна в данном случае имеет наибольший диаметр (при прочих равных характеристиках процесса размыва). В этом случае раствор расходуется непосредственно на закрепление грунта, хотя определенная часть раствора все же выносится вместе с водой, воздухом и частью размытого грунта.

Если монитор не вращать вокруг вертикальной оси, а медленно поднимать с фиксируемым направлением размывающей насадки, то в грунте формируется плоская прорезь, заполненная твердеющим раствором. После затвердевания указанного раствора образуется плоская (панельная) конструкция средней толщиной порядка 15 см. Такие плоские конструкции используются обычно в качестве секций противофильтрационных завес. При сооружении плоской конструкции по трехкомпонентной технологии размытый грунт удаляется практически полностью. Поэтому раствор в размытую полость подается в этом случае не через отдельную боковую насадку, а через вертикальный растворный пафубок в нижней части монитора, и далее он свободно растекается по прорези.

Существует две основных схемы сооружения плоских конструкции с помощью струйной геотехнологии: сквозная и тупиковая.

Для получения плоской конструкции по «сквозной» схеме (рис. 1.5) в грунте бурят, помимо основной рабочей скважины, в которую погружается монитор, также и вторую (изливающую) скважину, которую располагают на направлении размыва грунта, задаваемом соответствующей ориентацией размывающей насадки монитора и механической фиксацией этого направления.

При размыве грунта по такой схеме происходит так называемый «пробой» между скважинами или «сбойка», как это называют в горном деле. Этот «пробой» поддерживают в течение всего времени размыва плоской прорези. Пульпа размытого грунта в этом случае изливается на поверхность через изливающую скважину.
Для получения плоской конструкции по «тупиковой» схеме (рис. 1.6) просто механически фиксируют заданное направление размывающей насадки.

Рис. 1.5. Сооружение тонких противофильтрационных завес по «сквозной» схеме 1 - струйный монитор; 2 - технологическая скважина; 3- готовая секция; 4- водоупор

Рис. 1.6. Сооружение тонких противофильтрационных завес по «тупиковой» схеме 1-струйный монитор; 2-технологическая скважина; 3-готовая секция; 4-водоупор

В этом случае пульпа размытого грунта изливается через ту же скважину, в которой перемещается монитор, по зазору между трубчатой конструкцией монитора и стенками скважины. Как правило, в этом случае плоские конструкции выполняются при двустороннем размыве, то есть двумя размывающими насадками (при трехкомпонентной технологии - с соответствующими соосными воздушными насадками), обычно направленными друг к другу под углом 180°.

Для обеспечения всех указанных операций используется комплект соответствующего технологического оборудования.

С помощью струйной геотехнологии под землей сооружаются плоские (панельные) цементные и глиноцементные конструкции или цилиндрические грунтобетонные конструкции (колонны), из сочетания которых образуются сооружения или элементы сооружений различного назначения: несущие, ограждающие, подпорные, противофильтрационные.

Преимущества струйной геотехнологии:

• использование жидкой струи - в качестве рабочего разрушающего инструмента, естественного грунта - в качестве строительного материала, совмещения по времени разработки грунта и заполнения полости;
• исключение необходимости предварительной отрывки котлованов, строительного водопонижения, обязательного вывода сооружаемых конструкций на поверхность земли, поддержания устойчивости стенок выработки, предварительного усиления фундаментов соседних зданий и сооружений, переноса коммуникаций;
• отсутствие вибраций, ударных нагрузок, сильных шумовых эффектов, существенных осадок фундаментов и подъемов поверхности грунта;
• возможность выполнения строительных работ: в непосредственной близости от зданий и сооружений, под фундаментами зданий и сооружений, в слабых и водонасыщенных грунтах, в грунтах с крупными твердыми включениями, в том числе и строительного мусора, в стесненных условиях, на глубинах до 30 м и более, под дном рек, каналов, водоемов.

Струйная геотехология позволяет эффективно выполнять: противофильтрационные завесы, фундаменты зданий и сооружений, искусственные основания, стены и полы заглубленных помещений, в том числе подземных гаражей, усиление фундаментов существующих зданий и сооружений, подпорные стены, ограждения котлованов, горизонтальные подземные противофильтрационные экраны, противооползневые конструкции, закрепление грунтовых массивов для проходки подземных тоннелей, колодцы большого диаметра с днищами и многие другие сооружения.

Помимо указанных выше преимуществ, в сравнении с альтернативными способами выполнения указанных сооружений, таких, например, как «стена в грунте», буронабивные и буроинъекционные сваи и др., струйная геотехнология позволяет:

• при сооружении противофильтрационных завес обеспечивать надежную стыковку смежных секций - благодаря сканирующей обработке высокоскоростной струей стыкуемой поверхности смежной секции;
• при сооружении подземных гаражей примыкать их вплотную к зданию - так как выемка грунта производится после выполнения основных несущих конструкций;
• при сооружении опорных колонн (свай) обеспечивать требуемый их диаметр без использования обсадных труб или глинистого раствора для поддержания стенок выработки в ходе технологического процесса, сооружать указанные конструкции при большой мощности слабых грунтов в основании - благодаря возможности выполнять уширенную подошву без усложнения технологического процесса и пр.