Контролируемый гидравлический разрыв грунта

На сегодняшний день в мировой практике распространен способ coopужения подземных горизонтальных противофильтрационных экранов с помощью струйной геотехнологии. Этим способом сооружается подземная плита из взаимно пересекающихся грунтобетонных колонн заданной высоты.

Указанный способ вполне эффективен, однако, применительно к coopужению подземных горизонтальных экранов, он имеет следующие недостатки:

• для применения данного способа требуется сложное нестандартное оборудование, а именно, струйный скважинный монитор, предпочтительно, трехкомпонентный (вода, воздух, раствор), так как такие колонны целесообразно сооружать, по возможности, большого диаметра;
• данный способ требует использования в качестве манипулятора для монитора станка с гидравлическими приводами вращения и подъема;
• по указанным выше причинам, этот способ довольно сложно применять, при работе в заглубленных помещениях;
• при глубоком расположении экрана данный способ требует очень большого объема бурения рабочих скважин (на единицу объема сооружаемой конструкции);
  данный способ связан с большими непроизводительными потерями закрепляющего раствора.

Сооружение горизонтального подземного экрана возможно также с использованием способа гидравлического разрыва грунта. При этом способе по площади сооружаемого экрана бурят на заданную глубину ряд скважин на определенном расстоянии друг от друга. Скважины укрепляют обсадными трубами. Устье одной из скважин герметизируют, и подают в нее под давлением твердеющий раствор. Если грунты для данного раствора непроницаемы, то происходит гидравлический разрыв грунта, с выходом раствора в ближайшие скважины (при условии, что сопротивление грунта на расстоянии между скважинами меньше сопротивления при прорыве толщи грунта у нагнетательной скважины). При этом в грунте образуется фрагмент подземного горизонтального экрана.

Указанный способ имеет следующие недостатки:

• при наличии слоистого строения грунтового массива или при наличии локальных изменений плотности грунтов гидравлический разрыв происходит по поверхности наименьшего сопротивления, которая не обязательно совпадает с проектным положением сооружаемого экрана;
• возможность стыковки различных фрагментов сооружаемого экрана проблематична, сплошность его не гарантирована;
• возможны большие непредсказуемые потери раствора; так, при сооружении европейскими и японскими компаниями грунтобетонных колонн по однокомпонентной струйной геотехнологии, то есть при размыве грунтов струей раствора под очень большим (десятки МПа) давлением, часто происходят временные закупорки рабочих скважин, при этом возникают локальные гидравлические разрывы в окружающих грунтах, и сооружаемые колонны часто окружены ореолами из «языков», заполненных раствором гидравлических разрывов.

Таким образом, способ гидравлического разрыва грунта при сооружении подземных экранов можно считать, в принципе, эффективным, но при условии, что границы области гидравлического разрыва грунта будут предварительно более четко искусственно сформированы, причем именно таким образом, чтобы разрыв происходил в заданной плоскости и в заданном контуре.

Указанный способ предусматривает на первом этапе использование струиной геотехнологии для подготовки искусственного слоя грунта с пониженным сопротивлением деформациям. Это достигается (рис. 6.25 а) путем струйного размыва грунта в заданном слое, на заданной глубине - из скважин, расположенных на определенных расстояниях друг от друга по площади сооружаемого экрана.

Образуемые при этом круговые или линейные фрагменты разрыхленного грунта формируют заданную поверхность гидравлического разрыва.

На втором этапе (рис. 6.25 б) подаваемый в требуемый слой под давлением раствор производит гидравлический разрыв грунта по сформированной поверхности разрыва и образует фрагмент горизонтального экрана. При достаточном давлении целики между фрагментами разрыхленного грунта ются, и экран получается сплошным. Размеры фрагмента экрана, сооруж го из одной нагнетательной скважины, определяются подаваемым давлен значение которого, в свою очередь, зависит от глубины расположения экрана.

Рис. 6.25. Сооружение тонкого подземного горизонтального экрана способом контролируемого гидравлического разрыва грунта
а - 1-й этап - сооружение контурных областей искусственно разрыхленного грунта; б-2 этап - сооружение тонкого экрана путем контролируемого гидравлического разрыва грунта; 1 - обсадная труба; 2- скважинный струйный монитор; 3- высокоскоростная струя; 4 - область искусственного разрыхленного грунта; 5- напорная вода; 6- пакер; 7-раствор; 8-тонкий горизонтальный экран

Размеры целиков и значение предельного рабочего давления могут быть определены расчетом, исходя из характеристик грунта. Однако целесообразно изводить уточнение расчетов по результатам экспериментальных работ в начальной стадии сооружения объекта.

При необходимости, экран может выполняться двойным или многослойным, с заданными расстояниями между слоями. Многослойный экран имеет большее гидравлическое сопротивление по сравнению с однослойным экраном толщиной, равной суммарной толщине отдельных экранов при многослойной конструкции. Все слои многослойного экрана могут выполняться одновременно.

Одно из преимуществ данного способа сооружения подземного горизонтального экрана - это возможность использования его при работе в заглубленных помещениях с низкими потолками. При этом может быть использовано обычное оборудование, применяемое в специальных строительных работах. Нестандартное оборудование в простейших случаях может быть представлено головкой однокомпонентного струйного монитора, навинчивающейся на бурильную штангу. Такая головка легко изготавливается в условиях строительных мастерских.

Для сооружения экранов большой площади при работах на открытом воздухе целесообразно использовать двухкомпонентный монитор, создающий водяную струю в воздушном потоке. Поскольку для создания фрагмента разрыхленного грунтового слоя достаточно одного или двух полных оборота монитора, этот оборот можно производить вручную. Отпадает необходимость в станках с гидравлическим приводом и в двухкомпонентном вертлюге.

В принципе, для сооружения подземных экранов по описанному выше способу не обязательно формировать поверхность гидравлического разрыва в виде круглых в плане фрагментов разрыхленного грунта. Такую же функцию могут выполнять и длинные горизонтальные щели, например, промытые в грунте из струйного монитора с фиксированным направлением насадки. В ном случае, возможно, удастся сооружать подземные противофильтрационные экраны под существующими зданиями и сооружениями.

При успешном освоении описанного способа сооружения подземных экранов, он может быть использован не только для гидроизоляции котлованов и зданий с заглубленными помещениями, но также для водохранилищ, шламохранилищ, полигонов для захоронения различных отходов, что намного расширит область его применения.

Работы начинаются с бурения скважины под глинистым раствором, с небольшим перебуром относительно глубины расположения экрана и опускания в нее струйного монитора.

После опускания монитора на отметку положения экрана к монитору подают под давлением воду и сжатый воздух (в случае использования двухкомпонентного монитора). Одновременно монитор вращают вокруг вертикальной оси. После завершения полного оборота монитора его принподнимают на 4...5 см и снова прокручивают на один оборот. Далее, скважину прочищают и обсаживают. Обсадные трубы поверху герметизируются и дуется запорным регулирующим устройством.

Таким же образом создаются другие области разрыхленного грунта по контурам и по площади будущего фрагмента подземного экрана.

Далее, в центре будущего фрагмента экрана бурят скважину, с предварительной установкой в нее кондуктора. В кондуктор опускают цементационную трубу с подсоединенным к ней шлангом от насоса. Верхнюю часть кондуктора герметизируют с помощью тампона. В качестве материала для coopужения экрана целесообразно использовать глиноцементный раствор. Подачу paствора начинают при малых давлениях, со ступенчатым их повышением. Запорные устройства на обсадных тубах периферийных скважин открывают поочерёдно и перекрывают после начала выхода раствора. При этом, с помощью запорных устройств на периферийных скважинах осуществляют необходимую выдержку при заданных давлениях - для образования экрана требуемой толщины.

После затвердевания раствора производят зондирование с целью определения планового размера выполненного фрагмента экрана. Для цели изготавливают зонд, представляющий собой отрезок трубы малого диаметра с подсоединенным к ней шлангом от насоса. Зонд погружают с подмывом до глубины положения экрана. Наличие твердого препятствия на этой глубине  показывает, что граница фрагмента экрана находится дальше от скважины.

После экспериментального уточнения размеров выполненною фрагмента таким же способом сооружают смежные фрагменты подземного экрана.

Вытекающая из скважин при размыве грунта пульпа направляется в заранее отрытую канаву или зумпф, имеющие объем, соответствующий предполагаемому объему вымываемого грунта.

В процессе сооружения подземного экрана необходимо производить контроль качества работ путем проверки сплошности выполненной ею части с помощью зонда. Контроль качества выполненного экрана производят путём выбуривания кернов.

При гидроизоляции глубоких карьеров и котлованов с бермами, когда вертикальные противофильтрационные завесы выполняются по ярусам с берм, использование искусственных горизонтальных экранов, выполненных с берм и соединяющих параллельные вертикальные завесы, под пригрузкой вышележащего слоя грунта, позволит получить сплошную ступенчатую протитивофильтрационную завесу.

Сочетание тонких горизонтальных экранов с вертикальными ячеистыми конструкциями, например, выполненными с помощью струйной геотехнологии, позволит создавать блочные конструкции, заполненные грунтом ненарушенной структуры, из которых можно формировать крутые откосы и подпорные сооружения.

Возможно также использование предлагаемого способа сооружения подземных экранов для создания в слабопроницаемом грунте искусственных прослоек несвязных грунтов. Это достигается тем, что вместо твердеющего раствopa в область гидравлического разрыва подают под давлением пульпу, например, высокой консистенции, несвязного грунта. При этом в объеме области гидравлического разрыва происходит интенсивное оседание частиц твердого материала - вследствие резкого увеличения сечения взвесенесущего потока и соответствующего снижения его скоростей. Вода из области гидравлического разрыва вытекает через разгрузочные скважины. Так как входы в эти скважины представляют собой гидравлические сопротивления, вынос твердого материала на поверхность будет незначительным. Подачу пульпы производят до заполнения объема области гидравлического разрыва несвязным грунтом.

Описанный выше способ сооружения подземных плоских конструкций гидравлическими методами позволяет формировать конструкций небольшой Толщины, зависящей от глубины их сооружения, используемых давлений и характеристик грунтов. Однако возможно и регулируемое увеличение толщины сооружаемой конструкций. Для этой цели используются регуляторы рисхода на разгрузочных периферийных скважинах. После образования гидравлического разрыва и начала истечения жидкости из разгрузочных скважин давление в области гидравлического разрыва регулируют до расчетного значения и продолжают поддерживать заданное давление при одновременной подаче жидкости (раствора или пульпы) в область гидравлического разрыва. При этом толщина указанной области увеличивается, одновременно с заполнением ее раствором (или грунтом, оседающим из пульпы). Подачу жидкости производят до получения плоской конструкций требуемой толщины. Соответственно происходит уплотнение окружающих естественных грунтов (если это слабые грунты) или (и) подъем поверхности грунта. Таким же способом можно выполнять, при необходимости, искусственный регулируемый подъем поверхности территории до заданной отметки.

Оценку толщины сооружаемой таким образом плоской горизонтальной конструкций можно производить, например, путем геодезических определений изменения отметки поверхности земли.

Если пробурить под глинистым раствором две скважины на некотором расстоянии друг от друга, выполнить их обсадку до заданной глубины и герметизировать обсадные трубы, потом подать под давлением раствор в одну из скважин, то при достаточном давлении и достаточной глубине обсадки произойдет гидравлический разрыв в вертикальной плоскости, область гидравлического разрыва будет заполнена раствором, и раствор будет выходить через вторую, разгрузочную скважину. Таким способом можно получить вертикальный подземный экран (противофильтрационный или дренажный). Таким же способом можно сооружать и наклонные экраны.

Если эти операции выполнять в слабых водонасыщенных (допускающих сжатие) грунтах, при этом регулировать выход раствора из разгрузочной скважины и, соответственно, давление в области гидравлического разрыва, с организацией циркуляции выходящего раствора в течение достаточного времени, то по мере локального уплотнения окружающих грунтов, толщина образуемой плоской конструкции будет увеличиваться, и можно таким образом получить фрагмент подземной стены требуемой толщины. В сочетании выполняемыми аналогичным способом горизонтальными конструкциями можно выполнить замкнутый по всем поверхностям контур подземного сооружения, то есть блочную конструкцию. Этот же способ может быть использован для подземного складирования вредных отходов ограниченными объемами путем сооружения блочных конструкций, гидравлического удаления их них грунта и заполнения объема отходами.