Руководство по производству инъекционных работ при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях
Актуально на 09.11.2026.
Как цитировать: "Руководство по производству инъекционных работ при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях". https://bukva.ai/docs/rukovodstvo-po-proizvodstvu-inektsionnyh-rabot
(утв. ВНИИ транспортного строительства 13.10.1983)
Утверждаю Зам. директора института Г. Д. Хасхачих 13 октября 1983 года
РУКОВОДСТВО
ПО ПРОИЗВОДСТВУ ИНЪЕКЦИОННЫХ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Одобрено Научно-техническим советом Минтрансстроя и Главтоннельметростроем
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее Руководство составлено в развитие главы СНиП III-44-77 и включает основные сведения по выбору технологических параметров инъекции, рецептур инъекционных растворов, технологических приемов и схем, а также примерную схему изысканий и исследований, обосновывающих применение инъекционного способа. Руководство учитывает опыт работ по инъекционному упрочнению пород в транспортном и гидротехническом строительстве, а также результаты исследований в области упрочнения пород, выполненных институтом КузНИИшахтострой, ВИОГЕМ, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, НИИОСП, ЦНИИС.
В Руководстве также использованы материалы зарубежных фирм, занимающихся вопросами инъекционного упрочнения грунтов или производящих инъекционное оборудование.
Руководство разработано канд. техн. наук В.И. Митраковым, инженерами Г.О. Смирновой, С.С. Коровченко, В.Г. Голубевым и канд. техн. наук Э.А. Малояном (ЦНИИС), канд. техн. наук Н.Т. Логачевым (ВИОГЕМ), кандидатами техн. наук Е.Г. Дуда, В.А. Хямяляйненом, Ю.В. Бурковым (КузНИИшахтострой), канд. техн. наук Г.С. Эткиным (Гидроспецпроект), канд. геолого-минерал. наук В.И. Сергеевым (МГУ).
Предложения и замечания по работе просим направлять по адресу: Москва, 129329, ул. Кольская, д. 1, ЦНИИС, отделение тоннелей и метрополитенов.
Зав. отделением тоннелей и метрополитенов Л. С. Афендиков
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Целью инъекции грунтов при строительстве тоннелей является обеспечение их устойчивости, повышение прочности и водонепроницаемости. При инъекционном способе стабилизации грунтового массива пустоты, трещины и поры заполняют специальными растворами, твердеющими в течение заданного времени.
1.2. Область эффективного применения инъекционного упрочнения грунтов постоянно расширяется в результате совершенствования технологии и разработки новых типов растворов (приложение 1).
1.3. Для достижения положительного эффекта, исходя из назначения инъекции, необходимо применять комплексы различных типов растворов, нагнетаемых в грунт в определенной последовательности. Это позволяет более активно и направленно использовать природные свойства грунта, усилить или ослабить влияние химико-минералогического состава, дисперсности и при этом придавать укрепленному грунту необходимую прочность, водостойкость.
1.4 В самых общих случаях рекомендуют следующую последовательность инъектирования растворов на основе
цемента и глины .......................................... I очередь;
силиката ................................................. II очередь;
смол ..................................................... III очередь.
По назначению инъекция бывает:
наполнительная — заполнение пустот, каверн и карстов;
укрепительная — повышение прочности неустойчивых и подверженных внезапным обрушениям грунтов;
противофильтрационная — повышение водонепроницаемости скальных и аллювиальных водонасыщенных грунтов.
Опыт проведения инъекционных работ доказывает, что успешное применение этого способа определяется наличием следующих основных факторов:
надежного технологического оборудования;
эффективных составов инъекционных растворов;
четкой организации работ при наличии квалифицированных кадров.
2. ИЗЫСКАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Успешное проведение инъекционных работ в значительной степени определяется результатами изысканий и исследований. В то же время многообразие инженерно-геологических условий и технических задач, стоящих перед тоннелестроителями, требуют нестандартных подходов к решению проблем, подлежащих исследованию перед тем, как определить целесообразность применения способа инъекции на том или ином объекте.
На рис. 1 приведена схема, отражающая различные этапы изысканий и исследований, и цели, преследуемые этими работами.
Рис. 1. Примерная схема изысканий и исследований для принятия решения в проведении инъекционного упрочнения грунтов
2.2. Первый этап предусматривает изучение результатов инженерно-геологических изысканий района строительства, выполненных в соответствии с ВСН-190-78.
Особое внимание следует обращать на наличие зон с низкими прочностными и высокими фильтрационными свойствами грунтов (зоны смятия, разломы и т.д.).
По результатам изысканий определяют участки трассы тоннеля, требующие применения специальных способов работ. На основе технико-экономического анализа различных вариантов применения специальных способов выбирают оптимальный и разрабатывают проектное решение.
2.3 Второй этап (специальные исследования) предусматривает решение следующих задач:
уточнение инженерно-геологических условий применительно к особенностям ведения инъекционных работ;
выбор основных технологических приемов и определение параметров инъекции;
определение рецептур инъекционных растворов;
определение влияния инъекционных работ на окружающую среду и ведение проходческих операций;
отработка методов контроля эффективности инъекции.
2.4. Уточнение инженерно-геологических условий необходимо для большей детализации структуры породного массива на участке проведения инъекционных работ. Эти исследования позволят прогнозировать размеры зоны инъекции и определять влияние инъекционных растворов на окружающую среду.
Особое внимание нужно уделять исследованиям водоносных горизонтов, их фильтрационных характеристик, с целью установления возможного направления движения инъекционных растворов.
2.5. Расходометрическими исследованиями и исследованиями на аналоговых масштабных моделях устанавливают риск загрязнения окружающих источников и нарушение гидравлического режима после проведения инъекционных работ.
Специальные исследования позволяют теоретически описать процесс инъецирования и определить трудности, которые могут возникнуть при его выполнении.
2.6. Результаты специальных исследований следует проверять опытными работами в натурных условиях. Основные цели, стоящие перед опытными работами, следующие:
испытание технологического оборудования, методов и параметров инъекции, выбор рецептур инъекционных растворов;
решение вопроса о достижимости конкретной цели инъекции;
определение расхода инъектируемых материалов и уточнение общей стоимости работ.
2.7. На третьем этапе анализируют результаты специальных исследований и опытных работ и производят корректировку проекта.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИНЪЕКЦИИ
3.1. Гидрогеологические условия по трассе тоннеля в большинстве случаев представляются ограниченными данными — кратким описанием характера трещиноватости и коэффициентом фильтрации пересекаемых грунтов.
Исходя из типа грунтов, характера трещиноватости и генетической природы трещин, приближенное значение коэффициента трещиноватости скальных грунтов рекомендуется принимать по табл. 1.
Среднее поперечное раскрытие трещин \delta , м, определяют по формуле
\delta = 3,9 \cdot 10^{- 2} \cdot \sqrt{\frac{K_{\text{ф}}}{m_{\text{т}}}} , (1)
где Kф — коэффициент фильтрации трещиноватого массива, м/с.
Если известно удельное водопоглощение скважин, то раскрытие трещин может быть вычислено по формуле
\delta = 1,34 \cdot 10^{- 4} \cdot \sqrt{\frac{q}{m_{\text{т}}}} , (2)
где q — удельное водопоглощение скважин, л/(мин·мм).
\delta_{max} = 5,13 \cdot \delta + 0,51. (3)
3.2. Учитывая сложность аналитического решения задачи, толщину зоны упрочнения подбирают опытным путем. Для определения объемов работ и затрат материалов на стадии проектирования толщину зоны упрочнения C, м, ориентировочно можно определять как глубину зоны нарушенных грунтов, оказывающую давление на крепь, по формуле
k — коэффициент пропорциональности, определяемый в зависимости от характеристик горного массива по табл. 2.
Толщину зоны упрочнения, образованной инъекцией низкопрочных глиноцементных растворов, определяют из условия исключения выдавливания раствора из трещин
\text{С } = \frac{\alpha \cdot \delta_{max} \cdot P_{k}}{2 \cdot P_{m}} , (5)
где \alpha — коэффициент запаса прочности, принимаемый на практике в пределах от 2 до 5;
Pk — давление подземных вод, МПа;
Pm — минимальная пластическая прочность используемого тампонажного раствора, МПа.
3.3. Инъекционные скважины следует принимать по возможности меньшего диаметра в пределах от 40 до 75 мм. При меньшем диаметре производительность бурения возрастает, стоимость снижается, а вероятность осадкообразования и кольматации трещин цементом в прискважинной части сокращается.
Количество инъекционных скважин определяют необходимостью обеспечения требуемого количества и минимумом стоимости инъекционных работ.
Качество упрочнения грунтового массива в каждом конкретном случае устанавливается опытными работами. Они же определяют предельные радиусы упрочнения.
Минимум стоимости бурения скважин и нагнетания инъекционного раствора обеспечивается при оптимальном расстоянии между скважинами, которое определяют оптимальным радиусом упрочнения. Согласно рис. 2 оптимальный радиус упрочнения в трещиноватом массиве вычисляют по формуле
R_{0} = \sqrt{\frac{e_{1}}{\pi \cdot m_{\text{т}} \cdot \text{е}_{2}} + \frac{\text{С}^{2}}{2}} , (6)
где e1 — стоимость бурения 1 м скважины, руб./м;
e2 — стоимость приготовления и нагнетания 1 м3 инъекционного раствора, руб./м3.
Рис. 2. Расчетная схема для определения оптимального расстояния между инъекционными скважинами: а — схема расположения скважин и контур распространения раствора; б — изменение стоимости в зависимости от расстояния между скважинами; 1 — буровых работ; 2 — раствора; 3 — суммарных затрат
По полученной величине R0 определяют оптимальное расстояние между скважинами a0, м, на конечной длине
\text{а}_{0} = \sqrt{4R_{0}^{2} - C^{2}.} (7)
С учетом возможного отклонения скважин от заданного направления расстояние между ними принимают равными
Величину отклонения инъекционных скважин a', зависящую от их глубины, способа бурения, характеристики буровых средств, квалификации обслуживающего персонала, следует принимать при длине скважин
30 — 50 м ..................................................... 0,3 — 1
50 — 100 м ...................................................... 1 — 2
Оптимальное количество инъекционных скважин на забой тоннеля круглого сечения N0, шт., составляет
N_{0} = \frac{\pi(D_{\text{пр}.} + \text{С})}{q_{0}} , (9)
где Dпр. — диаметр тоннеля в проходке, м.
При других формах поперечного сечения тоннеля
N_{0} = \frac{\text{П}_{\text{пр}.} + 4\text{С}}{\text{а}\prime_{0}} , (10)
где Ппр. — периметр тоннеля в проходке, м.
3.4. Выбирать длину инъекционных заходок (активной части скважины) при предварительном упрочнении грунтов из забоя выработки (тоннель, штольня) следует из таких предпосылок:
буровое оборудование должно обеспечивать эффективное бурение скважин принятой величины;
увеличением длины инъекционных заходок сокращаются непроизводительные затраты времени, связанные с подготовительно-вспомогательными работами, улучшается организация и снижается стоимость работ;
длина инъекционной заходки при прочих равных условиях оказывает непосредственное влияние на качество упрочнения грунтового массива, поэтому во всех случаях окончательно длину заходки следует определять с учетом относительного водопоглощения массива q0, начального давления P0 и производительности Qск средств нагнетания (расхода раствора в скважину) по формуле
L = K_{\text{т}} \frac{Q_{\text{ск}}}{10 \cdot q\prime_{0} \cdot P_{0}} , (11)
где Kт — коэффициент увеличения гидравлических сопротивлений трещин движению инъекционного раствора по сравнению с водой за счет увеличения вязкости, принимаемый равным от 1,2 до 1,6 для растворов с Ц:В, равным соответственно 1:10, 1:4, 1:2, 1:1, 1:0,6 и 1,1 — 1,2 для растворов смол с плотностью = 1,14 — 1,18 г/см3;
Qск — расход раствора в скважину в начальный момент нагнетания, л/мин;
q\prime_{0} — относительное удельное водопоглощение упрочняемого массива, л/(мин·мм вод. ст.);
P0 — начальное давление нагнетания, принимаемое равным от 0,1 до 0,3 МПа.
Относительное удельное водопоглощение упрочняемого массива определяют путем его гидравлического опробования и рассчитывают по формуле
q\prime_{0} = \frac{V_{\text{в}}}{L_{\text{оп}} \cdot \Delta\text{Н } \cdot t} , (12)
где \Delta\text{Н} — перепад давления по длине потока, определяемый как разность давления воды в скважине и подземных вод, м вод. ст.;
Lоп — длина опробуемого участка скважины, м;
Vв — объем воды, закачанной в массив, л/мин;
t = 10 — 20 — время нагнетания, мин.
Длина цементационной заходки может быть определена по номограмме рис. 3, построенной по вышеприведенным формулам.
Рис. 3. Номограмма для определения длины инъекционной заходки: q0 — относительное водопоглощение массива; Qск — расход раствора в скважину; Ц0:В0 — цементно-водное отношение раствора; P0 — начальное давление инъекции; L — длина инъекционной заходки
3.5. Инъекцию раствора в скважины осуществляют под защитой предохранительного монолитного целика грунта или специально возводимой бетонной перемычки.
Если забой тоннеля приостановлен за несколько метров до нарушенной зоны и окружающий массив представлен крепкими монолитными грунтами, то инъекцию раствора осуществляют под защитой оставленного грунтового целика.
Толщину целика определяют по формуле
B_{\text{ц}} \geq \frac{\lambda \cdot \text{Р}_{\text{ск}} \cdot D}{4m \cdot \tau_{n}} , (13)
где Pск — давление в скважине, МПа;
m — коэффициент условия работы, равный 0,2 — 0,7;
\lambda — коэффициент перегрузки, равный 1,2 — 1,3;
D — наибольший линейный размер поперечного сечения тоннеля (ширина или высота), см;
\tau_{n} — расчетное сопротивление естественных или искусственно укрепленных грунтов на срез, МПа.
Величину \tau_{n} ориентировочно можно принимать по формуле
\tau_{n} = 0,23 \cdot \sigma_{\text{сж}} = 0,04\sigma. (14)
Здесь \sigma_{\text{сж}} — расчетное сопротивление грунтов одноосному сжатию, МПа;
\sigma — временное сопротивление грунтов одноосному сжатию в водонасыщенном состоянии, МПа.
В исключительных случаях, когда забой закрывает нарушенные породы, при наличии высоконапорных подземных вод и возможных внезапных прорывах воды в выработку, возводят бетонную предохранительную перемычку, толщину которой определяют:
из условия прочности на сжатие
\text{В}_{\text{ц}} = 0,1D \sqrt{\frac{\lambda \cdot \text{Р}_{\text{ск}}}{m \cdot \eta \cdot R^{\text{к}}} (\beta_{0} + \gamma_{0})} , (15)
где Rк — кубиковая прочность (марка) бетона, МПа;
\eta — коэффициент относительной прочности бетона в возрасте, соответствующем моменту нагружения перемычки (табл. 3);
\beta_{0} , \gamma_{0} — коэффициенты, зависящие от соотношения минимального и максимального линейных размеров сечений горной выработки и от условий опирания кромки на окружающий массив (табл. 4);
\text{В}_{\text{ц}} = 1,4 \cdot \frac{\lambda \cdot \text{Р}_{\text{ск}} \cdot F}{m \cdot \eta \cdot R^{\text{к}} \cdot \text{П}_{\text{с}}} , (16)
где F — площадь поперечного сечения выработки (штольня, тоннель), м2;
Пс — периметр поперечного сечения выработки в свету, м.
| \frac{D_{min}}{D_{max}} | Жесткое защемление | Свободное опирание | ||
| \beta_{\text{о}} | \gamma_{\text{о}} | \beta_{\text{о}} | \gamma_{\text{о}} | |
| 0,6 | 8 | 37 | 24 | 82 |
| 0,7 | 12 | 32 | 30 | 68 |
| 0,8 | 14 | 27 | 33 | 56 |
| 0,9 | 16 | 22 | 36 | 46 |
| 1,0 | 18 | 18 | 37 | 37 |
Окончательно принимают наибольшую из полученных двух величин.
Длину кондуктора (кондукторной трубы), lк, м, заделываемого в целик, определяют по формуле
l_{\text{к}} = \frac{\lambda \cdot \text{Р}_{0} \cdot d_{\text{к}}}{4\tau_{\text{ср}}} , (17)
где dк — наружный диаметр кондуктора, м;
\tau_{\text{ср}} — расчетная прочность раствора на срез в возрасте, соответствующем началу инъекции, МПа.
3.6. При определении режимов инъекции следует учитывать очередность нагнетания различных типов растворов.
Первую очередь инъекции нужно выполнять цементационными растворами, которые заполняют основную систему трещин и пустот грунтового массива.
Вторую очередь выполняют растворами силикатов и смол.
При выборе режимов первой очереди инъекции начальное давление инъекции P0 при отсутствии гидростатического напора принимается от 0,1 до 0,3 МПа.
Конечное давление нагнетания (давление на насосе) P определяют из условия обеспечения требуемого радиуса инъекции R по формуле
\text{Р } = \text{Р}_{\text{ск}} + \text{Р}_{\text{гидр}} = \Delta\text{Р} + \text{Р}_{\text{к}} + \text{Р}_{\text{гидр}}, (18)
где Pск — давление на скважине, МПа;
Pгидр — потери давления на преодоление гидравлических сопротивлений растворопроводов, МПа;
\Delta\text{Р} — конечный перепад давления по длине потока, необходимый для обеспечения определенного радиуса инъекции, МПа;
\text{Р}_{\text{гидр}} = \frac{41\eta_{1} \cdot Q_{\text{н}} + 5,3\tau_{0} \cdot d^{3}}{d^{4} \cdot 10^{6}} Z_{\text{т}}. (19)
Здесь \eta_{1} — коэффициент структурной вязкости раствора, Н·с/м2;
Qн — производительность насоса, м3/с;
\tau_{0} — динамическое напряжение сдвига закачиваемого раствора, Н/м2;
d — внутренний диаметр трубопровода, м;
Zт — длина трубопровода от насоса до устья скважины, м.
При определении Pгидр следует иметь в виду, что расчет необходимо выполнять на момент окончания закачки, когда используют обычно раствор максимальной концентрации (В:Ц = 0,5:1), следовательно, с максимальными значениями \eta_{1} и \tau_{0} , а производительность нагнетания — минимальная или близка к нулю.
При полном «отказе» (остановке насоса)
\text{Р}_{\text{гидр}} = \frac{5,3 \cdot \tau_{0}}{d \cdot 10^{6}} Z_{\text{т}}. (20)
Конечный перепад давления по длине потока в зависимости от коэффициентов трещиноватости mт, трещинной проницаемости K0, цементно-водного отношения раствора Ц:В принимают из условия обеспечения требуемого радиуса цементации R в трещинах с различным раскрытием \delta по номограмме, представленной на рис. 4.
Рис. 4. Номограмма для определения конечного перепада давления по длине потока в трещинах: mт — коэффициент трещиноватости; K0 — коэффициент трещинной проницаемости; R — требуемый радиус цементации; Ц:В — цементно-водное отношение раствора; \delta — раскрытие трещины; \Delta\text{Р}_{1} — конечный перепад давления
В процессе производства работ конечный перепад давления по длине потока принимают для концентрации раствора, закачиваемого в скважину в наибольшем количестве и обеспечивающего в основном предельный радиус цементации.
В процессе инъекции фильтрационные характеристики грунтов изменяются вследствие воздействия на них результатов инъекций предыдущих скважин. Учитывая трудоемкость определения фильтрационных характеристик, \Delta\text{Р} определяют по номограмме только для одной скважины, а для всех последующих в зависимости от изменения удельного водопоглощения горного массива по графикам, представленным на рис. 5. Коэффициент трещиноватости устанавливают в соответствии с п. 3.1, а коэффициент трещинной проницаемости K0 — по формуле
K_{0} = 0,043 \cdot 10^{12} \cdot m_{\text{т}} \cdot \delta^{2}. (21)
Рис. 5. График зависимости изменения конечного давления нагнетания P от изменения удельного водопоглощения на последующих скважинах с Ц:В, равным: 1 — 1:1; 2 — 1:0,5
3.7. Концентрацию инъекционных растворов назначают в зависимости от гидродинамических характеристик упрочняемого горного массива и, как правило, при инъекции цементационных растворов ее увеличивают в процессе нагнетания. Начальную концентрацию цементационных растворов назначают в зависимости от удельного водопоглощения горных пород до цементации согласно данным табл. 5.
Удельное водопоглощение упрочненного массива рассчитывают по формуле
q_{0} = \frac{Q_{\text{в}}}{L_{\text{оп}} \cdot \Delta\text{Н}} , (22)
где Qв — расход воды в скважину, л/мин.
Для расчета режимов инъекцирования растворов на основе силикатов и смол, рекомендуется другой путь с использованием практически опробованных положений.
3.8. Инъекция таких растворов обычно осуществляется во вторую очередь (когда трещины и крупные пустоты наполнены цементным камнем и свойства грунтового массива изменились), а в качестве основного параметра следует считать объем раствора, который необходимо закачать в одну скважину для обеспечения оптимального радиуса упрочнения (приложение 2).
V_{p} = \pi \cdot R_{0}^{2} \cdot m\prime_{\text{т}} \cdot l, (23)
где m\prime_{\text{т}} — коэффициент остаточной трещиноватости (пористости), устанавливается по результатам гидроопробования.
3.9. При назначении конечного давления нагнетания можно руководствоваться практическими данными инъекционных работ при проходке шахтных стволов, которые показывают, что при максимальном давлении раствора, превышающем в 2,5 раза гидростатический напор или составляющем 0,025 МПа на каждый метр глубины (но не менее 3,5 МПа), обеспечивается требуемое качество инъекционных работ.
Поэтому при производстве инъекционных работ в тоннелях
и должно быть не менее 3,5 — 4 МПа,
где H — глубина заложения тоннеля, м.
4. ИНЪЕКЦИОННЫЕ РАСТВОРЫ
Растворы, используемые для укрепления грунтов
4.1. Для физико-химического укрепления грунтов при строительстве тоннелей и метрополитенов могут использоваться следующие типы и виды растворов на основе:
цемента — чистые цементные, цементно-песчаные, цементно-глинистые, цементно-песчано-глинистые, цементно-полимерные, цементно-силикатные и аэрированные цементные растворы;
глины — глинистые, глиносиликатные;
силиката — двухрастворная силикатизация, различные рецептуры однорастворного способа силикатизации, силикатно-органические растворы;
смол — растворы мочевиноформальдегидных, эпоксидных смол, хромлигниновых соединений.
4.2. Полный эффект укрепления грунтов в определенных инженерно-геологических условиях достигается в случае использования комплекса растворов, составленного из различных по типу и виду растворов и нагнетаемых в грунт в последовательности установленной опытным путем.
Границы применения инъекционных растворов и их выбор
4.3. Границы инъекцирования различных типов, видов и рецептур растворов в те или иные грунты устанавливают по характеристикам раствора и инъецируемого (табл. 6) грунта:
степени дисперсности инъекционного раствора (суспензия, коллоидный или истинный раствор);
типу грунта — скальные и полускальные трещиноватые (по величине раскрытия трещин и удельному водопоглощению); крупнообломочные несцементированные, крупно-, средне- и мелкозернистые пески, супеси, пылеватые пески (по коэффициенту фильтрации);
минералогическому составу грунта и химическому составу грунтовых вод (в зависимости от карбонатности, загипсованности, содержания гумусовых, глинистых частиц, показателя pH);
назначению инъекции — повышение прочности или водонепроницаемости грунта.
4.4 Помимо сведений о границах применения растворов, приведенных в табл. 6, необходимо учитывать следующее:
для укрепления грунтов с повышенным содержанием карбонатов, гумусовых и глинистых частиц можно использовать кремнефтористоводородную рецептуру повышенной прочности, силикатно-органические и лигносульфонохромовые растворы;
при укреплении растворами смол грунтов, содержащих карбонатов свыше 3%, проводят предварительную обработку грунта 2 — 7%-ным раствором соляной кислоты, 2 — 6%-ным раствором щавелевой кислоты или 2 — 4%-ным раствором кремнефтористоводородной кислоты;
для укрепления водонасыщенных грунтов щелочными силикатными рецептурами при суммарном содержании в грунтовых водах солей CaSO4, MgSO4 и Na2SO4 более 5 ч/л необходимо в зоне инъекции предварительно прокачивать пресную воду.
4.5. В любом случае назначать рабочие рецептуры инъекционных растворов можно только после проведения лабораторных исследований грунтов, их пробного укрепления с последующей проверкой и уточнением рецептур путем проведения опытных инъекций в производственных условиях (см. приложение 2).
При выборе оптимальных рецептур инъекционных растворов также необходимо проводить технико-экономический анализ применения или иных рецептур с учетом конкретных условий строительства.
Растворы на основе цемента, глины, песка и добавки к ним
4.6. Растворы на основе цемента, песка, глин служат для упрочнения и противофильтрационного уплотнения грунтов.
Составы основных видов инъекционных растворов на основе указанных материалов и их параметры приведены в табл. 7.
Примечания: 1. Соотношение компонентов для глиносиликатных растворов объемное, для всех остальных — весовое.
2. Процентное содержание добавок дано к массе цемента и глины.
4.7. Растворы на основе цемента, песка, глины используют для укрепления трещиноватых грунтов скального типа — песчаников, известняков, гранитов, габбро, различного вида сланцев, глин с ясно выраженной трещиноватостью, с величиной раскрытия трещин от 0,05 мм и более и удельным водопоглощением от 0,05 л/мин и выше, а также крупнопористых грунтов (гравийных, песчаных) с коэффициентом фильтрации от 50 м/сут и выше, при этом учитывают следующее:
цементно-водные растворы применяют для цементации горных пород, содержащих трещины с раскрытием менее 10 мм;
сложные цементно-песчаные, цементно-песчано-глинистые и цементно-глинистые, приготовленные с применением обычных глин и суглинков, применяют для инъецирования крупных трещин с раскрытием более 10 мм, при заполнительной цементации, причем для получения наибольшего укрепляющего эффекта используют цементно-песчаные растворы, обеспечивающие при правильном подборе состава высокую механическую прочность при малой усадке в хороших адгезионных свойствах цементного камня;
цементно-полимерные, цементно-силикатные и аэрированные цементные растворы, обладающие большей проникающей способностью (по сравнению с другими растворами на основе цемента) можно использовать для укрепления грунтов с Kф от 50 м/сут и выше или горных пород с раскрытием трещин от 0,1 мм; цементно-песчаные и аэрированные растворы для заполнения больших пустот и трещин, например, в сильно закарстованных известняках, в которых возможно значительное поглощение инъекционного раствора.
4.8. Для приготовления растворов на основе цемента используют портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый, сульфатостойкий и тампонажный цементы, а глиноземистый, магнезиальный, расширяющийся, быстротвердеющий, как более дорогие, применяют в тех случаях, когда использование обычных цементов не обеспечивает достижение требуемого результата.
4.9. При средней и крупной однородной трещиноватости массива используют цементы пониженных марок (М200, М300), цементы более высоких марок (М400, М500) применяют при тонкой и мелкой трещиноватости и в случае упрочнения массива.
Для улучшения качества инъекционных растворов и регулирования параметров, а также для снижения расхода цемента и, соответственно, стоимости, в растворы вводят различные химические и минеральные добавки (табл. 8).
4.10. Наполнительные искусственные или естественные минеральные добавки в виде диатомитов, туфов, гранулированных шлаков и т.п. используются с целью экономии цемента, а также для улучшения свойств инъекционных растворов. Крупность помола минеральных добавок принимают для упрочнения горных пород с раскрытием трещин менее 5 мм — 0,1 мм, а крупнотрещиноватых и закарстованных горных пород — 1 мм, за исключением случаев цементации отдельных больших полостей, когда допустимую крупность помола устанавливают опытным путем.
4.11. Для повышения противофильтрационных свойств грунта требования к прочности раствора снижают (0,3 — 1 МПа), а диапазон применяемых инъекционных растворов значительно расширяется. В таких случаях используют дешевые цементно-глинистые или цементно-суглинистые, а также цементно-песчано-суглинистые смеси, обладающие хорошей плотностью тампонажного камня, пластичностью и экономичным расходом цемента.
Для приготовления смешанных цементно-песчаных растворов используют песок, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736-67.
Пригодность глинистого материала для приготовления смешанного раствора определяется следующими показателями:
песчаные 1,0 — 0,05 мм .................................. 10 — 40%,
пылевидные 0,05 — 0,05 мм ............................... 35 — 60%,
глинистые менее 0,005 мм ................................ 15 — 30%.
Глинистые материалы (суглинки, глины) не должны содержать вредных, ухудшающих физико-механические свойства раствора, примесей. Содержание сернистых и сернокислых соединений в растворе не должно превышать 1% по массе цемента, считая на <...>, слюды 30% по массе.
Диспергирующие и пластифицирующие добавки к цементно-глинистым растворам приведены в табл. 8. Концентрацию смешанных растворов задают в виде весового отношения воды и компонентов к цементу, принятому за единицу.
Цементно-глинистые растворы на вибродомолотых цементах и высокопластичных бентонитовых глинах обладают повышенной дисперсностью, стабильностью, высокой пластичностью и хорошей проникающей способностью. Соотношение компонентов в таких растворах от 1:1 до 1:3 при В:Ц порядка 1:3, добавки те же, что и для растворов на обычном цементе.
4.12. Для повышения водонепроницаемости трещиноватых скальных грунтов с величиной раскрытия трещин от 10 мм используют чистые глинистые растворы, приготовленные из обычных и высокодисперсных глин с добавками, улучшающими качество растворов. Для ускорения осаждения глинистых частиц в порах и трещинах после нагнетания в растворы добавляют электролиты, вызывающие коагуляцию, а именно: известь в количестве 5%, силикат натрия — 2% от массы глины. Недостатком растворов является их минимальная прочность и необходимость последующей инъекции цементных растворов.
Для упрочнения грунтового массива эффективно можно использовать цементно-полимерные растворы, полученные путем введения полимерных добавок в цементные растворы для получения:
более высокой прочности массива на сжатие, изгиб и сдвиг благодаря вязкой структуре полимерцементного камня;
снижения водонепроницаемости цементного камня и повышения коррозионной стойкости его, предотвращения трещинообразования;
более эффективной консолидации трещиноватого массива благодаря лучшей адгезии полимерцементных растворов и грунтовому массиву.
В качестве полимерных добавок используют водорастворимые смолы ПВАЭ, № 89 и «Арктика».
4.13. Цементно-силикатные растворы используют для инъецирования различных грунтов с крупной, средней и мелкой трещиноватостью для заполнения карстовых пустот. Цементно-силикатные растворы имеют более низкую стоимость по сравнению с цементными и стабилизированными глиноцементными растворами.
Цементно-силикатные растворы, получаемые путем смешивания цементных растворов с В:Ц = 0,5 — 3 и жидкого стекла в количестве от 1 до 60% от массы цемента, делят на растворы с нерегулируемым (при обычном приготовлении) и регулируемым временем отверждения. Для регулирования времени отверждения цементно-силикатных растворов в них вводят добавки двууглекислого аммония или динатрийфосфата.
Преимуществом цементно-силикатных растворов с регулируемым временем отверждения является малая вязкость, близкая к вязкости воды, повышенная механическая прочность и низкий коэффициент фильтрации тампонажного камня.
4.14. Глиносиликатные растворы обладают высокой проникаемостью в трещины и поры грунта, стабильностью, замедленным временем отверждения, небольшой, но обеспечивающей сопротивление разрушающему действию фильтрующих вод прочностью, экономичностью и используются для инъекции в скальные трещиноватые и крупнозернистые грунты с коэффициентом фильтрации от 5 м/сут и выше.
Состав и основные параметры глиносиликатных растворов приведены в табл. 7.
Растворы на основе силиката натрия
4.15. Силикатные растворы обладают большой проникающей способностью, обусловленной низкой вязкостью, близкой к вязкости воды, и используются для укрепления скальных трещиноватых грунтов с раскрытием трещин от 0,5 мм и менее и пористых грунтов с коэффициентом фильтрации от 0,1 до 80 м/сут.
Для приготовления растворов используют силикат натрия плотностью 1,35 — 1,45 г/см3 с модулем 2,5 — 3,0.
На основе силиката натрия разработано большое количество рецептур инъекционных растворов, основные из них представлены в табл. 9.
Примечания: 1. Для приготовления силикатных растворов используется силикат натрия с модулем 2,6 — 3,0, силикатно-органических 3,3 — 3,5.
2. Кислый золь готовится из 5%-ной серной кислоты, содержащей 0,5% хлористого натрия, который разбавляется раствором силиката натрия с плотностью 1,05 г/см3, в объемном соотношении 1:1. Приготовленный таким образом кислый золь вводится в раствор силиката натрия с плотностью 1,19 г/см3. Модуль силиката натрия 2,7 — 2,9.
3. Порядок смешивания компонентов следующий:
а) для силикатно-фосфорнокислой рецептуры — в заданное количество кислоты добавляют при перемешивании силикат натрия;
б) для силикатно-алюмосернокислой рецептуры — готовится раствор сернокислого алюминия, добавляется серная кислота, а затем при перемешивании вводится силикат натрия;
в) для силикатно-щавелевокислой рецептуры — в заданное количество щавелевой кислоты вводится силикат натрия.
4.16 При выборе рецептуры инъекционного раствора необходимо учитывать следующее:
при двухрастворной силикатизации происходит мгновенное отверждение раствора, недостатком рецептуры является невозможность регулирования времени гелеобразования и ограниченная область применения (крупно- и среднезернистые пески с Kф от 2 до 80 м/сут);
рецептуры однорастворного способа силикатизации используются в основном для повышения водонепроницаемости грунтов, устойчивы в растворах кислот и солей, в щелочных проточных водах с pH до 12;
силикатно-алюмосернокислые растворы придают обработанным грунтам большую, чем силикатно-фосфорнокислые растворы, прочность, в 3 — 4 раза дешевле, недостатком рецептуры является трудоемкость ее приготовления;
алюмосиликатная рецептура применима для обработки мелкозернистых и карбонатных грунтов, придает им водоустойчивость и водонепроницаемость;
щавелево-алюмосиликатная рецептура применима для обработки мелкозернистых грунтов, а также тонкотрещиноватых карбонатных грунтов. В отличие от алюмосиликатной рецептуры слабо реагирует на изменение температуры, что имеет большое практическое значение при подборе времени гелеобразования. При контакте щавелево-алюмосиликатной рецептуры с гипсом образуется защитная пленка, практически исключающая дальнейшее ее растворение;
силикатно-фтористо-сернокислая придает грунтам водоустойчивость и водонепроницаемость при высоких градиентах, применима для закрепления карбонатных грунтов, экономична;
кремнефтористоводородная рецептура повышенной прочности имеет относительно короткое время гелеобразования, используется для повышения прочностных характеристик грунтов и укрепления трехфазных грунтов, содержащих карбонаты, глинистые фракции и гумусовые вещества, нетоксична и экономична по сравнению с растворами смол.
4.17. Силикатно-органические составы (твердые гели) получаются путем отверждения силикатных растворов органическими отвердителями — уксусно-этиловым эфиром (этилацетатом) и формамидом.
Силикатно-органические составы эффективны и долговечны при применении силикатов с М = 3,3 — 3,5, для повышения М силикатов, выпускаемых отечественной промышленностью, в раствор вводят добавку кремнефтористоводородной кислоты в размере 5%. Кроме того, для укрепления грунтов могут быть использованы рецептуры с повышенным содержанием формамида или комплексными отвердителями.
Для придания стабильности силикатно-этилацетатным растворам следует использовать поверхностно-активное вещество (контакт Петрова в разбавленном 1:1 — 1:5 виде) в количестве от 4 до 6 объемных частей. Вязкость раствора регулируют соотношением компонентов, при понижении температуры окружающей среды сокращается время гелеобразования раствора.
Силикатно-этилацетатные растворы предназначены для укрепления грунтов, содержащих до 20% органических примесей (прочность обработанных грунтов 0,8 — 1,0 МПа) и карбонатных грунтов с неограниченным содержанием карбонатов.
Силикатно-формамидные растворы дают хороший эффект при укреплении водонасыщенных, содержащих карбонаты кальция и гумусовые вещества грунта, долговечны в периодически сменяемой водной и воздушно-влажных средах. На время гелеобразования раствора большое влияние оказывает силикатный модуль, концентрация раствора силиката натрия и температура среды.
Силикатно-органические инъекционные растворы нетоксичны, экономичны в сравнении с растворами смол (трудоемкость работ снижается в 1,5 раза, продолжительность — в 1,7, стоимость — в 2,5 раза в случае применения силикатно-этилацетатной рецептуры).
Растворы на основе смол
4.18. Растворы на основе смол, обладая минимальной вязкостью (от 1,2 — 3 сП до 30 — 35 сП) и являясь универсальными с точки зрения проникаемости, используют для укрепления мелкотрещиноватых и пористых грунтов, в том числе водонасыщенных с Kф от 0,1 м/сут.
Чаще всего для укрепления грунтов используют растворы карбамидных смол типа КМ и УКС (табл. 10). Применение других видов смол ограничено их высокой стоимостью, дефицитностью материала. Смолы хорошо растворимы в воде, имеют плотность 1,15 — 1,25 г/см3, вязкость от 4 до 80 сП, pH от 7 до 8, содержание свободного формальдегида от 0,5 до 4,0.
| Номер рецептуры и состав раствора <1> | Плотность, г/см3 | Объемное соотношение в частях | Вязкость раствора, сП | Время гелеобразования, мин | Прочность укрепленного грунта, МПа |
| 1. Смола типа КМ, УКС | 1,07 — 1,16 | 100 | 3 — 9 | 10 — 240 | 0,5 — 5,0 |
| Соляная кислота | 1,013 | 3 — 12 | |||
| 2. Смола типа КМ, УКС | 1,07 — 1,16 | 100 | 3 — 15 | 10 — 240 | 0,5 — 5,0 |
| Щавелевая кислота | 1,019 — 1,023 | 8 — 25 | |||
| 3. Смола типа УКС | 1,08 — 1,12 | 100 | 3 — 4 | 10 — 240 | 0,5 — 5,0 |
| Щавелевая кислота | 1,023 | 15 — 25 | |||
| Уротропин | 1,04 | 4 — 10 | |||
| 4. Смола типа КМ | 1,17 — 1,18 | 100 | 15 — 56 | «» | 1,0 — 5,0 |
| Сульфитно-спиртовая барда | 1,15 — 1,16 | 100 — 200 | |||
| Соляная кислота | 1,013 | 25 — 45 | |||
| 5. Смола типа КМ-3 | 1,17 — 1,18 | 100 | 2 — 4 | 10 — 180 | 0,8 — 1,5 |
| Азотнокислый аммоний | 1,10 — 1,12 | 100 — 200 | |||
| Соляная кислота | 1,023 | 8 — 100 | |||
| 6. Смола типа КМ-3 | 1,17 — 1,18 | 100 | 15 — 20 | 10 — 180 | 1,0 — 3,5 |
| ССБ | 1,20 — 1,22 | 55 — 215 | |||
| Азотнокислый аммоний | 1,25 — 1,26 | 25 — 50 | |||
| 7. Алифатическая эпоксидная смола ТЭГ-1 | 1,023 — 1,030 | 100 | 2 — 3 | 20 — 150 | 0,6 — 1,0 |
| Полиэтиленполиамин | 1,030 | 4,5 — 5,5 |
<1> Порядок смешивания компонентов следующий:
а) рецептуры 1 — 3 - раствор кислоты приливают в раствор смолы; б) рецептура 4 — к раствору ССБ приливают соляную кислоту, а затем эту смесь вводят в раствор смолы; в) рецептура 5 — вначале смешивают смолу с азотнокислым аммонием, после чего добавляют необходимое количество соляной кислоты; г) рецептура 6 — раствор ССБ смешивают с раствором азотнокислого аммония при соотношении 1:1 и 1:2, затем в эту смесь вводят соляную кислоту, приготовленная таким путем смесь приливается в смолу.
4.19. В качестве отвердителей к карбамидным смолам следует использовать серную, соляную, щавелевую кислоту, хлористый аммоний, алюминат натрия, контакт Петрова и другие соединения, снижающие pH раствора.
Для регулирования и увеличения времени гелеобразования растворов смол с отвердителем щавелевой кислотой следует использовать раствор гексаметилентетрамина (уротропина плотностью 1,04 г/см3 в количестве 2 — 10 объемных частей к раствору).
4.20. Для разбавления карбамидных смол вместо воды можно использовать также водные растворы азотнокислого аммония и ССБ. Применение азотнокислого аммония в качестве стабилизатора позволяет получить устойчивые во времени растворы меньшей концентрации и вязкости.
Для укрепления грунтов с высокой пористостью и водопроницаемостью, когда необходимо повышение вязкости нагнетаемого раствора, к карбамиднокислым составам добавляют раствор сульфатно-спиртовой барды. Вязкость таких составов повышается до 35 сП.
Контроль качества инъекционных растворов
4.21. В процессе нагнетания инъекционных растворов осуществляют систематический контроль основных параметров растворов.
Пробы для контроля свойств инъекционных растворов отбираются у устья скважин, что дает возможность учитывать изменение свойств растворов после дополнительного перемешивания при движении через насосы и растворопроводы.
При изменении партии, вида, марки исходных материалов осуществляют полный контроль свойств раствора, определяя плотность, расплыв, сроки схватывания, выход цементного камня, продолжительность полной водоотдачи и прочности цементного камня.
В течение смены при производстве работ осуществляют контроль концентраций растворов путем определения плотности по методике, данной в приложении 2.
В процессе инъецирования укрепляющих растворов на основе смол и силикатов периодически нужно контролировать плотность, вязкость и время гелеобразования растворов.
4.22. При значительных отклонениях свойств растворов от заданных следует проверить и отладить дозирующие приспособления, а при необходимости выполнить дополнительные анализы воды, основных исходных компонентов и добавок для выявления и устранения причин, вызвавших изменение свойств растворов.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Общие требования
5.1. Для инъекционных работ по возможности следует применять специальное оборудование, предназначенное для приготовления и нагнетания сложных, многокомпонентных растворов, при отсутствии специального оборудования может использоваться стандартное оборудование, выпускаемое промышленностью для геологоразведочных, нефтебуровых, строительных, горных работ и отвечающее следующим требованиям:
буровое оборудование должно обеспечивать требуемую глубину, направление и диаметр скважин в данных инженерно-геологических условиях;
смесительное оборудование должно обеспечивать тщательное перемешивание компонентов инъекционного раствора;
насосное оборудование должно устойчиво и длительно работать при подаче жидких, густых и вязких инъекционных растворов, обеспечивать требуемое давление нагнетания, которое может достигать 10 — 15 МПа, и необходимую подачу;
подбор и расстановка оборудования должны обеспечивать наиболее высокие темпы и достижение поставленной цели инъекционных работ с минимальными затратами трудовых и материальных средств, наименьшее загромождение выработки, удобство транспортирования, монтажа, демонтажа и безопасное обслуживание машин и механизмов.
Буровое оборудование
5.2. Для бурения инъекционных скважин пригодны все механические способы бурения. Вращательный способ в сравнении с другими способами обеспечивает ровность и устойчивость стенок скважин, дает возможность отбора керна для уточнения геологических условий, но уступает в скорости бурения в породах средних коэффициентов буримости погружным пневмоударником.
В табл. 11 приведены характеристики буровых станков, выпускаемых отечественной промышленностью, которые можно использовать для бурения инъекционных скважин.
Примечание. Буровые установки КБУ-50Н, КБУ-80 сагрегированы на базе колонковых перфораторов ПК-60, ПК-75.
Смесительное оборудование
5.3. Состав смесительного оборудования определяется типом и рецептурой инъекционного раствора. Для приготовления сложных, многокомпонентных растворов состав оборудования увеличивается. В зависимости от принятой технологии инъекции и требуемого расхода раствора последний можно приготавливать на поверхности или в подземных выработках в стационарных или передвижных растворосмесительных установках.
Для приготовления растворов на основе цемента целесообразно применять турбулентные, лопастные, турбинные смесители с большим числом оборотов рабочего органа. Благодаря интенсивному перемешиванию в таких смесителях повышается стабильность, снижается водоотдача раствора, увеличивается выход и прочность цементного камня. Технические характеристики растворосмесительных установок приведены в табл. 12.
В особых случаях, когда требуется приготовление цементно-коллоидного раствора, кроме обычных растворосмесителей применяются высокоскоростные смесители.
Для приготовления глинистых растворов из комовой глины применяют глиномешалки различного типа. В них приготавливают маточный глинистый раствор, который затем подается в растворосмесители, где он смешивается с цементом и другими составляющими.
Для приготовления инъекционных растворов на основе силикатов и полимерных материалов не требуется высокооборотного смесительного оборудования для перемешивания раствора. Поэтому для их приготовления следует применять лопастные и турбулентные растворомешалки (см. табл. 12), растворосмесители непрерывного действия. К растворосмесителям непрерывного действия относятся смесители в виде насадки, в которых смешение происходит устройствами принудительного действия (конструкция НИИОСПа и ПКБ Главстроймеханизации) или смесительными устройствами, в которых струя одного из компонентов раствора подается через специальное сопло в исток другого (конструкция ВИОГЕМа НДУ-30/90).
Отличительная особенность смесителей непрерывного действия состоит в том, что приготовление растворов и их нагнетание объединены в один непрерывный процесс. Это дает возможность закачивать закрепляющие смеси с различным сроком отверждения даже тогда, когда продолжительность инъекции больше, чем срок начала отверждения раствора.
Инъекционные насосы
5.4. Для нагнетания инъекционных растворов применяют диафрагменные, поршневые и плунжерные насосы. Диафрагменные насосы применяют для заполнения заобделочных пустот.
Для нагнетания суспензионных растворов используют грязевые насосы, применяемые при бурении скважин, а также насосы, предназначенные для цементирования нефтяных и газовых скважин. Рекомендуемые для этой цели плунжерные и поршневые насосы приведены в табл. 13. Трехплунжерные буровые насосы НБ3, НБ4, НБ5 предназначены для работы на маловязком глинистом растворе, поэтому их можно использовать для нагнетания глиноцементных и цементно-силикатных растворов, характеризующихся тиксотропными свойствами. Из поршневых насосов наиболее целесообразным является насос типа 11ГрЦИ, специально предназначенный для цементных растворов.
Для обеспечения надежной работы грязевых насосов на грубодисперсном растворе его тарельчатые клапаны необходимо заменить на шаровые.
Для нагнетания растворов на основе силикатов и смол можно использовать цементационные, грязевые и химические насосы (табл. 14).
Комплексы инъекционного оборудования
5.5. Комплекс оборудования конструктивно обеспечивает максимально возможное совмещение основных технологических операций при инъекционном укреплении грунтов.
Для производства инъекционных работ в выработках небольшого сечения предназначен комплекс оборудования КТГ-1, разработанный институтом УНИИОМШС, комплекс состоит из буровой установки, запорной арматуры, цементационного насоса, растворомешалки и цистерн для транспортирования воды и цемента. Оборудование смонтировано на базе шахтных вагонеток.
5.6 Техническая характеристика передвижного комплекса оборудования КТГ-1:
Для производства инъекционных работ с поверхности разработаны комплекс оборудования КТ-1 институтом ВИОГЕМ и комплексы типа КЦП-1 институтом УНИИОМШС.
Комплекс КТ-1 включает буровую установку, два цементационных насоса 11ГРЦИ, две растворомешалки, автоматизированный склад цемента с вододозатором, расходные емкости для воды и готового раствора, контрольно-измерительную аппаратуру, запорную арматуру.
5.7 Краткая техническая характеристика комплекса КТ-1:
Комплекс оборудования КЦП-1 включает буровой агрегат, цементосмесительную машину 20МН-20, цементировочный агрегат ЦА-320.
Цементосмесительная машина 20МН-20 смонтирована на шасси трехосного автомобиля КрАЗ-257. Основными узлами цементосмесительной машины являются бункер, смесительная камера и загрузочное устройство.
5.8 Техническая характеристика цементосмесительной машины 20МН-20:
Цементировочный агрегат ЦА-320М смонтирован на шасси автомобиля КрАЗ-219. Агрегат состоит из цементировочного насоса типа <...> 9Т, работающего от ходового двигателя автомобиля, замерного бака, бензинового двигателя ГАЗ-51 для привода водяного насоса 1В, коробки отбора мощности, трубопроводов, соединительной и запорной арматуры.
5.9 Техническая характеристика цементировочного агрегата ЦА-320М
Грузоподъемность автомобиля, т ...............................
5.10. Оборудование скважин подбирают в зависимости от способа инъекции грунтов, принятого режима нагнетания инъекционных растворов и физико-механических свойств грунтов, в которых закрепляют кондукторы или инъекторы с уплотнительными устройствами.
Кондуктор предназначен для закрепления и герметизации устья скважины, обеспечения заданного направления скважины при бурении, для установки на скважине инъекционной головки с запорной арматурой и измерительными приборами. При этом инъецированию подвергается вся пробуренная скважина ниже места установки кондуктора.
При бурении скважин в сильно обводненных зонах с высоким гидростатическим давлением оборудование скважины дополняют шлюзовой камерой с отводным патрубком и краном для отвода воды, и сальниковым или плашечным превентором (рис. 6).
Рис. 6. Оборудование скважины при бурении в грунтах с напорными водами: а — с сальниковым превентором; б — с плашечным превентором; 1 — превентор; 2 — шлюзовая камера; 3 — манометр; 4 — кондуктор; 5 — задвижка «лудло»
Для изолирования в скальных трещиноватых грунтах участка скважины, намеченного для инъецирования, применяют инъекторы с уплотнительными устройствами (тампоны). Закрепление тампона в скважине происходит за счет механического обжатия резиновых колец, пневматического и гидравлического расширения резиновых манжет, укрепленных на нагнетательном составе.
На рис. 7, а, б изображены бесциркуляционные передвижные одноколонные и двухколонные тампоны. Обжатие резиновых колец в одном случае осуществляется вращением нагнетательного става, в другом — завинчиванием домкрата.
Рис. 7. Принципиальные схемы запорных устройств для нагнетания укрепляющих растворов: а — одноколонный тампон; б — двухколонный тампон; в — циркуляционный тампон; г — манжетная колонна с двойным тампоном; д — гидравлический тампон; 1 — инъекционная труба; 2 — резиновое кольцо-манжета; 3 — упорный фланец; 4 — винтовой домкрат; 5 — двойной тампон; 6 — обойма
На рис. 7, в показан передвижной тампон циркуляционного типа также с механическим обжатием уплотнителя.
В слабых грунтах стенки скважин часто получаются неровными, что крайне затрудняет установку и обжатие в них тампона обычного типа с резиновыми кольцами. В этих случаях применяют распорную рессору (рис. 7, а) или пневматический и гидравлический тампоны (рис. 7, д).
На рис. 7, г показана манжетная колонна с двойным тампоном, такая конструкция оборудования скважины позволяет обрабатывать грунт в любой последовательности, на любых участках и производить многократную инъекцию растворов разных типов в одну и ту же зону. Манжетная колонна представляет собой трубу, на которой через 33 см имеются отверстия, которые закрыты специальными манжетами.
Двойной тампон служит для инъецирования определенной зоны. Затрубное пространство заливают глиноцементным раствором полупластичной консистенции.
Трубопроводы
5.11. Для транспортирования растворов от насоса к месту нагнетания следует использовать цельнотянутые или катаные (бесшовные) трубы по ГОСТ 8734-75. Рекомендуемые типы нагнетательных рукавов приведены в табл. 15.
| Внутренний диаметр рукава, мм | Рабочее давление, МПа | ГОСТ или ТУ |
|---|---|---|
| 40 | 4 | ГОСТ 10362-76 |
| 50 | 4 | ГОСТ 10362-76 |
| 38 | 10, 15, 20 | ТУ 38-105557-73 |
| 50 | 5, 10, 15 | ТУ 38-105557-73 |
| 65 | 10, 15, 20 | ТУ 38-105557-73 |
Контрольно-измерительная аппаратура
5.12. В состав основной измерительной аппаратуры должны входить манометр и измеритель плотности. Манометры рекомендуется снабжать предохранителем, защищающим манометр от попадания раствора. Измерительные приборы должны быть снабжены автоматическими записывающими устройствами.
6. ОРГАНИЗАЦИЯ ИНЪЕКЦИОННЫХ РАБОТ
6.1. Для успешного проведения инъекционных работ при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях необходима организация специализированного подразделения, которое имеет в своей структуре несколько участков, прикрепленных к определенным объектам.
Оснащение инъекционных работ
6.2. Техническое оснащение инъекционных работ при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях должно обеспечивать производство работ строго по проекту с целью получения наиболее экономичного, быстрого и качественного выполнения работ.
Для безаварийной и непрерывной работы на строительной площадке должен находиться достаточный резерв таких машин и механизмов, поломка которых может вызвать временный перерыв в работе.
6.3. В зависимости от размеров тоннеля и возможности беспрепятственной работы в нем указанное оснащение может полностью находиться в тоннеле или частично вне тоннеля (растворный узел, часть растворопроводов и водоводов) и частично в тоннеле (инъекционные насосы, тампоны, превенторы, буровые станки). В связи с этим и технический персонал делится на работающих вне тоннеля и в тоннеле.
Рабочие бригады и инженерно-технический персонал
6.4. Наиболее целесообразным организационным решением является организация специализированного участка на объекте по производству инъекционных работ. Внутри участка в зависимости от объемов работ организуется несколько бригад, которые возглавляют инженеры или техники-руководители инъекционных работ. В свою очередь бригада подразделяется на буровое звено и звено инъекции, выполняющее работу по приготовлению и нагнетанию раствора.
Такая организационная структура бригады со специализацией по видам работ способствует быстрому освоению технологии инъекционных работ, достижению более высокой скорости и качества инъекции, повышению ответственности каждого звена бригады за выполняемые процессы, а также упрощает руководство и контроль.
6.5. Буровое звено обычно состоит из двух человек. Бурение скважин производит один квалифицированный бурильщик и его помощник.
В звено по нагнетанию в одну скважину входят:
один цементатор, отвечающий за работу скважины;
два рабочих для дозирования инъекционных материалов;
один рабочий для работы на кондукторе (тампоне).
Инъекционный участок выполняет следующие работы:
бурение разведочных скважин, определение водопоглощения;
возведение (при необходимости) предохранительной перемычки (подушки);
приготовление и нагнетание инъекционных растворов;
монтаж, демонтаж и обслуживание инъекционного комплекса.
Оперативное руководство инъекционными работами, осуществляемое главным образом руководителем бригады, сменными инженерами и начальником участка, включает следующее:
решение текущих вопросов инъекционных работ, например, назначение очередности бурения скважины, состава тампонажного раствора, величины давления и пр.;
обеспечение работ оборудованием, материалами и инструментом;
принятие и реализация решений по неожиданно возникающим вопросам, например, при вскрытии крупных трещин с высокими водопритоками и значительным растворопоглощением, при вскрытии трещиноватых зон, при обрушении стенок скважин и прихватах бурового инструмента и пр.;
Организация и учет работы
6.6. По графику производства работ, представленному в проекте, и на основании практических данных составляется подробный план инъекционных работ.
План представляет собой график развития инъекционных работ по дням. В этот план вносятся поправки по мере расширения работ по бурению, инъекции и т.д.
6.7. Инъекционные работы по упрочнению грунтов являются скрытыми, неподдающимися непосредственному осмотру или обмеру, и потому подлежат обязательному документированию в процессе их производства. В документации должны быть отражены следующие сведения: дата с указанием времени суток начала и окончания выполнения вида работ; схема расположения, номера скважин и отметки границ участков (заходов), в пределах которых ведутся работы; основные технические характеристики применяемого бурового и инъекционного оборудования; схема нагнетания инъекционных растворов в скважины; данные о режимах нагнетания и расходах инъекционных растворов (требуемые объемы растворов определяют по приложению 3); физико-механические и химические свойства применяемых материалов и растворов; данные лабораторных и натурных исследований физико-механических свойств грунтов до и после их упрочнения; результаты испытаний грунтов на удельное водопоглощение до и после их упрочнения; данные об отклонениях от требований проекта производства работ и о причинах, вызвавших эти отклонения.
6.8 Перечисленные выше сведения регистрируются в журналах (приложение 4):
буровых работ (форма 1);
испытания упрочняемого горного массива на удельное водопоглощение (форма 2);
нагнетания упрочняющих растворов (форма 3);
лабораторные исследования инъекционных растворов (форма 4);
лабораторные исследования физико-механических свойств упрочненных грунтов по материалам бурения скважин с отбором керна (форма 5).
7. ПРОИЗВОДСТВО ИНЪЕКЦИОННЫХ РАБОТ
Методы и способы инъецирования
7.1. В зависимости от инженерно-геологических условий обводненных участков и зон нарушений при строительстве тоннелей работы по инъецированию укрепляющих растворов можно осуществлять следующими методами:
инъекция заходками через пакерующие устройства;
инъекция через манжетную колонну;
Нагнетание раствора в скважину производится двумя способами:
при постоянном давлении или при постоянном расходе. При этом различают три схемы нагнетания: циркуляционную, полуциркуляционную и зажимную.
7.2. Циркуляционную схему применяют при инъекции нестабильных растворов (цементационных), поэтому необходимое условие применения циркуляционной схемы нагнетания — скорость движения раствора в затрубном пространстве скважины и отводящих трубопроводах должна быть достаточной для переноса во взвешенном состоянии наиболее крупных частиц цементационного раствора (для растворов на цементах марки 300 — 500 не менее 0,7 м/с).
Достоинства циркуляционной схемы нагнетания: лучшее управление процессом нагнетания и регулирования концентрации раствора, исключается осаждение частиц твердой фазы из раствора в скважине, и, следовательно, закупорка трещин в нижней части скважины осевшими твердыми частицами; при высокопроизводительных насосах обеспечивается качественная цементация горных пород заходками большей длины.
Циркуляционную схему нагнетания растворов целесообразно применять при цементации крупных трещин, когда для ограничения радиусов распространения раствора требуется применять наибольшие давления нагнетания, а для повышения плотности заполнения трещин цементационным материалом скважины необходимо выдерживать при максимальном постоянном давлении нагнетания в течение времени, достаточного для отжатия излишней воды из цементационного раствора и его уплотнения в трещинах.
7.3. Полуциркуляционная схема, отличаясь сравнительной простотой оборудования скважин, обеспечивает хорошее управление процессом инъекции и регулирование концентрации раствора.
При полуциркуляционной схеме нагнетания необходимо обеспечивать непрерывную циркуляцию раствора в трубопроводах, соединяющих насос с устьем скважины, соблюдая те же условия, что и при циркуляционной схеме нагнетания.
Полуциркуляционную схему нагнетания можно применять для упрочнения горных пород как с тонкими, так и крупными трещинами. При цементации тонких трещин в цементационные растворы следует вводить добавки для уменьшения осаждения твердой фазы из раствора в скважине и повышения проникающей способности растворов.
Общим достоинством циркуляционной и полуциркуляционной схем нагнетания является то, что они позволяют нагнетать инъекционный раствор (в течение всего времени или в заключительный период нагнетания) при постоянном давлении и переменном расходе раствора, изменяющемся от первоначальной величины до нуля в конце нагнетания. Последнее является непременным условием получения плотного заполнения трещин инъекционным материалом при использовании нестабильных цементационных растворов.
7.4. При зажимной схеме раствор поступает в скважину в количестве, соответствующем производительности насоса. Характер движения раствора в скважине такой же, как и при полуциркуляционной схеме. Оборудование при зажимной схеме наиболее простое. Раствор нагнетают в скважину при постоянном расходе. Давление нагнетания при этом не регулируют, оно повышается по мере заполнения трещин раствором.
Зажимную схему можно применять для упрочнения горных пород как с тонкими, так и крупными трещинами при использовании стабильных растворов с выходом цементного камня, близким к 100%, и растворов на основе силикатов и смол. Применение зажимной схемы для цементации трещиноватых горных пород нестабильными (седиментирующими) растворами с малым выходом цементного камня, особенно для цементации крупных трещин, неэффективно.
Инъекция через пакерующие устройства
7.5. Инъекция через пакерующие устройства выполняется в случае, когда работы ведутся отдельными заходками от забоя скважины к устью. Для выделения инъекционных заходок применяют пакерующие устройства — тампоны (см. рис. 7). Толщу грунтового массива инъецируют, перемещая тампон по мере выполнения работ в заходке.
Применяют два способа инъекции грунтового массива: заходками в восходящем и в нисходящем порядке. В первом случае скважину бурят на полную глубину, а инъекцию осуществляют отдельными заходками от забоя скважины к устью. Этот способ с точки зрения организации работ наиболее удобный, так как позволяет значительно снизить стоимость инъекционных работ за счет исключения операций по разбуриванию скважин на ранее укрепленных участках. Длину каждой заходки определяют по методике, изложенной в п. 3.4.
Применение этого метода возможно при упорядоченной трещиноватости и отсутствии в инъецируемой зоне трещин и пустот, по которым раствор может выносить в скважину за пакером, что может привести к потере скважины.
При хаотическом расположении трещин инъекцию грунтового массива выполняют нисходящими заходками, т.е. скважину бурят на глубину первой заходки, определяют удельное водопоглощение и инъецируют. Затем скважину разбуривают в пределах заинъецированной зоны и бурят на глубину второй заходки и т.д.
В этом случае нет необходимости устанавливать пакер на границе каждой заходки, и его устанавливают в устье скважины.
Достоинством такого способа инъекции являются: простота операций по герметизации устьев скважин, высокое качество инъекционных работ, благодаря многократной цементации ближайших к забою зон, возможность инъецирования при больших давлениях, так как предохранительный грунтовой целик увеличивается по мере упрочнения каждой последующей заходки.
Инъекция через манжетную колонну
7.6 Инъецирование укрепляющих растворов через манжетную колонну осуществляется следующим способом:
а) под глинистым раствором через превентор бурят на проектную длину инъекционную скважину;
б) в скважину устанавливают манжетную колонну (см. рис. 7), которая представляет собой трубу, перфорированную отверстиями через 0,3 — 0,5 м и закрытыми резиновыми манжетами;
в) в манжетную колонну опускают двойной тампон, который устанавливают против нижней манжеты;
г) через двойной тампон по инъекционной колонне нагнетают цементно-глинистый раствор, который через манжеты выходит в затрубное пространство и вытесняет промывочный раствор;
д) после заполнения цементно-глинистым раствором скважину оставляют на суточную выдержку, а манжетную колонну промывают;
е) после набора прочности схватившегося цементно-глинистого раствора 1,0 — 1,5 МПа начинают проводить нагнетание укрепляющего раствора.
Инъецируют укрепляющий раствор с помощью того же специального тампона, который последовательно устанавливают против каждой манжеты, и раствор, разрывая под давлением нагнетания цементно-глинистую обойму, проникает в грунт. Инъецирование через манжеты осуществляют последовательно от забойной к устьевой манжете. Количество раствора, необходимое для укрепления грунта через каждую манжету, определяют в зависимости от типа раствора и характеристики грунтов.
Норма закачки может быть определена
где V — объем грунта, подлежащий закреплению с одной манжеты, м3;
n — средняя пористость (пустотность) грунта, определяется опытным путем;
K1 — коэффициент, учитывающий степень заполнения раствором пор:
| для цементационных растворов ..................... | K1 = 0,6 — 0,75; |
|---|---|
| для химических растворов ............................. | K1 = 0,85 — 0,95; |
K2 — коэффициент, учитывающий выход раствора за пределы объема укрепляющего грунта:
| для наружных рядов ...................................... | K2 = 1,1 — 1,25; |
|---|---|
| для внутренних рядов .................................... | K2 = 1; |
K3 — коэффициент, учитывающий отжатие воды под давлением при инъекции:
| для цементационных растворов в зависимости от водоцементного отношения и добавок ....... |
K3 = 1,05 — 1,4; |
|---|---|
| для химических растворов ............................. | K3 = 1. |
После проведения инъецирования манжетную колонну промывают, что позволяет при необходимости провести повторное нагнетание укрепляющего раствора.
Инъекция через буровой став
7.7. Инъекцию через буровой став (рис. 8) выполняют в том случае, когда стенки скважин неустойчивы и не позволяют установить нагнетательную арматуру. Нагнетают раствор одновременно с бурением небольшими заходками 0,3 — 0,5 м по следующему циклу: бурение-инъекция-промывка и т.д. Во избежание попадания частиц грунта в буровой снаряд в период смены режимов (промывка-нагнетание) он оборудуется обратным клапаном. Во избежание выхода инъекционного раствора на забой устье скважины оборудуют превентором.
Рис. 8. Устройство для нагнетания раствора через буровой став: 1 — буровая штанга; 2 — муфта; 3 — шаровой клапан; 4 — пружина; 5 — буровая головка
Указанный метод позволяет осуществлять инъекционные работы в неустойчивых водонасыщенных грунтах.
Применение этого метода требует особого внимания, так как возможен прихват бурового инструмента в скважине, поэтому предельную глубину скважин устанавливают в процессе опытных нагнетаний.
Инъекция в скальные трещиноватые грунты. Состав и очередность выполнения работ
7.8 Предварительное упрочнение скальных трещиноватых грунтов из подземных выработок включает следующие виды работ:
сооружение бетонной предохранительной перемычки с установкой кондукторов или когда вместо бетонной перемычки используют предохранительный естественный или искусственно упрочненный породный целик, бурение скважин под кондуктор и установку кондукторов;
промывку инъекционных скважин, гидроопробование и подготовку укрепляемого массива;
приготовление и нагнетание укрепляющих растворов;
бурение контрольных скважин и определение остаточных удельных водопоглощений.
Все виды работ при предварительном упрочнении скальных трещиноватых грунтов выполняют в соответствии с принятой схемой и с соблюдением установленных технологических параметров инъекционных работ.
Бурение скважин
7.9. Для бурения инъекционных скважин из забоя выработки применяют буровое оборудование, указанное в п. 5.2.
При инъекции из забоя выработки устья скважин располагают по контуру выработки. Расстояние между устьями скважин и внутренней поверхностью крепи принимают минимальным, обеспечивающим удобное бурение скважин в заданном направлении принятым буровым оборудованием. При бурении перфораторами это расстояние принимают 0,2 — 0,3 м, при бурении другими станками — до 0,7 м.
7.10. Скважины бурят под углом к оси выработки из расчета обеспечения качественного упрочнения грунтов в требуемом направлении и объеме. В случае выполнения инъекционных работ из передовой штольни скважины располагают таким образом, чтобы вокруг будущей выработки была образована зона упрочненных грунтов необходимой толщины. Количество инъекционных скважин принимают на основании расчетов по методике, изложенной в п. 3.3.
При бурении скважин в породах с напорными водами на кондукторах скважин должны быть установлены превенторы, исключающие прорыв подземных вод в выработку.
7.11. Для уточнения условий инъекции в отдельных случаях бурят одну-две скважины с отбором керна по всему интервалу бурения, по которым уточняется залегание грунтов, их состояние, размеры и направление трещин в них. Необходимость бурения скважин с отбором кернов устанавливают в зависимости от степени изученности и сложности инженерно-геологических и гидрогеологических условий.
Для обеспечения сплошности упрочненного грунтового массива и предупреждения образования неупрочненных участков при бурении инъекционных скважин особое внимание следует обращать на предупреждение их искривлений. С этой целью рекомендуется:
располагать буровую установку строго в заданном направлении бурения;
прочно закреплять буровой станок в поддерживающих устройствах;
не допускать бурения скважин короткими буровыми штангами и трубами;
не допускать применения искривленных штанг и бурильных труб.
7.12. При бурении инъекционных скважин в грунтах, склонных к размоканию и не обеспечивающих устойчивость стенок скважин, следует применять бурение «насухо» или с частичной призабойной циркуляцией промывочной жидкости.
7.13. Очередность бурения скважин должна удовлетворять условию последовательного сближения.
Рекомендуется три варианта вскрытия скважинами упрочняемых участков.
I-й вариант. Бурение последующих заходок начинают после окончания инъекционных работ предыдущих заходок скважин (рис. 9).
Рис. 9. Варианты вскрытия скважинами упрочняемого участка:
- бурение по породе и нагнетание;
- разбуривание заинъецированного участка скважины
II-й вариант. Каждую скважину бурят отдельными заходками на всю длину с предварительной инъекцией каждой заходки.
III-й вариант. В отличие от II-го варианта длины заходок на последующих скважинах увеличивают сообразно с уменьшением проницаемости (водопоглощения скважин) упрочняемого массива за счет упрочнения грунтов через предыдущие скважины. Оптимальную длину заходок назначают в зависимости от поглощающей способности скважин и производительности средств нагнетания. Водопоглощение скважины (заходки) определяют в процессе ее бурения по поглощению промывочной жидкости при начальном давлении нагнетания укрепляющего раствора.
Бурение прекращают и начинают инъекцию укрепляющего раствора при величине водопоглощения, равной расходу промывочной жидкости, в скважину.
7.14. В зависимости от характера геологического нарушения, его размеров и расположения относительно трассы сооружаемого тоннеля предлагается четыре основные схемы расположения инъекционных скважин (рис. 10).
Рис. 10. Схемы расположения инъекционных скважин: а — параллельное; б — радиально-тангенциальное; в — радиальное; г — из опережающей выработки
Схема «а». Инъекционные скважины бурят за контуром тоннеля из специальной камеры параллельно его оси. При значительной трещиноватости грунтового массива и наличия в трещинах заполнителя, представленного песчано-глинистым материалом, который препятствует равномерному проникновению раствора и соответственно ухудшает качество упрочнения, в инъекционные скважины укладывают стержни арматуры или перфорированные трубы. Данную схему целесообразно применять в зонах геологических нарушений протяженностью до 30 м.
Схема «б». Инъекционные скважины бурят из забоя по контуру в радиальном и тангенциальном направлениях с выходом забоев скважин на 0,5 — 1 м за контур. Эта схема обеспечивает инъецирование грунтов с беспорядочной трещиноватостью. Схему «б», как и схему «а», целесообразно применять в зонах геологических нарушений, представленных трещиноватыми грунтами протяженностью до 30 м.
Схема «в». Инъекционные скважины бурят по всей площади забоя. Схему применяют в протяженных зонах, представленных меланитизированными грунтами с большим водопритоком.
Схема «г». Инъекционные скважины бурят из опережающей разведочной штольни в направлении основного тоннеля.
В случае преодоления тоннелем участков геологических нарушений (разломов, надвигов и т.д.), представленных перемятыми трещиноватыми водонасыщенными породами, перемежающимися с дресвой, применяют сочетание вышеуказанных схем (Приложение 5).
В условиях, когда инъекционные скважины вскрывают одни и те же системы трещин, целесообразно применять следующий технологический прием. Все инъекционные скважины разделяют на две группы. В скважины первой группы инъецируют высококонцентрированные цементационные растворы для заполнения крупных трещин. В скважины второй группы, расположенные между скважинами первой группы, инъецируют низкоконцентрированные цементационные растворы или растворы на основе силикатов или смол.
Подготовка скважин и вскрытого массива грунтов к инъекции
7.15. Каждую инъекционную скважину оборудуют направляющей трубой-кондуктором (для нарушенных пород). Кондуктор предназначен для крепления и герметизации устья скважины.
Подготовка скважин и вскрытого участка грунтов к инъекции включает очистку скважин и трещин от бурового шлама, опробование вскрытых грунтов нагнетанием воды и при необходимости предварительную химическую обработку грунтов.
Промывку скважины после окончания их бурения осуществляют нагнетанием в них чистой воды через буровой снаряд. Производительность промывочных насосов должна обеспечивать полный вынос бурового шлама из скважины. Промывку продолжают до осветления промывочной жидкости.
При вскрытии грунтов с напорными водами, скорость истечения которых через скважину достаточна для выноса бурового шлама, искусственная промывка скважин не требуется.
При заполнении трещин вторичным материалом проводят их промывку путем нагнетания в скважину через пакерующее устройство воды при максимально допустимом давлении с тем, чтобы заполняющий трещины материал был размыт и вынесен от скважины на возможно большее расстояние. Эффективность промывки трещин может быть повышена за счет уменьшения длины обрабатываемого участка скважины или увеличения производительности насосов.
7.16. В случае глинистого или илистого заполнителя трещин целесообразно применять промывку 5%-ным раствором едкого натра NaOH с последующей промывкой скважины водой.
По окончании промывки инъекционной скважины проводят гидравлическое опробование трещиноватых грунтов и определяют удельное водопоглощение пород, подлежащих упрочнению.
При инъекции трещиновато-пористых пород цементационными растворами в ряде случаев для снижения поровой водонепроницаемости, уменьшения отфильтровывания жидкой фазы из цементационных растворов и, следовательно, улучшения условий проникновения последних в трещины горных пород необходимо проводить предварительную химическую обработку горных пород, вводить добавки, уменьшающие водоотдачу, или уменьшать концентрацию цементационного раствора.
7.17. Степень отфильтровывания жидкой фазы из цементационных растворов \psi в поры и микротрещины определяют как отношение расходов отфильтровавшейся и закачанной в скважину жидкой фазы в зависимости от требуемого радиуса цементации скважин и поровой проницаемости грунтов Kг по графикам на рис. 11.
Рис. 11. Графики зависимости степени отфильтровывания жидкой фазы цементационных растворов от поровой проницаемости горных пород: 1 — R = 1 м; 2 — R = 2 м; 3 — R = 3 м
Критерий \psi\prime\prime потери подвижности цементационного раствора в трещинах вследствие отфильтровывания жидкой фазы в поры и микротрещины горных пород определяют по формуле
\psi\prime\prime = 100(1 - \frac{\text{Ц}_{\text{о}}/\text{В}_{\text{о}} + 3}{5,5}), (25)
где Цо, Во — весовые части цементационного раствора с цементно-водным соотношением Ц:В, определяемым без учета поровой и микротрещинной проницаемости.
Рекомендуемые способы уменьшения степени отфильтровывания жидкой фазы при инъекции цементационных растворов в трещиновато-пористые грунты приведены в табл. 16.
Предварительную химическую обработку трещиновато-пористых грунтов осуществляют путем раздельного нагнетания в них водных растворов жидкого стекла (Na2O·n·SiO2) — \gamma = 1,02 - 1,03\text{г}/\text{см}^{3} и хлористого кальция (CaCl2) — \gamma = 1,01 - 1,04\text{г}/\text{см}^{3} или жидкого стекла и сульфата алюминия (Al2(SO4)3) — \gamma = 1,012 - 1,06\text{г}/\text{см}^{3} .
Приготовление и нагнетание укрепляющего раствора
7.18. Приготавливают укрепляющие растворы в специальных смесителях и растворомешалках. При выборе оборудования для приготовления растворов следует руководствоваться п. 5.3.
Инъекцию укрепляющих растворов начинают сразу после окончания промывки скважины и определения удельного водопоглощения. При перерывах между окончанием промывки скважин и началом инъекции более суток промывку скважин повторяют, растворы в скважину должны нагнетаться без перерывов до окончания инъекции.
При выборе способов и схем нагнетания укрепляющих растворов следует руководствоваться пп. 7.1 - 7.7.
7.19. При назначении очередности нагнетания скважин необходимо соблюдать два общих технологических правила: инъекцию всегда следует начинать с нижних скважин, постепенно переходя к инъекции вышерасположенных скважин. При количестве инъекционных скважин более 5 очередность инъекций должна быть такой, при которой последующие отдельные или группы скважин являются контрольными по отношению к ранее заинъецированным, т.е. должен соблюдаться принцип постепенного сближения инъекционных скважин. Такая последовательность нагнетания скважин позволяет получить качественное заполнение трещин инъекционным раствором и в ряде случаев отказаться от бурения дополнительных контрольных скважин.
7.20. Инъекционный раствор можно нагнетать в одиночные скважины или одновременно в группу их. Групповое нагнетание раствора допускается, когда скважинами, входящими в группу, вскрыты укрепляемые грунты со сходными удельными водопоглощениями и характером трещиноватости. В остальных случаях раствор следует нагнетать в одиночные скважины. При групповом нагнетании производительность насосов должна быть не менее наибольшей величины суммарного поглощения раствора группой скважин при заданном давлении нагнетания.
7.21 В зависимости от типа укрепляющего раствора различают два режима нагнетания:
режим нагнетания цементационных растворов;
режим нагнетания растворов на основе силикатов и смол.
Нагнетание цементационных растворов следует начинать с малых концентраций, назначаемых согласно табл. 7.
При закачке стабильных растворов (цементных при В/Ц = 0,5 — 0,6) глиноцементных, цементно-силикатных и т.д.) по зажимной схеме производительность закачки не играет решающей роли. В одной и той же скважине можно получить успешный результат инъекции при производительности насоса 10 и 30 м3/ч, если только заданы сроки начала схватывания.
7.22. В процессе нагнетания концентрацию раствора следует изменять сообразно с условиями поглощения его скважиной, руководствуясь следующим правилом: если при нагнетании раствора с принятой первоначальной концентрацией в течение 15 — 30 мин количество раствора, принимаемого скважиной, не уменьшается, не наблюдается рост давления нагнетания, концентрацию раствора увеличивают на одну ступень до тех пор, пока не будет подобран раствор, при котором начнется плавное снижение расхода или повышение давления нагнетания. Увеличение концентрации цементационного раствора сразу на несколько ступеней не допускается. При резком увеличении давления нагнетания или резком уменьшении поглощения его скважиной концентрацию уменьшают сразу на несколько ступеней.
7.23. Для инъекции крупных трещин и полостей применяют цементационные растворы высоких концентраций, вводя инертные наполнители, добавки-ускорители сроков схватывания. Применяемые добавки не должны существенно снижать прочность цементного камня. Инъекцию каждой скважины продолжают до отказа. За отказ принимают полное прекращение поглощения инъецируемого раствора или снижение удельного расхода раствора до величины менее 0,01 л/мин (на 1 м цементируемой зоны и на 1 м напора) при наибольшем давлении нагнетания.
После наступления отказа каждую скважину следует выдерживать под конечным давлением нагнетания не менее 30 мин. При цементации крупных трещин время выдержки увеличивают до 1 ч.
При нагнетании растворов на основе силикатов и смол режим нагнетания выбирают в зависимости от времени гелеобразования, позволяющего с учетом проницаемости, вязкости раствора и допустимых давлений инъекции закачать необходимый объем раствора.
Давление нагнетания, с одной стороны, должно быть минимальным, что объясняется необходимостью избежать большого раскрытия трещин, формирования разрывов грунтов и соответственно больших потерь растворов по этим разрывам. С другой стороны, низкие давления растворов при инъекции (при ограниченном времени гелеобразования) приводят к резкому снижению объема закрепляемых грунтов, а уменьшение шага инъекционных скважин ведет к резкому увеличению стоимости работ.
Инъекция в аллювиальные грунты
7.24. Состав и очередность выполнения инъекционных работ при упрочнении аллювиальных грунтов не отличаются от принятых для скальных грунтов.
7.25. Для бурения инъекционных скважин в аллювиальных грунтах применяют станки вращательного бурения. В связи с низкой устойчивостью стенок скважин бурение осуществляют либо под глинистым раствором, либо с применением обсадных труб.
Если при бурении под глинистым раствором наблюдается поглощение промывочной жидкости, то в буровой раствор добавляют цемент с ускорителем схватывания и производят цементацию скважины. После него бурение продолжается.
Расположение скважин, очередность бурения, их направление и количество устанавливают так же, как для скальных грунтов.
7.26. Как показала практика, метод инъецирования через пакерующие устройства для аллювиальных грунтов неэффективен.
Инъецирование необходимо проводить либо через манжетную колонну, либо через буровой став (см. пп. 7.6 - 7.7). Поэтому устья скважин оборудуют кондукторами с превенторами.
7.27. Приготовление укрепляющих растворов производят после подготовки скважин к инъекции смесителями, приведенными в п. 6.3.
Нагнетают раствор по полуциркуляционной схеме. Давление инъекции в аллювиальные грунты назначают значительно меньшее, чем при инъекции скальных грунтов, порядка 1 — 3 МПа. Это связано с природой растворов, так как применяют только стабильные растворы.
Технологические схемы инъекционных работ
7.28 Выбор технологических схем работ диктуется рядом факторов:
сечением тоннеля, позволяющим разместить то или иное оборудование;
наличием, габаритами и техническими характеристиками применяемого оборудования;
расстоянием участка работ от портала тоннеля;
наличием шахтных стволов или скважин по трассе тоннеля.
Схема 1. Все оборудование (буровое, смесительное, инъекционное) размещают в призабойной части тоннеля. Материал (цемент, песок, глина) следует доставлять на участок в сухом виде. Раствор готовят в забое или поставляют готовый раствор, в который на месте работ, перед закачкой, вводят ускоритель схватывания (жидкое стекло, хлористый кальций). Схему применяют при сравнительно небольших объемах работ и значительном удалении участка от портала тоннеля.
Схема 2. Инъекционный узел (растворосмесительное и насосное оборудование) размещают у портала тоннеля, в забое находятся только буровые средства. Закачивают раствор в скважину по трубопроводу, проложенному в тоннеле. В зависимости от мощности насоса длина нагнетательного трубопровода может составлять 1000 — 1500 м и более.
Вариант схемы. При недостаточной мощности насоса и значительном удалении участка от портала готовый раствор на место работ подают по раствороводу или доставляют в вагонетках. Для закачки раствора в забое тоннеля устанавливают насос и дополнительную мешалку, в которой раствор смешивают с ускорителем схватывания, вводимым непосредственно перед нагнетанием.
Схема 3. Применяется при наличии по трассе тоннеля шахтных стволов или скважин, в которых можно подвесить нагнетательный трубопровод.
Инъекционный узел размещают на земной поверхности и закачивают раствор в скважины по трубопроводу, проложенному до забоя тоннеля. При значительном удалении участка от шахтного ствола применяют, как и в схеме 2, доставку раствора на место работ вагонетками (цистернами) или подают его по растворопроводу.
Схема 4. Применяется при производстве инъекционных работ с поверхности земли. В зависимости от местных условий растворный узел можно перемещать вдоль трассы тоннеля по мере продвижения фронта работ или оставлять в центральной части с закачкой раствора по трубопроводам, проложенным в оба крыла участка работ.
7.29. Технологические схемы в зависимости от типа укрепляющего раствора делят на две группы: схема для инъекции суспензионных растворов (цементных, глиноцементных, глинистых) и схема для инъекции коллоидных растворов, приближающихся по своим свойствам к истинным растворам (силикаты и смолы).
Основное различие первой и второй групп состоит в том, что они предназначены для приготовления и инъекции различных по свойствам инъекционных растворов, что определяет набор необходимого оборудования.
7.30. Для эффективного и экономичного применения физико-химического упрочнения грунтов необходимо использовать комплекс растворов (цементные, глиноцементные, глиносиликатные, силикатные, полимерные).
Технологические схемы, предназначенные для приготовления и инъецирования многокомпонентных растворов, отличаются многозвенностью и сложностью технологической цепочки, многочисленностью различных узлов и механизмов и требуют значительных площадей для размещения оборудования. Производство работ по укреплению грунтов с использованием таких схем осуществляют с земной поверхности.
7.31. Схемы приготовления и инъецирования растворов на основе силикатов и смол отличаются большой простотой, так как большинство исходных компонентов находится либо в жидком состоянии, либо хорошо растворяется в воде, поэтому приготовление растворов не требует специальных мельниц, мешалок, турбулентных смесителей и т.п.
Приведенные технологические схемы являются примерными. Для конкретных условий в них нужно вносить уточнения с учетом факторов, влияющих на стоимость и организацию инъекционных работ.
8. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИНЪЕКЦИОННЫХ РАБОТ
8.1 Контроль инъекционных работ включает комплекс мер по обеспечению и определению качества инъекционных работ:
бурение и испытание разведочных скважин;
отбор образцов бетона и их испытание на сжатие при сооружении предохранительных перемычек;
испытание инъекционных скважин на первоначальное удельное водопоглощение;
лабораторные исследования инъекционных растворов;
бурение и разбуривание контрольных скважин и их испытание на остаточное удельное водопоглощение;
анализ документальных данных и составление акта о проведенной инъекции;
наблюдение упрочненных участков пород при проходке тоннеля.
Контроль при выполнении инъекционных работ
8.2. Контроль качества упрочнения и водоподавления каждой предыдущей очереди заинъецированных скважин производят при бурении последующей очереди скважин путем изучения кернов при колонковом бурении и определения в скважинах удельного водопоглощения. Если удельное водопоглощение в скважинах последней очереди не превышает 0,01 л/(мин·мм вод. ст.), то число контрольных скважин может быть уменьшено в зависимости от числа и расположения опробованных и заинъецированных скважин последней очереди.
Если удельное водопоглощение в скважинах последней очереди превышает 0,01 л/(мин·мм вод. ст.), то после окончания их инъецирования закладывают контрольные скважины в количестве не менее трех.
В процессе приготовления и нагнетания инъекционных растворов необходимо ввести оперативный контроль за дозировкой составляющих компонентов, плотностью и вязкостью приготовляемых растворов.
Пробы для контроля свойств инъекционных растворов следует отбирать непосредственно у устьев скважин через специальные отводы, оборудованные кранами, что дает возможность учитывать изменение свойств растворов после дополнительного перемешивания при движении их через насосы и растворопроводы.
Особое внимание следует уделять контролю режима нагнетания инъекционных растворов. Давление нагнетания и переход на другую ступень давления контролируют по манометрам, установленным на нагнетательной магистрали и непосредственно у устья скважины. Расход (поглощение скважиной) раствора необходимо замерять по мерным рейкам или трубкам, установленным на баках, а также по расходомерам типа ДАУ.
Манометры нужно устанавливать в местах, удобных для наблюдения, а класс и марку их выбирают такими, чтобы рабочий диапазон измеренных давлений соответствовал интервалу давлений нагнетания плюс 50 — 100% от максимального.
Разрешающая способность мерных реек и трубок должна составлять 5 — 10 л. Расход при каждой ступени давления нагнетания измеряют через 5 — 10 — 15 мин в зависимости от поглощений, при больших поглощениях расход целесообразно измерять объемом баков применяемых растворомешалок и смесителей.
Указанные параметры режима нагнетания фиксируют в журнале учета работ по нагнетанию инъекционных растворов (см. приложение 4).
Контроль качества выполненных работ
8.3. После производства инъекционных работ назначают контрольные скважины в количестве 5 — 10% в зависимости от общего количества рабочих инъекционных скважин и объема упрочненного участка грунтов.
Удельное водопоглощение укрепленных пород определяют не менее чем в трех контрольных скважинах. Для определения характера и качества заполнения трещин укрепляющим материалом, часть контрольных скважин бурят с отбором керна.
В буровом журнале отмечают режим бурения и процент выхода керна от общего интервала бурения. Керны отправляют в лабораторию для определения физико-механических свойств.
Все контрольные скважины должны быть опробованы не менее, чем при трех ступенях давления нагнетания с достижением на каждой ступени давления установившегося расхода воды в течение 10 — 20 мин.
Контрольные скважины располагают таким образом, чтобы они вскрывали приконтурные участки укрепленного массива. При веерном расположении инъекционных скважин, а также при инъекции длинными заходками контрольные скважины закладывают между расходящимися инъекционными скважинами. Место заложения контрольных скважин в этом случае устанавливают по данным вертикальных и горизонтальных планов расположения осей скважин. Глубина контрольных скважин должна быть не менее глубины инъекционных скважин.
При бурении контрольных скважин особое внимание следует уделять соблюдению заданных направлений, так как контрольная скважина, пробуренная вне области заинъецированного массива, может дать ложные показания, что приведет к выполнению излишних объемов работ или к осложнениям в процессе проходки тоннеля.
В особо сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях (сильно перемятые горные породы, наличие в инъецируемом массиве глинистых горных пород, склонных к набуханию и размоканию) назначают дополнительные контрольные скважины.
После контрольных испытаний скважины подлежат опрессовке и ликвидации густым цементным раствором.
По окончании инъекционных работ и испытания контрольных скважин организуют комиссию, в которую входят представители подрядной организации и заказчика.
Комиссия рассматривает проект укрепительных работ и вышеперечисленные документальные материалы, полученные при производстве работ. В результате изучения представленных материалов составляют акт, в котором кратко излагают суть проведенных работ, дают оценку качества работ и обоснование для проходки тоннеля по упрочненному участку.
При проходке тоннеля по упрочненному участку проводят дальнейшие наблюдения, в частности, определяют остаточный водоприток, размеры трещин и характер трещиноватости, заполнение трещин инъекционным материалом, наличие в трещинах глины и влияние ее на качество укрепления, изучают характер остаточных водопритоков. Прослеживают также влияние взрывных работ в тоннеле на целостность и устойчивость упрочненных пород вокруг выработанного пространства.
Результаты проведенных наблюдений дают основание для окончательной оценки качества предварительного упрочнения, позволят определить соответствие проектной технологии инъекционных работ фактическим данным конкретных гидрогеологических условий и наметить пути дальнейшего ее совершенствования.
9. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНА ТРУДА
9.1. При проведении работ по физико-химическому упрочнению горных пород, связанных с применением высоких давлений, электроэнергии и различного оборудования (буровых станков, насосов, растворомешалок и т.д.), необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. Эти правила должны быть доведены до сведения всего персонала, занятого на инъекционных работах.
9.2. При производстве работ по физико-химическому упрочнению горных пород необходимо руководствоваться «Правилами безопасности при проходке стволов шахт специальными способами», «Правилами безопасности при строительстве подземных гидротехнических тоннелей», «Правилами безопасности и производственной санитарии при строительстве метрополитенов и тоннелей».
9.3. До начала производства работ все рабочие должны пройти технический минимум по безопасности ведения этих работ и обслуживанию применяемых машин и механизмов.
9.4. Все рабочие в соответствии с профессией, а также лица, осуществляющие технический надзор, должны быть обеспечены индивидуальными средствами защиты установленного образца (каски, спецодежда, обувь, очки и т.п.) и обязаны во время работы ими пользоваться.
9.5. Необходимо вести тщательный контроль за состоянием крепи выработки и лба забоя в период нагнетания растворов в скважину.
9.6. Рабочие места должны быть оборудованы необходимыми ограничениями, защитными предохранительными устройствами, обеспечивающими безопасность работ.
9.7. До начала работ по нагнетанию растворов все оборудование должно быть испытано при максимальном давлении.
9.8. Работы по бурению инъекционных скважин и нагнетанию раствора должны производиться под руководством сменного мастера.
9.9 При проведении инъекционных работ запрещается:
проводить бурение скважин неисправными станками;
во время работы установки смазывать механизмы, чистить или проводить какой-либо ремонт;
касаться вращающихся штанг и погруженного пневмоударника при забуривании и бурении;
пользоваться шлангами, имеющими вздутие, и неисправными манометрами;
производить быстрое перекрывание кранов на коммуникациях растворов — краны следует перекрывать плавно;
разборку и ремонт инъекционной системы под давлением.
9.10. Направляющие трубы (кондукторы) в инъекционных скважинах следует закреплять с помощью резиновых манжет, цементного раствора и другими способами так, чтобы они могли выдержать давление нагнетания.
9.11. На нагнетательных трубопроводах инъекционных насосов необходимо устанавливать предохранительные клапаны, отрегулированные на расчетное давление.
9.12. Концы нагнетательных шлангов должны быть прочно и надежно закреплены, чтобы исключить возможность их срыва при работе насоса.
9.13. В случае появления каких-либо признаков нарушения крепи, инъекцию раствора прекращают и после выявления и ликвидации причин, вызвавших нарушения, при необходимости дается время для схватывания раствора в течение одной смены, после чего работы возобновляются.
9.14. По окончании инъекции все оборудование должно быть тщательно промыто и отремонтировано.
9.15. Во избежание прорыва воды в выработку при достижении скважиной водоопасного горизонта следует бурить 2 — 3 передовые разведочные скважины.
9.16. При инъекционных работах в подземных условиях должна быть устроена надлежащая вентиляция.
9.17. Проходку выработки в упрочненной зоне следует вести обычным способом.
9.18. При производстве буровзрывных работ во избежание нарушения монолитности упрочненного породного массива нужно применять мелкошпуровый способ взрывания.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адамович А.И. Закрепление грунтов и противофильтрационные завесы в гидротехническом строительстве. М., Энергия, 1980.
2. Белоусов Г.А., Винарский М.С. Методика выбора свойств тампонирующих смесей в соответствии с величиной раскрытия каналов в поглощающем пласте. — Бурение, 1977, № 6.
3. Блескина Н.А., Федоров Б.С. Глубинное закрепление грунтов синтетическими смолами. М., Стройиздат, 1980.
4. Бурков Ю.В. Исследование влияния укрепительной цементации на устойчивость капитальных горных выработок в условиях Кузбасса. Диссертация на соискание степени канд. техн. наук. Кемерово, 1977.
5. Временное руководство по производству тампонажа водоносных пород растворами на основе полимерных материалов. Харьков, УНИИОМШС, 1974.
6. Временные указания по укреплению обводненных песков химическим способом при проходке вертикальных стволов шахт. Белгород, ВИОГЕМ, 1974.
7. Гончарук П.П., Логачев Н.Т. и др. Цементация пород при сооружении стволов шахт. М., Недра, 1975.
8. Дуда Е.Г. Исследование процесса движения цементационных растворов при цементации трещиноватых и трещиновато-пористых горных пород. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., ВЗПИ, 1975.
9. Жуховичный С.Ю. Промывочные жидкости в бурении. М., Недра, 1978.
10. Калмыков Е.П. Тампонирование горных пород при сооружении вертикальных стволов. М., Недра, 1979.
11. Камбефор Н. Инъекция грунтов. М., Энергия, 1971.
12. Логачев Н.Т. Цементационные растворы с добавками жидкого стекла и бентонита. — Гидротехническое строительство, 1966, № 7.
13. Логачев Н.Т. Определение оптимального радиуса распространения тампонажного раствора. — Шахтное строительство, 1979, № 5.
14. Митраков В.И., Смирнова Г.О. Инъекционные растворы для химического укрепления неустойчивых пород. — Транспортное строительство, 1976, № 9.
15. - Мостков В.Н. Строительство подземных сооружений большого сечения. М., Недра, 1974.
16. Насосы, каталог-справочник. М., Машгиз, 1965.
17. Насосы для химической промышленности. М., ВНИИгидромаш, 1968.
18. Новые тампонажные растворы для закрепления пород при строительстве подземных сооружений. М., Изд-во МГУ, 1971.
19. Рекомендации по закреплению некарбонатных песчаных грунтов при проходке подземных выработок. М., Стройиздат, 1973.
20. Рекомендации по методам расчета и устройства фундаментов из закрепленного грунта. М., НИМДСП, 1970.
21. Рекомендации по тампонажу водоносных пород при проходке шахтных стволов. Белгород, ВИОГЕМ, 1977.
22. Рекомендации по применению цементно-полимерных растворов для укрепления трещиноватых скальных пород в гидротехническом строительстве. Л., ВНИИГ, 1977.
23. Рекомендации по приготовлению и использованию цементно-коллоидных растворов для омоноличивания бетонных сооружений закрепления скальных пород в гидротехническом строительстве. Л., ВНИИГ, 1979.
24. Рекомендации по физико-химическому упрочнению неустойчивых пород при сооружении тоннелей БАМ. М., ЦНИИС, 1980.
25. Ржаницын Б.А. Физико-химические способы закрепления грунтов. Основание фундаментов и механика грунтов, 1967, № 5.
26. Руководство по производству и приемке работ при устройстве оснований и фундаментов. Разд. 5. Закрепление грунтов. М., Стройиздат, 1976.
27. Соколович В.Е. Химическое закрепление грунтов. М., Стройиздат, 1980.
28. Справочник по сооружению шахтных стволов специальными способами. Под ред. Трупака Н.Г. М., Недра, 1980.
29. Справочник проектировщика. Расчетно-теоретический. Под ред. Уманского А.А. М., Госстройиздат, 1960.
30. Технические условия и нормы проектирования гидротехнических сооружений. Цементация в гидротехнических тоннелях. ВСН-022-69, Минэнерго СССР. Л., Энергия, 1971.
31. Трупак Н.Г. Цементация трещиноватых пород в горном деле. М., Металлургиздат, 1956.
32. Трупак Н.Г., Логачев Н.Т., Олиференко А.А. О толщине тампонажных подушек. — Шахтное строительство. 1981, № 3.
33. Хамяляйнен В.А. Исследование фильтрации цементационных суспензий и совершенствование на его основе технологии упрочнения цементацией трещиноватых пород вокруг капитальных горных выработок. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. Кемерово, КузНИИшахтстрой, 1977.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИНЪЕКЦИОННЫХ РАСТВОРОВ И УКРЕПЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ ГРУНТА
1.1 Лабораторные работы при инъекционном укреплении грунтов включают:
проверку соответствия исходных материалов требованиям соответствующих ГОСТ и ТУ (таблица);
выбор инъекционных растворов и определение их характеристик;
укрепление образцов грунта растворами и определение параметров укрепленного грунта.
| Материалы | Номер ГОСТа или ТУ |
| Портландцемент ГОСТ 10178-76 | |
| Шлакопортландцемент | ГОСТ 10178-76 |
| Глиноземистый цемент | ГОСТ 969-77 |
| Тампонажный цемент | ГОСТ 1581-78 |
| Сульфатостойкий портландцемент ГОСТ 22266-76 | |
| Песок | ГОСТ 6139-78 |
| Зола уноса | ГОСТ 6269-73 |
| Хлористый кальций | ГОСТ 450-77 |
| Соляная кислота техническая | ГОСТ 1382-69 |
| Ортофосфорная кислота | ГОСТ 10678-76 |
| Щавелевая кислота | ГОСТ 22180-76 |
| Кремнефтористоводородная кислота | МРТУ 6-09-4821-67 |
| Каустическая сода | ГОСТ 4228-48 |
| Кальцинированная сода | ГОСТ 5100-73 |
| Уротропин (гексаметилентетрамин) | ГОСТ 1381-73 |
| Смолы карбамидоформальдегидные | ГОСТ 14231-78 |
| Силикат натрия | ГОСТ 13079-67 |
| Хлористый аммоний | ГОСТ 3775-72 |
| Сульфитно-спиртовая барда ГОСТ 8518-57 | |
| Гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость ГКЖ-94 | МРТУ 6-02-70-72 |
| Бихромат натрия | ГОСТ 2651-78 |
| Бихромат калия | ГОСТ 2652-78 |
| Азотнокислый аммоний | ГОСТ 22867-77 |
| Фтористый натрий технический | ГОСТ 2871-75 |
| Фосфорная кислота | ГОСТ 5653-75 |
| Алюминат натрия | Серная кислота техническая |
| ГОСТ 2184-77 | Хлорное железо |
| ГОСТ 11159-76 | Хлористый натрий |
| ГОСТ 4233-77 | |
| Калий углекислый | ГОСТ 4221-76 |
| Нитрит натрия | ГОСТ 19906-74 |
| Контакт Петрова | ТУ-38-01-116-76 |
| Этилсиликат | ГОСТ 5.1174-71 |
| По первому пункту проводится проверка сроков хранения материалов, чистоты (визуально) и требуемых соответствующими государственными стандартами и ТУ характеристик материалов. | |
| 1.2. При выборе инъекционных растворов определяются следующие характеристики: | а) для цементных, цементно-песчаных, цементно-глинистых, цементно-полимерных, аэрированных цементных и глинистых (на основе суглинков) растворов — плотность, консистенция, стабильность (расслаиваемость), сроки схватывания, водоотделение, выход цементного камня, прочность на сжатие; |
| б) для глинистых (на основе высокопластичных глин) и глиносиликатных растворов — плотность, условная вязкость, водоотдача, стабильность и суточный отстой, содержание песка, статическое напряжение сдвига; | в) для растворов на основе смол и силикатов — плотность, вязкость, время гелеобразования, прочность на сжатие, устойчивость к агрессивной среде. |
В процессе инъецирования растворов периодически проводят проверку их качества путем определения плотности и консистенции (вязкости для силикатных и смоляных растворов).
1.3. Для предварительного назначения рецептуры раствора необходимо знать проницаемость (удельное водопоглощение для трещиноватых и коэффициент фильтрации для гравийных и песчаных грунтов), карбонатность грунтов, содержание в них гумусовых и глинистых частиц. Необходимые данные должны быть получены на основании инженерно-геологических изысканий или, в случае их отсутствия, определены по существующим методикам.
Укрепленные в лабораторных условиях грунты испытывают на прочность и водоустойчивость. На основании результатов лабораторного укрепления грунтов следует выбирать рецептуры инъекционных растворов.
2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИНЪЕКЦИОННЫХ РАСТВОРОВ
Определение характеристик растворов на основе цемента и глины
2.1. Плотность инъекционных растворов густых консистенций определяют при помощи мерного сосуда с ровно образованными краями емкостью 25 или 50 см3.
Предварительно определяют массу и объем (путем взвешивания с водой) пустого сосуда. Затем сосуд наполняют раствором и взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г.
Расчет плотности раствора производят по формуле
\gamma_{\text{р}} = \frac{\text{М } - \text{М}_{1}}{\text{М}_{2} - \text{М}_{1}} , (1)
где \gamma_{\text{р}} — плотность инъекционного раствора, г/см3;
M — масса сосуда с раствором, г;
Плотность инъекционных растворов жидких консистенций определяют ареометром АГ-2.
Для измерения плотности глинистый раствор наливают в стакан так, чтобы уровень достигал сливных отверстий стакана, после чего соединяют стакан с поплавком. Затем собранный ареометр обмывают и опускают в сосуд с чистой пресной водой. Плотность раствора отсчитывают по шкале.
2.2. Консистенцию раствора определяют по расплыву из прибора, состоящего из конуса, шкалы, укрепленной на алюминиевом основании, и стекла.
Конус емкостью 120 см3 имеет верхний диаметр 36 +/- 0,5 мм в свету, нижний диаметр 64 +/- 0,5 мм в свету и высоту 60 +/- 0,5 мм.
К основанию прибора укрепляется шкала с гравитационными кольцевыми рисками и цифрами. Шкала покрывается съемным стеклянным диском диаметром 260 мм.
Перед определением расплыва внутреннюю поверхность конуса и стекло насухо вытирают.
При определении расплыва раствора конус помещают на стекло, после чего раствор наливают до краев конуса, который затем плавно поднимают в вертикальном положении. Величину расплыва определяют путем отсчета диаметров в двух направлениях, соответствующих наибольшей и наименьшей растекаемости, и вычисляют среднее из этих значений.
Консистенцию жидких растворов ориентировочно определяют по плотности.
2.3. Стабильность растворов определяют специальным прибором, который представляет собой стальную цилиндрическую форму, состоящую из трех частей одинаковой высоты h = 250 мм и d = 70 мм, собранных на резиновых прокладках и стянутых откидными болтами.
Форму заполняют испытуемым раствором и вибрируют в течение 30 с. Затем растворную смесь выкладывают из каждой части формы в отдельные сосуды. Растворную смесь, находящуюся в средней части, для испытаний не используют. Затем из каждого сосуда после тщательного перемешивания берут пробы для определения расплыва раствора при помощи конуса АзНИИ.
Расслаиваемость (в сантиметрах) выражается разностью величин, характеризующих стабильность верхнего и нижнего слоев раствора.
2.4. Сроки схватывания растворов определяют прибором Вика. Иглу прибора погружают в цементный раствор через каждые 5 мин до начала схватывания и через 15 мин в последующее время до конца схватывания. Началом схватывания считают время от начала затворения до того момента, когда игла не будет доходить до дна прибора на 0,5 — 1 мм. Концом схватывания считают время от начала затворения до момента, когда игла будет опускаться в раствор не более чем на 1 мм.
2.5. Водоудерживающую способность растворов в статическом состоянии определяют в двух калиброванных цилиндрах объемом 250 см3 каждый. Для предотвращения испарения жидкости цилиндр сверху покрывают смоченной в воде фильтровальной бумагой. Изменение объема осадка измеряют через каждые 5 мин до тех пор, пока водоотделение не прекратится.
Водоудерживающая способность раствора характеризуется коэффициентом водоотделения, который определяют отношением объема отделившейся жидкости к объему залитого в цилиндр раствора.
Расчет коэффициента водоотделения Kв, %, производится по формуле
K_{\text{в}} = \frac{V_{p_{1}} - V_{p_{2}}}{V_{p_{1}}} \cdot 100, (2)
где V_{p_{1}} — первоначальный объем инъекционного раствора, см3;
V_{p_{2}} — объем осевшего инъекционного раствора, см3.
2.6. Выход камня инъекционного раствора после затвердевания выражают в процентах и определяют для раствора как густой, так и жидкой консистенции при помощи градуированного цилиндра емкостью 100 см3.
Раствор наливают в мерный сосуд до черты 100 см3, и после отстаивания в течение 1 — 1,5 ч определяют объем осадка. Процентное отношение объема осадка к первоначальному объему и характеризует величину выхода цементного камня.
K_{\text{ц}} = \frac{\text{а}}{\text{А}} \cdot 100, (3)
A — объем раствора в цилиндре, мл (см3);
2.7. Основным параметром, характеризующим физико-механические свойства затвердевших растворов, является предел прочности при сжатии.
Для испытания затвердевшего раствора на сжатие изготовляют образцы-кубики размером 5 x 5 x 5 см и 7 x 7 x 7 см. Формы для кубиков смазывают машинным маслом и заполняют раствором заданной консистенции. Раствор в формах уплотняют постукиванием, поверхность сглаживают ножом.
После этого формы хранят во влажных условиях и после 7-суточного хранения образцы раствора испытывают на прессе. Ориентировочно можно считать, что предел прочности при сжатии через 28 суток на 40 — 50% больше предела прочности на сжатие в возрасте 7 суток.
Примечание. Для глинистых растворов (на основе низкопластичных глин и суглинков) определяют плотность, консистенцию, стабильность.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЛИНИСТЫХ (ЖИДКИХ КОНСИСТЕНЦИЙ) и ГЛИНОСИЛИКАТНЫХ РАСТВОРОВ
3.1. Плотность растворов определяют по той же методике, что и для растворов жидких консистенций на основе цемента.
3.2. Перед замером вязкости раствор размешивают на мешалке в течение 5 мин. Вязкость измеряют вискозиметром СПВ-5. При определении вязкости закрывают отверстие трубки вискозиметра и при помощи мерной кружки заливают в воронку через сетку 700 мл глинистого раствора. Под вискозиметр ставят кружку объемом 500 мл раствора. Замеры повторяют до совпадения двух последующих результатов.
Время истечения (в секундах) 500 мл раствора принимают за условную вязкость глинистого раствора.
3.3. Водоотдачу глинистых растворов измеряют прибором ВМ-6. Давление на глинистый раствор, находящийся в фильтрационном стакане, создается весом груза, состоящего из массивного кольца, кожуха и плунжера, и передается через масло, заливаемое в цилиндр. Величина давления постоянная и равна 0,1 МПа. Пористой перегородкой служат листки фильтровальной бумаги, лежащие на стальном диске с отверстиями. Измерение производят в течение 30 мин. Отсчет результатов измерения ведут по шкале, прикрепленной к корпусу прибора. Объем пробы раствора равен 120 см3. Максимальная водоотдача, которую можно измерить, 40 см3.
3.4. Для определения стабильности образец глинистого раствора наливают в цилиндрический сосуд ЦС-2, имеющий отверстия в дне и в средней части. Объем цилиндра равен двукратному объему рабочего сосуда стандартного ареометра. После стояния раствора в покое в течение 24 ч измеряют плотность верхней и нижней частей глинистого раствора. Разница в плотности является мерой стабильности.
Для измерения суточного отстоя глинистый раствор наливают в цилиндрическую мензурку и оставляют в покое на сутки. При этом происходит расслоение раствора. Сверху отделяется прозрачная жидкость, а внизу получается уплотненная студнеобразная масса. Суточный отстой вычисляют как процентное отношение жидкой фазы ко всему объему глинистого раствора в мензурке.
3.5. Для определения содержания песка в глинистом растворе в отстойник СМ-1 (или отстойник Лысенко) наливают 450 мл воды, а затем 50 мл испытываемого раствора. После взбалтывания отстойник устанавливают вертикально, оставляют в покое на 3 мин и измеряют объем осадка. Умножив его на 2, получают процентное содержание песка, включающее нераспустившиеся частицы.
Для определения содержание отмытого песка воду с неосевшими глинистыми частицами сливают через край отстойника, количественно смывают в фарфоровую чашку, растирают песок резиновой пробкой и сливают отстоявшуюся мутную воду. Отмывку повторяют по исчезновении мути. Остаток сливают в отстойник и замеряют его объем, умножив полученный объем на 2, получают процентное содержание песка в глинистом растворе.
3.6. Измерение статического напряжения сдвига осуществляют на ротационном пластомере СНС-2.
Прибор СНС-2 имеет внутренний цилиндр и стакан, в зазор между которыми заливают исследуемый глинистый раствор. Затем вращают стакан при помощи небольшого электромотора с редуктором, помещенных в кожух. Раствор, находящийся в рабочем зазоре, хорошо перемешивают путем поворачивания внутреннего цилиндра (вручную) и оставляют прибор в покое для образования структуры в глинистом растворе. Раствор выдерживают в покое до начала измерения 1 минуту и 10 минут. Затем включают мотор. Вначале внутренний цилиндр вращается вместе со стаканом, так как усилие вращения передается ему через структуру в глинистом растворе. По мере закручивания стальной нити подвеса сопротивление закручиванию все возрастает и, наконец, превышает прочность структуры раствора у стенок внутреннего цилиндра. В этот момент происходит резкий сдвиг, внутренний цилиндр останавливается, хотя стакан продолжает вращаться. При помощи лимба определяют угол \Delta\varphi наибольшего закручивания цилиндра от его начального положения. Статическое напряжение сдвига на поверхности внутреннего цилиндра вычисляют по формуле
\theta = \nu \cdot \Delta\varphi, (4)
где \nu — константа прибора, постоянная величина для данного прибора и данной нити.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ СИЛИКАТОВ И СМОЛ
4.1. Плотность растворов определяют с помощью ареометров (денсиметров) для измерения плотности жидкостей со шкалой делений от 1 до 1,5 г/см3. Ареометр опускают в раствор, налитый в стеклянный сосуд, плотность раствора определяют по шкале ареометра.
Вязкость растворов \varphi определяют по времени истечения раствора (в секундах) с помощью вискозиметра ВЗ-4. График перевода условной вязкости из секунд в сантипуазы представлен на рис. 1.
Рис. 1. График перевода условной вязкости из секунд в сантипуазы
4.2. За время гелеобразования раствора принимают промежуток времени между моментом введения нужного количества раствора кислоты в раствор смолы или силиката и моментом перехода раствора из жидкого в желеобразное состояние. Момент перехода раствора из жидкого в желеобразное состояние принимают за начало времени гелеобразования. Момент полного отверждения раствора (при переворачивании стаканчика раствор не вытекает) — окончание времени гелеобразования.
4.3. Прочность при сжатии Rсж, кгс/см2, представляющая собой предельную вертикальную нагрузку, при которой образец разрушается, рассчитывают по формуле
R_{\text{сж}} = \frac{f \cdot F_{1}}{F} , (5)
где f — показание манометра в момент разрушения, кгс/см2;
F1 — площадь сечения образца, см2;
F — площадь поршня пресса, см2.
За величину Rсж принимают среднюю прочность трех максимальных значений испытания из пяти образцов.
5. МЕТОДИКА ПОДБОРА РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ СМОЛ И СИЛИКАТОВ
5.1. До приготовления растворов на основе смол и силикатов определяют плотность и вязкость исходных материалов, растворимость смол и модуль жидкого стекла (если нет паспортных данных). Методики определения растворимости смол и модуля жидкого стекла приведены ниже.
5.2. Для определения растворимости смолы в мерный цилиндр наливают одну часть смолы и соответственно 1 — 2 части дистиллированной воды при комнатной температуре. Содержимое тщательно перемешивают. Растворимость определяют непосредственно после перемешивания смолы с водой и после 20-минутного выстаивания раствора. Отсутствие выпадания отстоя в виде хлопьев свидетельствует о пригодности смолы.
5.3. Для определения модуля силиката натрия исходное концентрированное стекло разбавляют 2 раза. Разбавленный раствор в количестве 1 — 2 мл наливают в фарфоровую чашку объемом 150 — 120 мл, стенки которой предварительно покрывают слоем парафина толщиной 2 — 3 мм.
К этой пробе приливают 30 мл дистиллированной воды и несколько капель индикатора метилового красного и титрируют нормальным раствором соляной кислоты до исчезновения желтой окраски индикатора. В нейтрализованный раствор добавляют 3 — 4 г кристаллического фтористого натрия и несколько капель метилового красного. Раствор при постоянном перемешивании пластмассовой палочкой (не содержащей кремнезернистого заполнителя) титруют нормальным раствором соляной кислоты до исчезновения желтой окраски индикатора. Титрование прекращают тогда, когда две последние капли кислоты окрасят раствор в бледно-розовый цвет и окраска эта сохранится в течение 5 мин.
Количество нормальной кислоты, в миллиметрах, израсходованное на первое титрование, умноженное на коэффициент 31, будет соответствовать содержанию Na2O, в миллиграммах. Количество нормальной соляной кислоты, в миллиметрах, которое потребовалось на второе титрование (осаждение кремниевой кислоты), в присутствии кристаллического фтористого натрия, умноженное на коэффициент 15, будет соответствовать количеству кремниевой кислоты, в миллиграммах.
Модуль рассчитывается по формуле
\text{М } = \frac{\text{Е}}{\text{Ф}} \cdot 1,032, (6)
1,032 — отношение молекулярного веса окиси натрия к молекулярному весу кремнезема.
5.4. При назначении времени гелеобразования раствора руководствуются, в первую очередь, тем положением, что время гелеобразования раствора должно соответствовать времени, необходимому для инъекции раствора в грунт.
Порядок определения времени гелеобразования приводится на примере определения \tau_{\text{гел}} для раствора смолы.
В 4 — 5 стаканчиков емкостью 150 — 200 см3 наливают приготовленный раствор смолы, предварительно выбранной плотности. В стаканчики с раствором из бюретки при тщательном перемешивании приливают разные количества отвердителя в пределах, требуемых для отверждения данной смолы. Замеряют температуру раствора и время начала и окончания гелеобразования. По полученным данным выбирают раствор с требуемым временем гелеобразования.
6. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО УКРЕПЛЕНИЮ ОБРАЗЦОВ ГРУНТА
6.1. В лабораторных условиях укрепление образцов грунта проводится путем нагнетания в грунт укрепляющих растворов и последующего испытания грунта на прочность и водоустойчивость.
Закрепляемость грунта устанавливается с помощью прибора, изображенного на рис. 2; он состоит из штатива с двумя стойками, металлической трубки диаметром 40 — 50 мм с навинчивающейся крышкой и мерного цилиндра из оргстекла объемом до 1 л, рассчитанного на давление 0,8 — 1,0 МПа. Испытания проводят следующим образом. Трубку внутри покрывают слоем парафина и в нее постепенно с послойным уплотнением нагружают испытуемый грунт, после чего трубку с помощью прижимного кулачка плотно закрывают крышкой. К крышке подводят резиновый шланг, соединяющий трубку с мерным цилиндром, заполненным гелеобразующим раствором. К мерному цилиндру подключают вакуумный насос и с его помощью через слой грунта в трубке прокачивают гелеобразующий раствор. Прокачивание раствора проводят до появления в сливном стакане раствора в объеме 15 — 20 см3. Перед испытанием внутреннюю поверхность формы парафинируют и на дно ее засыпают слой чистого песка толщиной 1 — 1,5 см, образующего фильтр. Песок должен быть легко проницаемым по отношению к закрепленному грунту.
Рис. 2. Прибор для лабораторного закрепления грунтов: 1 — штатив; 2 — трубка для грунта; 3 — крышка; 4 — уплотнитель кулачковый; 5 — цилиндр мерный; 6 — отверстие для заливки с пробкой; 7 — манометр
6.2. При испытании грунтов с нарушенной структурой грунт загружают небольшими порциями (всего 120 — 130 г) с капиллярным подсосом, для чего конец трубки тубуса помещают в сливной стакан с водой.
6.3. При проведении экспериментальных исследований по укреплению образцов грунта необходимо иметь в виду, что плотность грунта, в который инъецируется раствор, должна быть близкой к натурной, и грунт должен быть насыщен водой; распространение раствора должно проходить путем вытеснения воды из грунта.
После закрепления образцы извлекают из формы путем выталкивания поршнем при легком нагревании формы горячей водой.
7. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАКРЕПЛЕННОГО ГРУНТА
7.1. Хранение образцов закрепленного грунта допускается только в воздушно-влажных условиях: в эксикаторах над водой или во влажных опилках.
Испытание закрепленного грунта на прочность производят путем определения предела прочности при сжатии на прессе на образцах-цилиндрах диаметром 40 — 50 мм при испытании грунта на закрепляемость в лабораторных условиях и образцах-кубиках размером 70 x 70 x 70 мм при пробном закреплении грунта в натурных условиях и при контроле работы по закреплению грунтов в производственных условиях. Определяют прочность образцов грунта по методике определения прочности растворов.
7.2. При испытании на водоустойчивость образцы закрепленного грунта помещают в воду (грунтовую или среду, близкую к натуре) и выдерживают в течение 24 ч. В зависимости от того, в каком состоянии находится образец после испытания, дают качественную его характеристику, в случае разрушения — отмечают время разрушения.
Коэффициент водоустойчивости Kв определяют как отношение предела прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии.
K_{\text{в}} = \frac{R_{\text{в}}}{R_{c}} . (7)
Помимо указанных характеристик при необходимости определяют по известным методикам, коэффициент фильтрации образцов укрепленного грунта и устойчивость их к агрессивной среде.
На основании проведенных лабораторных работ проводится выбор оптимальной рецептуры с учетом требуемых параметров инъекционного раствора.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБУЕМЫХ ОБЪЕМОВ ИНЪЕЦИРУЕМЫХ РАСТВОРОВ И РАСХОДА МАТЕРИАЛОВ
Требуемый объем инъекционного раствора, обладающего 100%-ным выходом камня, для заполнения трещин и пустот вокруг скважин длиной l в оптимальном радиусе Rо определяют по формуле
q_{p} = \pi \cdot R_{o}^{2} \cdot m_{\text{т}} \cdot l,\text{м}^{3}. (1)
Объем раствора, потребный для инъекции всех скважин участка в количестве составляет
Q_{p} = N_{o} \cdot \pi \cdot R_{o}^{2} \cdot m_{\text{т}} \cdot l,\text{м}^{3}. (2)
При использовании цементного раствора, обладающего выходом камня менее 100%, объем раствора на одну скважину определяют по формуле
q_{p} = \frac{\pi \cdot R_{o}^{2} \cdot m_{\text{т}} \cdot l}{K_{\text{ц}}} \alpha_{\text{п}},\text{м}^{3}, (3)
где Kц — коэффициент выхода тампонажного камня;
\alpha_{\text{п}} = 1,2 - 1,3 — коэффициент перерасхода раствора в связи с особенностью процесса цементации трещин, при которой цемент неизбежно распространяется в большем радиусе, чем радиус полного уплотнения трещин.
При использовании нескольких составов цементного раствора с различным выходом камня расход раствора определяют суммированием объемов отдельных составов:
q_{p} = \frac{\pi \cdot R_{o}^{2} \cdot l \cdot \alpha_{\text{п}}}{n_{c}} (\frac{1}{K_{\text{ц}_{1}}} + \frac{1}{K_{\text{ц}_{2}}} + ... \frac{1}{K_{\text{ц}_{n}}}),\text{м}^{3}, (4)
где nс — количество используемых составов, предназначенных для заполнения пустот в равных объемах;
K_{\text{ц}_{1}} , K_{\text{ц}_{2}} , K_{\text{ц}_{n}} — коэффициенты выхода камня из раствора соответствующих составов.
Расход цемента для инъецирования в одну скважину при использовании чисто цементного раствора определяют по формуле
q_{\text{ц}} = 1,3 \cdot \pi \cdot R_{o}^{2} \cdot m_{\text{т}} \cdot l \cdot \alpha_{\text{п}},\text{т}, (5)
где 1,3 \cdot \frac{\text{т}}{\text{м}^{3}} — средний расход цемента (тонн) на образование 1 м3 камня.
Полный расход цемента на цементацию участка составляет
Q_{\text{ц}} = 1,3 \cdot N_{o} \cdot \pi \cdot R_{o}^{2} \cdot m_{\text{т}} \cdot l \cdot \alpha_{\text{п}}. (6)
При использовании глиноцементных, цементно-силикатных и других растворов, обладающих 100%-м выходом камня, расход цемента на одну скважину определяют путем умножения объема раствора на количество цемента, содержащегося в 1 м3.
Расход химической добавки на инъекцию одной скважины
Соответственно, расход на весь участок
где Kд — содержание добавки в 1 м3 раствора, кг (или литры).
В случае применения многокомпонентных инъекционных смесей, например, цементно-песчано-суглинистых, плотность раствора определяется выражением
\gamma_{\text{р}} = \frac{\text{Ц } + \text{П } + \text{С } + \text{В}}{\frac{\text{Ц}}{\gamma_{\text{ц}}} + \frac{\text{П}}{\gamma_{\text{п}}} + \frac{\text{С}}{\gamma_{\text{с}}} + \text{В}} , (9)
где Ц; П; С; В — соответственно количество цемента, песка, суглинка и воды в частях при принятом их соотношении в смеси;
\gamma_{\text{ц}} — плотность цемента;
\gamma_{\text{п}} — плотность песка;
\gamma_{\text{с}} — плотность суглинка.
Массу составляющих компонентов, m, для приготовления 1 м3 раствора определяют по формулам:
m_{\text{ц}} = \frac{\gamma_{\text{р}} \cdot \text{Ц}}{\text{Ц } + \text{П } + \text{С } + \text{В}} ; (10)
m_{\text{п}} = \frac{\gamma_{\text{р}} \cdot \text{П}}{\text{Ц } + \text{П } + \text{С } + \text{В}} ; (11)
m_{\text{с}} = \frac{\gamma_{\text{р}} \cdot \text{С}}{\text{Ц } + \text{П } + \text{С } + \text{В}} ; (12)
m_{\text{в}} = \frac{\gamma_{\text{р}} \cdot \text{В}}{\text{Ц } + \text{П } + \text{С } + \text{В}} . (13)
Общее количество инъекционного раствора для укрепления пористых грунтов Vр, м3, определяют по формуле
Количество раствора на одну заходку составит
V_{\text{з}} = \pi \cdot R^{2} \cdot L \cdot 10. (15)
ФОРМЫ ЖУРНАЛОВ УЧЕТА ИНЪЕКЦИОННЫХ РАБОТ
Наименование строительной организации _____________________________________
Объект строительства ______________________________________________________
Тип буровой установки _____________________________________________________
Способ очистки скважин (промывка, продувка) _______________________________
| Дата, смена | Номер заходки | Номер ряда скважины | Диаметр скважины, мм | Глубина скважины, м | Пробурено за смену, м | Время бурения, мин | Конечная глубина скважины, м | Примечание | |
| начало | конец | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
ЖУРНАЛ ИСПЫТАНИЙ УПРОЧНЯЕМОГО ГОРНОГО МАССИВА НА УДЕЛЬНОЕ ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ
Наименование строительной организации _____________________________________
Объект строительства ______________________________________________________
Расположение испытуемых скважин ___________________________________________
Схема расположения испытуемых скважин
ЖУРНАЛ НАГНЕТАНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ РАСТВОРОВ
Наименование строительной организации _____________________________________
Объем строительства _______________________________________________________
Наименование выработки ____________________________________________________
Тип, количество и производительность насосов и растворосмесителей _________
Схема нагнетания растворов ________________________________________________
Способ замера расхода растворов ___________________________________________
Схема расположения и нумерация скважин
ЖУРНАЛ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИНЪЕКЦИОННЫХ РАСТВОРОВ
Наименование организации, выполняющей исследования ________________________
Объем строительства _______________________________________________________
ЖУРНАЛ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УПРОЧНЕННЫХ ГРУНТОВ ПО МАТЕРИАЛАМ БУРЕНИЯ СКВАЖИН С ОТБОРОМ КЕРНА
Наименование организации, выполняющей исследования ________________________
Объект строительства ______________________________________________________
Схема расположения инъекционных скважин и скважин для отбора керна
ПРОХОДКА УЧАСТКА ГРАН-САССКОГО АВТОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Трасса тоннеля длиной 10 км пересекает массив осадочных пород с преобладанием известняков и доломитов, претерпевших интенсивные тектонические нарушения.
По гидрогеологическим условиям трасса характеризуется наличием водонасыщенных трещиноватых известняков и зоной тектонического разлома, которая пересекает весь массив и выходит на поверхность в виде впадины, являющейся естественным накопителем поверхностных вод и питающей разлом по всей зоне.
Установившийся темп сооружения тоннеля сечением 55 м2 в проходке был нарушен на южном участке при подходе к зоне разлома. В забой левого тоннеля прорвалась вода с максимальным притоком 16200 м3/ч.
Напор воды составлял до 2 МПа. Работы по проходке тоннеля пришлось прекратить.
После экспериментальных исследований и проектных проработок был принят вариант проходки тоннеля в зоне разлома с предварительным физико-химическим укреплением пород. При выборе способа предварительного укрепления пород руководствовались необходимостью создания на трассе будущего тоннеля цилиндрической защитной зоны, а также целесообразностью снижения гидростатического напора подземных вод на внешний контур укрепленного участка за счет их отвода на границах разлома.
Укрепляющие растворы инъецировались в два приема. Сначала цементно-бентонитовым раствором для достижения необходимой прочности (0,4 — 1,0 МПа) и водонепроницаемости нарушенных пород в результате заполнения крупных пор и трещин, а затем силикатным раствором для укрепления мелкопористых пород (меланит).
Инъецирование растворов проводилось отдельными заходками через радиально расходящиеся скважины, начиная от устьевых зон скважин и продолжая в глубь породного массива с предшествующей разбуркой ранее укрепленных зон. Расстояние между скважинами на границе контура укрепляемого грунта принимали для трещиноватых известняков равным 3 м, а для меланита 2,5 м. Длину инъекционных зон установили для известняка 3 — 5 м, а для меланита 1 — 2,5 м.
Силикатные растворы готовили на основе силиката натрия с модулем 3,3 и отвердителей С508 и С600. Расходы растворов рассчитывали, исходя из пористости и трещиноватости пород и принимали равными для силикатного раствора 30% и для цементно-бентонитового 10% от объема укрепляемого массива. Предельные давления нагнетания для силикатных растворов 6 — 8 МПа, а для цементно-бентонитовых 10 — 12 МПа.
Вначале провели укрепление первого 45-метрового участка трещиноватых известняков по оси правого тоннеля из оборудованной камеры 1 (рисунок).
Проходка Гран-Сасского тоннеля в зоне разлома
Диаметр укрепленной зоны составил 11 м. Затем по укрепленным породам проходили опережающую штольню диаметром 3,5 м. После проходки 35 м опережающей штольни оборудовали вторую камеру 2, расположенную на расстояния 10 м от границы ранее укрепленного участка.
Инъекционные скважины длиной по 60 м бурили двумя буровыми установками. Расход раствора по силикату соответствовал проектному, а для цементно-бентонитового раствора был несколько ниже расчетного.
Параллельно с этими работами проводили укрепление пород и проходку дренажной камеры 3, из которой было пробурено 18 скважин длиной от 80 до 100 м для отвода воды от пород, расположенных за тектонической зоной разлома. Эффективность дренажа была достаточно высокой: дебит скважин составил примерно 43,2 тыс. м3/сут, а гидростатический напор был понижен почти вдвое.
Для проходки основного правого тоннеля были оборудованы дополнительные камеры 5, 6, 7, из которых укрепляли породы в зоне диаметром 21 м для известняков и 25 м для меланита через веерные скважины.
Всего при проходке правого тоннеля пробурили 12,5 км инъекционных скважин для пионерной штольни и 61,5 км для основного тоннеля, расход растворов составил 5340 т для силикатного и 3150 т для цементно-бентонитового.
Для проходки левого тоннеля перед зоной разлома оборудовали камеру 8, за зоной разлома прошли рассечку 9 и камеру 10. Укрепление пород по оси левого тоннеля осуществили из этих камер в один прием. В процессе инъецирования отдельные участки обрабатывали повторно.
Нагнетание укрепляющих растворов для разработки тоннеля на полное сечение осуществляли через 11-метровые радиальные скважины (расстояние между рядами скважин составило 1,25 м) от центрального инъекционного узла, расположенного в тоннеле около правой границы разлома.
Для укрепления пород тоннеля было пробурено 14,1 км инъекционных скважин пионерной штольни и 54,6 км скважин основного тоннеля; израсходовано 4095 т силикатного и 2490 т цементно-бентонитового раствора.
В общем на сооружение Гран-Сасского тоннеля на участке разлома длиной 88 м при проходке двух параллельных тоннелей с предварительным укреплением пород было затрачено 2,5 года.
| УДК 624.191.22:624.138.24 |
|---|