Содержание
В целях обеспечения безопасности строительства подземных сооружений, глубокие выработки в грунте, котлованы и траншеи должны быть обеспечены проектами мероприятий, предусматривающих понижение уровня грунтовых вод. При необходимости в них предлагаются и методы устройства противофильтрационных завес, препятствующих просачиванию воды из русел близлежащих водоёмов, что является весьма эффективным методом водопонижения.
Требования к котлованным системам защиты
В зависимости от масштаба и назначения строительного сооружения, к системам, защищающим их от подпора грунтовых вод, предъявляют такие требования:
- предотвращение поступления грунтовой воды в котлован в процессе производства земляных работ;
- осушение и закрепление обводнённого грунта вокруг тоннелей, пробиваемых горным способом;
- предупреждение выпирания верхнего слоя водоупорного пласта в дно котлована;
- недопущение прорыва грунтовых вод и обеспечение суффозной прочности основания (суффозия – вымывание частиц грунта);
- сохранение гидрогеологического режима грунта, препятствующее развитию в его толще опасных процессов;
- обеспечение сохранности сооружений и конструкций зданий;
- возможность безопасного и эффективного выполнения работ.
Основные варианты котлованной защиты
Для защиты котлованов от подземной воды применяют три основных способа: водопонижение, устройство ПФЗ (противофильтрационных завес) и искусственное замораживание. Их цель – предотвратить прорыв плывунов и обеспечить устойчивость донной части выработки, и при необходимости меры могут применяться как предварительно, перед копкой котлована, так и параллельно с выполнением строительных работ.
Способы защиты нередко комбинируют – например, одновременно применяют иглофильтровые установки и водопонизительные скважины. Рассмотрим подробнее варианты систем котлованной защиты.
Водопонижение
В зависимости от удалённости защитной системы от поверхности, на практике применяют три способа водопонижения: поверхностный, глубинный и комбинированный. Конкретный выбор варианта зависит от таких факторов:
- типа залегающих пород и особенностей их питания подземной водой;
- коэффициента фильтрации грунта;
- мощности водоносного пласта;
- площади участка, который требуется осушить.
Поверхностные способы водопонижения применяются наиболее часто, и вот в чём заключается их суть. Откачка воды осуществляется из водопонизительной скважины, а вокруг неё образуется депрессионная воронка, позволяющая изменить направление движения потока грунтовой воды.
Если под водоносным горизонтом есть рыхлые породы, способные поглотить воду, её по системе скважин сбрасывают туда, а не выводят на поверхность. Это позволяет существенно понизить УГВ, но приходится задействовать сразу несколько скважин и насосов, что не всегда удобно и возможно.
Подземное понижение уровня грунтовых вод тоже предусматривает устройство скважин, но здесь они бурятся не с поверхности, а из глубокой выработки. Этот способ так же даёт возможность сброса воды в фильтрационные слои грунта, глубоко залегающие под водоупорными пластами.
Минус такого решения заключается в более длительной и трудоёмкой подготовке, но в сложных гидрогеологических условиях этот метод оказывается более действенным и эффективным.
Примечание: Различия между поверхностным и подземным водопонижением заключаются не только в глубине заложения оголовка скважин, но и в применяемом оборудовании. Для поверхностной перекачки используют насосы, иглофильтры и сквозные фильтры, вакуумные установки. В подземных скважинах устанавливают забивные иглофильтры, установки забойного водопонижения и лёгкие иглофильтровые установки (ЛИУ).
Третий способ – это комбинация двух первых вариантов, при котором скважины могут буриться как с поверхности, так и из горной выработки. В этом случае, часть грунтовой воды поднимается насосами на поверхность и сбрасывается в ближайший водоём, центральную ливневую канализацию или водосточные траншеи, а часть – сбрасывается в более глубокие слои грунта.
Понижение уровня воды комбинированным способом применяется в том случае, если только поверхностно или только из подземной выработки удалить грунтовую воду невозможно. Исходя из конкретной обстановки выбирают не только способ водопонижения, но и применяемое для этой цели оборудование.
Оборудование, применяемое при водопонижении
Существует четыре основных вида установок, посредством которых осуществляется транспортировка воды:
Вид оборудования | В каких случаях применяется |
ЛИУ | Иглофильтры ЛИУ применяют в рыхлых однородных грунтах с высоким коэффициентом фильтрации, когда уровень подземной воды нужно опустить до 5 м. Иглофильтры забуривают в грунт или устанавливают гидравлическим способом. |
УВВ | Водопонизительные установки вакуумного типа применяются на грунтах с коэффициентами фильтрации 0,01…2 м/сут, и дают возможность удалить УГВ от поверхности до 7 м, с чем установки ЛИУ уже справиться не могут. К ней тоже подсоединяются иглофильтры, но другой конструкции, и устанавливаются они не в материковый грунт, а в чистую песчаную обсыпку. |
ЭИ | Иглофильтровое оборудование эжекторного типа обладает большей мощностью, его можно применять на грунтах с любой степенью фильтрации и удалять уровень грунтовой воды до 20 метров от поверхности. Сердцем такой установки является центробежный насос водоструйного типа, который и называют эжектором. |
Глубинные фильтрующие скважины | Когда коэффициент фильтрации составляет больше 2 м/сут и требуется значительное водопонижение на большой площади, водопонижение осуществляют глубинными скважинами, донная часть которых оборудована гравийным фильтром. Основная часть их ствола представляет собой трубу с перфорацией, через которую фильтруется вода, а часть глухая и оберегает стенки шурфа от обрушения. Такие скважины применяют в ситуациях, когда грунтовая вода имеет неустойчивый химический состав. |
Противофильтрационные завесы
Одним из эффективных вариантов современной защиты котлованов от грунтовой воды являются противофильтрационные завесы. Чаще всего этим термином обозначают изготовленную из сплошного железобетона или свай стену в грунте, но есть и другие технологии их устройства.
- Например, инъекционные завесы. Принцип их формирования заключается в последовательном бурении близкорасположенных скважин, через которые в окружающий грунт нагнетается стабилизирующий быстротвердеющий раствор (глинистый, цементный или битумный). Минус такой технологии в высоком расходе смеси, ведь в породах могут быть трещины, через которые заполнитель может распределяться слишком далеко от защищаемого котлована.
- Для большинства грунтов отлично подходит мерзлотная завеса, представляющая собой стену изо льда, через которую содержащаяся в породе вода пробиться не может. Но для превращения воды в лёд требуется специальное оборудование, которое должно ещё и поддерживать нужную температуру в процессе строительства, поэтому затраты на данный вид защиты котлована не всегда себя оправдывают.
- Гораздо чаще для формирования завес применяют метод устройства стены в грунте, формируемой по принципу безопалубочного ленточного фундамента. Вдоль внешнего периметра котлована роют глубокие траншеи, заполняемые бетонной смесью с высокой маркой по водонепроницаемости (не ниже W8). Высота завесы делается такой, чтобы стенка прорезала все водоносные слои и упёрлась в водоупорный пласт, полностью изолировав подземную часть строящегося объекта от водоносного слоя.
Способ защиты «стена в грунте» лучше всего подходит для строительства масштабных подземных объектов типа туннелей метро, коммунальных, оборонных или промышленных сооружений. Самое большое его преимущество состоит в том, что противофильтрационную завесу можно использовать не как временное сооружение, а в качестве конструкционного элемента возводимого объекта.
Кроме завес траншейного типа, которые активно применяются и в промышленном, и в гражданском строительстве, может устраиваться частокол из грунтовых или бетонных буронабивных свай. Этот метод придуман ещё в 50-х годах прошлого века в Италии, и распространился во всём мире, как самый эффективный для несвязных грунтов вариант.
Со временем эти виды свай заменили на более современную технологию устройства буросекущих свай (БСС) с максимальным диаметром 80 см. Это вариация буронабивных свай, но в отличие от них опоры устраиваются не с определённым шагом, а образуют сплошную стенку с частичным перекрытием соседних свай.
При формировании завесы опоры делят на две очереди заливки. Первые делают неармированными и бетонируют смесью марки М300. Сваи второй очереди, которые «втискивают» в небольшое пространство (0,75 диаметра сваи) между сваями первой очереди, усиливают каркасом и формируют из более прочного бетона М400. Сдвиг свай относительно друг друга обеспечивает их сращивание, в результате чего они и образуют герметичную стенку.
Существует и ещё один новый и довольно эффективный способ создания противофильтрационных стенок, выполняемых по технологии струйной цементации Jet Grouting. В этом случае завеса создаётся из грунтоцементных свай, которые насухо армируются, а поверху обвязываются монолитной ростверковой балкой из бетона М250.
Далее используется буровая машина, способная одновременно мельчить и перемешивать породу, а так же бетононасос со специальной насадкой, подающей цементный раствор под напором.
Ледовые завесы
Искусственное замораживание грунтов применяется уже довольно давно, впервые в России это сделали ещё в 1928 году при строительстве одного из крупных промышленных объектов. Дело было в зимнее время в Сибири, и для замораживания грунтовых вод тогда использовали атмосферный воздух с отрицательной температурой.
Теперь же для этой цели используют специальные холодильные установки, подающие холодоноситель с температурой -20…-40 градусов в опущенные в грунт замораживающие колонки. Этот способ замораживания называется рассольным, потому что в качестве хладоносителя применяются водные растворы солей: лития, натрия или кальция.
Есть ещё и безрассольный способ, в котором в качестве хладагента используют фреон, углекислоту или аммиак, испаряющийся в замораживающей колонке при более низких температурах до -196 градусов. В процессе непрерывной циркуляции хладагента, вокруг каждой трубы замораживающей установки образуются ледовые цилиндры. Постепенно смыкаясь, они и формируют ограждение из замороженного грунта, отсекающее подземным водам возможность проникновения к котловану.
Данный способ позволяет создать завесу любой глубины, в мире есть прецеденты, когда на рудниках грунт замораживался до 620 и 914 м. Очень распространённым его назвать нельзя из-за высокой себестоимости, в основном метод применяют в шахто- и метростроении, при возведении гидротехнических сооружений, возводимых в сложных геологических условиях.
На чём основан выбор системы защиты — заключение
Система водопонижения для любого объекта выполняется согласно проекту, во главе которого не только технико-экономическая целесообразность, но и множество факторов, которые непременно должны быть учтены. Это:
- влияние выбранного способа на окружающую среду;
- наличие существующих сооружений и их техническое состояние;
- возможные изменения характеристик грунтов в результате применения той или иной схемы;
- сроки и особенности выполнения работ нулевого цикла;
- габариты и глубина подземной выработки;
- гидрогеология и инженерно-геологическое строение грунта.
В отличие от водопонижения, когда вода принудительно перемещается на поверхность или наоборот, сбрасывается в более глубокие горизонты, при устройстве противофильрационных завес не истощаются запасы водоносного слоя. Утратив большое количество воды, водоупорные пласты могут проседать, а это влечёт и деформацию поверхностных слоёв грунта, которая ещё неизвестно как себя проявит.
Поэтому выбор системы защиты, особенно связанной с массовым отбором воды, должен производиться только с учетом результатов прогнозного гидрогеологического расчёта. В качестве обоснования для принятия проектных решений изучают:
- пьезометрический уровень воды в грунте по депрессионной кривой — особенно когда она проходит под коммуникациями или соседними зданиями;
- производительность системы, исключающей выпирание водоупорного слоя;
- вероятность притока техногенных, талых и ливневых вод и их значения;
- вероятность деформаций грунта в зоне водопонижения;
- вероятность подъема грунтовых вод по «ту сторону» противофильтрационной завесы, если выбор падёт именно на этот способ защиты;
- потребность в энергетических и материальных ресурсах.
В случае, когда выполнить обоснованный расчёт не представляется возможным, предусматривается проведение дополнительных исследований на стройплощадке: контрольные измерения уровней воды до и после опытных откачек.