Системы понижения уровня грунтовых вод в строительстве

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:

1. пьезометрический уровень воды в грунте по депрессионной кривой — особенно когда она проходит под коммуникациями или соседними зданиями;
2. производительность системы, исключающей выпирание водоупорного слоя;
3. вероятность притока техногенных, талых и ливневых вод и их значения;
4. вероятность деформаций грунта в зоне водопонижения;
5. вероятность подъема грунтовых вод по «ту сторону» противофильтрационной завесы, если выбор падёт именно на этот способ защиты;
6. 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.