Укол бетоном: защитные мероприятия методом высоконапорной инъекции карстующихся пород
Павел ЧЕРНЫШОВ, исполнительный директор «ГЕОИЗОЛ Проект»:
При проектировании пятого этапа скоростной автомагистрали М-12 «Восток» на участке от Арзамаса до Нижнего Новгорода (347-454 км) были выявлены риски развития карстовых процессов. Территория Нижегородской области, по которой проходит строящаяся магистраль, характеризуется интенсивным развитием современного карста. Механизм развития деформаций на земной поверхности преимущественно карстово-суффозионный. Карстующиеся грунты сложены известняками, доломитами, гипсами и ангидритами.
При этом инженерную защиту от карстов требовалось выполнить как для участков дорожного полотна, так и для ряда искусственных сооружений (ИССО). Для максимального сокращения сроков работ наша компания предложила нестандартное решение — выполнить защитные мероприятия методом высоконапорной инъекции карстующихся пород с применением комплекса оборудования для струйной цементации (Jet Grouting).
Защита участков земляного полотна обеспечивалась конструктивными мероприятиями, выполняемыми в теле дорожной насыпи. Участки с расчетным диаметром карстовых воронок до 4 метров были усилены геотекстилем ПЭФ прочностью при растяжении от 150 до 300 кН/м в один слой. Участки с вероятностью возникновения карстовых воронок диаметром от 6 до 8 метров армировались плотным геотекстилем послойно в три ряда. Участки с воронками от 8 до 10 метров перекрывались железобетонными плитами толщиной 600 мм. На наиболее опасных участках, где размер воронок мог превышать 30 метров, предусматривалось устройство ребристых железобетонных плит толщиной 300-530 мм, усиленных продольными и поперечными балками сечением 900х2000 мм и 900х1800 мм соответственно.
Защита ИССО ввиду специфики их конструкции требовала особого подхода. На этапе разработки концепции инженерной защиты рассматривалось несколько вариантов. Первый предполагал увеличение размеров свайного основания под опорами путепроводов и мостов. Увеличение числа свай и, соответственно, габаритов ростверка допускало исключение из работы некоторых свай в случае развития карстовых процессов с возникновением просадок или провалов вблизи сооружения. При этом даже при развитии негативного сценария эксплуатация ИССО оставалась безопасной.
Второй вариант, рассматривавшийся на этапе концепции, предполагал устройство противокарстового барьера ниже уровня свайного фундамента, который бы предотвращал выход деформаций на поверхность покрывающей толщи под сооружение. Такой экран в виде грунтоцементного массива предполагалось выполнить методом струйной цементации. Это решение, как и первое, не исключало развитие карстовых процессов. Следовательно, в перспективе деформации карстующиеся породы могли подняться вверх и со временем разрушить защитный грунтоцементный слой, что создало бы риски для безаварийной работы ИССО.
В итоге был принят вариант инъекционного закрепления, предполагающий исключение рисков развития карстовых процессов путем заполнения пустот, полостей, трещин и зон разрушения карстующихся пород и покрывающей толщи. Как правило, для тампонирования грунта применяется манжетная технология инъектирования, являющаяся классическим решением. Однако у этого решения, несмотря на гарантированную надежность результата, имеется весомый минус — пошагово выполняемая инъекция требует существенных временных затрат.
В целях сокращения сроков работ специалисты, занятые в проекте, проработали метод высоконапорного инъектирования с использованием комплекса оборудования для струйной цементации. По сравнению с классической манжетной технологией это дало значительную экономию времени, поскольку все операции по инъектированию происходят за одну проходку.
Необходимо акцентировать внимание на том, что выбранный метод высоконапорной инъекции направлен не на разрушение породы с созданием грунтоцементного массива, что характерно для Jet Grouting, а предназначен для заполнения трещин и пустот скального грунта.
При правильном подборе цементных составов и организации работ метод высоконапорной инъекции специализированными растворами с применением оборудования для струйной цементации сочетает высокую скорость производства работ с надежностью результата.
В проекте предусмотрено использование различных материалов, в том числе специальных составов, обладающих специфическими характеристиками, с комплексом модифицирующих добавок — стабильного высокоподвижного экранирующего быстросхватывающегося раствора (СВЭБР) и стабильного высокоподвижного быстросхватывающегося раствора (СВБР).
Для эффективного заполнения пустот, полостей, трещин и зон разрушения карстующихся пород применяется стабильный (устойчивый) цементный раствор, который сохраняет консистенцию и не разделяется на фракции (воду и цемент), что исключает оседание цемента при прохождении через трещины. Также раствор должен характеризоваться низкой водоотдачей (в пределах 2%).
Специфика оборудования Jet Grouting требует применения растворов с высоким водоцементным отношением (В/Ц=0,8…1,0). Инъекционные составы должны быть текучими и при этом обладать необходимыми прочностными характеристиками.
Первичная скорость схватывания — еще одна критически важная характеристика растворов, применяемых для закрепления карстующихся пород. На участках, требующих инженерной защиты от карстов, изыскания выявили грунты с высоким коэффициентом фильтрации (более 100 м/сут.). Быстросхватывающийся раствор образует первичную структуру в течение 15 минут после нагнетания. Таким образом, даже в условиях перемещения воды в массиве грунта исключается суффозия инъецированного материала и достигается качество выполнения работ.
Для повышения экономической эффективности проект предусматривал комбинированное применение инъекционных составов.
Размер зоны инъектирования грунта определяется для каждого сооружения индивидуально в зависимости от диаметра карстовой воронки. Работы по инъектированию выполняются в несколько этапов.
На первом этапе устраивается непроницаемый барьер из нескольких рядов контурных скважин. Вначале по периметру инъецируется цементный раствор. На участках со значительным поглощением раствора контур дополняется скважинами с заполнением СВЭБР.
Внутри закрепляемой зоны после набора прочности раствора в контурном ряде выполняется инъекция цементным раствором с поэтапным сгущением сетки скважин. Производится оценка коэффициента фильтрации и прочности грунтового массива. Если параметры не соответствуют проектным, производится инъекция СВБР для достижения требуемых параметров сплошности закрепляемого массива.
При наличии в верхней зоне над карстующимися породами крупнообломочных, песчаных и иных несвязных грунтов дополнительно предусматриваются контрольные инъекции покровной толщи для предотвращения разуплотнения и сохранения исходных физико-механических характеристик массива в случае развития вблизи защищаемого объекта карстово-суффозионных процессов.
Для определения эффективности принятого технического решения проведены работы по опытной инъекции. Измерения параметров производились до и после инъектирования.
В контрольных скважинах, пробуренных в зоне закрепления, выявлены следы инъекционных материалов, что свидетельствовало о наличии пустот в массиве и их заполнении в результате высоконапорного инъектирования. Результаты изысканий подтвердили расчетные высокие параметры проницаемости СВЭБР и СВБР при заполнении массива. Использованные растворы на основе цемента без модифицирующих добавок имеют существенно более низкие характеристики проницаемости.
В результате выполнения работ с применением оборудования для струйной цементации карстующиеся породы и перекрывающие их грунты не были нарушены, при этом улучшились их физико-механические свойства. Высоконапорное инъектирование повысило сплошность массива и значительно снизило его фильтрационные параметры.
Геофизические исследования методом межскважинного сейсмического просвечивания выявили увеличение скоростей распространения упругих волн в среднем на 20%, что свидетельствует об уменьшении пустотности массива в результате проведенных инъекционных работ.
Опытная кустовая откачка, выполненная до закрепления массива, показала высокие фильтрационные свойства карстующихся пород. После первого этапа закрепления массива с устройством инъекционных скважин с шагом 4х4 метра зафиксировано снижение коэффициентов фильтрации с 154-299 до 34-57 м/сут. После сгущения сетки скважин до шага 2х4 метра коэффициент фильтрации снизился до значений менее 1 м/сут.
Практика уже подтвердила эффективность Jet Grouting. В рамках строительства данного участка М-12 «Восток» в сжатые сроки был выполнен большой объем работ по закреплению карстующихся грунтов. Расчетные параметры, принятые проектом, засвидетельствованы в результате контроля качества, который проводился для каждого защищаемого ИССО.
Образцы, отобранные на опытной площадке