Тонущие города
Шрифт:
Широко распространенные иглофильтровые установки с вертикальными фильтрами представляют собой, по существу, горизонтальные дрены, выполненные в виде цепочки часто расположенных коротких фильтровых звеньев. Но длина всех трубопроводов иглофильтровой установки в 10–12 раз больше длины самой установки. Это — следствие вертикального расположения фильтров.
Горизонтальные фильтры нужны для водопонижения не только по соображениям экономики. Часто встречаются гидрогеологические условия, в которых вертикальные водоприемники не могут дать требуемого эффекта осушения грунтов. К ним относятся, в частности, случаи, когда котлован полностью перерезает водоносный пласт и достигает водоупорного слоя (такие выработки называют совершенными). Здесь требуется полный перехват потока подземных вод, а это может быть сделано только горизонтальной дреной, лежащей
Системы с горизонтальными фильтрами существуют, и предпринимаются усилия для применения их с целью водопонижения. Прежде всего это лучевые водозаборы, каждый из которых представляет собой шахту с продавленными из нее в грунт по радиальным направлениям горизонтальными трубами-фильтрами. Они обладают большой водозахватной способностью, экономичны в эксплуатации. Но недостатком их являются шахты, сооружение которых плохо увязывается с мобильным характером строительного водопонижения. Для ликвидации этого недостатка создают конструкции малых лучевых колодцев, вертикальным стеолом которых должна служить не шахта, а буровая скважина.
Такие конструкции разработаны в ВИОГЕМе в Белгороде (лучевой колодец с буровым автоматом для прокладки фильтров) и в институте Гидроспецпроект в Москве (лучевой колодец и горизонтальные линейные дрены с телескопическими фильтрами). В этих конструкциях применяется буровой принцип прокладки горизонтальных дрен — в первом случае механическое бурение, во втором — гидравлическое, поэтому фильтры могут быть расположены практически на любой необходимой глубине. По принципу прокалываний грунтов — с использованием пневматического пробойника, который, как локомотив, тянет за собой фильтр, — в ПНИИИСе (Москва) разработана технология прокладки горизонтальных фильтров.
Существуют и другие принципы прокладки горизонтальных фильтров. В Голландии, например, гибкие пластмассовые фильтры укладывают на дно узкой траншеи, глубиной до 8 м, проходка которой вместе с укладкой фильтра производится многоковшовым экскаватором. Конец фильтра выводится на поверхность и присоединяется к всасывающему патрубку насоса.
Эта система заменяет иглофильтровые установки.
Мы затронули только одну из задач совершенствования техники всдопонижения — задачу перехода от вертикальных водоприемников к горизонтальным. Разумеется, ею не исчерпываются потребности этой области строительной технологии. Ученым и инженерам остается еще обширное поле деятельности.
Второй путь борьбы с водой при подземном строительстве базируется на отжатии воды от выработки. Этот путь, можно считать, уже пройден и является достоянием истории строительства. Речь идет о кессонном способе строительства подземных сооружений. При этом способе устье подземной выработки, например вход в шахту, плотно герметизируется и в выработку нагнетают сжатый воздух. Когда давление его становится равным гидростатическому давлению подземной воды, она перестает течь в выработку и отжимается от нее. Все работы в выработке ведутся при повышенном давлении воздуха. Сообщение с поверхностью — вход и выход — осуществляется через шлюзовой аппарат, обеспечивающий, постепенность изменения давления. В противном случае при резком изменении давления, особенно при его снижении (декомпрессии), человеческому организму грозит беда — кессонная болезнь. Вредность работы при повышенном давлении — одна из главных причин отмирания этого способа работ, в последние десятилетия уже почти не применяемого и используемого только в исключительных случаях.
Однако принцип отжатия воды воздухом не отошел в историю, его применяют при работах, не требующих присутствия людей в зоне повышенного давления. С помощью сжатого воздуха интенсифицируют процесс водопонижения: в водоносный пласт, из которого водопонизительные скважины откачивают воду, по другим скважинам нагнетает сжатый воздух, принудительно отжимая воду к водопонизительным скважинам. Это ускоряет процесс осушения слабопроницаемых и плохо отдающих воду грунтов, дает возможность большего понижения уровня подземных вод. В замкнутых участках водоносного пласта (например, ограждаемых противофильтационными завесами) сжатым воздухом в комплексе с водопонижением можно удалить всю воду, полностью осушив грунты. Таким способом обеспечена проходка тоннелей на некоторых участках московского метрополитена.
Третий путь борьбы с подземными водами — поставить воде преграду на пути к выработке. Преграды — это противофильтрационные завесы, разнообразными видами
Большой класс составляют завесь:- инъекционного типа. Принцип их создания: по трассе завесы на необходимую глубину бурят скважины и через них нагнетают растворы, заполняющие пустоты в породе и затвердевающие в них. В разных геологических условиях этот принцип получает разное воплощение и по технологии работ, и по материалам заполнения, и по техническим средствам.
В скальных породах для тампонирования трещин проводят цементацию, т.е. в скважины нагнетают цементные растворы (суспензии). Этот метод имеет уже более чем вековую историю, он широко применяется в гидротехническом строительстве для создания противофильтрационных завес в скальных основаниях плотин, в шахтном строительстве.
Технология цементации имеет ряд особенностей. Цементационные скважины бурят не сразу на полную глубину, а нисходящими зонами длиной по несколько метров. Каждую зону перед цементацией подвергают гидравлическому опробованию, по результатам которого назначают режим цементации. В понятие режима входят Консистенция (густота) раствора, порядок ее изменения в процессе нагнетания, величина давления и другие параметры. Цементационные скважины подразделяются на очереди по принципу сближения скважин. Эта постепенность сооружения завесы с испытанием водопроницаемости каждой очередной зоны (а это контроль эффекта от предыдущей цементации соседних зон и скважин) обеспечивает получение плотного тела завесы. Но это не значит, что завеса получается совершенно водонепроницаемой. Ее остаточная проницаемость обусловлена главным образом мелкими трещинами в породе, в которые цементный раствор не проникает или распространяется по ним на малое расстояние от скважин. По крупным же трещинам цементные растворы могут растекаться на десятки, а то и сотни метров, что приводит к излишним затратам материалов и труда. Последнее обстоятельство является одной из основных причин довольно высокой стоимости метода. Тем не менее цементация является основным методом противофильтрационной защиты в трещиноватых скальных породах.
Помимо цементации в скальных породах применяют (реже) битуминизацию, т.е. нагнетание в породу через скважины горячего расплавленного битума или холодной битумной эмульсии.
Завесы инъекционного типа в рыхлых грунтах до недавнего времени строить не умели: скважины в них неустойчивы, цемент в мелкие поры песчаных грунтов не проникает. С 50–60-х годов начал использоваться новый способ создания глубоких противофильтрационных завес в рыхлых грунтах, разработанный во Франции. Этот способ сложнее цементации скальных пород, и суть его заключается в следующем. В скважину, пробуренную на полную глубину, устанавливают трубу с боковыми отверстиями по всей ее длине. Отверстия перекрыты манжетами — отрезками резиновой трубки, выполняющими роль клапана, позволяющего выходить раствору из трубы. Пространство между трубой с манжетами и стенками скважины заполняют цементно-глинистым раствором, создавая обойму. После схватывания этой обоймы внутрь трубы с манжетами опускают тампон, устанавливают его на уровне отверстий, перекрытых одной манжетой, и нагнетают инъекционный. раствор. Последний при определенном давлении отжимает манжету, разрывает обойму и проникает в грунт. Через каждую манжету нагнетают ограниченную (расчетную) порцию раствора.
Успех этой технологии обеспечивается также и применением] разнообразной рецептуры растворов: глиноцементных, глинистых, с химическими реагентами. Каждый состав раствора предназначен для уплотнения определенного вида, грунта. Технология манжетной Инъекции позволяет устанавливать наиболее рациональный порядок уплотнения грунта, начиная с более проницаемых слоев и кончая слабопроницаемыми.
Совершенно иной принцип лежит в основе создания мерзлотных завес. Здесь в грунт ничего не вводят, все остается на месте: и грунтовые частицы, и вода в порах между ними. Но воду по трассе противофильтрационной завесы замораживают и лед преграждает путь потоку подземной воды. Казалось бы, идеальный вариант, никаких материальных затрат, кроме энергии перевода воды из жидкого состояния в твердое. Но именно эти затраты столь значительны, что мерзлотные завесы — одни из самых дорогостоящих. Вместе с тем этот метод почти независим от геологических условий, он может применяться и в скальных породах, и в песчаных и глинистых грунтах. Именно поэтому его продолжают широко применять в городском подземном строительстве, особенно при строительстве метрополитенов.