МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА СCCP

ГЛАВТОННЕЛЬМЕТРОСТРОЙ

Временный научно-технический коллектив
на строительстве тоннелей Байкало-Амурской
железнодорожной магистрали (ВНТК)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВ
ПРИ ПРЕОДОЛЕНИИ ЗОН ТЕКТОНИЧЕСКИХ РАЗЛОМОВ
ВЫРАБОТКАМИ CEBEPО-МУЙСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО
ТОННЕЛЯ

СОГЛАСОВАНО:
Главный инженер ВПТИтрансстроя	Начальник Бамтоннельпроекта, зам. председателя ВНТК	Заведующий Лабораторией строительства тоннелей БАМ ЦНИИС, зам. председателя ВНТК
Штейн В.И. 24 ноября 1987 г.	Разин Ю.А. 17 ноября 1987 г.	Безродный К.П. 11 ноября 1987 г.

Москва 1988

АННОТАЦИЯ

"Технологические схемы предварительного упрочнения грунтов при преодолении зон тектонических разломов выработками Северо-Муйского железнодорожного тоннеля" содержат сведения об области применения и основных технологических приемах упрочнения неустойчивых водонасыщенных грунтов нарушенных зон, преодолеваемых выработками Северо-Муйского тоннеля. Даны рекомендации по определению основных параметров упрочнения грунтов инъекцией в них твердеющих составов на основе цемента и силикатов. Приведены упрочняющие растворы, технологическое оборудование для проведения инъекционных работ, требования правил безопасности при производстве работ по упрочнению грунтов.

"Технологические схемы" предназначены для применения при проектировании и производстве работ по упрочнению грунтов при преодолении зон разломов при строительстве Северо-Муйского железнодорожного тоннеля.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Трасса Северо-Муйского тоннеля протяженностью 15,3 км по инженерно-сейсмологическим и гидрогеологическим условиям является одной из сложнейших трасс, встречавшихся в отечественной и зарубежной практике тоннелестроения.

Горный массив по трассе тоннеля, сложенный гранитами раннепротерозойского возраста, разбит многочисленной разнонаправленной системой обводненных региональных и локальных разломов.

На участке трассы, где тоннель уже сооружен, горными выработками пересекались сильно обводненные, с гидростатическим напором подземных вод до 2,3 МПа, зоны разломов и крупных тектонических трещин мощностью 0,5 м...50 м. На не пройденной части трассы Северо-Муйского тоннеля согласно прогнозным данным предполагается встретить более сложные участки по горно-геологическим условиям.

Средняя часть зон разломов представлена раздробленными, сильно дезинтегрированными, превращенными в песчано-глинисто-дресвяную массу, грунтами.

Контактные зоны представлены сильно выветрелыми гранитами с коэффициентом крепости 2...4, трещиноватыми, обводненными, постепенно переходящими в слабо выветрелые с коэффициентом крепости 4...6 и выше по шкале М.М. Протодьяконова граниты. При вскрытии зон разломов водопритоки в выработки достигают 300...700 м³/ч, а в отдельных случаях - от 1500 до 6000 м³/ч.

Крайне сложные гидрогеологические условия затрудняют сооружение тоннеля и требуют применения специальных способов при преодолении зон разломов.

Наиболее эффективным способом, успешно применяемым в настоящее время при сооружении Северо-Муйского тоннеля, является предварительное упрочнение грунтов инъекцией в них твердеющих составов на основе цемента и силикатов.

"Технологические схемы предварительного упрочнения грунтов при преодолении зон тектонических разломов выработками Северо-Муйского железнодорожного тоннеля" разработаны в соответствии с техническим заданием на проведение научно-исследовательской работы по теме TМ-86-02.02.01. "Совершенствование способов химического закрепления грунтов в зонах тектонических разломов применительно к условиям строительства Северо-Муйского и Архотского тоннелей", во исполнение приказа Минтрансстроя № 344 от 4 декабря 1985 г. "Тематический план научно-исследовательских работ, разработки и освоения опытных образцов новых конструкций, изделий, машин, оборудования, средств автоматизации и технологических процессов" и в соответствии с изменениями и дополнениями к комплексной научно-технической программе Госстроя СССР и ГКНТ СССР от 10.06.84 г. по созданию и отработке на Северо-Муйском тоннеле эффективных методов упрочнения грунтов в разломах.

Технологические схемы разработаны на основании анализа и обобщения научно-исследовательских и опытно-промышленных работ, выполненных ВНИИ транспортного строительства, ВПТИтрансстроем, а также отечественного опыта и опыта иностранных фирм по упрочнению неустойчивых грунтов.

Технологические схемы предназначены для применения при проектировании и производстве работ по упрочнению грунтов инъекцией в них твердеющих составов при преодолении зон разломов выработками Северо-Муйского железнодорожного тоннеля.

"Технологические схемы " составили: кандидаты технических наук Безродный К.П., Мацегора А.Г; инженеры Нестеровский А.Л. (ЦНИИС), Горин Г.Г., Фолипповский А.Н. (Бамтоннельпроект), Шпак В.Ф., Туманов Б.В. (СКТБ Главтоннельметростроя), Авдеев Л.Я., Болгов В.В. (УС Бамтоннельстрой).

Кроме авторов "Технологических схем " участниками работы являются; к.т.н. Митраков В.И., инженеры Голубев В.Г., Коровченко С.С. Смирнова Г.О., Горина Н.В., Гринько Н.А., Котзиан И.И., Махлина Е.П. (ЦНИИС); к.т.н. Мазин В.А., инженер Захаркин И.В. (ВПТИтрансстрой).

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Технологические схемы применяются для проектирования и производства работ по предварительному упрочнению неустойчивых грунтов разломов инъекцией твердеющих составов при сооружении выработок Северо-Муйского железнодорожного тоннеля.

1.2. Технологическими схемами предусмотрены два основных варианта предварительного упрочнения грунтов с использованием инъекции твердеющих составов:

- упрочнение грунтов в зонах геологических нарушений при сооружении основного тоннеля;

- упрочнение грунтов в зонах геологических нарушений при сооружении разведочной транспортно-дренажной штольни (РТДШ) горнопроходческими комплексами.

1.3. Основным методом обработки грунтов зон разломов является инъекция твердеющих составов через кондуктор нисходящими заходками.

1.4. Оборудование, применяемое для работ по упрочнению грунтов: буровые станки СКБ-4, СБГ-2М, БСК-2М (СССР); буровые установки ф. "Кокен-Боринг" (Япония), "Монтабер" (Франция)) насосы КМ-9Т, 9МТр, НБЗ-120/40 (СССР), инъекционные комплексы ф. "Кокен-Боринг" (Япония), "Солетанш" (Франция).

1.5. Основные составы для упрочнения грунтов:

- на основе цемента;

- на основе силикатов.

1.6. Рекомендуемый общий порядок нагнетания твердеющих составов на основе:

- цемента - I очередь;

- силикатов и смол - II очередь.

1.7. Способ проходки в интервалах упрочнения грунтов - одно - и двухуступный укороченными (до 1,0 м) заходками.

1.8. Для крепления выработок на участках упрочненных грунтов применяют:

- в тоннеле - арочно-бетонную крепь;

- в РТДШ - чугунные тюбинги.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

2.1. Определение толщины целиков и предохранительных бетонных перемычек.

2.1.1. Толщина скального монолитного целика, под защитой которого ведется инъекция, определяется так:

                                                                                      (1)

где λ - коэффициент перегрузки, равный 1,2...1,3;

Р - максимальное значение рабочего давления инъекции, МП а;

D - наибольший линейный размер поперечного сечения выработки, в которой ведется инъекция, м;

m - коэффициент условий работы, равный 0,2…0,7;

τ - расчетное сопротивление естественных или искусственно укрепленных грунтов на срез, МПа.

Величину τ можно ориентировочно принимать:

τ = 0,23 σ_сж,                                                                                                                             (2)

σ_сж - расчетное сопротивление грунтов одноосному сжатию МПa.

2.1.2. Размер предохранительной бетонной перемычки рассчитывается из условий прочности на сжатие:

                                                            (3)

где η - коэффициент относительной прочности бетона в возрасте, соответствующем моменту нагружения перемычки (табл. 2.1);

R_сж - прочность бетона при одноосном сжатии, МПа;

β, γ - коэффициенты, зависящие от отношения минимального и максимального линейных размеров сечений горной выработки и от условий опирания кромки на окружающий массив (табл. 2.2).

Остальные обозначения те же, что и в (1).

Из условия прочности на срез:

                                                                         (4)

где λ, P, m, η, R_{cж :}- то, что и в (1), (3);

F - площадь поперечного сечения выработки (тоннель, штольня);

П - периметр выработки в свету, м.

Окончательно принимают большую из полученных двух величин.

2.2. Определение геометрических размеров зоны упрочнения неустойчивых грунтов.

2.2.1. Толщину зоны упрочнения неустойчивых грунтов следует определять по графикам (рис. 2.1, 2.2) в зависимости от размеров выработок и гидростатического давления подземных вод с учетом реально достигаемых значений предела прочности на разрыв глинистых грунтов (0,05...0,1 МПа) при их упрочнении на Северо-Муйском тоннеле.

Под толщиной зоны упрочнения следует понимать расстояние от проектного контура выработки до дальней границы зоны упрочнения грунтов (рис. 7.1...7.6).

Таблица 2.1

Таблица 2.2

Длина интервала нарушенных грунтов, упрочняемых с одной установки, как правило, не должна превышать 35 м.

2.2.2. Объем твердеющих составов на основе цемента, необходимый для упрочнения грунтов, определяют исходя из геометрических размеров зоны упрочнения:

V = V_г × n × K₁× K₂ × K_3,                                                                            (5)

где V_г- объем укрепляемого грунта, м³;

n - коэффициент пористости грунта, для дезинтегрированных грунтов разломов Северо-Муйского тоннеля в среднем n = 0,2...0,25;

K₁ - коэффициент заполнения трещин и пор, K₁ = 0,65...0,9;

K₂ - коэффициент, учитывающий потерю твердеющих составов в результате распространения за контуры зоны закрепления, К₂ = 1,1..1,25;

K₃ - коэффициент, учитывающий выход цементного камня, K₃ = 1,2...1,3.

2.3. При упрочнении грунтов принимают одну из схем расположения скважин, представленных на рис. 7.1... 7.6.

Схему расположения инъекционных скважин при закреплении по всему сечению выработки применяют, как правило, при наличии протяженных интервалов (свыше 6 м) в высокой степени дезинтегрированных грунтов с содержанием глины, мелкозернистого песка и дресвы и при значительных (свыше 1,0 МПа) напорах подземных вод.

2.4. При преодолении протяженных (свыше 35 м) разломов упрочнение грунтов осуществляют в несколько последовательных этапов (рис. 2.3). Толщину предохранительного целика из упрочненного грунта принимают при этом по графикам на рис. 2.1 и 2.2.

2.5. Внешние ряды инъекционных скважин в дальнем сечении должны быть удалены от проектного контура выработки на расстояние, равное не менее 0,8 δ (значения толщины зоны упрочнения в кровле и боках выработки) и не менее 0,5 δ - в подошве выработки.

2.6. Расстояние между кондукторами, закладываемыми в целиках и предохранительных бетонных перемычках, должно быть не менее 400 мм.

2.7. Количество скважин определяется расстоянием между их забоями, приведенным в таблице 2.3, и размерами зоны упрочнения (рис. 2.1, 2.2).

Таблица 2.3

Графики зависимости толщины зоны упрочнения от величины напора подземных вод Р_г для сечения тоннеля

1 - в кровле и стенках тоннеля; 2 - в подошве тоннеля.

Рис. 2.1

Графики зависимости толщины зоны упрочнения от величины напора подземных вод Р_г для сечения РТДШ

1-в кровле и стенках РТДШ; 2 - в подошве РТДШ.

Рис. 2.2.

Схема расположения инъекционных скважин при закреплении по всему сечению выработки

I - тоннель; 2 - штольня; 3 - камера; I - предразломная зона; II - зона разлома.

Рис. 2.3

Схема расположения инъекционных скважин в забое тоннеля при закреплении грунтов по контуру выработки

Рис. 2.4.

2.8. Размещение скважин осуществляют по одной из схем:

- однорядное (рис. 2.5);

- многорядное (двух и более) прямоугольное (рис. 2.6);

- многорядное трехугольное (рис. 2.7).

Как правило, применяют трехугольное расположение скважин. Расстояние между рядами скважин не должно превышать расстояния между скважинами (таблица 2.3). Скважины бурят расходящимися веерообразно.

2.9. Длину инъекционных скважин определяют из выражения:

                                                                                         (6)

где l - длина укрепляемой зоны, м;

a₀ - угол между горизонтальной проекцией скважины и продольной осью выработки, из которой ведется упрочнение грунтов (на плане), град.;

β - угол между вертикальной проекцией скважины и продольной осью выработки (на профиле), град.

2.10. Диаметр инъекционных скважин принимают 40...100 мм.

2.11. Инъекционные скважины оборудуют кондукторами длиной 2...2,5 м. Кондуктор представляет собой обсадную трубу диаметром 89 мм и более со стенками толщиной не менее 4,5 мм. Длина выступающей части кондуктора принимается 200...300 мм.

2.12. Начальные давления нагнетания P₀ принимают в зависимости от значений напора подземных вод, Р₀ > Р_г.

2.13. Конечное давление нагнетания (давление отказа) принимают:

- при обработке контакта бетонная стенка-грунт - 1,0 МПa;

- при упрочнении трещиноватых грунтов предразломной зоны - 4,0...6,0 МПa;

- при упрочнении дезинтегрированных грунтов разломов и трещиноватых грунтов заразломной зоны - 8,0...18,0 МПа.

За давление отказа принимают конечные давления при расходе инъекционного раствора 5...10 л/мин.

При определении давления отказа следует учитывать потери напора в трубопроводах.

2.14. Оптимальную длину заходок при упрочнении грунтов (по опыту работ на Северо-Муйском тоннеле) принимают 5 м. Допускается уменьшение (до 2...3 м) и увеличение (до 7...10 м) длины заходок. Укороченными заходками осуществляют упрочнение весьма неустойчивых грунтов, когда имеют место выносы песчано-глинистой пульпы, обрушения стенок скважины. Удлинение заходок допускается на последующих скважинах, когда в результате упрочнения грунтов через предыдущие скважины достигнуто уменьшение удельного водопоглощения на упрочняемом интервале до 0,02 л/мин. м. м.

2.15. При упрочнении грунтов применяют твердеющие составы:

на I стадии - на основе цемента с инертными (глина, песок, зола уноса и т.п.) и активными (силикат натрия, хлористый кальций и т.п.) добавками (табл. 5.1...5.4, 5.6);

на II стадии - гели на основе силиката натрия c коагуляторами и замедлителями сроков гелеобразования (табл. 5.5).

СХЕМА РАЗМЕЩЕНИЯ СКВАЖИН

Рис. 2.5

Рис. 2.6

Рис. 2.7

2.16. Начальную концентрацию упрочняющих составов назначают в зависимости от величины удельного водопоглощения, определяемого до начала работ на данном интервале (табл. 2.4).

Таблица 2.4

2.17. Удельное водопоглощение определяют на каждой интервале перед нагнетанием. Для этого при постоянных давлениях и расходе нагнетают в испытываемый интервал скважины воду в течение 5...10 минут. Значения удельного водопоглощения рассчитывают по формуле:

                                                                                                                     (7)

где Q_в - расход воды, л/мин;

L_и - протяженность испытываемого интервала, м;

ΔР_в - давление в скважине, м. вод. ст.

ΔР_в = Р_н - Р_пот - Р_г,                                                                                   (8)

где Р_н - давление на насосе, МПа:

Р_пот - потери давления в трубопроводе, МПа;

Р_г - гидростатический напор подземных вод, МПа.

Испытания проводят по сокращенной программе (на 1 режиме)

при ΔР_в > Р_г . где Р_г - напор подземных вод, м. вод. ст.

3. ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ ПО УПРОЧНЕНИЮ ГРУНТОВ

3.1. Упрочнение грунтов из забоя проводимой выработки выполняют в том случае, если размеры поперечного сечения выработки позволяют разместить буровое и инъекционное, оборудование. В выработках со значительной высотой, например тоннеле, работы по упрочнению ведут одновременно в двух уровнях, устраивая для этого специальные площадки на уступах.

Если невозможно отодвинуть от забоя горнопроходческое оборудование, инъекционные работы ведут из камер, сооружаемых либо в боковых стенках, либо в кровле проводимых выработок.

Для проведения заблаговременного упрочнения грунтов инъекционные работы ведут из камер, сооружаемых в близлежащих выработках.

В этом случае удается избежать нежелательных остановок горнопроходческих работ.

3.2. Состав работ по упрочнению грунтов следующий;

- сооружение бетонной, предохранительной грунтовой либо комбинированной перемычки;

- разметка передней стенки перемычки под установку кондукторов;

- установка кондукторов, их закрепление в скважинах;

- монтаж устьевого оборудования;

- обработка контакта бетонная перемычка - грунт и укрепление грунтового целика твердеющими составами;

- бурение инъекционных скважин;

- промывка инъекционных скважин;

- определение удельного водопоглощения;

- приготовление и нагнетание твердеющих составов;

- бурение контрольных скважин;

- проведение работ по определению качества упрочнения грунтов.

3.3. Бетонные и грунтовые перемычки служат при проведении инъекционных работ в качестве пригруза.

На Северо-Муйском тоннеле инъекционные работы ведут с использованием бетонных перемычек. Бетонные перемычки сооружают в тех случаях, когда грунты невозможно использовать в качестве предохранительных целиков из-за низкой устойчивости.

3.3.1. Бетонные перемычки сооружают из бетона марки не ниже 300.

При приготовлении бетона желательно использовать быстротвердеющие марки цемента, либо вводить в его состав активные добавки - жидкое стекло, хлористый кальций в количествах до 3 % от веса цемента.

3.3.2. Порядок возведения бетонных перемычек следующий: перед грунтовым целиком по периметру выработки выполняют вруб глубиной до 0,5 м, возводят опалубку и бетоноукладчиками типа "Скрю-Крит" или другими укладывают бетон. Пол инъекционной камеры выравнивают бетоном для удобства маневрирования буровой машиной и для точной установки шпинделя буровой машины по направлению бурения скважин. После устройства инъекционной камеры осуществляют разметку мест установки кондукторов. Разметку выполняет маркшейдерская служба тоннельных отрядов. Бурят скважины нужной длины под установку кондукторов, устанавливают в них кондукторы и герметизируют составами в соответствии с табл. 5.1. На каждом кондукторе прикрепляют табличку с присвоенным этой скважине номером.

Затем перебуривают грунтовый целик и упрочняют его твердеющими составами по табл. 5.2. При прорывах растворов через перемычку для ликвидации выходов использовать растворы табл. 5.7. Обработку инъекционными составами целика осуществляют под давлением до 1,0 МПа в направлении снизу вверх по высоте выработки через все инъекционные скважины.

После упрочнения грунтового целика осуществляют гидравлическое испытание кондукторов избыточным давлением, превышающим в 1,5 раза максимальное рабочее давление.

3.4. Для бурения скважин при упрочнении грунтов инъекцией твердеющих составов применяют оборудование, приведенное в таблице 6.1.

3.4.1. Бурение инъекционных скважин осуществляется вращательным или ударно-вращательным способом сплошным забоем.

3.4.2. Инъекционные скважины бурят вкрест простирания основной системы трещин для обеспечения качественной обработки неустойчивых грунтов инъекционными растворами.

3.4.3. При производстве инъекционных работ применяют следующие основные конструкции скважин:

- труба-кондуктор Æ 89... 114 мм длиной 2...2,5 м;

- рабочая часть скважины Æ 65...89 мм.

3.4.4. В качестве промывочной жидкости используют, как правило, техническую воду.

3.4.5. Технологические параметры режимов бурения инъекционных скважин выбирают в зависимости от конкретных горно-геологических условий, диаметра бурения, типа долота, глубины скважины и применяемого бурового оборудования.

3.4.6. При бурении скважин по грунтам с напорными водами на кондукторы скважин устанавливают запорную арматуру, предохраняющую от прорывов воды и обводненных грунтов в выработку.

3.4.7. Для уточнения направления и размеров трещин, а также физико-механических свойств упрочняемых грунтов, (гранулометрического состава, прочностных характеристик, плотности, влажности и т.п.) часть инъекционных скважин (до 5 % от их числа) рекомендуется бурить с отбором керна.

3.4.8. Рекомендуется принимать следующий порядок ведения работ:

- бурение и обработка грунтов через скважины последовательными заходками определенной длины в трещиноватых скальных и дезинтегрированных грунтах;

- бурение и обработка грунтов заходками, длина которых выбирается в зависимости от уменьшения проницаемости, достигнутого в результате инъекции упрочняющих составов, проведенной на предыдущих скважинах (см. п. 2.14).

3.5. По окончанию бурения скважины готовят к инжектированию. Подготовка включает следующие виды работ:

- промывку скважин от бурового шлама, осуществляемую нагнетанием воды насосами до появления на устье скважины чистой воды;

- замер водопритока из скважины и определение удельного водопоглощения;

- химическая обработка скважин, которую рекомендуется применять при наличии весьма неустойчивых грунтов. Она осуществляется двухрастворной силикатизацией, т.е. путем последовательного нагнетания водных растворов жидкого стекла и хлористого кальция плотностью 1,05...1,10 и 1,01...1.05 г/см³ соответственно.

3.6. Приготовление твердеющих составов осуществляется на месте проведения работ специальными комплексами по приготовлению (табл. 6.2).

Порядок приготовления исходного цементного раствора следующий; в смеситель заливают воду, добавляют при непрерывном перемешивании расчетное количество цемента. Время перемешивания 5...10 минут.

Порядок приготовления цементно-бентонитового раствора: в смеситель заливают воду и постепенно загружают расчетное количество бентонитового порошка, а затем расчетное количество цемента при постоянном перемешивании. Время перемешивания, как правило, 5...10 минут. Готовый раствор переливают в расходную емкость.

Цементно-силикатные растворы получают либо путем добавления в цементный раствор расчетного количества жидкого стекла для нагнетания по однокомпонентной схеме (табл. 5.1...5.3), либо путем нагнетания цементного и силикатного растворов определенной плотности (табл. 5.4...5.7) по двухлинейной схеме. Перемешиваются компоненты в атом случае в гидравлическом смесителе, смонтированном на устье скважины.

Для ликвидации прорывов применяют твердеющие составы с малым временем гелеобразования. Приготовление состава аналогично приготовлению цементно-силикатного раствора, нагнетаемого по двухлинейной схеме (отличие в том, что в цементный раствор добавляют расчетное количество хлористого кальция (табл. 5.7).

3.7. Нагнетание упрочняющих составов.

3.7.1. Осуществляют по одно - или двухлинейной схемам. По однолинейной схеме нагнетают составы со сравнительно длительным временем гелеобразования (более 1,5-2 часов), по двухлинейной схеме нагнетают быстросхватывающиеся составы двумя насосами или одним двухкамерным насосом.

3.7.2. Цементные растворы нагнетают по зажимной и полуциркуляционной схеме. Первую схему принимают при наличии насосного оборудования c плавно регулируемой производительностью.

3.7.3. Упрочнение грунтов следует начинать с нижних скважин, постепенно переходя к вышерасположенным, постепенно сближая инъектируемые скважины.

Каждый последующий ряд инъекционных скважин должен рассматриваться как контрольный по отношению к предыдущему, что на практике позволяет зачастую сокращать количество скважин.

3.7.4. Нагнетание упрочняющих составов осуществляют сразу после гидроопробования скважин. Начинают нагнетание с растворов низких концентраций (табл. 2.4.).

3.7.5. Инъекционные растворы нагнетают при постоянном расходе. Состав раствора при этом не меняют, если давление нагнетания увеличивается.

Порядок перехода на растворы различной консистенции и на режимы, отличающиеся от первоначального, приведены в табл. 3.1.

Если при нагнетании упрочняющих составов с начальной концентрацией в течение 25...30 мин давление не повышается или расход при постоянном давлении не снижается, концентрацию растворов повышают на одну ступень и повторяют эту операцию до тех пор, пока не будет достигнуто повышение давления при постоянном расходе, либо снижение расхода при постоянном давлении.

Изменение концентрации на несколько ступеней применяют в случае резкого повышения или снижения поглощающей способности скважины.

3.7.6. Упрочнение неустойчивых грунтов зон разломов Северо-Муйского тоннеля (или подобных им) рекомендуется проводить в 2 этапа. На первом этапе применяют растворы на основе цемента с инертными (песок, бентонит и т.п.) и активными (жидкое стекло, хлористый кальций и т.п.) добавками. После окончания работ I этапа осуществляют упрочнение грунтов гелями - растворами на основе жидкого стекла с коагулянтами и регуляторами времени гелеобразования (II этап).

3.7.7. Нагнетание на каждом из этапов ведут до давления отказа. За давление отказа принимают значение конечного давления по проекту при расходе 5...10 л/мин.

3.7.8. После достижения давления отказа скважины выдерживают под давлением в течение не менее 0,5...1,0 часа.

3.8. В случае, когда установленного давления нагнетания достичь нельзя, скважины внутренних рядов армируют металлической арматурой и заполняют их цементным раствором с В:Ц = 1,0.

3.9. Контроль качества выполненных работ осуществляют после завершения инъекционных работ путем геофизических и гидродинамических исследований упрочненного массива в контрольных скважинах, а также испытаний на устойчивость стенок скважин.

3.9.1. Из геофизических методов определения изменения свойств грунтов в результате их упрочнения рекомендуется применять сейсмическое прозвучивание массива с использованием аппаратуры СНЦ-1 по стандартной методике. Результаты упрочнения следует считать удовлетворительными при улучшении показателей динамического модуля Юнга и коэффициента Пуассона в 1,2 и более раза.

3.9.2. Гидродинамические испытания состоят из определения остаточных водопритоков из скважин и удельного водопоглощения.

Остаточные водопритоки не должны превышать значений 0,5 л/мин на один метр длины скважины, а удельное водопоглощение - на более 0,01 л/мин. м. м для выработок с несработанными запасами подземных вод, например РТДШ, и 0,02 л/мин. м. м для выработок с пониженным в результате дренажа до 0,5...0,6 МПa напором подземных вод (в тоннеле).

Удельное водопоглощение при контроле качества определяют на 4,5 ступенях давления, из которых 3,4 - при повышении и 1,2 - при понижении давления. Первая ступень должна быть на 0,5...1,0 МПа выше гидростатического напора подземных вод, каждая последующая - на 0,5 МПа выше первой. Гидростатический напор подземных вод определяют экспресс-методом, для чего воду в скважину нагнетают под давлением более высоким, чем гидростатический напор, а затем наблюдают его восстановление. Значение восстановившегося давления и есть гидростатический напор подземных вод.

3.9.3. Стенки контрольных скважин считают устойчивыми при отсутствии обрушений в них в течение 24 часов после окончания их бурения.

3.9.4. Количество контрольных скважин назначают из расчета 7-10 % от числа инъекционных скважин.

3.9.5. Контрольные скважины бурят в зоны с более высокими значениями удельного водопоглощения и удельными водопритоками по сравнению с другими зонами упрочненных грунтов.

Таблица 3.1

Перед нагреванием раствора производить гидроопробование с избыточным давлением 10 кг/см² (давление грунтовых вод + 10 кг/см³) в течение не менее 3 мин с момента стабилизации давления.

Начальную рецептуру растворов назначают, исходя их расхода при гидроопробовании и дебита скважины в интервале зоны закрепления.

4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ СОСТАВОВ

4.1. При упрочнении грунтов инъекцией твердеющих составов на основе цемента применять цементы марки не ниже 300, отвечающие требованиям государственных стандартов: тампонажный, шлакопортландцемент, сульфатостойкий, пластифицированный.

При наличии агрессивных грунтовых вод должны применяться стойкие по отношению к ним цементы:

4.1.1. При выщелачивающей, углекислотой и кислотной агрессивности рекомендуется применять пуццолановый цемент или шлако-портландцемент.

4.1.2. При наличии сульфатной агрессивности - применять сульфатостойкий портландцемент или сульфатостойкий пуццолановый портландцемент.

4.2. Цемент, поступающий из расходного склада, должен подвергаться испытаниям не реже I раза в месяц. При этом должны быть проверены: тонкость помола, плотность цемента, сроки схватывания - по ГОСТ 310.2-76.

4.3. Непригодным к использованию является цемент, осадок которого из раствора В:Ц = 1 при температуре 20 °С имеет сроки схватывания более 48 часов.

4.4. Применяемые для приготовления инъекционных составов бентонитовые глины должны отвечать требованиям ТУ-34-01-08-658-81.

4.5. Песок, применяемый для приготовления упрочняющих составов должен иметь следующий гранулометрический состав:

- крупность зерен песка, мм 1...0.5; 0,5...0,25; 0,25...0,1; до 0,1;

- процентное содержание 1,5...2,0; 40...50; 40...45; 5...10

Таблица 4.1

5. УПРОЧНЯЮЩИЕ СОСТАВЫ

5.1. При упрочнении неустойчивых грунтов Северо-Муйского тоннеля применяют простые (цементные) и многокомпонентные упрочняющие составы.

Упрочняющие составы на основе цемента (табл. 5.1...5.4, 5.6) применяют на I стадии упрочнения грунтового массива. Цель их применения - заполнение крупных (более 1 мм) естественных и техногенных трещин и создание трещин гидроразрыва.

Упрочняющие составы на основе жидкого стекла (табл. 5.5) применяют на II стадии упрочнения грунтов, т.е. после нагнетания составов на основе цемента для заполнения тонких (до 1 мм) трещин и пор и придания массиву водонепроницаемости.

При наличии прорывов раcтворов в близлежащие горные выработки или в выработку, из которой ведут нагнетание, применяют для их ликвидации растворы табл. 5.7.

5.2. При упрочнении грунтов необходимо вести систематический контроль свойств твердеющих составов.

5.2.1. При поступлении новых партий и типов исходных материалов лабораториями организации-исполнителя осуществляется определение следующих характеристик твердеющих составов: плотности, расплыва, условной вязкости, водоотделения, время схватывания, прочности на сжатие, структурной прочности, вязкости (табл. 5.1.... 5.7).

5.2.2. Непосредственно на объекте в течение смены осуществляется контроль за правильностью дозировки исходных компонентов, контроль за плотностью и вязкостью исходных растворов, временем схватывания твердеющих составов.

5.2.3. Пробы для контроля свойств исходных компонентов отбираются на пункте приготовления растворов, а упрочняющих составов - у устьев скважин, что дает возможность получить характеристики смесей после их перемешивания при прохождении через насосы и раствороводы.

При раздельном нагнетании компонентов упрочняющих составов со сроками схватывания, исчисляющимися в минутах, составы получают путем смешения компонентов, отобранных на пункте приготовления растворов.

5.2.4. Количество проб должно быть из расчета 1 проба на каждый тип раствора при объемах нагнетания до 10 м³, при объемах нагнетания свыше 10 м³ - 1 проба на 10 м³ упрочняющего состава.

5.2.5. При наличии отклонений свойств исходных композитов и готовых смесей от заданных необходимо остановить работы, провести контроль качества исходных материалов и внести необходимые изменения в состав исходных компонентов.

 

Растворы, нагнетаемые по однолинейной схеме

Таблица 5.1

ЦЕМЕНТНЫЕ РАСТВОРЫ

Примечание. Растворы таблицы 5.1 предназначены для укрепления грунтов разломов

ЦЕМЕНТНО-СИЛИКАТНЫЕ РАСТВОРЫ

Таблица 5.2

Примечание: Растворы таблицы 5.2 предназначены для укрепления грунтов разломов

ЦЕМЕНТНО-БЕНТОНИТОВЫЕ РАСТВОРЫ

Таблица 5.3

Примечание: Растворы таблицы 5.3 предназначены для обработки грунтов разломов

РАСТВОРЫ, НАГНЕТАЕМЫЕ ПО ДВУХЛЕНЕЙНОЙ СХЕМЕ

ЦЕМЕНТНО-СИЛИКАТНЫЕ РАСТВОРЫ

Таблица 5.4

Примечание. Растворы таблицы 5.3 предназначены для обработки зоны контактов и укрепления грунтов разломов

СИЛИКАТНЫЕ PAСTВОРЫ

Таблица 5.5

ЦЕМЕНТНО-БЕНТОНИТОВО-СИЛИКАТНЫЕ РАСТВОРЫ

Таблица 5.6

Примечание: Растворы таблицы 5.6 предназначены для обработки зон разломов.

БЫСТРОСХВАТЫВАЮЩИЕСЯ РАСТВОРЫ

Таблица 5.7

6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ ПО УПРОЧНЕНИЮ ГРУНТОВ

6.1. Общие требования.

6.1.1. При проведении работ по упрочнению неустойчивых грунтов на Северо-Муйском тоннеле применяют серийно изготовленное отечественной промышленностью и поставляемое иностранными фирмами буровое, насосное, растворосмесительное оборудование, а также запорную арматуру, шланги, трубы и контрольно-измерительные приборы.

6.1.2. Комплекты применяемого для упрочнения грунтов оборудования должны обеспечивать наименьшее загромождение выработки, удобство транспортировки, монтажа, демонтажа и безопасное обслуживание машин и механизмов.

6.1.3. Буровое оборудование должно обеспечивать бурение скважин диаметром до 140 мм и глубиной до 50...60 и с высокими скоростями.

6.1.4. Оборудование для нагнетания твердеющих смесей должно удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивать плавное регулирование давления в диапазонах 3...200 МПа и подачу в пределах 0...60 л/мин;

- обеспечивать возможность раздельной подачи компонентов к устьевому смесителю;

- устойчиво и длительно работать при нагнетании широкого диапазона твердеющих смесей, обладающих абразивным действием;

- должны иметь конструкцию, обеспечивающую возможность легкой замены быстроизнашивающихся деталей и узлов.

6.1.5. Смесительное оборудование должно обеспечивать быструю и точную дозировку исходных материалов и тщательное их перемешивание.

6.1.6. Оборудование для доставки материалов должно обеспечивать:

- сохранность транспортируемых материалов;

- быструю доставку их к месту проведения работ;

- быструю погрузку и выгрузку материалов.

6.1.7. Запорная арматура, шланги, трубопроводы должны обеспечивать герметичность, иметь достаточную прочность и должны обеспечивать возможность быстрого монтажа и демонтажа нагнетательных линий.

6.1.8. Контрольно-измерительные приборы должны быть:

- надежными в работе;

- обеспечивать непрерывность контроля процессов;

- обеспечивать необходимую точность измерений параметров: давления - и более ± 0,2 МПа, расхода - не более ± 1 л/мин.

6.2. Для бурения скважин применяют оборудование, приведенное в табл. 6.1.

6.3. Для приготовления инъекционных составов и их компонентов применяют оборудование, приведенное в табл. 6.2.

6.4. Инъекцию в грунт твердеющих составов осуществляют оборудованием, приведенным в табл. 6.3.

6.5. При бурении скважин устья их оборудуют кондукторами, шлюзовыми камерами с отводным патрубком и задвижкой (или краном) для отвода воды при высоких значениях гидростатического напора подземных вод или превенторами.

При нагнетании твердеющих составов по двухлинейной схеме на устье скважин монтируют смесительные камеры М3-200 или лабиринтные смесители.

Для монтажа раствороводов применяют напорные рукава, приведенные в таблице 6.4.

6.6. Оборудование для доставки материалов.

Для доставки материалов к месту производства работ используются:

Таблица 6.1

БУРОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Примечание. В комплект буровой установки "Солетанш" входит рама и буровой насос РН-15.

В комплект буровой установки "Кокен-Боринг" входит рабочая платформа ТЕН-25-05 и буровой насос

СМЕСИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Таблица 6.2

Примечание. * Смеситель со встроенным центробежным насосом мощностью 15 квт.

** - Смеситель с верхней и нижней емкостью».

*** - Спаренный смеситель.

НАСОСНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Таблица 6.3

Примечание.* Насосы 9МГР и КМ-9Т для бесступенчатой регулировки оборудованы гидрореостатом.

Насос КМ-9Т модернизирован на 2-х компонентное нагнетание.