СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ В СТРУКТУРНО-НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТАХ С КАРСТОВЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ И/ИЛИ СУФФОЗИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ
ERECTION OF TUNNELS IN STRUCTURALLY UNSTABLE SOILS WITH KARST PHENOMENA AND/OR BOIL PROCESSES

Предлагаемое изобретение относится к горной промышленности и подземному строительству, в частности к области тоннелестроения, и может быть использовано при сооружении тоннелей метрополитенов, автодорожных и железнодорожных тоннелей и подземных выработок в слабоустойчивых грунтах и грунтах с карстовыми явлениями и/или суффозионными процессами, а также в обводненных грунтах при потоках воды в зоне забоя.
Известны способы сооружения тоннелей щитовым методом, характеризующиеся использованием в забое тоннеля проходческого щита, под защитой которого выполняют разработку и уборку грунта, крепление забоя и возведение обделки. При сооружении тоннелей в неустойчивых грунтах проходческие операции предваряются работами по защите забоя от выпуска грунта, в результате которого может создаваться аварийная ситуация (обрушение забоя, затопление тоннеля, образование провалов поверхности и разрушение зданий). Разработка и крепление забоя зависят от характера и состояния неустойчивых грунтов, их обводненности. В обводненных грунтах применяют устанавливаемые в ячейках щита дополнительные короткие диафрагмы, которые в опорном кольце щита образуют своего рода гидравлический затвор при прорыве воды в забой (1).
Однако известные методы щитовой проходки тоннелей не решают проблем последующей защиты тоннелей от процессов, происходящих в слабоустойчивых и обводненных грунтах и грунтах с карстовыми явлениями и суффозионными процессами, что может привести к обрушению грунта над и под тоннелем при его эксплуатации.
Известен также способ сооружения подземной выработки при щитовой проходке с использованием элементов сборной кольцевой железобетонной, чугунной или из любого другого материала обделки, включающий разработку грунта механизированным щитом, тампонаж заобделочного пространства через отверстия в элементах сборной кольцевой обделки тампонажным раствором, при этом заполнение части заобделочного пространства на длине 0,25-0,75 длины элемента сборной кольцевой обделки за первым после щита кольцом обделки ведется тампонажным раствором с длительным сроком схватывания, следующий этап разработки на длине 0,5-1 длины элемента сборной кольцевой обделки ведется с подачей в заобделочное пространство смеси тампонажного раствора с ускорителем схватывания, а вслед за этим на этапе технологической остановки щита для монтажа следующего кольца обделки давление тампонажного раствора в заобделочном пространстве за первым после щита кольцом обделки поддерживают путем подачи тампонажного раствора с длительным сроком схватывания в зону участка заобделочного пространства, первоначально заполненного тампонажным раствором с длительным сроком схватывания. Известный способ сооружения подземной выработки при щитовой проходке с использованием элементов сборной кольцевой обделки наиболее успешно может быть применен в сложных гидрогеологических условиях заложения тоннеля, характеризующихся на отдельных участках наличием грунтовых вод, а также зон тектонической трещиноватости (2).
Использование в качестве тампонажного раствора долгосхватывающихся смесей в сильно обводненных грунтах и грунтах с суффозионными процессами может привести к их повышенному расходу из-за вымывания смесей грунтовыми водами. Кроме того, известный способ не решает проблем безопасности эксплуатации подземной выработки.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому способу является способ сооружения тоннелей глубокого заложения в слабоустойчивых грунтах, включающий сооружение опережающей крепи в виде нарезанной по контуру забоя щели, заполненной бетонным раствором, под ее защитой монтаж постоянной обделки и разработку породы забоя, при этом щель с заданными параметрами нарезают секторами, поочередно с каждой стороны от центрального породного целика, с одной стороны - от линии пят свода до целика, с другой - от целика до линии пят свода, в нарезанную по обе стороны от целика щель со стороны щелережущего рабочего органа устанавливают разделительную, а по торцу щели - торцевую пневмоопалубку, щель заполняют бетонным раствором, с интервалом времени, необходимым для схватывания бетона, нарезают щель в центральном породном целике и заполняют ее бетонным раствором, сооружая таким образом опережающую крепь с превышением ею контура обделки на величину монтажного зазора, под защитой ранее сооруженной опережающей крепи монтируют постоянную обделку, затем с интервалом времени, необходимым для набора прочности бетона вновь сооруженной опережающей крепи, в верхней части забоя щелережущего рабочим органом разрабатывают породу на одну заходку, причем нарезание щели и разработку породы забоя ведут щелережущим органом, установленным перед подачей на забой с заданным углом резания (3).
Недостатком известного способа является невозможность последующей защиты самих тоннелей и окружающих их массивов грунта от процессов, происходящих в структурно-неустойчивых и обводненных грунтах и грунтах с карстовыми явлениями и суффозионными процессами. Кроме того, при нарезании щелей известным способом в грунтах с карстовыми образованиями и суффозионными процессами возможно попадание контура щелей в карстовые пустоты, в грунты, ослабленные суффозионными процессами, и формирование крепи с использованием пневмоопалубки потребует дополнительных мероприятий по укреплению грунтов, что приведет к резкому удорожанию строительства.
Технической задачей, решаемой заявляемым способом сооружения тоннелей, является формирование в структурно-неустойчивых грунтах с карстовыми явлениями и суффозионными процессами геомассива, способного удерживать забой и прилегающие к контуру забоя грунты от обрушения.
Техническим результатом при использовании заявляемого способа является формирование опережающей крепи по контуру забоя в структурно-неустойчивых грунтах и грунтах с карстовыми явлениями и суффозионными процессами и повышение надежности массива грунта, в котором предстоит прокладка тоннеля.
Указанный результат обеспечивается тем, что в способе сооружения тоннелей в структурно-неустойчивых грунтах с карстовыми явлениями и суффозионными процессами, включающем сооружение опережающей крепи по контуру забоя, согласно изобретению по контуру забоя, включающего слабоустойчивые грунты с карстовыми явлениями и/или суффозионными процессами, образуют скважины первого типа, в каждую из которых вводят инъекторы и инъектируют твердеющий раствор у основания скважин, формируя вокруг контура забоя первый контур крепи хотя бы в один слой из твердых элементов и уплотненного грунта между ними, при этом скважины первого типа располагают таким образом, чтобы при инъектировании твердеющего раствора между соседними скважинами образовывались пересекающиеся зоны уплотненного грунта, при этом расстояние между соседними скважинами составляет не менее 2 м, далее после набора прочности твердыми элементами вокруг первого контура крепи образуют скважины второго типа, в которых посредством инъекторов инъектируют твердеющий раствор в стенки скважин, формируя по высоте забоя оградительный массив из одного или нескольких рядов пересекающихся по горизонтали твердых элементов; затем выполняют третий тип скважин, нижние основания которых располагают по воображаемой цилиндрической или эллипсоидной поверхности над зоной забоя и под ней, в которые также посредством инъекторов нагнетают твердеющий раствор в слои грунта, расположенные ниже оснований скважин третьего типа, формируя над зоной забоя и под ней цилиндрический или эллипсоидный свод из одного или более слоев пересекающихся по горизонтали плоскопараллельных твердых элементов с образованием геомассива по контуру забоя, при этом воображаемая цилиндрическая или эллипсоидная поверхность над зоной забоя и под ней, по которым располагают скважины третьего типа, выходит за зону, охватываемую скважинами второго типа, и формирование цилиндрических или эллипсоидных сводов над верхней и под нижней зоной забоя из плоскопараллельных твердых элементов ведут одновременно во все стороны от точки свода с максимальной или минимальной глубиной залегания до наивысшей или наинизшей точки свода, далее дополнительно уплотняют грунт над указанными твердыми элементами посредством выполнения скважин четвертого типа и нагнетания твердеющего раствора сверху вниз или снизу вверх в естественные трещины и пустоты, образовавшиеся в процессе формирования геомассива, при этом в качестве твердеющего раствора используют песчано-цементные смеси и/или сырьевую смесь, содержащую кремнеземистый компонент, газообразователь, жидкое натриевое стекло и раствор гидрата окиси натрия, которые в грунтах с суффозионными процессами в скважинах первого и третьего типа, а также в скважинах второго типа в крайних рядах формируемого массива инъектируют в предварительно введенные в скважины гибкие оболочки, при этом нагнетание твердеющей смеси в скважинах первого, второго и четвертого типов ведут по высоте с шагом от 1 до 3 м, а в качестве кремнеземистого компонента в сырьевой смеси используют золу-унос с последовательным добавлением к ней извести-пушонки, газообразователя и стабилизатора смеси в виде древесного опила, причем в качестве газообразователя используют алюминиевый порошок марки ПАВ с размером частиц до 100 мкм и/или алюминиевую пудру.
Заявляемый способ сооружения тоннелей в структурно-неустойчивых грунтах с карстовыми явлениями и суффозионными процессами представлен последовательностью выполнения по контуру забоя скважин четырех типов, предназначенных для инъектирования в них твердеющего раствора для укрепления прилегающих к забою массивов грунта путем образования вокруг контура забоя опережающей крепи в виде геомассива, исключающего возможность обрушения забоя и прилегающих к нему грунтов. Формирование вокруг контура забоя опережающей крепи в виде геомассива из твердых элементов и уплотненного, с пересекающимися в вертикальной плоскости зонами, грунта между ними производит упрочнение неустойчивых грунтов с карстовыми процессами, обеспечивает обезвоживание прилегающих к контуру забоя обводненных грунтов и грунтов с суффозионными процессами, что повышает надежность дневной поверхности массива. При этом заданные заявленным способом условия выполнения и размещения скважин и условия инъектирования в них твердеющего раствора, в частности: скважин первого типа, в которых инъектирование твердеющего раствора ведется у основания скважины - для формирования первого контура крепи; скважин второго типа, в которых инъектирование твердеющего раствора ведется в стенки скважин - для формирования оградительного массива по высоте забоя; скважин третьего типа, в которых инъектирование твердеющего раствора ведется в грунт ниже основания скважин - для формирования сводов по воображаемой цилиндрической или эллипсоидной поверхности над забоем и под ним; и скважин четвертого типа, в которых инъектирование твердеющего раствора ведется в образовавшиеся трещины и пустоты - для укрепления грунтов над верхним сводом, обеспечивают формирование опережающей крепи в виде геомассива, обладающего повышенной надежностью и обеспечивающего последующую безопасность объектам, расположенным на дневной поверхности массива при сооружении под ними тоннеля и при его дальнейшей эксплуатации. При этом, благодаря использованию в качестве твердеющего раствора вместо или совместно с традиционными песчано-цементными растворами сырьевой смеси, содержащей кремнеземистый компонент, газообразователь, жидкое натриевое стекло и раствор гидрата окиси натрия, обеспечивается формирование алюмосиликатных твердых элементов в создаваемом геомассиве, которые характеризуются малым временем набора прочности и впоследствии не подвергаются разрушению суффозионными потоками, обеспечивается повышение надежности формируемого геомассива. В частности, формирование твердых элементов из сырьевой смеси с кремнеземистым компонентом в гибких оболочках, предварительно вводимых в скважины первого, третьего и в крайнем ряду скважин второго типа обеспечивает проектное, гарантированное формирование опережающей крепи по контуру забоя в ослабленных грунтах с карстовыми и/или суффозионными процессами, которая надежно защитит контур забоя от обрушения грунтов и прорыва грунтовых вод в забой, а последующее укрепление грунта над созданной крепью позволит исключить возможность последующих карстовых и суффозионных явлений в укрепленном массиве и обусловленных ими обрушений грунта. При этом использование гибких оболочек для формирования твердых элементов обеспечивает возможность использования традиционных песчано-цементных смесей и стабильность параметров получаемых твердых элементов и исключает размыв вводимой в грунт сырьевой смеси.
Пример выполнения опережающей крепи по контуру забоя прокладываемого в грунтах с карстовыми образованиями тоннеля поясняется эскизами.
На фиг.1 показан разрез массив грунта с карстовыми образованиями и суффозионными потоками с контуром забоя в нем.
На фиг.2 представлен разрез контура забоя со скважинами первого типа для формирования первого контура опережающей крепи в поперечном разрезе.
На фиг.3 представлен контур забоя с выполненным вдоль него оградительным массивом.
На фиг.4 приведен разрез контура забоя с опережающей крепью в виде геомассива.
Способ сооружения тоннелей в слабоустойчивых грунтах и грунтах с карстовыми явлениями и/или суффозионными процессами осуществлялся на опытной площадке следующим образом.
В результате проведенных предпроектных исследований массива грунта, в котором предполагалась прокладка тоннеля, выявлена характерная для грунтов с карстовыми процессами система зон повышенной трещиноватости, и в пересечениях нескольких трещин зарегистрированы купола обрушений 1 на глубине от 8 до 18 м в слоях водоносного грунта, обусловленных суффозионным вымыванием минералов грунта (Фиг.1).
Учитывая размеры обрушений 1 (более 1 м), согласно требованиям СП 11-105-97 т.П. т.5.1 массив грунта имеет V категорию устойчивости относительно интенсивности образования карстовых провалов, т.е. они являются потенциально опасными, поэтому массив грунта, в котором проходит контур забоя, подлежит упрочнению.
2
На укрепляемой опытной площадке, территория которой составляла не менее 1000 м, вдоль контура забоя были сформированы два ряда скважин 2 первого типа, расположенные на расстоянии друг от друга в ряду и между рядами не менее 2 м, в которые были введены инъекторы (на чертежах не показаны) для формирования первого контура крепи. Посредством инъекторов в нижней части скважин, у оснований, в гибкие оболочки 3 закачивали сырьевую смесь, в качестве кремнеземистого компонента в которой использовали золу-унос с последовательным добавлением к ней извести-пушонки, газообразователя и стабилизатора смеси в виде древесного опила, а в качестве газообразователя использовали алюминиевый порошок марки ПАВ с размером частиц до 100 мкм и/или алюминиевую пудру, формируя твердые алюмосиликатные элементы 4.
При использовании указанной сырьевой смеси для формирования твердых элементов в указанной последовательности в результате реакции с водными щелочными растворами выбранного газообразователя - алюминиевого порошка с размерами частиц от 50 до 100 мкм происходит выделение газообразного водорода, ведущее к бурному вспениванию реакционной массы и в течение короткого временного периода под защитой гибких оболочек 3 образуются алюмосиликатные элементы, характеризующиеся коротким периодом набора прочности, нерастворимые в водной среде даже при прорыве гибких оболочек. При этом реакция закачанной в гибкие оболочки сырьевой массы, содержащей кремнеземистый компонент с газообразователем, в качестве которого используют алюминиевые порошки, и с затворителем из жидкого натриевого стекла и раствора гидрата окиси натрия, сопровождается выделением большого количества тепла, что приводит к закипанию в объеме гибких оболочек 3 воды и резкому повышению давления, в результате чего создаются условия для уплотнения грунтов, попадающих в пространство между образующимися алюмосиликатными элементами. Расстояния между скважинами в рядах и между соседними рядами скважин 1 первого типа составили не менее 2 метров, что определено экспериментально и является достаточным для формирования пересекающихся по вертикали зон уплотненного грунта 5, образующихся вокруг каждого из твердых элементов 4.
По окончании формирования первого контура крепи из одного ряда (или, при необходимости, двух рядов) твердых алюмосиликатных элементов 4 и уплотненного грунта 5 между ними выполняли первый ряд скважин 6 второго типа (Фиг.2), начиная с крайнего от контура забоя ряда. В эти скважины также предварительно размещали гибкие оболочки 3 по высоте забоя с расстоянием между ними не менее 1 м (что также определено экспериментально) и в них закачивали сырьевую смесь, формируя оградительный ряд массива из твердых алюмосиликатных элементов 7, вокруг которых создаются зоны уплотненного грунта 8. После набора прочности элементами 7 выполняли второй, внутренний ряд скважин 9 второго типа и сырьевую смесь инъектировали в стенки скважин, формируя по высоте забоя твердые алюмосиликатные элементы 10, пересекающиеся в горизонтальной плоскости и по вертикали с твердыми алюмосиликатными элементами 7 скважин 6. Образующиеся вокруг твердых алюмосиликатных элементов 10 зоны уплотненного грунта 11 также пересекаются с зонами уплотненного грунта 8, формируя массив, непроницаемый для грунтовых вод.
Далее на территории площадки над контуром забоя на расстоянии в рядах и между рядами не менее трех метров выполняли скважины третьего типа 12 (Фиг.3), располагая их основания по воображаемой цилиндрической или эллипсоидной поверхности над зоной забоя, на высоте, выходящей за зону уплотненного грунта 5, сформированного в первом контуре крепи, чередуя глубину скважин в рядах так, чтобы их основания формировали два слоя воображаемой цилиндрической или эллипсоидной поверхности. Между скважинами 12 располагали скважины третьего типа 13, основания которых располагали также в два слоя по воображаемой цилиндрической или эллипсоидной поверхности под контуром забоя ниже зоны уплотненного грунта первого контура крепи. При этом ширина площади, охватываемая скважинами третьего типа 12 и 13, была больше расстояния между крайними рядами скважин 6 оградительного массива, сформированного вдоль контура забоя. В скважины третьего типа 12 и 13 посредством инъекторов сырьевую смесь инъектировали в грунт ниже оснований скважин, формируя над контуром забоя и под ним в два слоя своды из пересекающихся в горизонтальной плоскости твердых элементов 14. Формирование сводов над верхней и под нижней зоной забоя из плоскопараллельных твердых элементов, располагающихся по воображаемым цилиндрической или эллипсоидной поверхности, вели подачей раствора одновременно во всех скважинах третьего типа во все стороны от точки свода с максимальной глубиной - в нижнем своде или минимальной глубиной залегания - в верхнем своде до наивысшей или наинизшей точки свода соответственно. При этом в верхнем своде над зоной забоя, образованном основаниями скважин 12, и в нижнем своде под зоной забоя, образованном основаниями скважин 13, инъектирование сырьевой смеси производили в гибкие оболочки. После набора прочности сформированными плоскопараллельными элементами 14 и извлечения из скважин инъекторов контур забоя проходили щитовым методом. Над сформированным верхним сводом из твердых элементов 14, между которыми также формировались зоны 15 уплотненного грунта, после набора прочности плоскопараллельными элементами 14 в массиве грунта над контуром забоя выполняли скважины 16 четвертого типа и, инъектируя сырьевую смесь в стенки скважин, производили заполнение уже имеющихся и образовавшихся в процессе формирования крепи трещин и пустот формируемыми в них твердыми элементами 17, создавая геомассив повышенной прочности.
В качестве твердеющей смеси для формирования опережающей крепи в виде геомассива на некотором отрезке контура забоя использовался также песчано-цементный раствор, закачиваемый в гибкие оболочки. Однако использование песчано-цементного раствора требовало больших энергетических затрат на подачу раствора в инъекторы для формирования твердых элементов и зон уплотненного грунта вокруг образующихся твердых элементов, а набор прочности последними требовал большего времени, что удлиняло общее время формирования геомассива. Использование предлагаемой сырьевой смеси, содержащей кремнеземистые компоненты, обеспечило ряд преимуществ: образование алюмосиликатных твердых элементов, сопровождаемое выделением воды и ее закипанием, создавало большее усилие воздействия на грунт вокруг образующихся твердых элементов без дополнительных энергетических затрат и сокращалось время формирования опережающей крепи
Благодаря формированию многослойной опережающей крепи вокруг контура забоя из пересекающихся в вертикальной и горизонтальной плоскостях твердых алюмосиликатных элементов и зон уплотненного грунта между ними, расположенных вокруг контура забоя и упрочнению грунта над контуром забоя, и благодаря использованию для укрепления грунта предлагаемой сырьевой смеси создается монолитный геомассив, обеспечивающий повышение надежности структурно-неустойчивых грунтов и грунтов с карстовыми явлениями и/или суффозионными процессами. При этом достигается значительный экономический эффект, обусловленный использованием дешевого сырья для приготовления сырьевой смеси и снижением энергетических затрат на введение сырьевой смеси через инъекторы в скважины различного типа и в грунт.
Источники информации
1. Филиппов И.И. Тоннели, сооружаемые щитовым и специальными способами. Учебное пособие, М.: РГОТУПС, 2004 г., стр.3, 176-179.
2. Описание к патенту №2476675 по заявке №2011110274/03 от 18.03.2011 на изобретение «Способ сооружения подземной выработки при щитовой проходке тоннеля», опубликовано 27.02.2013 г.
3. Описание к патенту РФ №2096621 на изобретение «Способ сооружения тоннелей глубокого заложения в слабоустойчивых грунтах» по заявке №96101124, опубликовано 20.11.1997 г.