СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО И НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО ГРУНТОГЛИНИСТОГО ЭЛЕМЕНТА МЕТОДОМ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
METHOD FOR PRODUCING HORIZONTAL AND OBLIQUE GROUND-CLAY ELEMENT BY MIXING METHOD

Область техники
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности, к созданию противофильтрационных завес в грунтовых массивах для локализации и предотвращения миграции загрязняющих веществ из заглубленных, подземных и надземных объектов накопления (бассейнов, амбаров, хранилищ, резервуаров, емкостей, бункеров, полигонов, зданий и сооружений) и захоронения отходов различного класса.
Предшествующий уровень техники
Для устройства противофильтрационных завес и экранов широко известны конструкции с применением буроинъекционных свай, например, противофильтрационная защитная конструкция, которая включает выполненные в грунте на расстоянии друг от друга буроинъекционные сваи, раскрытая в патенте RU 2211283, опубликованном 27.08.2003. Сваи выполняют путем погружения в грунт тела вращения, затем в устье образованной скважины с вставленным телом вращения подают закрепный и/или противофильтрационный материал и производят вывинчивание тела вращения на дневную поверхность за счет его обратного вращения.
Недостатками свайных конструкций являются потребность в мощной технике с рабочей массой более 50 т для устройства свай, а также динамические воздействия на объекты, расположенные в зоне работы такой техники. Также, невозможно выполнять работы в условиях склонов, на скальных грунтах.
Из уровня техники также известна технология создания противофильтрационных завес из грунто-цементных свай/элементов с применением технологии струйной цементации «Jet-grouting» и аналогичных с применением твердеющих противофильтрационных агентов.
В патенте RU 2467126, опубликованном 20.11.2012, описывается способ устройства сваи, которую выполняют в два приема - прямого и обратного хода буровой колонны. Во время прямого хода производят бурение скважины. Буровой раствор поступает через открытый прямой клапан в буровой наконечник для удаления шлама в процессе бурения. В качестве бурового раствора используется вода, бентонитовый или цементный раствор. При обратном ходе буровой колонны с одновременным подъемом и вращением буровой колонны в сопла, расположенные на нижнем конце буровой колонны, под высоким давлением подают рабочую бетонную смесь с равномерно распределенным по объему смеси армирующим наполнителем, вес которого составляет от 1 до 4% от общего веса формируемой грунтобетонной сваи.
Также известен патент RU 2375580, опубликованный 10.12.2009, в котором описан способ сооружения подземной непроницаемой завесы, включающий проходку вертикального ствола, бурение из него горизонтальных скважин, нагнетание в них закрепляющих и твердеющих растворов. В зоне необходимого пересечения водоносного горизонта или рядом с подземным техногенным процессом дополнительно сооружают вертикальные стволы, соединяют их между собой рядами горизонтальных скважин, которые располагают в вертикальной плоскости одна над другой, затем, нагнетая в них твердеющий раствор, образуют подземную непроницаемую завесу, перекрывающую водоносный горизонт от верхнего до нижнего водоупора или зону распространения подземного техногенного процесса. Завесу выполняют из двух, трех и более вертикальных рядов скважин. Полученная таким образом завеса, перекрывающая в подземных условиях только толщину водоносного горизонта, а не глубину от дневной поверхности до нижнего водоупора, позволяет уменьшить материальные затраты, снизить трудоемкость изготовления завесы, сократить сроки возведения завесы, а также расширить зону применяемости данной завесы.
К недостаткам данной технологии относятся: применение в качестве противофильтрационного агента твердеющих материалов, в которых на разных этапах твердения и эксплуатации идут усадочные процессы, что приводит к образованию объемных трещин, а также наличие «холодных» швов в теле завесы. Твердеющие материалы бетоны/растворы имеют высокий коэффициент фильтрации вследствие смешивания с грунтовой водой и изменении водоцементного отношения, что приводит к неконтролируемым изменениям качества противофильтрационного агента.
Раскрытие изобретения
-10
-11
Задачей заявленного изобретения является создание наклонных и горизонтальных долговечных элементов противофильтрационного экрана (грунтоглинистого элемента) с коэффициентом фильтрации в диапазоне 1×10 - 1×10 м/с, с применением которого возможно выполнение наклонного и горизонтального противофильтрационного экрана высокой сплошности и стабильности.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного изобретения, является долгосрочная изоляция подземных вод и природного грунта от миграции загрязняющих веществ из объектов размещения отходов за счет применения горизонтального и наклонного противофильтрационного экрана, изготовленного из материалов на основе природного бентонита.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения грунтоглинистого элемента, включающем устройство технологической скважины (прямой ход) по методу горизонтально-направленного бурения, буровое оборудование после завершения прямого хода заменяют на лопастной вращающийся расширитель и выполняют проход скважины лопастным вращающимся расширителем (обратный ход) под давлением 0,2-0,8 МПа, такое давление позволяет достигать высокую гомогенизацию тела грунтоглинистого элемента, но предотвращает нежелательный разрыв пласта коренной породы, при механическом разрушении, уплотнении и гомогенизации грунта с раствором композиции на основе инъекционной смеси, включающей бентонитовый глинопорошок, тонкодисперсный кремнезем, пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки, при следующем соотношении компонентов, мас. %: бентонитовый глинопорошок - 40-90; тонкодисперсный кремнезем - 9,8 - 45; пластифицирующие добавки - 0,1-5; гидрофобизирующие добавки - 0,1-10, при этом концентрация инъекционной смеси в растворе составляет 25-33,3 масс %, которая обеспечивает достаточное насыщение коренного грунта тонкодисперстным бентонитовым материалов и позволяет достичь необходимые параметры по проницаемости грунтоглинистого элемента в частности по коэффициенту фильтрации.
В качестве пластифицирующей добавки подразумевается соль из группы фосфорсодержащих комплексонов, в качестве гидрофобизирующей добавки применен силикат натрия.
При этом устройство грунтоглинистого элемента может быть реализовано следующим образом: работу следует начинать с устройства технологической скважины в толще укрепляемого грунта по технологии горизонтально - направленного бурения. После этого, производится смена рабочего органа, на вращающийся расширитель, который постепенно перемещают возвратным движением с одновременным вращением и подачей вяжущего вещества. За счет вращения лопастей расширителя происходит перемещение глинистого раствора от центра к его периферии. В результате перемешивания вяжущего с грунтом под расширителем, по мере его перемещения, формируется грунтоглинистый элемент из укрепленного грунта круглого сечения диаметром от 0,5 до 0,8 м.
-10
-11
Инъектирование глинистого раствора приводит к заполнению пустот обрабатываемого грунта гелеобразной структурой. Активное поглощение грунтовой воды смесью происходит по кристаллическому и осмотическому механизмам набухания за счет высококоллоидального компонента смеси - монтмориллонита. Связывание поглощенной воды за счет электростатических сил компонентами смеси приводит к снижению коэффициента проницаемости грунта. Получаемое в результате инъектирования устойчивое гелеобразное тело имеет коэффициент фильтрации в диапазоне 1×10 - 1×10 м/с.
Заявленный элемент экрана для защиты природного грунта по сравнению с наиболее близким аналогом имеет следующие преимущества:
Противофильтрационный экран из грунтоглинистых элементов не имеет швов, характеризуется высокой сплошностью и перекрываемостью соседних элементов, что значительно увеличивает изоляционные свойства экрана.
Грунтоглинистый элемент имеет гелеобразное состояние, и имеет потенциал для набухания бентонитового наполнителя вследствие чего обладает более высокой устойчивостью к вибрационным воздействиям, а также к деформациям грунта.
При применении в качестве изоляционного агента глинистых растворов материал готового грунтоглинистого элемента не подвержен старению и коррозии, а также не оказывает негативного воздействия на окружающую среду.
Краткое описание фигур чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображена технологическая схема приготовления и подачи глинистого раствора к буровой установке;
на фиг.2 - технологическая схема устройства глинистого элемента.
Вариант осуществления изобретения
Состав работ по устройству грунтоглинистого элемента включает:
1. Приготовление глинистого раствора;
2. Устройство технологической скважины (прямой ход);
3. Замена бурового инструмента на лопастной расширитель;
4. Проход скважины лопастным расширителем с одновременной подачей глинистого раствора в грунт;
5. Извлечение лопастного расширителя;
6. Смена лопастного расширителя на буровой инструмент и перемещение агрегата на новую точку.
Приготовление глинистого раствора осуществляется в результате диспергирования агента на основе готовой инъекционной смеси, которая включает в себя бентонитовый глинопорошок, тонкодисперсный кремнезем, пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки, при следующем соотношении компонентов, мас. %: бентонитовый глинопорошок - 40-90; тонкодисперсный кремнезем - 9,8-45; пластифицирующие добавки - 0,1-5; гидрофобизирующие добавки - 0,1-10. Данная инъекционная смесь содержит пластифицирующие добавки на основе фосфорсодержащих комплексонов, что позволяет получить предельно концентрированную бентонитовую суспензию, обладающую достаточно низким пределом прочности (менее 200 дПа) для производства изоляционных работ.
Параметры инъекционной смеси:
№ п/п
Показатели
Ед. изм.
Значение показателя
1
Содержание бентонита
%, по массе
40-90
2
Индекс свободного набухания
мл/ г
9-13
3
Насыпная плотность, не менее
г/см<sup>3</sup>
0,9
Параметры глинистого инъекционного раствора:
№ п/п
Показатели
Ед. изм.
Значение показателя
1
Содержание сухой инъекционной смеси
%, по массе
30,0-36,3
2
Водоотдача, не более
мл
10-16
3
Погружение конуса весом 76 г через 28 дней после инъекции замеса, не более
мм
12-18
4
Плотность раствора через 28 дней после инъекции
г/см<sup>3</sup>
1,2±10%
5
Коэффициент фильтрации замеса через 28 дней после замешивания
м/с
1,0х10<sup>-10 </sup>- 5,0х10<sup>-10</sup>
Устройство для изготовления грунтоглинистого элемента включает силос (1), в котором находится глинистый агент, емкость для воды (2), миксерную установку (3) с расширителем (4). Насос для перекачки (5) установлен на линии между расширителем и накопителем раствора (6). На выходе из накопителя (6) смонтирован насос (7) для подачи инъекционного раствора на патрубки буровой установки (8).
Глинистый агент из силоса (1) и вода из емкости для воды (2) подаются в миксерную установку (3), где происходит перемешивание в расширителе (4) при скорости вращения 10000 об/мин в течение 10 мин. Время перемешивания суспензии после введения составляет 5 мин. Готовый глинистый раствор направляют насосом для перекачки (5) в накопитель раствора (6).
Ключевыми элементами буровой установки, модифицированными под решение задач инъектирования являются буровые штанги (9) и вращающийся расширитель (10).
Из накопителя (6) глинистый раствор посредством насоса для перекачки (7) подается в рабочий орган вращающийся расширитель (10) буровой установки (8).
Далее производится устройство технологической скважины в толще укрепляемого грунта по технологии горизонтально - направленного бурения. После этого, производится смена рабочего органа на вращающийся расширитель (10), который постепенно перемещают возвратным движением с одновременным вращением буровой штанги (9) и подачей глинистого раствора под давлением 0,2-0,8 Мпа. За счет вращения лопастей расширителя происходит перемещение вяжущего от центра к его периферии. В результате перемешивания вяжущего с грунтом, по мере его перемещения, формируется грунтоглинистый элемент (11) из укрепленного грунта круглого сечения.
Основные параметры технологического процесса:
№п/п
Показатели
Ед. изм.
Значение показателя
1
Давление инъектирования
МПа
0,2-0,8
2
Расход раствора
л/м.п. (скважины)
850,0-1350,0
В результате перемешивания глинистого раствора с грунтом, по мере его разрушения, формируется грунтоглинистый элемент (11) круглого сечения.
Примеры реализации:
№п/п
Показатели
Ед. изм.
Значение показателя
Пример 1
Пример 2
Содержание бентонита
%, по массе
40,0
90,0
Индекс свободного набухания
мл/ г
9,0
13,0
Содержание сухой инъекционной смеси в растворе
%, по массе
25,0
33,3
Водоотдача инъекционного раствора
мл
10,0
16
Погружение конуса весом 76 г через 28 дней после инъекции замеса
мм
12,0
18,0
Коэффициент фильтрации замеса через 28 дней после замешивания
м/с
1,0×10<sup>-10</sup>
5,0×10<sup>-10</sup>
Давление инъектирования
МПа
10,0
40,0
Расход раствора
л/м.п. (скважины)
850,0
1350,0
Начальный коэффициент фильтрации грунта
м/с
4,47×10<sup>-5</sup>
4,47×10<sup>-5</sup>
Конечный коэффициент фильтрации элемента экрана
м/с
1,21×10<sup>-10</sup>
3,55×10<sup>-11</sup>
Выполненный заявленным способом глинистый элемент для защиты природного грунта по сравнению с наиболее близким аналогом RU 2375580 имеет следующие преимущества:
1) Противофильтрационный экран из грунтоглинистых элементов не имеет «холодных» швов, характеризуется высокой сплошностью и перекрываемостью соседних элементов, что значительно увеличивает изоляционные свойства экрана. Для обеспечения сплошности расстояние между осями соседних элементов должно составлять не более одного диаметра грунтоглинистого элемента. Достижение продуктивной толщины экрана достигается за счет конфигурации бурения и может быть реализовано применением однорядной схемы, многорядной, схемы с шахматным порядком и иными схемами сложной конфигурации.
2) Грунтоглинистый элемент имеет гелеобразное состояние и имеет потенциал для набухания глинистого наполнителя вследствие чего обладает более высокой устойчивостью к вибрационным воздействиям, а также к деформациям грунта.
3) При применении в качестве изоляционного агента глинистых материалов готовая траншейная глинистая завеса не оказывает негативного воздействия на окружающую среду, не подвержена старению и коррозии, поскольку в конструкции не используются металлические армирующие элементы.
4) Грунтоглинистый элемент за счет применения изоляционного агента в виде глинистых материалов обладает высокой сорбционной емкостью к основным радионуклидам и тяжелым металлам.