Технология компенсационного нагнетания для защиты зданий и сооружений

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ. МЕХАНИКА ГРУНТОВ

УДК 624.1

М.Г. Зерцалов, А.Н. Симутин, А.В. Александров*

ФГБОУ ВПО «МГСУ», *ОАО «Институт Гидропроект»

ТЕХНОЛОГИЯ КОМПЕНСАЦИОННОГО НАГНЕТАНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Изложены основные принципы применения технологии компенсационного нагнетания для защиты зданий и сооружений от негативного воздействия при новом строительстве, а также исправления уже имеющихся сверхнормативных деформаций основания фундаментов.

Ключевые слова: компенсационное нагнетание, мониторинг, осадки, подземное строительство.

Подземное строительство в условиях плотной городской застройки требует решения многочисленных задач, важнейшей из которых является недопущение сверхнормативных дополнительных деформаций основания фундаментов, окружающих район строительства, зданий и сооружений.

Для предотвращения ненормативных деформаций в инженерной практике используются различные методы. В последние годы в нашей стране начинает использоваться очень популярный за рубежом метод компенсационного нагнетания, являющийся в настоящее время одним из наиболее эффективных методов защиты наземных объектов от влияния строящихся подземных сооружений. Указанный метод обладает еще одним существенным достоинством, позволяющим использовать его или для стабилизации продолжающихся, в силу различных причин (геологических, технологических и т.п.), осадок зданий и сооружений, или для их подъема, если осадки уже превысили нормативные значения.

Метод компенсационного нагнетания предусматривает инъекцию медленно твердеющего раствора заданной вязкости, имеющего минеральную основу (суспензии), в грунты основания сооружения, осадки которого следует контролировать или компенсировать (рис. 1).

Метод компенсационного нагнетания можно условно разделить на четыре этапа:

1) подготовительный. На этом этапе через заранее установленные манжетные инжекторы, которые могут располагаться в скважинах: горизонтально (а), вертикально (б) или, при использовании горизонтально-направленного бурения, по произвольной траектории (в), в грунт под сооружением нагнетается специальный раствор. Цель этого нагнетания — максимально заполнить раствором поры и увеличить плотность грунта, т.е. осуществить пропитку слоя определенной толщины, формируя в нем, обладающую изотропными свой-

ствами, однородную «матрицу» (рис. 2). Создание «матрицы» позволяет при нагнетании суспензии компенсировать и регулировать деформации основания сооружения, не допуская развития трещин разрыва в грунте.

Рис. 1. Принципиальная схема применения метода компенсационного нагнетания при проходке тоннелей

2) предварительный. На этом этапе в определенные расчетом зоны через манжеты инжекторов нагнетается с заданными объемом и давлением суспензия, состав которой определяется условиями нагнетания. Суспензия передает через «матрицу» распределенное по всей площади сооружения давление, создавая «эффект» домкрата, который обеспечивает первичные деформации подъема в грунте, не превышающие 5.. .15 мм. В результате данного подъема грунт в основании сооружения уплотняется и создается однородное напряженное состояние, позволяющее компенсировать осадки грунта в различных точках под сооружением индивидуально по мере необходимости.

Рис. 2. Варианты установки манжетных инжекторов: а — горизонтальное бурение; б — вертикальное бурение; в — горизонтально-направленное бурение; 1 — однородная «матрица»

3) рабочий. Начало этого этапа совмещается с началом возведения подземного объекта, в данном случае, проходки тоннеля. При этом проводится локальное компенсационное нагнетание, когда через каждый инжектор подается свой заранее рассчитанный объем суспензии, что обеспечивает управляемый подъем сооружения, достаточный для компенсирования нерегламентирован-ных осадок;

4) стабилизация сооружения. На этом этапе продолжается нагнетание суспензии после окончания строительства подземного объекта (завершения проходки тоннеля под сооружением). Его продолжительность определяется длительностью стабилизации осадок в основании сооружения.

Процесс компенсационного нагнетания осуществляется в соответствии со специальной программой, предусматривающей работу насосного оборудования, основанную на результатах непрерывного планово-высотного мониторинга конструктивных элементов сооружения. Постоянный анализ результатов мониторинга дает возможность регистрировать любые изменения в поведении наблюдаемого сооружения и соответственно производить корректировку технологических параметров процесса нагнетания.

Одной из наиболее эффективных методик наблюдения за состоянием сооружения при компенсационном нагнетании является методика, основанная на использовании системы автоматизированных высокоточных электронных тахеометров и датчиков гидростатического нивелирования (см. рис. 2). При этом с помощью электронных тахеометров производится контроль горизонтальных и вертикальных перемещений характерных точек сооружения. Одновременно высотное положение тех же точек отслеживается с более высокой точностью системой датчиков гидростатического нивелирования.

Важным преимуществом технологии компенсационного нагнетания является возможность прогнозирования с высокой степенью достоверности на всех этапах производства работ развития вероятных деформаций сооружения и корректировки технологических параметров нагнетания. Прогноз основывается на совместном использовании результатов постоянно проводимого мониторинга состояния сооружения и проводимых на каждом этапе выполнения

работ аналитических и численных методов расчета. Аналитические методы позволяют оптимально выбрать такие параметры, как давление нагнетания и расход суспензии. В то же время численные методы за счет моделирования объемной деформации позволяют назначить зоны, последовательность и объем нагнетаемой суспензии. В результате процесс компенсационного нагнетания становится управляемым.

Как уже указывалось, метод компенсационного нагнетания широко используется в мировой практике.

Одним из наиболее известных проектов является опыт применения компенсационного нагнетания при строительстве станции Вестминстер в Лондоне. Данным проектом предусматривалось компенсировать осадки и крен Башни Елизаветы (Биг-Бен) Вестминстерского дворца вызванные строительством котлована для станции метрополитена глубиной 39 м и проходки тоннелей закрытым способом (рис. 3). Основанием башни являются гравелистые пески и лондонские глины, на которые передается давление порядка 450 кН/м2.

а

Рис. 3. Поперечное сечение станции Вестминстер

Нагнетание велось через стальные манжетные инжекторы, которые устанавливались из специально устроенных для этого шахт (рис. 4). Горизонт нагнетания расположен в толще лондонских глин, подстилающей вышележащие гравелистые пески. Такое решение позволило не производить предварительную пропитку грунта, т.е. отказаться от создания «матрицы».

Критерием начала работ по компенсационному нагнетанию являлся расчетный диапазон отклонения шпиля от его первоначального положения, который составлял от 15 до 25 мм, максимальное допустимое значение отклонения шпиля было назначено в размере 55 мм. На протяжении всего строительства, которое продолжалось два года, было выполнено 24 этапа работ по компенсационному нагнетанию (рис. 5).

ВЕСТНИК

МГСУ-

6/2015

¡1 /Р 0 -л

Рис. 4. План устройства манжетных инъекторов в основании фундамента башни

Биг-Бен

, 94 Ноябрь 95 Ноябрь 96 Ноябрь 97 [Ноябрь 98

Рис. 5. График изменения крена башни Биг-Бен

За весь период строительства станции Вестминстер Лондонского метрополитена было выполнено нагнетание порядка 122 м3 раствора в основание башни Биг-Бен, что позволило не допустить превышения отклонения шпиля от расчетных значений на время строительства. Дальнейшее развитие крена с момента завершения строительства, связанное с релаксацией окружающего массива, не превысило максимально допустимого значения, стабилизировавшись в уровне 35 мм/55 м.

Другим примером использования данной технологии для исправления уже имеющихся осадок, вызванных геологическими процессами в основании, может служить гидроузел, который был построен в период с 1950 по 1952 гг. на судоходной реке Неккар вблизи г. Хессигхайм (Германия) (рис. 6). В состав гидроузла входит судоходный шлюз, водосбросная плотина и русловое здание

ГЭС на правом берегу. В створе гидроузла залегает достаточно мощный слой гравелистых песков, рассматриваемый в проекте в качестве основания, на которое от гидросооружения передавалось давление порядка 200 кН/м2.

Рис. 6. Общий вид на гидроузел после ввода в эксплуатацию

Однако еще в период строительства в 1951 г. здание ГЭС получило осадку от 70 до 170 мм, средняя скорость развития которой составляла порядка 10 мм в течение 40 дней. При этом в проекте допустимые деформации основания здания ГЭС не регламентировались. Было проведено дополнительное разведочное бурение более глубоких скважин, показавшее, что гравелистые пески подстилает слой аргиллитов, ниже которых располагается слой гипса с прослоями ила, мягких и тугопластичных глин. Осадка сооружения, по мнению проектировщиков, в основном была связана с разрушением карстовых полостей, образовавшихся вследствие выщелачивания гипса.

Первоначальной задачей для обеспечения нормального функционирования турбин являлось восстановление высотного положения здания ГЭС. Задача была решена нагнетанием растворов в основание с получением строительного подъема в два этапа. Первоначально сооружение было выровнено, после чего осуществлялся его равномерный подъем до проектных отметок.

Нагнетание раствора велось через инжекторы скважин, пробуренных из здания ГЭС. В процессе выполнения работ по нагнетанию было затрачено почти 900 т цемента. При этом на заполнение пустот в основании здания ГЭС потребовалось порядка 300 т, около 500 т было потрачено на обжатие породного массива (в основном процесс происходил за счет сжатия прослоев ила и глины) и только 100.. .150 т для строительного подъема.

Библиографический список

1. Жан-Луи Валет. Компенсационное нагнетание: технология в реальном времени // Метро и тоннели. 2002. № 4. С. 16—19.

2. Кравченко В.В. Исследование укрепления грунтового массива при строительстве тоннелей закрытым способом методом компенсационного нагнетания // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей : сб. науч. тр. М. : МАДИ (ГТУ), 2009. С. 20—28.

3. Маковский Л.В., Чеботарев С.В. Ограничение осадок поверхности земли путем компенсационного нагнетания при строительстве тоннелей закрытым способом // Транспорт: наука, техника, управление. 2000. № 2. С. 44—47.

4. Маковский Л.В., Кравченко В.В. Применение компенсационного нагнетания при строительстве подземных сооружений в сложных градостроительных условиях // Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки : сб. науч. тр. / под ред. В.Е. Меркина. М. : ЦНИИС, 2008. С. 112—120.

5. Маковский Л.В., Кравченко В.В. Определение параметров компенсационного нагнетания при строительстве тоннелей в сложных градостроительных условиях // Проектирование автомобильных дорог : сб. науч. тр. М. : МАДИ (ГТУ), 2009. С. 119—124.

6. Меркин В.Е., Виноградов Б.Н., Маковский Л.В. О нормативном обеспечении проектирования городских автотранспортных тоннелей. Тоннели XXI века // Дороги России XXI века. 2007. № 2. С. 14—19

7. Меркин В.Е, Маковский Л.В., Панкина С.Ф. К выбору варианта исполнения автодорожного тоннеля в районе Лефортово // Подземное пространство Мира. 1996. № 4. С. 11—14.

8. Мэйр Р., Хайт Д. Технология компенсирующего инъецирования растворов в грунт // Дайджест зарубежной информации. 1995. № 2. С. 43—52.

9. Рашендорфер Ю., Жуков В.Н., Майер К. Компенсационное нагнетание как способ обеспечения устойчивости зданий и сооружений при проходке тоннелей: специальные способы работ // Метро и тоннели. 2008. № 4. С. 26—28.

10. Смирнова Г.О., Голубев В.Г. Компенсационное нагнетание при проходке Лефортовского тоннеля под Алексеевским училищем // Специальные способы работ и материалы, используемые при сооружении городских транспортных тоннелей : сб. науч. тр. / под ред. Г.О. Смирнова. М. : ЦНИИС, 2003. Вып. 218. С. 120—130.

11. Bezuijen A., F. van Tol. Compensation grouting in sand, fractures and compaction // Proceedings of the 14th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Rotterdam, 2007. Pp. 1257—1262.

12. Burland J.B., Standing J.R., Jardine F.M. Building response to tunneling. Case studies from construction of the jubilee line extension. London, 2001. Pp. 134—145.

13. Knitsch H. Visualization of relevant data for compensation grouting // Tunnel. 2008. No. 3. Pp. 38—45.

14. Pleithner M., Bernatzik W. A new method of compensating settlement of buildings by injections of cement grout. 1953.

15. Schweiger H.F., Falk E. Reduction of settlements by compensation grouting — Numerical studies and experience from Lisbon underground // Tunnels and Metropolises. Balkema, Rotterdam, 1998. Pp. 1047—1052.

16. Telford T. Sprayed concrete linings (NATM) for tunnels in soft ground. London, 2004. Pp. 10—12.

Поступила в редакцию в апреле 2015 г.

Об авторах: Зерцалов Михаил Григорьевич — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры механики грунтов и геотехники, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495) 781-80-07, kanz@mgsu.ru;

Симутин Алексей Николаевич — ассистент кафедры механики грунтов и геотехники, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495) 781-80-07, kanz@mgsu.ru;

Александров Андрей Викторович — заместитель главного инженера, ОАО Проектно-изыскательский и научно- исследовательский институт «Гидропроект» имени С.Я. Жука (ОАО «Институт Гидропроект»), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 2, 8 (495) 727-36-57, a.aleksandrov@hydroproject.ru.

Для цитирования: Зерцалов М.Г., Симутин А.Н., Александров А.В. Технология компенсационного нагнетания для защиты зданий и сооружений // Вестник МГСУ 2015. № 6. С. 32—40.

M.G. Zertsalov, A.N. Simutin, A.V. Aleksandrov

APPLICATION OF COMPENSATION GROUTING TECHNOLOGY FOR PROTECTION OF BUILDINGS AND STRUCTURES

Underground construction in dense urban areas requires solving many problems, the most important of which is to prevent excessive additional deformations of the bases, which surround the area of the construction of buildings and structures.

In order to prevent deviant strains different methods are used in engineering practice. In the recent years our country began to use a very popular abroad method of compensation grouting, which is currently one of the most effective methods of protecting the land-based facilities from the influence of underground facilities. This method has another important advantage, which allows using it rather for stabilizing yield of buildings and structures continuing for various reasons (geological, technological, etc.), or for lifting them if the settlement has exceeded the standard value.

The method involves injection of a slowly hardening compensation grouting solution of a definite viscosity, which has a mineral base (suspension), into the foundation soil of the structure, the settlement of which should be controlled or compensated.

Key words: compensation grouting, monitoring, settlement, underground construction.

References

1. Jean-Louis Valet. Kompensatsionnoe nagnetanie: tekhnologiya v real'nom vremeni [Compensation Grouting: the Technology in Real Time]. Metro i tonneli [Underground and Tunnels]. 2002, no. 4, pp. 16—19.

2. Kravchenko V.V. Issledovanie ukrepleniya gruntovogo massiva pri stroitel'stve ton-neley zakrytym sposobom metodom kompensatsionnogo nagnetaniya [Study of Strengthening the Soil Mass in the Construction of Tunnels by Closed Method of Compensation Grouting]. Issledovaniya avtodorozhnykh i gorodskikh mostov i tonneley: sbornik nauchnykh trudov [Investigation of Motor Road and City Bridges and Tunnels : Collection of Scientific Works]. Moscow, MADI

3. Makovskiy L.V., Chebotarev S.V. Ogranichenie osadok poverkhnosti zemli putem kompensatsionnogo nagnetaniya pri stroitel'stve tonneley zakrytym sposobom [Limiting the Settlement of Earth Surface by Compensation Grouting during the Construction of Tunnels by Closed Method]. Transport: nauka, tekhnika, upravlenie [Transport: Science, Technology, Management]. 2000, no. 2, pp. 44—47.

4. Makovskiy L.V., Kravchenko V.V. Primenenie kompensatsionnogo nagnetaniya pri stroitel'stve podzemnykh sooruzheniy v slozhnykh gradostroitel'nykh usloviyakh [The Use of Compensation Grouting in the Construction of Underground Structures in Complex Urban Conditions]. Transportnoe tonnelestroenie. Sovremennyy opyt i perspektivnye raz-rabotki : sbornik nauchnykh trudov [Transport Tunneling. Current Experience and Future Developments: Collection of Scientific Works]. Moscow, TsNIIS Publ., 2008, pp. 112—120.

5. Makovskiy L.V., Kravchenko V.V. Opredelenie parametrov kompensatsionnogo nagnetaniya pri stroitel'stve tonneley v slozhnykh gradostroitel'nykh usloviyakh [Defining the Parameters of the Compensation Grouting for Tunnel Construction Projects in Complex

Urban Conditions]. Proektirovanie avtomobil'nykh dorog : sbornik nauchnykh trudov [Automobile Road Design : Collection of Scientific Works]. Moscow, MADI

6. Merkin V.E., Vinogradov B.N., Makovskiy L.V. O normativnom obespechenii proek-tirovaniya gorodskikh avtotransportnykh tonneley. Tonneli XXI veka [On Regulatory Support of Urban Road Tunnels Design. Tunnels of the 21st Century]. Dorogi RossiiXXI veka [Roads of Russia of the 21st Century]. 2007, no. 2, pp. 14—19.

7. Merkin V.E., Makovskiy L.V., Pankina S.F. K vyboru varianta ispolneniya avtodoro-zhnogo tonnelya v rayone Lefortovo [On the Choice of Design Variant of the Road Tunnel in Lefortovo]. Podzemnoe prostranstvo Mira [Underground Space of the World]. 1996, no. 4, pp. 11—14.

8. Meyr R., Khayt D. Tekhnologiya kompensiruyushchego in"etsirovaniya rastvorov v grunt [Compensating Injection Technology of Solutions into the Ground]. Daydzhest zaru-bezhnoy informatsii [Digest of Foreign Information]. 1995, no. 2, pp. 43—52.

9. Rashendorfer Yu., Zhukov V.N., Mayer K. Kompensatsionnoe nagnetanie kak sposob obespecheniya ustoychivosti zdaniy i sooruzheniy pri prokhodke tonneley: spetsial'nye spo-soby rabot [Compensatory Injection as a Method Sustainability of Buildings and Structures in Tunneling: Special Working Methods]. Metro i tonneli [Underground and Tunnels]. 2008, no. 4, pp. 26—28.

10. Smirnova G.O., Golubev V.G. Kompensatsionnoe nagnetanie pri prokhodke Lefor-tovskogo tonnelya pod Alekseevskim uchilishchem [Compensatory Injection When Driving Lefortovo Tunnel under Alekseevsky College]. Spetsial'nye sposobyrabotimaterialy, ispol'zuemye pri sooruzhenii gorodskikh transportnykh tonneley : sbornik nauchnykh trudov [Special Methods of Work and Materials Used in the Construction of Transport Tunnels: Collection of Scientific Works]. Moscow, TsNIIS Publ., 2003, issue 218, pp. 120—130.

11. Bezuijen A., F. van Tol. Compensation Grouting in Sand, Fractures and Compaction. Proceedings of the 14th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Rotterdam, 2007, pp. 1257—1262.

12. Burland J.B., Standing J.R., Jardine F.M. Building Response to Tunneling. Case Studies from Construction of the Jubilee Line Extension. London, 2001, pp. 134—145. DOI: http://dx.doi.org/10.1680/brttcsfcotjlelv1pam.30176.

13. Knitsch H. Visualization of Relevant Data for Compensation Grouting. Tunnel. 2008, no. 3, pp. 38—45.

14. Pleithner M., Bernatzik W. A New Method of Compensating Settlement of Buildings by Injections of Cement Grout. 1953.

15. Schweiger H.F., Falk E. Reduction of Settlements by Compensation Grouting — Numerical Studies and Experience From Lisbon Underground. Tunnels and Metropolises. Balkema, Rotterdam, 1998, pp. 1047—1052.

16. Telford T. Sprayed Concrete Linings (NATM) for Tunnels in Soft Ground. London, 2004, pp. 10—12.

About the authors: Zertsalov Mikhail Grigor'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Soil Mechanics and Geotechnics, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (495) 781-80-07, kanz@mgsu.ru;

Simutin Aleksey Nikolaevich — Assistant Lecturer, Department of Soil Mechanics and Geotechnics, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (495) 781-80-07, kanz@mgsu.ru;

Aleksandrov Andrey Viktorovich — deputy chief engineer, JSC Development and Research Institute "Hydroproject" named after S.Ya. Zhuk, 2 Volokolamskoe shosse, Moscow, 125993, Russian Federation; +7 (495) 727-36-57; a.aleksandrov@hydroproject.ru.

For citation: Zertsalov M.G., Simutin A.N., Aleksandrov A.V. Tekhnologiya kompensatsi-onnogo nagnetaniya dlya zashchity zdaniy i sooruzheniy [Application of Compensation Grouting Technology for Protection of Buildings and Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2015, no. 6, pp. 32—40.