пород ограниченной глубины (т. е. можно использовать ее при зональном замораживании пород), равномерность наморажи вания ледогрунтового ограждения по глубине, возможность управления процессом создания и поддержания ледогрунтово го ограждения во времени.
Используя свойство твердого диоксида углерода понижать температуру сублимации з зависимости от скорости движения воздуха, можно, применять технологическую схему заморажи вания пород, основанную на этом свойстве. Цри такой техно логии замораживания в колонку опускают трубу диаметром 25 мм, которая в нижнем конце заглушена, а по глубине замо раживания перфорирована отверстиями. После установки пер форированной трубы в колонку загружают расчетное количест во диоксида углерода, а по трубе подают сжатый воздух (же лательно предварительно охлажденный для снижения потерь твердого диоксида углерода в колонке). Диаметр отверстий в трубе и количество подаваемого воздуха должны быть подо браны так, чтобы скорость воздушной струи обдуваемой части цы твердого диоксида углерода была в пределах 0,5—0,7 м/с. Такой режим обеспечивает температуру сублимации диоксида углерода до —110°С, что будет приводить к интенсификации процесса замораживания пород.
Предлагаемая технологическая схема весьма проста в ее реализации, однако с точки зрения ресурсов требует дополни тельного количества перфорированных труб, наличия источни ков получения сжатого воздуха, что несколько удорожает стоимость замораживания пород, но такое удорожание ком пенсируется сокращением сроков замораживания благодаря бо лее низким температурам.
Более низких температур замораживания пород можно до биться в случае, когда в колонке по мере замораживания по род поддерживают вакуумирование. Поддержание в колонке малых давлений приводит к значительному понижению темпе ратуры сублимации. Так, при давлении в колонке 0,1 кПа тем пература сублимации будет равна —100 °С, а при давлении 0,01 кП а------130 °С.
Учитывая такое свойство твердого диоксида углерода, мо жет быть применена технологическая схема замораживания пород, при которой в колонку опускают перфорированную трубу диаметром 25 мм, которая в нижней части' заглушена. С по верхности через эту трубу непрерывно откачивается сублими рующийся газ в колонке. Колонка в верхней части должна быть герметично закрыта во избежание подсоса воздуха из окружающей среды. В зависимости от величины вакуума в ко лонке достигается желаемая температура сублимации «сухого льда», которая может колебаться от —78 до —130 °С.
Несмотря на явные преимущества данной схемы заморажи-
вания по сравнению с рассмотренными выше, техническая ее реализация пока затруднительна в связи со сложностью гер метизации устья колонки, которая периодически должна от крываться для загрузки колонки твердым диоксидом углерода. Тем не менее предлагаемая схема замораживания пород с при менением твердых криоагентов, автоматизации всех процессов может быть реализована в промышленных условиях.
Технология замораживания горных пород твердым диокси дом углерода успешно применена на ряде строящихся объек тов производственного объединения «Мосинжстрой». При этом расход твердого диоксида углерода с учетом потерь составил 400—600 кг на 1 м3 замороженной .породы. Анализ результа тов внедрения показал, что замораживание горных пород с применением твердого диоксида углерода является ресурсо сберегающей технологией и имеет целый ряд преимуществ по сравнению с рассольными технологиями: простота реализации технологии; мобильность; отсутствие потребности в электро^ энергии, воде; значительная экономия труб; снижение в 3— 4 раз времени замораживания; отсутствие потребности в ква лифицированных рабочих; безопасность работ.
5. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТАМПОНИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
5.1.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
5.1.1.Сущность способа
Сущность способа тампонирования заключается в искусст венном заполнении пустот трещин и пор массива горных пород материалом, способным, вступая в химическое взаимодействие с породой или самостоятельно, со временем затвердевать и пре пятствовать тем самым движению по ним подземных вод. Для этого в массиве горных пород бурят специальные скважины, через которые нагнетают тампонажный раствор. Давление на гнетания принимают в 2—3 раза больше гидростатического давления подземных вод, а также из условия исключения вы хода тампонажного раствора на поверхность земли. Тампо нажный раствор, распространяясь, на определенное расстояние от скважин заполняет пустоты и трещины в породах, и после затвердевания тампонажного раствора водонепроницаемость массива горных пород в значительной степени уменьшается, что дает возможность возводить подземные сооружения в от носительно благоприятных гидрогеологических условиях.
Различают предварительный и последующий тампонаж торе ных пород. Предварительный тампонаж горных пород прово дят до начала горно-строительных работ. Он направлен на со здание благоприятных горно-геологических условий как при строительстве, так и при эксплуатации подземных сооружений. В этих случаях тампонаж горных пород рассматривается как один из специальных способов строительства, который освеща ется в настоящем курсе.
Последующий тампонаж горных пород проводят после за вершения строительства подземных сооружений с целью со здания благоприятных горно-геологических условий поддержа ния подземных сооружений на период их эксплуатации.
В зависимости от того, какой материал нагнетают в массив горных пород, различают следующие виды тампонирования;, цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация.
При цементации в массив горных пород нагнетают цемент ные растворы, которые, затвердевая, уменьшают трещинова тость водоносных пород. Цементацию применяют для сниже ния притоков воды или газа при строительстве подземных со оружений в трещиноватых водоносных или газоносных поро дах; защиты бетонной крепи от действия агрессивных подзем ных вод; восстановления разрушенной крепи; укрепления мас сива горных пород; возведения противофильтрационных завес.
В настоящее время цементацию горных пород применяют в наибольших объемах. С этой целью до начала горно-строи тельных работ в место заложения подземного сооружения че рез систему скважин в массив горных пород нагнетают цемент ный раствор. После затвердения раствора образуется водоне проницаемый массив зацементированной горной породы, внут ри которого возводят подземное сооружение при отсутствии или с незначительным притоком воды.
Цементацию целесообразно применять: в крепких трещино ватых горных породах с размером трещин не менее 0,1 мм и скорости движения подземных вод менее 600 м/сут; -в гравий но-галечных породах с размером зерен более 2 мм при усло вии, что поры между зернами свободны от глинистых или пес чаных частиц; в крупнозернистых песках при диаметре зерен более 0,8 .мм.
С у щ н о с т ь г л и н и з а ц и и состоит в том, что в горные породы вместо цементного раствора нагнетают водный раствор глины. Достоинство способа глинизации состоит в том, что для тампонирования пород может быть использована дешевая местная глина, а также то, что глина способна противостоять действию агрессивных вод, разрушающих даже специальные цементы. К недостаткам глинизации можно отнести: большой расход тампонажных материалов, малую сопротивляемость
глинистого тампонажного камня внешнему давлению, ненадеж ность тампонирования тонкотрещиноватых горных пород. В связи с этим глинизацию целесообразно применять только в карстовых породах или в породах с весьма крупной трещино ватостью. В последние годы на базе глинистых растворов с добавлением цемента изготавливают глино-цементные раство ры, которые приобретают положительные свойства как цемент ных, так и глинистых растворов и в связи с этим глино-цемент ные получают более широкое применение в практике.
При битумизации в трещиноватые породы через скважины нагнетают расплавленный битум. Попадая в заполненные во дой трещины или пустоты горных пород, горячий битум отвер девает и, таким образом, делает массив пород водонепроницае мым. Перед началом нагнетания битумную смесь нагревают в специальных котлах до температуры 140—190 °С и в расплав ленном виде насосом нагнетают в скважины. При затверде нии битума в трещинах происходит уменьшение его в объеме на 8—11%, поэтому нагнетание производят в несколько прие мов. Битумизация может применяться при значительных ско ростях движения подземных вод и наличии в массиве крупных трещин размерами более 0,6 мм.
Однако способу битумизации присущи крупные недостат ки; необходимость тепловой обработки массива горных пород перед нагнетанием битума; производственные неудобства, свя занные с использованием горячего битума и подогревом его в процессе нагнетания; высокая пластичность битума в твердом состоянии и способность подвижки тампонажной смеси (биту ма с наполнителем) в трещинах породы при давлениии воды более 0,3 МПа. Из-за вышеназванных недостатков способ би тумизации не нашел широкого применения в практике строи тельства подземных сооружений и носит эпизодический харак тер.
Сущность силикатизации основывается на применении неор ганических высокомолекулярных соединений силикатных рас творов жидкого стекла и их производных, которые при соеди нении с коагулянтом образуют гель кремниевой кислоты, це ментирующей частицы грунта. В настоящее время различают двухрастворный, однорастворный и способ газовой силикати зации.
При двухрастворном способе силикатизаций через перфори рованные трубы (инъекторы), погруженные в грунт на задан ную глубину, закачивают поочередно растворы силиката нат рия и коагулянт — хлористый кальцйй. Образуемый в резуль тате смешивания растворов гель кремниевой кислоты придает грунту прочность при сжатии, равную 1,5—5,0 МПа, и водоне проницаемость. Двухрастворный способ силикатизации приме няют для упрочнения песков с коэффициентом фильтрации 2—
8 м/сут, в которых скорость движения подземных вод менее 5,м/сут, а pH подземных вод менее 9.
При однорастворном способе силикатизации в грунт зака чивают один гелеобразный раствор, приготовленный из смеси силиката натрия с коагулянтом (однофосфорная, кремнефто ристоводородная кислоты или алюминат натрия). При смеши вании этих растворов образование геля кремниевой кислоты происходит в заданное время, зависящее от количества коагу лянта. Закрепленный на основе силиката натрия и кремнефто ристоводородной кислоты грунт имеет прочность на сжатие 2,0—5,0 МПа. Одиорастворный способ силикатизации применя ют для закрепления песчаных грунтов с коэффициентом фильт рации от 0,5 до 50 м/сут. Скорость движения подземных вод не более 8 м/сут, pH подземных вод менее 7. Однорастворную силикатизацию можно применять также для упрочнения лёс совых грунтов. В этом случае в грунт нагнетают только сили кат натрия. Гель образуется благодаря реакции силиката нат рия с сернокислыми солями, которые обычно имеются в лёссо вых грунтах, и таким образом, заменяют собой раствор хло
ристого кальция. |
том, что в |
Сущность газовой силикатизации состоит в |
|
грунт, подлежащий закреплению, через забитые |
в него инъ- |
екторы или пробуренные и специально оборудованные скважи ны нагнетают углекислый газ для предварительной активиза ции грунта, затем нагнетают раствор силиката натрия и, нако нец, вторично углекислый газ для отвердения раствора сили ката натрия. Грунты приобретают прочность, водоустойчивость и водонепроницаемость. В процессе предварительной активи зации карбонатных песков и карбонатных лёссовых грунтов углекислым газом на поверхности карбонатных частиц обра зуется слой бикарбоната кальция, который частично отверж дает раствор силиката натрия.
Окончательное отверждение раствора силиката натрия осу ществляется при повторном нагнетании углекислого газа. При предварительной обработке углекислым газом бескарбонатных песчаных грунтов достигается подкисление пленочной или поровой воды, что также способствует более полному отвержде нию рартвора силиката натрия. Способ газовой силикатизации применяют для закрепления бескарбонатных и карбонатных песчаных грунтов с неограниченным содержанием карбонатов и различной степенью влажности 0 ^ 1 ^ ^ 1, с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 20 м/сут; для закрепления лёссовых грун тов со степенью влажности не выше 0,75, с коэффициентом фильтрации не ниже 0,1 м/сут; для закрепления загипсован ных грунтов с неограниченным содержанием гипса, с коэффи циентом фильтрации от 0,5 до 20 м/сут. Способ газовой сили катизации применим для грунтов различного химико-минера-