Эффективные способы ликвидации водопроявлений при эксплуатации подземных сооружений

Аннотация. Для выполнения работ по устройству тоннельных сооружений в условиях водонасыщенных неустойчивых грунтов, имеющих характер плывунных, предусмотрена их стабилизация и упрочнение с применением химических методов и технологического оборудования, предназначенного для 2-х компонентной струйной цементации.

Важным фактором, определяющим эффективность применения инъекционных систем на минеральной основе, является их материальная однородность с бетонными ограждающими конструкциями тоннельных сооружений, высокая прочность и долговечность, низкий коэффициент фильтрации, проявление эффекта самозалечивания трещин в бетоне с шириной раскрытия до 1 мм. Главным критерием технологичности инъекционных смесей, предназначенных для ликвидации водопроявлений в тоннельных и притоннельных сооружениях, является низкая вязкость и высокая седиментационная устойчивость, сохраняемая в период до 90 мин., управляемое структурообразование и кинетика набора прочности после завершения инъекционных работ, долговечность, термо-морозостойкость, морозо-солестойкость. Исходя из этих условий, а также с учётом многообразия задач, связанных с ликвидацией водопроявлений в подземных сооружениях, специалистами НИУ МГСУ разработаны и освоены инъекционные смеси на минеральной основе «ПФС+», «Аквабиндер-У», «Аквабиндер-МД», «Интроцем». Нужно отметить, что особо тонкодисперсные вяжущие «Интроцем» разработаны в рамках реализации программы импортозамещения, в качестве альтернативы минеральным вяжущим «Микродур», широко применяемым для приготовления различных инъекционных систем на минеральной основе.

Наиболее эффективным методом ликвидации различного вида водопроявлений в подземных сооружениях, являются комбинация инъекционных технологий с применением минеральных особо тонкодисперсных порошков, а также технологий на основе применения специальных строительных смесей1 [1; 2; 5]. Это связано с тем, что инъекционные растворы на минеральной основе обладают высокой технологичностью, являются экологически нейтральными, имеют высокую долговечность при более низкой себестоимости по сравнению с полимерными системами 2 [4]. Специальные тампонажные смеси применяются с целью заполнения крупных пустот, каверн и трещин (первый этап), с последующим инъектированием смесей с применением микроцементов для заполнения капиллярно-пористой структуры и микротрещин как в грунте, так и в железобетонных ограждающих конструкциях. При этом, в зависимости от геотехнических условий и интенсивности водопроявлений, объём потребляемых минеральных вяжущих может изменяться от 20 кг/п.м. тоннеля до 250 кг/п.м.

Важным фактором, определяющим эффективность применения инъекционных систем на минеральной основе, является их материальная однородность с бетонными ограждающими конструкциями тоннельных сооружений, высокая прочность и долговечность, низкий коэффициент фильтрации, проявление эффекта самозалечивания трещин в бетоне с шириной раскрытия до 1 мм. Главным критерием технологичности инъекционных смесей, предназначенных для ликвидации водопроявлений в тоннельных и притоннельных сооружениях, является низкая вязкость и высокая седиментационная устойчивость, сохраняемая в период до 90 мин., управляемое структурообразование и кинетика набора прочности после завершения инъекционных работ, долговечность, термо-морозостойкость, морозо-солестойкость3 [5]. Исходя из этих условий, а также с учётом многообразия задач, связанных с ликвидацией водопроявлений в подземных сооружениях, специалистами НИУ МГСУ разработаны и освоены инъекционные смеси на минеральной основе «ПФС+», «Аквабиндер-У», «Аквабиндер-МД», «Интроцем» [6; 9]. Нужно отметить, что особо тонкодисперсные вяжущие «Интроцем» разработаны в рамках реализации программы импортозамещения, в качестве альтернативы минеральным вяжущим «Микродур», широко применяемым для приготовления различных инъекционных систем на минеральной основе.

Готовая к употреблению сухая смесь «Аквабиндер-У», представляет собой композиционное минеральное вяжущее для приготовления инъекционных растворов с регулируемыми сроками схватывания и затвердевания. Материал предназначен для стабилизации и упрочнения водонасыщенных грунтов, включая грунты плывунного типа. «Аквабиндер-У» состоит из силикатов и алюминатов кальция, биокремнезема, а также химических добавок (модификаторов вязкости, седиментации, прочности). Инъекционный раствор, в зависимости от геотехнических условий и технологии применения, приготавливается с водовяжущим отношением В/В = 0,8?2,5. При этом, инъекционная смесь обладает высокой технологичностью, проникающей способностью в структуру грунта, ускоренной гидратацией, способностью к химическому и физико-химическому связыванию воды, находящейся в капиллярно-поровом пространстве грунта. Отличительной особенностью является её интенсивное загустевание после завершения инъекционных работ. Раствор может применяться при температуре наружного воздуха до -15 °С и используется как в манжетной технологии, так и в струйной цементации «Jet-1». Это является особенно актуальным при производстве работ по стабилизации и упрочнению водонасыщенных грунтов, обладающих плывунными свойствами. После нагнетания в структуру грунта или заобделочное пространство, наступает фаза ускоренной гидратации, сопровождающаяся связыванием частиц грунта, интенсивным ростом кристаллогидратов и затвердеванием. Это исключает размывание сформированного грунтобетонного массива и обеспечивает сохранение его проектных геометрических параметров в неустойчивых водонасыщенных грунтах плывунного типа.

Для выполнения работ по устройству тоннельных сооружений в условиях водонасыщенных неустойчивых грунтов, имеющих характер плывунных, предусмотрена их стабилизация и упрочнение с применением химических методов и технологического оборудования, предназначенного для 2-х компонентной струйной цементации. В качестве инъекционного материала применяется 2-х компонентное композиционное вяжущее «АкваБиндер-МД» (ТУ 5744-021-43260800-2015), предназначенное для стабилизации водонасыщенных и плывунных грунтов: компонент «А» представляет собой готовую к употреблению минеральную сухую смесь, содержащую в своём составе химически активный кремнезём, и компонент «Б», являющийся активатором гидратационного твердения кремнезёма и минеральной части композиционного вяжущего. Через инъекционную форсунку одновременно подаются 2 компонента (компонент «А» и компонент «Б»), которые смешиваются с водонасыщенным грунтом и обеспечивают его быстрое загустевание, стабилизацию структуры с прочностью при сжатии через 30 мин не менее 0,01 МПа, а через 3 сут. – не менее 0,07 МПа. В проектном возрасте прочность грунта составляет 0,1…1,5 МПа, в зависимости от соотношения компонентов и режима струйной цементации. Сетка инъекционных скважин назначается из условия обеспечения сплошности массива, при эффективном диаметре распространения струи 600–1000 мм.

Как показывает анализ, наиболее эффективным проектным решением является комбинированное применение обычных цементов в составе тампонажных смесей для предварительной цементации с целью заполнения крупных пустот, каверн и трещин (первый этап) и последующим инъектированием с применением микроцементов для заполнения капиллярно-пористой структуры и микротрещин как в грунте, так и в железобетонных ограждающих конструкциях.

Полиуретановые смолы находят эффективное применение для ликвидации активных протечек воды. К этому типу полиуретановых смол требования по долговечности не предъявляются. Затем, после остановки притока воды, выполняется основное нагнетание микроцементов для обеспечения длительной и эффективной герметизации сооружения. К сожалению, в настоящее время отсутствуют результаты экспериментальных исследований морозостойкости и термоморозостойкости полиуретановых смол, а практика многолетних наблюдений не позволяет сделать однозначный вывод об их долговечности.

Для ликвидации зон разуплотнения заобделочного пространства, сформированных вследствие суффозионного разуплотнения, также применялись нъекционные смеси на основе бентонита. Бентонит традиционно используется для обеспечения водонепроницаемости подземных сооружений в тампонажных растворах для обеспечения их стабильности (седиментационной устойчивости), сдерживая процесс водоотделения за счёт развитой поверхности частиц, способной адсорбировать значительное количество воды. Наибольшее практическое применение имеет натриевая бентонитовая глина, способная увеличивать объём после смешивания с водой до 10 раз. В этой связи, основной областью применения бентонитовых смесей является устройство гидроизоляционных отсечек на стадии строительства и ремонта после ликвидации активного водопроявления при незначительных коэффициентах фильтрации грунта. В связи с теми, что инъекционные смеси на основе бентонита в обводнённых условиях значительно увеличивается в объёме, но не твердеют, их применение возможно только после ликвидации активных водопроявлений. Кроме того, для обеспечения надёжного гидроизоляционного слоя необходимо обеспечить сплошное нагнетание материала в заобделочное пространство с обеспечением «нахлёста» между соседними зонами нагнетания не менее 30 %. В связи с тем, что материал имеет высокую вязкость и нагнетается при повышенном давлении, оценка сплошности гидроизоляционного экрана должна быть предметом самостоятельного исследования, так как именно это является определяющим фактором для достижения поставленной цели. Кроме того, обеспечение эксплуатационной надёжности инъекционных систем на основе бентонита возможно только при положительных температурах при исключённом переменном увлажнении-высушивании.
Эффективной тампонажной смесью, обладающей гидратационным твердением, является инъекционная смесь «ПФС+». На основании выполненных исследований установлены реологические характеристики «ПФС+», которые определяют эффективные области его применения. В качестве раствора для ликвидации пустот и разуплотнений грунта в заобделочном пространстве тоннельных сооружений применяются растворы с водовяжущим отношением В/В = 1,0…2,5, в зависимости от проектной прочности. На основании экспериментальных исследований установлено,

Такая инъекционная смесь может применяться как с применением односторонних разжимных или забивных пакеров, так и по манжетной технологии закрепления грунтов с формированием грунтобетонных массивов диаметром до 1,5 м и более.
Одним из характерных примеров, демонстрирующих эффективность применения комбинированной технологии цементации для ликвидации водопроявлений, является ликвидация водопроявлений в автотранспортном Алабяно-Балтийском тоннеле, входящим в состав транспортной развязки в районе станции метро "Сокол" в г. Москве. Тоннель имеет длину 450 п.м., ширину 31,6 м, высоту 5,4 м, с глубиной заложения поверхности дорожного покрытия от поверхности 24,55 м. Тоннель является однопролетным сооружением с несущими железобетонными монолитными конструкциями: монолитной железобетонной плитой в основании тоннеля, вертикальными стенами толщиной 400...600 мм из бетона В30, W8...12 и ограждающими конструкциями котлована тоннеля из одного ряда бурокасательных свай O830...1000 мм и двух-трех рядов грунтоцементных свай O800, выполненных по технологии Jet-1. В соответствии с проектом гидроизоляция тоннеля – битумно-полимерная, наносилась методом набрызга. Перекрытие представлено железобетонной монолитной плитой толщиной 800 мм из бетона В35 W12. Гидроизоляция – 2 слоя гидроизола. Площадка строительства в геоморфологическом отношении залегает в пределах третьей надпойменной террасы р. Москвы. Абсолютные отметки поверхности 153,61...161,40 м. Вдоль трассы тоннеля по ул. Балтийская проходит пойма р. Таракановки. В геологическом строении территории принимают участие отложения четвертичного, юрского и каменноугольного возраста. Четвертичные отложения представлены современными аллювиальными, озерно-ледниковыми и флювиогляциальными грунтами. Сверху они перекрыты техногенными отложениями – насыпными песками и супесями толщиной слоя 0,4...0,9 м. Аллювиальные отложения представлены песками мелкими с коэффициентом фильтрации 1,3...1,9 м/сут., песками средней крупности с коэффициентом фильтрации до 4,3 м/сут., а также супесями пластичными и текучими, общей толщиной слоя 1,0...10,5 м.

Эксплуатационная пригодность тоннельных сооружений существенно ограничивалась значительными водопроявлениями через деформационные швы, а также многочисленные трещины и дефекты структуры бетона, распределённые по поверхности вертикальных и потолочных железобетонных ограждающих конструкций.

С целью разработки проекта ликвидации водопроявлений было выполнено комплексное инструментально-визуальное обследование тоннельных сооружений с применением технологии сплошного лазерного автоматизированного сканирования, позволяющей фиксировать различные дефекты и нарушения в конструкциях с большой детализацией и точностью без перерыва в режиме эксплуатации тоннелей, которое было дополнено определением фактического класса бетона (методами неразрушающего контроля и методом отрыва со скалыванием). Кроме того, с применением метода электромагнитного импульсного сверхширокополосного (ЭМИ СШП) зондирования были выявлены зоны разуплотнения заобделочного пространства, образовавшиеся вследствие развития суффозионных процессов, сопровождающих водопроявления через ограждающие конструкции.
По результатам этих работ дана оценка фактического состояния с оценкой несущей способности конструкций тоннеля. На этом основании была сформирована классификация выявленных дефектов по степени их влияния на надежность и долговечность конструкций разработаны проектные решения по ремонту и восстановлению эксплуатационной надёжности обделки тоннеля.

В результате обследования были выявлены следующие наиболее характерные дефекты и повреждения:
• трещины в несущих конструкциях тоннеля (в перекрытиях, стенах и ригелях) с шириной раскрытия до 2,0 мм;
• водопроявления различного характера и интенсивности через рабочие и деформационные швы и трещины (на карте дефектов обозначены как «проникновение»). В местах протечек, большая часть которых имеет интенсивность не более 5 л/час, наблюдается выщелачивание;
• сколы бетона (без обнажения рабочей арматуры и с площадь скола не более 0,5 м2).

В соответствии с разработанным проектом предусматривалось реализовать комплексную технологию для ликвидации водопроявлений и восстановлению качества железобетонных конструкций с применением инъекционных систем как на полимерной, так и на минеральной основе.
Зоны разуплотнений заобделочного пространства с поглощением инъекционной суспензии более 5 л/мин. при давлении менее 1 МПа заполняются составом "ПФС+", при более интенсивном поглощении – тампонажными смесями на основе портландцемента типа "БИРС ТМ". После ликвидации зон разуплотнения грунтов, предусмотрена инъекция суспензии "Интроцем-Экстра" на основе микроцемента. При этом, водный поток переносит микроцемент в места водопроявлений (неплотности бетона, сквозные трещины, неплотности холодных швов бетонирования и т. д.), что сопровождается кольматацией дефектов в железобетонных ограждающих конструкциях. Затвердевая, микроцемент образует равнопрочную с телом конструкции пломбу. Это позволяет ликвидировать водопроявления и восстанавливить сплошность и прочность бетона в конструкциях используя известный в бетоноведении принцип "самозалечивания".

В соответствии с разработанным проектом предусматривалось проведение работ по ликвидации водопроявлений в три этапа:
Этап 1 – заполнительная инъекция смесью твердеющего материала на минеральной основе типа "ПФС+" или "БИРС ТМ" в зону контакта внутренненго железобетонного ограждения тоннеля и внешнего ограждения и железобетонных бурокасательных и грунтоцементных свай, с последующим инъектированием водной суспензии на основе ОТДВ "МикродурR-X" или «Мнтроцем-Экстра».

Этап 2 – в случае, если на этапе 1 не ликвидировано водопроявление – обуривание, расшивка дефектов в железобетонных конструкциях и инъектирование через эти дефекты водной дисперсии микроцемента типа "МикродурR-X" или «Интроцем-Экстра».
Этап 3 – в случае, если после выполнения работ на этапе 2 имеют место остаточные водопроявления – покрытие по слою грунтовки внутренней бетонной поверхности тоннеля напыляемой гидроизоляционной мастикой типа «Eliminator NF» для исключения намокания бетонной поверхности за счет капиллярного подсоса влаги через структуру бетона.

Параллельно с этапами 1–3, проект предусматривал восстановление гидроизоляции в деформационных швах путем инъекции эластичного гидроизоляционного материала типа "МС-InjektGL-95TX". Инъекция производится в деформационных швах через специально пробуренные под углом 320 шпуры с установкой пакеров.