Общие сведения. Способы сооружения метрополитенов в сложных условиях по характеру воздействия на грунт подразделяются на механические, физические и химические.
К механическим способам закрепления грунтов относятся шпунтованное ограждение, опускная крепь, «стена в грунте», ограждения из буронабивных свай. К физическим способам — понижение уровня грунтовых вод, замораживание грунта, кессонный способ проходки. К химическим способами — битумизация, цементация, глинизация, силикатизация.
Механические способы закрепления грунтов. Шпунтованное ограждение применяется для крепления стен котлованов (траншей) от их обрушения в водонасыщенных и не отдающих воду породах. Шпунтованное ограждение может быть деревянным при мощности плывуна 3-4 м и металлическим при мощности плывуна до 15 м. Металлическое шпунтованное ограждение применяется при расположении крупных зданий на призме обрушения для предотвращения осадочных явлений.
Способ «стена в грунте» применяется для сооружения стен подземных вестибюлей, станций метрополитенов, стен тоннелей мелкого заложения путем создания в грунте стен, которые используются в качестве несущей или ограждающей конструкций. Стены являются конструкцией будущего сооружения и одновременно служат для крепления котлованов. Под их защитой осуществляется выемка грунта и дальнейшее производство строительно-монтажных работ. Способ «стена в грунте» используется при ведении земляных работ в водоносных грунтах и в стесненных условиях городской застройки. Сущность способа «стена в грунте» заключается в заполнении выемок и траншей глинистым раствором (суспензией) с определенными тиксотропными свойствами. Тиксотропия раствора проявляется в его способности загустевать при спокойном состоянии и вновь превращаться в жидкое состояние от механического воздействия. Наличие глинистого раствора в траншее позволяет сохранить устойчивость стенок траншеи как в период углубления забоя, так и в период устройства собственно конструкций. После окончания углубления траншеи до проектных отметок, траншею заполняют бетоном, сборными железобетонными конструкциями, глиноцементными смесями, в результате чего создают несущие конструкции, форма которых в плане соответствует форме траншеи.
Способ погружения крепи шахтных стволов в тиксотропной рубашке (опускная крепь) применяется при сооружении шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях. Сущность способа состоит в том, что пространство между наружной поверхностью опускаемой крепи и грунтом заполняется глинистым (тиксотропным) раствором. Тиксотропный раствор, заполняющий пространство между наружной стеной обделки ствола и грунтов, значительно снижает силы трения и позволяет внедрять нож опускной крепи в зоне плывуна на контакте с водоупором на глубину, обеспечивающую нормальную работу в забое. Глинистый раствор обеспечивает, кроме того, создание гидроэкрана вокруг обделки, что предотвращает течь через швы между тюбингами обделки.
Буронабивные сваи применяются при возведении стен перегонных и станционных тоннелей метрополитенов мелкого заложения открытым способом. Этот способ используют при наличии в зоне производства земляных работ водоносных грунтов. Сущность способа заключается в бурении буронабивных скважин вращательным и ударным способом с последующей установкой в скважину арматурного каркаса и бетонированием. По мере заполнения скважины бетоном обсадную трубу извлекают.
Физические способы закрепления грунтов. Искусственное понижение уровня грунтовых вод применяется при проходке тоннелей открытым и закрытым способами, проходке шахтных стволов, при снижении напора и уменьшении притока воды в выработке. Водопонижение применяют в неустойчивых водоносных грунтах. Его сущность заключается в устройстве по периметру осушаемого участка специальных водопонижающих скважин, из которых постоянно откачивается вода. При этом образуются депрессионные воронки, примыкающие друг к другу и позволяющие понизить уровень грунтовых вод до заданной отметки. Водопонижение осуществляется эжекторными и легкими иглофильтровыми установками, вакуумными установками, водопонижающими скважинами, оборудованными глубинными насосами. В практике метростроения искусственное понижение уровня грунтовых вод обычно применяется на стадии строительства, однако в особо сложных гидрогеологических условиях, водопонижение осуществляют и в период эксплуатации метрополитена.
Искусственное замораживание применяется при проходке подземных выработок метрополитена в различных водоносных грунтах и породах. Этот способ является наиболее универсальным и надежным, так как может быть применен на различных глубинах и в любых грунтах с различными коэффициентами филограции и химического состава грунтовых вод. Сущность способа искусственного замораживания грунтов состоит в создании временного прочного и водонепроницаемого крепления выработок из замороженного грунта (ледогрунтовое ограждение). Таким образом, способ искусственного замораживания грунтов позволяет искусственно изменить физические свойства грунтов, обеспечивающих нормальную проходку выработок. Для создания такого искусственного крепления по контуру будущей выработки бурят скважины, углубляя их в водоупорный слой на 2-3 м. В эти скважины опускают замораживающие трубы (колонки), по которым циркулирует раствор хлористого кальция (рассол), имеющий отрицательные температуры. Рассол отнимает тепло у грунта, окружающего замораживающую колонку, понижает его температуру и постепенно замораживает грунт.
Кессонный способ применяется для проходки горизонтальных и вертикальных выработок в водоносных грунтах и плывунах. Сущность способа заключается в искусственном создании избыточного давления (2,0-2,5 кгс/см2) в зоне забоя для отжатия грунтовых вод от места производства работ. Давление воздуха выбирают в зависимости от глубины выработки и гидростатического напора.
Способ химического закрепления грунтов. в метростроении способ химического закрепления грунтов впервые в нашей стране был применен при сооружении первой очереди Московского метрополитена для предотвращения осадок зданий, расположенных вблизи метротрассы.
За последние годы разработан целый ряд рецептур, предложены новые физико-химические способы, позволяющие закреплять песчаные и лессовые просадочные грунты и значительно улучшать механические свойства глинистых грунтов.
В результате многолетних исследований в Советском Союзе разработаны и успешно применяются ряд способов глубинного закрепления грунтов: однорастворная и двухрастворная силикатизация песчаных грунтов, способ инъекцирования глиносиликатных и алюмосиликатных тампонажных растворов, однорастворный способ закрепления просадочных лессовых грунтов, электрохимическое закрепление глинистых грунтов, способ смолизации и др.
Способы химического закрепления грунтов основаны на нагнетании в них растворов, состоящих из одного или нескольких компонентов, которые при смешивании образуют в породах грунта гель, придающий ему прочность и водонепроницаемость. Нагнетание закрепляющих растворов производят под давлением через инъекторы — специальные трубки с перфорацией и резиновыми манжетами, закрывающими отверстия для выхода нагнетаемого раствора и предохраняющими эти отверстия от засорения частицами грунта при заглублении инъекторов в грунтовый массив. В качестве химических закрепляющих растворов применяют растворы силиката натрия (жидкого стекла) и смол, в качестве отвердителей — кислоты и соли. Раствор, состоящий из нескольких компонентов, при смешивании которых в заданное время в порах грунта образуется гель, называют гелеобразующим раствором. В метростроении способ химического закрепления породы чаще всего применяется в песчаных грунтах как сухих, так и обводненных.
Основными критериями для выбора способа закрепления являются фильтрационная способность грунта и конструктивные требования к нему. Работы по химическому закреплению грунтов производятся посредством погружения инъекторов в грунт, приготовления закрепляющих растворов, нагнетания растворов, извлечения инъекторов и выполнения вспомогательных операций. Способы химического закрепления грунтов в метростроении целесообразно применять при подготовке котлованов для сооружения вестибюлей, подземных переходов, отдельных участков тоннелей открытым способом; при проходке тоннелей закрытым способом для защиты подземных коммуникаций от просадок; для предотвращения неравномерных осадок зданий и сооружений, расположенных вблизи трассы метрополитена.
