Проходка тоннелей и разработка котлованов часто осложняются при наличии воды в разрабатываемых грунтах. В скальных грунтах, известняках, песчаниках, гранитах и других устойчивых грунтах воду отводят от забоя по дренажным канавам или откачивают с помощью насосов. Для обеспечения беспрепятственного отвода воды в таких условиях проходку стремятся вести на подъем. Однако бывают случаи, когда большие притоки воды, особенно напорной, сильно затрудняют и замедляют разработку грунта. Большие трудности проявляются при проходке стволов или наклонных тоннелей, где отвод воды от забоя по уклону невозможен, а устройство зумпфов (колодцев) для откачки воды насосами затруднено.
При насыщении водой илистых, песчаных, песчано-глинистых грунтов забой становится неустойчивым, происходит вынос водоносного грунта из-под крепления забоя в выработку. Насыщенный водой грунт как бы «плывет» из забоя и закрепить его бывает очень трудно, а иногда невозможно.
Для преодоления участков со сложными гидрогеологическими условиями необходимо обеспечить стабилизацию грунта в забое или исключить попадание воды в подземную выработку или котлован, т. е. создать такие условия, при которых проходку выработки или разработку котлована можно было бы вести обычными способами: щитовым, сплошного забоя, уступным, поярусной разработкой котлованов и др. Применение специальных способов на период производства работ по возведению постоянной крепи выработки позволяет изменить физико-механические свойства грунтов, в которых проходят тоннель, повысить их прочность и устойчивость, устранить приток воды (частично или полностью).
К числу таких специальных способов относятся следующие.
Искусственное замораживание грунтов. При этом способе воду из грунта не удаляют, а замораживают ее вместе с грунтом с помощью специальных устройств — замораживающих колонок. В результате замораживания при постепенном отборе тепла от грунта создается ледогрунтовый массив, имеющий большую механическую прочность и полностью водонепроницаемый.
Искусственное замораживание применяют при проходке выработок, возведению тоннельной обделки и ее гидроизоляции. После окончания этих работ происходит оттаивание грунтов и восстановление их естественного состояния с последующей передачей горного и гидростатического давления на возведенную постоянную обделку.
Водопонижение. Этот способ состоит в осушении грунтов, в которых строится тоннель, или снятии напора в водоносных грунтах путем откачки воды из них через специально устраиваемые для этих целей водопонижающие скважины, в которых устанавливают водооткачивающие средства. Эффективность способа зависит от того, насколько быстро грунт может отдавать воду. Степень водоотдачи грунта характеризуется коэффициентом фильтрации, представляющим собой среднюю скорость движения воды по скелету грунта под действием собственного веса, выраженную в метрах в сутки. Например, крупнозернистый песок имеет коэффициент фильтрации 15-25 м/сут, мелкозернистый-1-5 м/сут, илистые грунты — 0,1-0,3 м/сут. Наилучшего осушения можно добиться в песчаных грунтах, имеющих наибольший коэффициент фильтрации.
Закрепление грунтов. Этот способ основан на нагнетании в грунт специальных растворов, которые, проникая в поры грунта, придают ему прочность и водонепроницаемость. Для закрепления грунтов применяют различные способы: цементацию (нагнетание цементного раствора), глинизацию (нагнетание тампонажного глинистого раствора с различными добавками), химическое закрепление — силикатизацию (двухрастворная — последовательное нагнетание раствора жидкого стекла, а затем раствора хлористого кальция, однорастворная — нагнетание гелеобразующей смеси, приготовленной непосредственно перед нагнетанием путем смешивания раствора жидкого стекла и кислотных отвердителей), смолизацию — нагнетание растворов смол с отвердителями.
К специальным способам закрепления грунтов относятся также битумизация и термическое закрепление, но эти методы применимы, при небольших объемах грунтов, подлежащих закреплению, поэтому в метростроении они не применяются.
Способ закрепления грунтов выбирают при составлении проекта на основании данных инженерно-геологических изысканий, характеристик грунтов и технико-экономического анализа (см. таблицу).
Кессонный способ. Сущность этого способа заключается в том, что в огражденное замкнутое пространство, называемое рабочей зоной, где выполняются работы по возведению сооружения, нагнетают сжатый воздух, который отжимает воду из грунта, что позволяет разрабатывать грунт и устанавливать временное и постоянное крепление в практически сухом забое. При этом давление сжатого воздуха в нижней части рабочей зоны для полного отжатия воды должно быть равно или несколько меньше гидростатического напора воды.
Совмещенные специальные способы работ. Эти способы основаны на применении в конкретных условиях строительства одновременно двух специальных способов, которые в определенной последовательности или параллельно создают технологию, позволяющую вести строительство в сложных гидрогеологических условиях.
Примерные области применения различных способов закрепления грунтов
Способ закрепления грунтовВид грунтаКоэффициент фильтрации, м/сутЦементация и глинизацияТрещиноватые скальные грунты, известняки, песчаники, гр.авелистые грунты, крупнозернистые пески80-500Силикатизация: двухрастворнаяПесчаные, песчано-глинистые грунты2-80однорастворнаяТо же0,5-50СмолизацияПесчаные, илистые, песчано-глинистые грунты0,5-80Примером такого совмещения двух методов является проходка тоннелей под сжатым воздухом с одновременным водопонижением: в этом случае применение водопонижения позволяет уменьшить гидррстатический напор, что дает возможность вести проходку тоннеля кессонным способом при более низком давлении в рабочей зоне.
Совмещенное применение замораживания и водопонижения позволяет осушить грунт в котловане, огражденном замкнутой водонепроницаемой ледогрунтовой стеной.
