Инъекционное закрепление грунтов

6.7.3.1 Инъекционное закрепление грунтов при строительстве подземных сооружений следует применять для преодоления участков несвязных водонасыщенных и нарушенных скальных грунтов, устройства ограждений котлованов, защитных экранов (завес), укрепления оснований и фундаментов зданий и других сооружений, находящихся в зоне влияния строительства, а также для ликвидации аварийных ситуаций, возникающих в процессе строительства.

6.7.3.2 Способы закрепления грунтов по типу используемых инъекционных материалов подразделяются на цементацию, силикатизацию и смолизацию, по методу введения раствора в грунт – на обычную инъекцию и струйную цементацию.

6.7.3.3 Способ закрепления грунтов следует выбирать на основании инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, требований экологии и технико-экономического сравнения вариантов закрепления.

В зависимости от инженерно-геологических условий, цели и принятого метода инъекции для обработки грунтов следует применять инъекционные растворы на основе минеральных вяжущих или полимерных материалов, обладающих широким диапазоном реологических и физико-механических характеристик и обеспечивающих повышение прочности, водонерпоницаемости грунтов или водоподавление.

Границы применения различных способов приведены в таблице 6.7.2.

Таблица 6.7.2

6.7.3.4 Для выбора способа закрепления грунтов и получения исходных данных для проектирования инъекционных работ в дополнение к основным инженерно-геологическим изысканиям необходимо проводить специальные изыскания и исследования.

На первом этапе получают подробные данные о геологическом строении грунтов, гидрогеологических условиях участка и физико-механических характеристиках грунтов на основании исследований, выполненных согласно 5.1.1, или проведенных дополнительно для уточнения инженерно-геологических условий применительно к особенностям ведения инъекционных работ.

На втором этапе выполняют лабораторные исследования с назначением вида и состава инъекционного раствора и опытные работы по закреплению грунтов в натурных условиях для проверки и уточнения параметров и технологии закрепления грунтов.

6.7.3.5 Опытное закрепление грунтов в обязательном порядке необходимо проводить для особо ответственных сооружений или в особо сложных инженерно-геологических условиях, а также при необходимости гарантированного получения заданных характеристик закрепленного грунта.

При проведении опытных работ определяются расчетный объем и радиус закрепления, физико-механические характеристики закрепленных грунтов, уточняются технологические приемы и параметры инъекции (давление нагнетания, расход инъекционных материалов), время инъекции единицы объема грунта, а при струйной цементации давление нагнетания раствора и воздуха, скорость подъема и вращения монитора, количество и диаметр сопел, расход раствора на 1 м скважины.

Если опытная инъекция не проводится, то не менее 10% инъекционных скважин считаются опытными.

По результатам проведения опытных работ выполняется корректировка проектной документации на инъекционное закрепление грунтов.

6.7.3.6 В процессе производства работ технологические параметры инъекционных работ следует корректировать в зависимости от изменений геологических и гидрогеологических характеристик грунтов, выявляемых в процессе ведения работ.

6.7.3.7 Рабочую документацию инъекционного закрепления грунтов должна разрабатывать специализированная проектная организация. Документация должна содержать следующие технические решения и данные:

- технико-экономическое обоснование выбора способа закрепления грунтов;

- решение о назначении типа (вида) основания или другой конструкции из закрепленных грунтов и конструктивной схемы закрепления в соответствии с решаемой технической задачей;

- масштабные инженерно-геологические планы и разрезы с нанесением расчетных контуров и размеров закрепляемых массивов грунта, а также требования к прочностным, деформационным и другим свойствам закрепленных грунтов;

- данные об объемах закрепления грунтовых массивов и общем количестве необходимых для выполнения работ материалов;

- расположение в закрепляемом массиве грунтов инъекционных и контрольных скважин в плане и по глубине с указанием их глубин, наклонов, диаметров, допускаемых отклонений;

- данные о номенклатуре, характеристиках и количестве необходимых для выполнения работ механизмов и оборудования (бурового, забивного, насосного, инъекционного, компрессорного, емкостей и др.);

- порядок обработки грунтов инъекционными растворами, их удельный расход, давление нагнетания, порядок приготовления инъекционных растворов;

- технологические карты или схемы с описанием способов и технологической последовательности проводимых работ, трудозатрат и потребностей в механизмах и материалах по этапам, скорости вращения и подъема монитора при струйной цементации грунтов;

- объемы работ по контрольному закреплению грунтов и указания по их выполнению;

- дополнительные указания к мероприятиям по контролю качества работ, технике безопасности, охране окружающей среды;

- календарный план работ, в котором на основе объемов работ, технологии и наличия механизмов и оборудования устанавливаются последовательность и сроки выполнения отдельных видов работ;

- другие данные общестроительного характера (вспомогательные устройства, мероприятия при работах в зимних условиях и т.п.).

6.7.3.8 Работы по инъекционному закреплению грунтов должны выполняться строительной организацией или участком, имеющим опыт ведения буровых и инъекционных работ.

6.7.3.9 Организация работ по закреплению грунтов должна предусматривать:

- подготовку стройплощадки к работам, в том числе, сооружение (при необходимости) специальных камер, выработок при проходке зон неустойчивых водонасыщенных грунтов, ограждение рабочих участков, устройство временных бытовок, складов, навесов, утепление растворных узлов;

- обеспечение участка электроэнергией, водой, сжатым воздухом;

- геодезическую выноску оси и контура тоннеля при проведении работ с дневной поверхности;

- доставку, размещение, подключение и проверку технологического оборудования; доставку и складирование строительных материалов;

- организацию лабораторного поста.

6.7.3.10 Инъекционные работы подлежат обязательному документированию с указанием времени начала и окончания вида работ, номеров скважин и границ участков, в пределах которых ведутся работы, основных технических характеристик используемого оборудования, составов растворов. Необходимо также фиксировать данные о режимах и расходах растворов, их характеристиках, результаты гидроопробования скважин, отклонения от требований ППР и вызвавшие их причины.

При выполнении инъекционных работ следует вести общий журнал работ, а также журналы бурения и гидроопробования скважин, нагнетания и контроля параметров инъекционного раствора и тампонажного камня.

6.7.3.11 В случае изменения инженерно-геологических условий, способов производства работ и в других обоснованных случаях работы необходимо выполнять только после внесения в проектную документацию соответствующих изменений и дополнений.

6.7.3.12 К инъекционным растворам предъявляются следующие требования:

- высокая проникающая способность;

- обеспечение максимального выхода тампонажного камня;

- возможность регулирования технологических (реологических) параметров (вязкости, сроков схватывания или отверждения и др.);

- механическая прочность и противофильтрациоцная плотность закрепленного грунта, соответствующая цели инъекции.

Основные типы инъекционных растворов и их краткая характеристика представлены в таблице 6.7.3.

Таблица 6.7.3

При выборе типа и состава инъекционного раствора следует учитывать:

- геологические и гидрогеологические условия конкретного участка;

- цель инъекции (повышение прочности, стабильности или водонепроницаемости грунтов, заполнение крупных пустот или трещин, предотвращение водопритока и т.п.);

- назначение раствора (инъекционный, буровой, для устройства обоймы, грунтоцементных свай и др.);

- требования к физико-механическим характеристикам закрепленного грунта и к технологическим параметрам раствора (плотности, вязкости, срокам схватывания и др.);

- стоимость и экологические требования к материалам для приготовления растворов.

6.7.3.13 Выбор инъекционного раствора в зависимости характеристик грунта и требуемых параметров закрепления следует выполнять по таблицам 6.7.2 и 6.7.3.

6.7.3.14 В случаях, когда обрабатываемые грунты имеют повышенное содержание карбонатов или органических частиц (от 0, 1 до 3%) и для снижения отфильтровывания жидкой фазы растворов на основе минеральных вяжущих, рекомендуется проводить предварительную обработку грунтов слабыми растворами кислот (отвердителей к растворам смол).

6.7.3.15 Состав работ по инъекционному закреплению грунтов включает бурение, обустройство и гидравлическое опробование скважин, приготовление и нагнетание инъекционного раствора, извлечение оборудования скважин (инъекторов, манжетных и т.п.), а также работы по контролю качества закрепления грунтов.

6.7.3.16 Состав работ по струйной цементации грунтов включает бурение направляющих скважин и спуск монитора в скважину, установку его на проектной глубине, приготовление инъекционного раствора, подъем монитора с одновременной подачей инъекционного раствора через сопла (форсунки), размыв в грунте полостей и заполнение их грунтоцементным материалом, извлечение рабочего органа и перемещение агрегата на новую точку.

6.7.3.17 Всем проектным скважинам до начала бурения присваивают номера, указывающие на закономерное положение скважин по фронту работ, независимо от времени бурения и инъекции.

Всем дополнительным скважинам, назначаемым по ходу инъекционных работ, следует присваивать номера близлежащих проектных скважин с добавлением букв " п" (повторная), " к" (контрольная) и т.п.

6.7.3.18 Бурение и инъекцию скважин следует проводить, как правило, от внешних контуров к внутренним, от нижних к вышерасположенным скважинам и способом последовательного сближения скважин - очередями. При таком порядке последующие отдельные скважины или группы скважин являются контрольными по отношению к ранее обработанным или образованным при струйной цементации грунтоцементным сваям.

Фактическое отклонение устьев скважин от проектного не должно превышать 0, 1м.

6.7.3.19 Разведочные и инъекционные скважины на участках с высоким напором воды необходимо бурить через превенторные устройства, чтобы не допустить прорыва воды с неуправляемым выносом грунта и обеспечить возможность быстрого нагнетания раствора в скважину для ликвидации выноса.

6.7.3.20 В зависимости от гидрогеологических условий участка и принятой технологии инъекции следует использовать кондукторы (для обеспечения заданного направления скважин, закрепления и герметизации скважин) или пакеры (для герметизации скважин) при обработке трещиноватых грунтов через буровой став или манжетную колонну, а также забивные инъекторы, инъекторы-тампоны или манжетные колонны при обработке несвязных грунтов.

Инъекционные суспензии на основе тонкодисперсных цементов следует нагнетать в грунты только через манжетные колонны.

6.7.3.21 Бурение скважин и инъекцию растворов рекомендуется выполнять способом нисходящих (скважина бурится на глубину первой заходки, инъектируется, затем заинъектированная зона разбуривается и скважина бурится на длину второй заходки и т.д.) или восходящих заходок (скважина разбуривается на всю глубину и обработка грунта идет последовательно заходками, от забоя скважины до устья).

Глубина заходок (длина обрабатываемых скважин) не должна превышать 10 м. В неустойчивых нарушенных грунтах при пересечении участков с большим притоком воды их глубину уменьшают до 3 м.

6.7.3.22 Дополнительные скважины следует назначать в том случае, если среди заинъектированных скважин будут обнаружены зоны с поглощением раствора, превышающим в 10 раз среднее поглощение для данной очереди скважин, зоны с неполноценной инъекцией или участки скважин, недобуренные до проектной глубины по производственным обстоятельствам.

6.7.3.23 Оборудование для проведения инъекционных работ выбирают в зависимости от способа закрепления грунтов (инъекция, струйная цементация), объемов работ, типа инъекционного раствора и технологической схемы его приготовления и нагнетания.

Смесительное и нагнетательное оборудование должно обеспечивать тщательное перемешивание компонентов раствора и требуемое давление нагнетания, высокие темпы работ при минимальных трудовых и материальных затратах, наименьшее загромождение строительных площадок, удобство транспортирования, монтажа и демонтажа и безопасное обслуживание.

6.7.3.24 Материалы в процессе приготовления растворов механизированным способом следует дозировать по массе. Вода и водные растворы силикатов, смол и добавок дозируются по объему. Точность дозировки для воды и цемента - до 3%, для заданных объемов компонентов растворов на основе силикатов и смол, а также добавок - до 5%.

Загрузку в емкость растворомешалки каждого последующего компонента начинают при получении однородной смеси после загрузки предыдущих компонентов в полном объеме.

Добавки для улучшения свойств растворов готовят заранее в виде раствора повышенной концентрации и вводят в воду затворения в количестве, обеспечивающем рабочую концентрацию их в нагнетаемом растворе.

6.7.3.25 Компоненты растворов на основе цемента вводят в растворомешалку в очередности: вода - бентонитовая глина - цемент - силикат натрия. Приготовленный цементный раствор должен непрерывно перемешиваться или находиться в движении до момента его поступления в скважину и использоваться в течение 4 ч (не более) с момента его приготовления.

6.7.3.26 Растворы на основе тонкодисперсных вяжущих готовят в высокоскоростной растворомешалке с числом оборотов смесителя не менее 3000 об/мин при мощности электродвигателя не менее 2 кВт или в турбулентном смесителе с активатором и автоматическим дозированием вяжущего, воды и добавок.

Очередность введения компонентов в растворомешалку: вода - суперпластификатор - ускоритель схватывания – тонкодисперсное минеральное вяжущее (постепенно и порционно).

6.7.3.27 При смешивании компонентов растворов силикатов и смол в растворомешалке отвердитель необходимо добавлять к силикату и смоле, а не наоборот, заданное время гелеобразования контролируют отбором проб раствора с фиксацией момента его гелеобразования.

6.7.3.28 Инъекционный раствор нагнетают в скважину непосредственно вслед за гидравлическим опробованием.

6.7.3.29 В зависимости от вида раствора нагнетание выполняют по однокомпонентной схеме одним насосом по одному раствороводу (компоненты раствора смешивают в растворомешалке перед нагнетанием) или по двухкомпонентной - двумя насосами по двум раствороводам (компоненты раствора смешивают на устье скважины в гидравлическом смесителе).

6.7.3.30 Нагнетание раствора выполняют зажимным способом при использовании насосов с регулируемым приводом или полуциркуляционным при использовании насосов с нерегулируемым приводом.

6.7.3.31 Нормальным режимом инъекции считается ход нагнетания раствора, при котором нагнетание ведется непрерывно, с постепенным снижением расхода раствора, при этом давление раствора соответствует давлению отказа, или постепенно возрастает до давления отказа, весь нагнетаемый раствор поступает в грунт.

Состав нагнетаемого раствора не должен меняться, если при непрерывном нагнетании расход раствора при постоянном давлении уменьшается или давление раствора при постоянном его расходе возрастает.

Плотность раствора следует увеличивать (сгущать) в тех случаях, когда при нагнетании раствора с максимальным достигнутым расходом давление не повышается или при достижении давления отказа расход раствора не уменьшается.

6.7.3.32 При обнаружении выхода раствора на поверхность или в другую скважину место выхода следует немедленно затампонировать (пакля, деревянные клинья и пробки, быстросхватывающийся раствор). Эффект может дать также сгущение раствора, уменьшение давления нагнетания и т.д.

В случае невозможности прекратить утечку раствора в процессе инъекции скважину оставляют на выстойку на срок от нескольких часов до 2-3 сут.

6.7.3.33 Нагнетание раствора при струйной цементации грунта проводят триплексными насосами высокого давления (до 60, 0 МПа) по нагнетательным армированным шлангам, соединенным с монитором (буровым ставом).

Монитор спускают в скважину с подачей воды и воздуха с малым расходом и давлением. После установки монитора на проектной глубине при неподвижном положении монитора следует проводить разрушение грунта в течение 1-2 мин (до появления пульпы из скважины), затем увеличивают расход и давление раствора и воздуха до рабочих величин, после чего начинают подъем монитора.

Поднимать монитор следует плавно и непрерывно. Максимально допустимую скорость подъема устанавливают по результатам опытных работ.

6.7.3.34 Наиболее эффективная обработка несвязных и слабосвязных грунтов достигается при относительно больших расходах инъекционного раствора, а в связных грунтах (плотные, суглинки, глины) - при относительно высоких давлениях нагнетания раствора.

6.7.3.35 Расход инъекционного раствора при струйной цементации грунта следует регулировать по выносу раствора с грунтовой пульпой из скважины. Нормальный процесс цементации сопровождается незначительным выносом раствора, при чрезмерном выносе раствора расход его следует уменьшать, при отсутствии выноса - увеличивать.

6.7.3.36 При инъекции растворов на основе силикатов и смол режим нагнетания следует выбирать в зависимости от времени гелеобразования, позволяющего с учетом проницаемости грунтов, вязкости раствора и допустимого давления нагнетания выполнить нагнетание необходимого объема раствора.

6.7.3.37 Контроль качества и оценку достаточности инъекционных работ необходимо проводить систематически в следующем составе:

а) входной контроль поступающих материалов - проверка соответствия их стандартам, техническим условиям, паспортам и другим документам, подтверждающим качество материалов, проверка соблюдения требований их разгрузки и хранения;

б) оперативный контроль за выполнением работ - проверка соответствия их проекту и корректировка технологических параметров бурения и нагнетания растворов при уточнении инженерно-геологических условий;

в) контрольные работы по определению результатов закрепления грунта инъекцией или струйной цементацией и оценке качества после завершения проектного объема работ, а также приемочный контроль с составлением акта освидетельствования скрытых работ.

6.7.3.38 Качество инъекционного закрепления грунтов оценивают по результатам испытаний контрольных скважин и образцов закрепленного грунта.

Вид и объем контрольных испытаний следует назначать в зависимости от конкретных условий строительства на основании анализа исполнительной документации по инъекции грунтов.

6.7.3.39 Качество инъекции грунтов устанавливают по:

- устойчивости стенок и остаточному дебиту контрольных скважин;

- удельному водопоглощению контрольных скважин;

- отбору и испытанию кернов укрепленного грунта;

- динамическим зондированием или испытанием статической нагрузкой массива закрепленного грунта;

- геофизическим исследованием сплошности, однородности и прочности закрепленного грунта.

Инъекционные работы по закреплению грунта считаются законченными и удовлетворительными при достижении проектных объемов укрепления грунтов и обеспечении требуемых физико-механических характеристик закрепленного грунта (прочность, водонепроницаемость, водоустойчивость и др.).

6.7.3.40 Контроль качества и достаточности законченных работ следует проводить комиссией в составе представителей строительных организаций, заказчика и проектной организации.

Комиссии должны быть представлены:

- проектная документация на инъекционные работы, дополнения и изменения к ним;

- исполнительные чертежи по законченному участку работ, журналы производства работ согласно приложениям 6.7.В1-6.7.В4 СП 32-105 [17], а также акты на выполненные работы согласно приложениям 6.7.В5 и 6.7.В6 СП 32-105 [17];

- результаты определения характеристик использованных для инъекции материалов, данные испытаний инъекционных растворов, закрепленного грунта;

- документация по контрольным работам.

По результатам рассмотрения представленной документации комиссия составляет акт о готовности участка для ведения основных работ по форме приложения 6.7.А4 СП 32-105 [17].