Цементация неустойчивых грунтов в зоне пересечения подходной выработки с перегонным тоннелем метрополитена в Екатеринбурге

В Екатеринбурге по заказу УЗПС «Метро» продолжается строительство метрополитена. В настоящее время «Метрострой-ПТС» ведет сооружение перегонного тоннеля на участке от ст. «Бажовская» до ст. «Геологическая».

Горно-геологические условия по трассе тоннеля являются сложными - прочные скальные грунты (порфирит) перемежаются с участками глин от тугопластичной до текучей консистенции. Проходка в глинистых грунтах осуществляется с помощью щита с открытым забоем, а в скальных породах - буровзрывным способом.

В этих условиях наибольшую сложность представляет участок трассы, расположенный в неустойчивых грунтах - пластичных глинах. Пренебрежение данной опасностью ранее при строительстве левого перегонного тоннеля привело к аварийному выпуску грунта в забой с образованием огромной мульды оседания поверхности городской территории. По счастливой случайности это произошло на отгороженной территории и не вызвало каких-либо серьезных негативных последствий.

В отличие от предыдущего случая, трасса правого перегонного тоннеля проходит практически под основной городской магистралью - улицей 8-го Марта, поэтому в этот раз проходке участка из неустойчивых грунтов было уделено повышенное внимание.

Ситуация осложнялась тем, что трасса пересекает вспомогательную (подходную) выработку, которая раннее с большими трудностями была пройдена в зоне пластичных глин. Безусловно, в данном случае требовались специальные мероприятия по обеспечению устойчивости грунтового массива, причем в условиях пересечения с существующей выработкой. После сопоставления различных специальных способов (замораживание грунтов, водопонижение, химическое закрепление и др.) была выбрана технология струйной цементации грунтов.

Вести эти ответственные работы было поручено пермскому предприятию «ИнжПроектСтрой», специалисты которого уже выполняли аналогичную работу при проходке в неустойчивых пластичных глинах автодорожного тоннеля в г. Уфе. Проект специальных работ был разработан ОАО «Уралгипротранс», который к этому времени уже имел положительный опыт проектирования струйной цементации слабых грунтов при строительстве двух автодорожных тоннелей под железнодорожными путями в районе ст. Пермь-2 и микрорайоне Бахаревка в г. Перми.

Техническое решение

Техническое решение заключалось в создании из подходной выработки двух экранов из пересекающихся грунтоцементных колонн. Первый устраивали навстречу проходческому щиту, идущему к ст. «Геологическая» (этап № 1), второй - для его старта в направлении ст. «Бажовская» (этап № 2).

Практический опыт показывает, что длина горизонтальных колонн не должна превышать 25-30 м, т. к. при её увеличении трудно обеспечить горизонтальность и направленность бурения лидерных скважин. Длина второго участка превышала эту величину, поэтому было принято решение о дополнительной цементации грунта со стороны монтажной камеры (этап № 3). И хотя, с одной стороны, это привело к дополнительному объему бурения лидерных скважин в скальных породах из забоя монтажной камеры, с другой стороны - данное решение позволило максимально качественно произвести цементацию слабых пород на контакте со скальными породами, где глинистые грунты находятся, как правило, в обводненном и наиболее подвижном состоянии. Кроме того, с целью обеспечения устойчивости лба забоя при проходческих работах, было предложено устроить грунтоцементные колонны в теле тоннеля. Схема работ показана на рис. 1.

Производство работ

На первом этапе, с целью упрощения работ по бурению лидерных скважин, экраны выполняли прямоугольной формы. Грунтоцементные колонны, горизонтально расположенные в боковых стенах экрана и своде тоннеля, были установлены по однорядной схеме с шагом 400 мм. Диаметр колонн составлял 500 мм, что позволило достичь их надежного пересечения на всей длине.
В лотковой части грунтоцементные колонны были выполнены в наклонном положении, в несколько рядов, с перекрытием по длине в 1 м, что также обеспечивало сплошность экрана с необходимым запасом.
На рис. 2 показано расположение колонн экрана, устроенного из подходной выработки в направлении ст. «Геологическая». Длина их была определена из условия перекрытия всей зоны слабых грунтов (рис. 3).

Перед устройством колонн в железобетонной крепи подходной выработки были пробурены отверстия диаметром 130 мм длиной 250-400 мм, в которые установили кондукторы специальной конструкции. Лидерные скважины бурили станком DRILL 830 ВВ (Италия) и малогабаритным СБГ-ПМ2 (Россия). Буровой станок DRILL 830 ВВ выполнен по схеме с разделенной гидростанцией, что не только позволило вписать его в стесненное пространство подходной выработки, но, что более важно, спустить его по стволу в разобранном виде.

Этим станком с высокой производительностью были произведены работы по устройству колонн в лотковой части экрана и в нижней части боковых стен, а в верхней части стен и в кровле экрана использовали малогабаритный станок СБГ-ПМ2, который устанавливали на специальные подмости. Весь основной технологический комплекс, включающий силос для приема цемента, миксерную станцию TWM20 и высоконапорный цементировочный насос TW352, был размещен на поверхности приствольного двора. Цементный раствор под давлением 500 атм подавали по гибким шлангам, которые были пропущены через ствол к месту расположения бурового станка. Длина плети составила приблизительно 100 м.

Такая схема, когда основной комплекс находится на дневной поверхности, а буровой станок - в тоннеле метрополитена (на глубине более 30 м), позволяет вести работы в любых стесненных условиях. При этом приготовление и нагнетание раствора осуществляется на дневной поверхности в условиях обычной строительной площадки.

По завершении первого этапа было произведено контрольное бурение трех скважин с отбором керна. Исследования показали, что сформированные грунтоцементные колонны имели проектный диаметр. Кроме этого, внутри защитного экрана текучепластичная глина приобрела более высокую консистенцию.
На основе приобретенного опыта было выполнено устройство второго экрана из грунтоцементных свай в направлении ст. «Бажовская» (этапы № 2, 3).

В связи с тем, что на этапе № 3 работы велись из монтажной камеры кругового сечения, в которую должен был войти проходческий щит, схема расположения устьев скважин имела достаточно сложную форму (рис. 4).

В ходе проходки участка под защитой первого экрана подтвердились результаты контрольного бурения. Действительно, кроме решения основной задачи по устройству защитного экрана, был получен неожиданный результат - глинистый грунт в теле тоннеля перешел в более устойчивое состояние. Такой положительный эффект от струйной цементации неоднократно наблюдался и на других объектах. Механизм повышения стабильности глинистого грунта на удалении от грунтоцементных колонн объясняется действием пуццолановой реакции глины и извести, выделяемой в процессе реакции гидратации цемента.

Проходка участка до подходной выработки благодаря качественному закреплению грунтов прошла без каких-либо осложнений всего за семь суток.