Особенности применения технологии jet-grouting в многолетнемёрзлых грунтах

Обеспечить надёжность и устойчивость зданий, сооружений и линейных объектов в зоне многолетнемёрзлых грунтов — важнейшая задача, которая стоит перед строителями. Как правило, для этого используют свайные фундаменты, но применение забивных и буронабивных свай обычно связано с большими материальными и трудовыми затратами.

Впрочем, есть технология, которая позволяет решить эту задачу с большей эффективностью и меньшими затратами. Речь идёт о струйной цементации грунта (jet-grouting).

Jet-grouting

Ключевые преимущества струйной цементации — возможность применения
в многолетнемёрзлых и оттаивающих грунтах, а также сокращение сроков и стоимости строительства за счёт совмещения рабочих процессов.

Для получения грунтоцементного элемента используется специальное оборудование: установка подачи пара и буровая установка с комплексом струйной цементации. Пар температурой 310 °C подаётся через форсунки основного монитора установки, под давлением 10 МПа.

В результате в породе разрушаются ледовые связи и формируется вертикальная цилиндрическая зона талого грунта диаметром до 1200 мм с температурой 6–24 °C. Это создаёт благоприятные условия для кристаллизации цемента — появления однородного материала с высокими прочностными характеристиками (прочность на сжатие достигает до 6…8 МПа).

Что сопоставимо с показателями окружающего многолетнемёрзлого грунта и достаточно для устройства свайного фундамента. При этом такой материал имеет меньшую теплопроводность, чем железобетон.

Эту технологию используют для устройства вертикальных грунтоцементных элементов; инъекционного закрепления растеплённых зон; ликвидации скважин ледопородного ограждения с одновременной цементацией затрубного пространства.

Инъекционное закрепление растеплённой зоны крупнообломочных грунтов

Серьёзные сложности при промышленном освоении региона создаёт растепление вечной мерзлоты в основании существующих фундаментов. В этом случае также может помочь использование струйной цементации.

Если в основании существующих фундаментов залегает крупнообломочный грунт, технологию jet-grouting используют в режиме инъекционной пропитки.

При этом формируется зона закреплённого грунта диаметром до 1600…1800 мм, состоящая из крупнообломочных включений и цементогрунтового заполнителя между ними. Отобранные из закреплённой зоны образцы грунта показывают прочность на сжатие 4,5–6,5 МПа, сравнимую с исходным многолетнемёрзлым грунтом.

То есть использование технологии позволяет восстановить прочностные и деформационные свойства оснований существующих фундаментов до их первоначальных характеристик, а иногда и превысить их. При этом сцементированная зона грунта не меняет своих характеристик при воздействии положительных температур, а за счёт низкой теплопроводности способствует сохранению толщи многолетнемёрзлых грунтов.

Ликвидация скважин ледопородного ограждения

Также струйную цементацию можно использовать для ликвидации скважин ледопородного ограждения. Предлагаемый метод заключается в разрушении (перфорации) стенок скважины водоцементной смесью, которую подают под высоким давлением в монитор. С её помощью закрепляют массив слабого грунта в затрубном пространстве и заполняют полное сечение буровой скважины цементным раствором.

В результате обеспечивается сплошность и устойчивость окружающего массива грунта, исключается засорение скважины и призабойной зоны пласта, не требуется дополнительных операций на промывку скважины. Важно, что этот метод сохраняет свою эффективность на глубине до 250 метров.

Сам процесс состоит из нескольких этапов. Сначала на поверхности устанавливают насосный агрегат и смеситель, устье скважины обвязывают арматурой, чтобы затем можно было собирать скважинную жидкость в замораживающей галерее.

Затем на тросе через существующую замораживающую головку колонки спускают гидроструйный монитор и проводят гидроперфорацию, закачивая цементную смесь, содержащую 750–1000 кг цемента на 1 м3 жидкости.

Устье скважины герметизируют и через перфорационные отверстия в цементировочной головке закачивают раствор в пласт. После застывания цемента повторно спускают гибкий шланг с гидромонитором для промывки скважины и извлечения раствора, находящегося выше ликвидируемого интервала пласта.

Закрепление оттаявших вечномёрзлых грунтов в основании фундаментов обогатительной фабрики

Одна из самых сложных задач, которую пришлось решать специалистам «Нью Граунд», касалась стабилизации и укрепления неустойчивых грунтов в основании машин, механизмов и несущих конструкций ЗИФ. Проблемы возникли из-за растепления грунта: по этой причине произошла деформация фундаментов зданий фабрики. Возникла угроза дальнейшего оседания земной поверхности, провалов и аварий.

Работы проводили в условиях работающего комплекса машин и механизмов главного корпуса ЗИФ. Остановить работу фабрики для работ по упрочнению грунтов в основании фундаментов изнутри здания не представлялось возможным.

В результате было предложено и реализовано инновационное решение — закрепление грунтов под зданием через скважины, пробурённые с внешних сторон методом горизонтально-направленного бурения. Раствор нагнетали через сеть инъекционных скважин, расположенных под фундаментом.

Горизонтально-направленные скважины пробурили под опорами на глубине 6,5–7,0 м. Это позволило сформировать зону зацементированных пород между границей многолетнемёрзлых пород и фундаментом здания, располагающегося на глубине 8,0 м.

В результате на этом объекте компания впервые провела закрепление грунтов основания здания с помощью метода горизонтально-направленного бурения.

Таким образом, опыт проведённых компанией «Нью Граунд» работ показывает эффективность применения технологий струйной цементации грунтов в многолетнемёрзлых грунтах. Технология является отличной альтернативой для термостабилизации грунтов и не требует дополнительных инвестиций на весь срок эксплуатации зданий и сооружений.

Ледопородное ограждение — защитная конструкция, создаваемая путём замораживания грунта вокруг строящегося подземного сооружения. Ограждение берёт на себя давление грунта и создаёт барьер от проникновения подземных вод. После возведения постоянной крепи работу замораживающей станции прекращают и приступают к ликвидации (оттаиванию) ледопородного ограждения.

Текст: Олег Маковецкий, кандидат технических наук, доцент Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), Светлана Рубцова, руководитель проектов АО «Нью Граунд», магистрант ПНИПУ