Контроль грунтовых вод при прокладке микротуннелей: шахты и проходки

Контроль за грунтовыми водами при микротуннелировании представляет собой комплекс мер, направленных на предотвращение попадания воды в стартовый и приемный шахты, а также на обеспечение стабильности рабочей поверхности и затрубного пространства в ходе проходки дистанционно управляемой машиной ниже уровня грунтовых вод. Он включает в себя осушение или изоляцию шахт, уплотнения на входе и выходе, сбалансированную опорную среду на рабочей поверхности и маршрут отвода воды, соответствующий местным требованиям. Первое решение заключается в выборе между откачкой и дренажом: дренаж подходит для неглубоких проницаемых грунтов, тогда как отрезание, замораживание или влажный кессон применяются в тех случаях, когда понижение уровня грунтовых вод может нанести ущерб окружающей среде или когда воду невозможно отвести. В данном руководстве изложены виды отказов, огибающие глубины, опубликованные Ассоциацией прокладки труб протаскиванием (PJA), физические принципы осушения с помощью колодезных скважин и глубоких скважин, роль цементного раствора и замораживания грунта, а также баланс давления со стороны протаскивания, который связывает все эти аспекты воедино.

Почему меры по контролю за грунтовыми водами при микротуннелировании определяют возможность прокладки туннеля

В сухом грунте прокладка микротуннеля в основном сводится к решению геометрической задачи, связанной с трассой, уклоном и усилием проталкивания. Ниже уровня грунтовых вод это становится также задачей, связанной с давлением воды, поскольку тот же выем, в котором прокладывается труба, открывает путь для грунтовых вод. Вода поступает в шахту через основание и строительные швы, проникает в туннель через входные и выходные отверстия и воздействует на рабочую поверхность, как только режущая головка пробивает сквозное отверстие.

Проект по контролю грунтовых вод при микротуннелировании должен дать ответы на три вопроса до начала проходки: как обеспечить устойчивость и сухость шахты, как герметизировать входной и выходной отверстия от гидростатического давления и давления шлама, а также как удерживать рабочую поверхность таким образом, чтобы опорная среда уравновешивала давление грунтовых вод, не приводя к подъему грунта. На каждый вопрос есть несколько возможных ответов, и правильный из них зависит от глубины, проницаемости, типа грунта и того, что находится над трассой.

При принятии решения необходимо учитывать два важных фактора. При проектировании следует учитывать постоянное или временное изменение уровня грунтовых вод, поскольку откачка воды из одного скважины может привести к понижению уровня грунтовых вод под соседним сооружением. Кроме того, вопрос утилизации откачанной или отделенной воды требует получения соответствующих разрешений и не может рассматриваться как второстепенный, особенно если вода содержит соли или загрязнена.

• Глубина ниже уровня грунтовых вод: На глубине до нескольких метров отвод воды часто можно обеспечить с помощью колодезных скважин; для работ на большей глубине требуются глубокие скважины, отсекающие стены, замораживание грунта или мокрый кессон.
• Проницаемость: Чистый песок и гравий хорошо пропускают воду; илы и глины отводят воду медленно и при откачке могут подвергаться уплотнению с осадкой.
• Окрестности: чем уже допуск на осадку, тем менее привлекательным становится метод открытого водоотвода.
• Качество воды: Наличие соленой или загрязненной воды влияет как на маршрут утилизации, так и на выбор метода.

Виды повреждений, вызываемых грунтовыми водами в шахтах и штольнях

Большинство инцидентов, связанных с грунтовыми водами при прокладке микротуннелей, развиваются постепенно: сначала проявляются в виде оседания, пучения или нестабильности лицевой поверхности, а затем перерастают в затопление. Своевременное определение видов отказов позволяет четко сформулировать план мониторинга, поскольку для каждого из них существует измеримый предупреждающий признак. В ходе наших проектных обзоров мы рассматриваем эти виды отказов как контрольный список, который должен быть выполнен в рамках комплекса мер по контролю грунтовых вод при микротуннелировании.

Типичные виды отказов сгруппированы по местоположению. Данная информация предназначена для облегчения планирования, а не для замены проектирования, и каждое значение, приведенное в данной статье, необходимо сверять с фактическими условиями грунта и режимом грунтовых вод для конкретного проходческого участка.

Расположение	Режим отказа	Механизм	Управление
Основание вала	Подъем и поднятие основания	Давление воды, действующее вверх, превышает вес грунта под пластом	Осушить до заданного уровня, углубить заглушку или использовать кессон, опущенный под воду
Стенки вала	Просачивание и потеря грунта	Вода проникает через стыки или между опорами и грунтом	Герметичная опорная конструкция, заделанные цементным раствором швы и уплотнение основания
Входные и выходные глазки	Земля, на которой можно бегать или по которой можно ходить	Гидростатическое давление проталкивает грунт и воду через отверстие	Специально разработанная конструкция опорной стенки и уплотнительного узла, а также локальная обработка грунта там, где это необходимо
Лицо туннеля	Потеря опоры для лица	Опорное давление становится меньше давления грунтовых вод и бокового давления грунта	Поддерживайте давление выше уровня давления грунтовых вод и подготовьте грунт
Контур подачи шлама	Разбавление шлама и потери давления	В шлам попадает вода или мелкие частицы, что изменяет его плотность и фильтрационные свойства	Регулируйте плотность и степень фильтрации, а также увеличивайте плотность для компенсации потерь
Поверхность	Расчет по снижению уровня	Понижение уровня грунтовых вод приводит к уплотнению сжимаемых слоев	Контролируйте уровень воды, ограничивайте спуск воды, применяйте ограничители или избегайте спуска воды в тех случаях, когда это небезопасно
Разряд	Утилизация загрязнённой воды	Перекачиваемая или отделенная вода содержит мелкие частицы, соль или загрязнения	Обрабатывать и утилизировать в соответствии с разрешением, а также спроектировать для этого завод по сортировке отходов

Методы контроля подземных вод в шахтах и их глубинные огибающие

В скважинах управление подземными водами чаще всего осуществляется путем их отвода, а не очистки. В PJA определены рабочие глубинные границы для распространенных типов шахт, и именно эти границы следует проверять в первую очередь при выборе стартовой или приемной шахты.

Приведенные ниже диаграммы позволяют отделить методы, представляющие собой, по сути, технологии сухой выемки грунта, от тех, которые предназначены для работы под водой, поэтому метод, не позволяющий достичь необходимой глубины, невозможно компенсировать одним лишь объемом откачки. Например, глубина забивки шпунтовых свай составляет всего около 6 м, и их не рекомендуется использовать на влажном грунте, тогда как кессон для влажного грунта можно выкопать с помощью грейфера под водой на глубину примерно до 50 м.

Метод вала	Типичная огибающая глубины	Пригодность для влажного шлифования
Траншея обшита листами	Примерно до 6 м	Не рекомендуется при влажной почве
Открытая траншея с укрепленными углами	Примерно до 7 м	Хорошо подходит для мелких, стратифицированных, водопроницаемых песчаных грунтов
С шестигранными шпунтовыми сваями	Как правило, до 15 м	Подходит для использования с водоотводящими и герметичными соединениями
Сборный кессон	Диаметр 2,4–4 м, как правило, до 15 м	Подходит для шахт при микротуннелировании
Секантные сваи	Как правило, до 20 м	Используется в качестве водонепроницаемой перегородки, а также в качестве опоры
Кессон, отлитый на месте	Примерно до 40 м	Подходит для более глубоких слоев влажной почвы
Кессон, подготовленный методом мокрого шлифования, выемка грунта грейфером под водой	Как правило, до примерно 50 м	Спроектирован для работы под водой

Как работает система осушения Wellpoint и при каких условиях она перестает действовать

Система скважин-колодцев снижает уровень грунтовых вод за счет всасывания, и глубина, до которой она может достичь, ограничивается атмосферным давлением, а не размером насоса. В грунт вокруг шахты впрыскивается ряд стояков малого диаметра, которые подключаются к общей коллекторной трубе, обслуживаемой вакуумным насосом; после того как насос создает внутри стояков вакуум, вода под давлением атмосферы поднимается по ним вверх.

Если вопрос заключается в том, на какую глубину можно осушить шахту, прежде чем ограничивающим фактором станет насос, то ответ зависит не от размера насоса, а от высоты всасывания: как сообщается в журнале «Tunnel Business Magazine», одноступенчатая система имеет эффективную высоту всасывания около 4,6 м на уровне моря, которая в определенных условиях может увеличиваться до примерно 6,7 м, поэтому практическое понижение уровня составляет в среднем около 5,5 м на каждую ступень. Если требуется более глубокое понижение уровня, система располагается в несколько ярусов, при этом второй, а иногда и третий ряд устанавливается на более низком уровне. Отдельные скважинные точки обычно обеспечивают пропускную способность от долей галлона в минуту до примерно 100 галлонов в минуту (по американской системе мер), поэтому расстояние между точками в массиве и их количество имеют такое же значение, как и размер насоса.

Система скважин «уэллпойнт» наиболее эффективна в относительно неглубоких, стратифицированных, водопроницаемых песчаных грунтах, где вода свободно поступает к скважинам. Её нельзя использовать в грунтах, содержащих валуны или гальку, поскольку в таких условиях невозможно надёжно пробурить подъёмные трубы.

В случае скважин, которые мы обслуживали, расстояние между массивами имело большее значение, чем номинальная мощность насоса, если целевой уровень понижения уровня воды был зафиксирован.

• Хорошая посадка: неглубокие скважины в слоистых песках и гравиях со свободно дренирующимся уровнем грунтовых вод.
• Примечание: иловатый грунт, на котором урожайность низкая и существует риск оседания.
• Не подходит: грунт с валунами или булыжником, а также в любой ситуации, когда высота всасывания не позволяет достичь требуемого уровня.
• Исходные данные для проектирования: требуемое осаждение, предельный уровень, проницаемость и оценка осадки за пределами шахты.

Глубокие скважины, отсечка и последовательность работ по проектированию водоотвода

Если водоносный слой имеет большую толщину или уровень понижения значителен, то вместо колодезных скважин используются глубокие скважины. Глубокая скважина представляет собой буровую скважину с насосом, в которой фильтр установлен вплотную к водопроницаемому слою, а размеры системы определяются требуемым понижением уровня воды и предельным уровнем, который должен быть достигнут в соответствии с проектом. Поскольку каждая скважина может эксплуатироваться независимо, системы глубоких скважин позволяют достигать большей глубины и более высокой дебита, чем системы скважинных колодцев, работающих на основе всасывания.

Отсекающая стена — это вторая составляющая глубокого понижения уровня грунтовых вод. Секантная свайная перегородка или цементная завеса могут уменьшить количество воды, поступающей в котлован, что снижает как интенсивность откачки, так и уровень понижения за пределами котлована. В случаях, когда окружающий грунт является чувствительным, создание отсекающей стены часто является решающим фактором, определяющим допустимость или недопустимость осадки за пределами шахты.

1. Определите целевое снижение уровня воды и предельный уровень (уровень воды, который необходимо поддерживать) для каждого колодца.
2. Рассчитайте приток на основе проницаемости, толщины водоносного горизонта и граничных условий.
3. Расчет мощности скважин или точек забора и насосов, включая резервную мощность.
4. Прогнозируйте осадку и оседание за пределами зоны выемки грунта и сравнивайте результаты с допустимыми пределами.
5. Планирование сброса сточных вод, их очистки и условий выдачи разрешений.
6. Установите пьезометры и разработайте план мониторинга, позволяющий своевременно выявлять отклонения.

Замерзание грунта, цементирование и сжатый воздух как способы борьбы с просачиванием воды

В тех случаях, когда откачка воды недопустима или нецелесообразна, уровень грунтовых вод регулируется путем изменения состояния грунта, а не путем удаления воды. При методе замораживания грунта охлажденный рассол или жидкий азот циркулирует через кольцо зондов до тех пор, пока насыщенный грунт вокруг шахты или скважины не замерзнет, превратившись в прочный водонепроницаемый блок. Этот метод применяется там, где отвод воды привел бы к осадке, где загрязнение или соленость грунтовых вод исключают возможность сброса, или где глубокий водоносный слой делает откачку нерентабельной.

Заливка раствором является более распространённым вариантом. Цементные и суспензионные растворы заполняют более крупные пустоты, тогда как низковязкие и химические растворы проникают в мелкозернистый грунт, снижая его водопроницаемость и связывая рыхлый грунт. Струйная цементация создает колонны обработанного грунта, которые могут служить барьером, и часто применяется локально вокруг входного или выходного отверстия, где ожидается проникновение грунта.

Сжатый воздух — это давно зарекомендовавший себя метод стабилизации забоя ниже уровня грунтовых вод, однако его применение ограничено предельными значениями давления оборудования и физиологическими ограничениями при работе в воздушной среде. Поэтому этот метод является специализированным решением, которое лучше всего подходит для глубоких шахт, где ведется работа с участием людей, а не для небольших машин без участия людей, которые преобладают в микротуннелировании. Машины для микротуннелирования, как правило, рассчитаны на диапазон диаметров 150–1000 мм, а их тип зависит от грунта, поэтому метод крепления и машину необходимо выбирать комплексно.

Входные и выходные уплотнения в качестве барьера, сдерживающего давление

Входные и выходные отверстия — это точки, в которых проходческий агрегат переходит из сухого ствола в грунт с водой; они являются наиболее критичными с точки зрения давления участками на всей трассе проходки. Ниже уровня грунтовых вод устои и уплотнительные узлы как в толкающей, так и в приемной шахтах предотвращают проникновение грунтовых вод и потерю грунта, а также удерживают смазочную жидкость в кольцевом пространстве. Правильно спроектированное уплотнение не допускает попадания воды и грунта в шахту при прохождении машины.

Уплотнение на входе или выходе должно быть рассчитано на то, чтобы выдерживать гидростатическое давление и давление шлама на протяжении всего процесса запуска, приема и всего периода проходки туннеля, включая момент прорыва. Конструкция должна компенсировать эксцентриситет проходческого комплекса при его прохождении, обеспечивать постоянный контакт уплотнения с трубой, а также позволять производить замену или техническое обслуживание уплотнения в случае длительного проходки. Если грунт в месте проходки рыхлый или сыпучий, уплотнение обычно сочетается с локальной обработкой грунта, чтобы обеспечить безопасный проход через отверстие.

При рассмотрении наших проектов мы рассматриваем уплотнение глазца как временную конструкцию, а не как деталь, поскольку на момент прорыва оно является единственным барьером.

Баланс давления в проходке: плотность шлама и крепление забоя

После того как машина погружается в грунт, контроль за грунтовыми водами при микротуннелировании переходит от их отвода в шахтах к поддержанию баланса на лицевой поверхности. Машина для прокладки шламовых туннелей создаёт давление грунта, уравновешивающее боковые нагрузки от грунта, а также давление шлама, уравновешивающее давление грунтовых вод. Если давление опоры слишком низкое, рабочий фронт теряет опору, что приводит к оседанию; если оно слишком высокое, грунт может подняться или шлам может вытечь на поверхность по слабому месту.

Шлам выполняет сразу две задачи: он укрепляет облицовочную поверхность и транспортирует вынутый грунт на поверхность. Поэтому его плотность и фильтрационные характеристики являются регулируемыми параметрами, а не просто транспортными свойствами. Сепарационная установка должна иметь возможность повышать плотность шлама для компенсации его потерь и предотвращения обрушения забоя; как правило, требуется получение разрешения, если для шламового проходного штрека вообще не предусмотрена установка сепарационной установки.

Сама поверхность часто подвергается предварительной обработке, прежде чем она станет устойчивой. Введение бентонита, воды, полимеров или пены в камеру уплотняет рыхлые пески и гравий, позволяя им сформировать уплотняющую пробку. Эта же логика лежит в основе подготовки грунта для машин с балансом давления грунта, которые обладают лишь ограниченной способностью работать ниже уровня грунтовых вод, особенно в несвязных грунтах. Поскольку режим грунтовых вод может меняться вдоль трассы, заданное значение давления пересматривается по мере продвижения проходки, а не фиксируется в начале работ.

Когда обезвоживание недопустимо и чем его заменить

Мнения о том, разрешена ли откачка, расходятся: владелец муниципальной дренажной системы учитывает состояние грунта, который он должен защищать; участник тендера на оказание услуг по энергоэффективности (EPC) — разрешение на сброс сточных вод; а владелец водохозяйственной организации — состояние своего водоносного горизонта. Обезвоживание привлекательно тем, что это привычный и обратимый процесс, однако его применение не всегда допустимо. На это влияют три ограничивающих фактора, каждый из которых требует изменения метода: сжимаемый профиль над уровнем грунтовых вод, загрязненная вода и солевой водоносный пласт.

• Мягкие глины и торф: избегайте понижения уровня воды; используйте отсекающий клапан, замораживание грунта или герметичный колодец.
• Загрязнённые грунтовые воды: свести объемы к минимуму; провести обработку и утилизацию или применять методы предотвращения проникновения.
• Солевые водоносные горизонты: контролировать зону подавления, чтобы предотвратить проникновение.

Именно на этом этапе наши полевые бригады оценивают преимущества своевременного принятия решения. Решение об отказе от откачки в пользу изоляции после завершения проектирования шахты обходится дорого; если же его принять на этапе геотехнических изысканий, это обойдется дешево. В ходе испытания сравнивается прогнозируемое оседание за счет понижения уровня грунтовых вод за пределами шахты с допустимым смещением ближайшего объекта; если оно превышает этот показатель, метод меняется. Поэтому в ходе геодезических изысканий необходимо измерить проницаемость и характер потоков грунтовых вод, включая сезонные и приливные изменения, а также установить пьезометры, чтобы определить исходные показатели до начала строительства.

Все приведенные в данной статье расчетные данные по контролю грунтовых вод при микротуннелировании являются исходными данными для проектирования конкретного объекта и должны быть подтверждены компетентным инженером для конкретного проходки. Глубинные границы, пределы отсасывания и заданные значения давления являются ориентирами при планировании, а не окончательными проектными значениями, и они меняются в зависимости от грунта, водоносного горизонта и окружающей среды.

Геометрия шурфа, определяющая глубину понижения уровня грунтовых вод, рассматривается в нашем руководстве по расчету размеров шурфов, данные о проницаемости и грунтовых водах — в руководстве по геотехническим изысканиям, а система крепления забоя — в руководстве по микротуннелированию с использованием шламового раствора.

Часто задаваемые вопросы

Почему контроль за грунтовыми водами имеет решающее значение при прокладке микротуннелей?

Грунтовые воды определяют устойчивость шахтного ствола, крепление забоя и осадку. Ниже уровня грунтовых вод давление воды одновременно воздействует на основание ствола, входные и выходные отверстия, а также на рабочую поверхность туннеля, поэтому даже одно слабое место может остановить проходку.

На какую глубину может осуществляться осушение с помощью колодезных скважин?

Обычно глубина осушения с помощью дренажных скважин составляет около 5,5 м на каждый этап. Одноступенчатая система имеет эффективный всасывающий подъем около 4,6 м на уровне моря и до примерно 6,7 м в определенных условиях, поэтому для более глубоких шахт и штреков используются многоступенчатые системы.

В каких случаях следует использовать глубокие скважины вместо колодезных скважин?

Глубокие скважины используются в тех случаях, когда требуемое понижение уровня воды или проницаемость превышают возможности скважинных колодцев. Их размеры рассчитываются с учетом необходимого уровня понижения и предельного уровня, и они подходят для толстых водоносных горизонтов с высокой проницаемостью, уровень воды в которых необходимо понизить перед началом проходки шахты.

Какую роль играет замораживание грунта при проходке микротуннеля?

Замерзание грунта превращает насыщенную водой почву в прочный, водонепроницаемый блок. Его применяют в тех случаях, когда отвод воды может привести к оседанию грунта, либо когда загрязнение, засоленность грунтовых вод или наличие глубокого водоносного горизонта исключают возможность откачки воды; кроме того, он обеспечивает стабилизацию рыхлого грунта в местах входа и выхода труб.

При каком давлении следует поддерживать шлам для уравновешивания уровня грунтовых вод?

Давление шлама устанавливается выше уровня местного давления грунтовых вод. Запас должен быть достаточным для поддержания рабочей поверхности без подъёма грунта, а плотность шлама увеличивается для компенсации потерь и предотвращения обрушения рабочей поверхности.

В каких случаях обезвоживание не является правильным решением?

Осушение — неверный вариант, если снижение уровня воды может нанести ущерб окружающей среде. В условиях мягких глинистых грунтов, загрязнённых грунтовых вод или засоленных водоносных горизонтов риск оседания, утечки или проникновения может превышать получаемую выгоду, поэтому вместо этого применяются отсекающие стены, замораживание грунта или герметичный шахтный ствол.

Основные выводы

• Контроль за грунтовыми водами должен осуществляться одновременно на трёх границах: в шахте, в местах входа и выхода, а также на лице туннеля.
• В нормальных условиях система колодцев с отводными трубами ограничена высотой всасывания, составляющей около 4,6 м на каждую ступень, при этом среднее понижение уровня воды составляет около 5,5 м; кроме того, её нельзя использовать на грунтах, содержащих валуны или гальку.
• Глубокие скважины, отсекающие стены, замораживание грунта и цементирование — вот альтернативные методы, которые применяются в тех случаях, когда требуемое понижение уровня грунтовых вод, особенности грунта или окружающей среды не позволяют использовать простое откачивание.
• Обычно в условиях высокого уровня грунтовых вод и в экологически уязвимых районах предпочтительным вариантом является отвод воды до начала откачки, поскольку оседание, вызванное понижением уровня грунтовых вод, является самым трудноустранимым последствием.
• Входные и выходные уплотнения должны быть рассчитаны на гидростатическое давление и давление шлама на протяжении всего срока эксплуатации, а не только в момент прорыва.
• При забивке давление опоры должно быть выше давления грунтовых вод, но ниже уровня, при котором происходит подъем грунта, при этом плотность шлама используется для компенсации потерь.
• Каждый приведенный здесь показатель по контролю грунтовых вод при микротуннелировании является ориентиром при планировании; фактический метод и его параметры должны быть подтверждены для конкретного проходки.

Как компания JSW обеспечивает контроль за грунтовыми водами при микротуннелировании

JSW — это компания, специализирующаяся на проектировании и строительстве трубопроводов, которая осуществляет бестраншейную прокладку трубопроводов собственными силами и с использованием собственного оборудования. В сферу нашей деятельности входят строительство методом микротуннелирования, где метод регулирования подачи воды подбирается с учётом характеристик шахты и трубы, бестраншейные технологии для переходов, для которых требуется другой метод, услуги по прокладке трубопроводов и услуги по ремонту трубопроводов, и реагирование на чрезвычайные ситуации и аварийное техническое обслуживание когда с работающей магистралью нельзя тянуть.

Мы работаем по принципу комплексного проектирования и строительства, что означает, что стратегия осушения или предотвращения проникновения грунтовых вод, проект шахты и баланс давления привода разрабатываются совместно, а не передаются от одной стороны другой. Наша документация ведется таким образом, чтобы ее можно было подвергнуть аудиту, а в наших ценовых предложениях риск, связанный с грунтовыми водами, указывается явно, а не учитывается в виде наценки. Безопасность, соблюдение разрешительных требований и чёткая отчётность о сбросах и осадках рассматриваются как часть инженерной работы, а не как административная процедура.

• Комплексная доставка: проходка ствола, контроль за грунтовыми водами и проходка туннеля — все это планируется одной командой.
• Ценообразование с учетом риска: неопределённость, связанная с подземными водами, выявляется и оценивается, а не скрывается.
• Записи, подлежащие аудиту: Ежедневно предоставляются данные о снижении уровня воды, расходе и давлении.
• Соблюдение нормативных требований и безопасность: условия утилизации и получения разрешений, рассматриваемые в качестве проектных требований.