Применение метода высоконапорного инъектирования для защиты искусственных сооружений автомагистрали М-12 «Восток» от карстовых процессов

Доклад впервые зачитан на конференции «Мостовые сооружения: современные технологии проектирования, строительства и реконструкции», которая состоялась 20-22 сентября 2023 года в Москве.

Богданов И.С.1, Чернышов П.О. 1

1ООО «ГЕОИЗОЛ Проект», г. Санкт-Петербург

В статье рассматривается опыт проектирования противокарстовых мероприятий, реализованных при строительстве участка автомагистрали М-12 «Восток» на территории Нижегородской области. В частности приводятся результаты применения метода высоконапорного инъектирования с использованием комплекса оборудования для струйной цементации (Jet Grouting) для заполнения трещин и пустот карстующихся пород и покрывающей толщи. Принятое решение позволило исключить развитие карстовых процессов на защищаемых участках и выполнить строительно-монтажные работы в значительно более сжатые сроки по сравнению классической манжетной технологией.

Ключевые слова: инженерная защита территории, противокарстовая защита, противокарстовые мероприятия, высоконапорное инъектирование, струйная цементация, jet grouting

Bogdanov I.S.1, Chernyshov P.O.1

1GEOIZOL Project LLC, St. Petersburg

HIGH-PRESSURE INJECTION METHOD FOR PROTECTING BRIDGES OF THE M-12 VOSTOK HIGHWAY FROM KARST PROCESSES

The article discusses the experience in designing anti-karst measures applied for construction of a section of the M-12 VOSTOK highway in the Nizhny Novgorod region. In particular, it presents application of a high-pressure injection method using a set of jet grouting equipment to fill cracks and caverns in the karsting rocks and overburden. The solution stopped the development of karst processes in the protected areas and to complete construction and installation work much faster compared to the classical collar method.

Keywords: engineering protection of territory, karst protection, anti-karst measures, high-pressure injection, jet grouting

 

Проектирование и строительство 5 этапа новой скоростной автомагистрали М-12 «Восток» Москва – Нижний Новгород – Казань на участке от Арзамаса до Саранска (от пересечения с федеральной трассой Р-158 «Нижний Новгород – Саратов» до пересечения с дорогой регионального значения 22К-О162 «Работки -Порецкое») было существенно осложнено наличием рисков развития карстовых процессов. Специалисты компании «ГЕОИЗОЛ Проект» разработали комплекс мероприятий инженерной защиты участков дорожного полотна и ряда искусственных сооружений от карстовой опасности.

Схема прохождения трассы по территории Нижегородской области

Территория Нижегородской области, по которой проходит строящаяся магистраль, характеризуется интенсивным развитием современного карста [1]. Механизм развития деформаций на земной поверхности преимущественно карстово-суффозионный. Карстующиеся грунты сложены известняками, доломитами, гипсами и ангидритами.

Комплекс противокарстовых мероприятий спроектирован в соответствии с действующими нормами, среди которых следует выделить СП 116.13330.2012, СП 499.1325800.2021 и СП 22.13330.2016 [2-4].

Механизм развития деформаций на земной поверхности преимущественно карстово-суффозионный

Защита участков земляного полотна обеспечивалась комплексом конструктивных мероприятий. В теле дорожной насыпи выполнялся гибкий ростверк из высокопрочного геотекстиля (в один-три слоя) или устраивались железобетонные плиты, в том числе ребристые. Конкретное техническое решение подбиралось в зависимости от расчетного размера (диаметра) карстовых воронок (провалов). Перечень технических решений приведен в Таблице 1.

Конструктивные мероприятия защиты дорожного полотна от карстовой опасности

Аналогичного подхода к разработке противокарстовой защиты дорожного полотна придерживались специалисты, работавшие на 4 этапе (км 224 – км 347) трассы М-12 [5]. Однако применение боле двух слоев геосинтетики они посчитали нецелесообразным и в расчетах не учитывали, при этом гибкий ростверк применяли на участках с диаметрами воронок до 5-6 метров. В остальных случаях закладывали устройство железобетонных плит. По расчетам инженеров «ГЕОИЗОЛ Проект» более экономичное решение (по сравнению с железобетонной плитой) в виде гибкого ростверка, выполненного из трех слоев геотекстиля ПЭФ прочностью при растяжении 350/350 кН/м, целесообразно применять для защиты участков с диаметром воронок до 8 метров.

Таблица 1

Принятые конструктивные решения противокарстовой защиты земляного полотна в зависимости от диаметров карстовых воронок

Техническое решение Диаметр карстовой воронки, (м)
Геотекстиль ПЭФ прочностью при растяжении 150/150 кН/м в один ряд до 2.1
Геотекстиль ПЭФ прочностью при растяжении 250/250 кН/м в один ряд 2.7-4.3
Геотекстиль ПЭФ прочностью при растяжении 300/300 кН/м в один ряд 4,0-4,3
Геотекстиль ПЭФ прочностью при растяжении 300/300 кН/м в три ряда до 6.4
Геотекстиль ПЭФ прочностью при растяжении 350/350 кН/м в три ряда 7.1-7.8
Железобетонная плита толщиной 600 мм 8.2-10.2
Железобетонная ребристая плита 300-530 мм, продольные балки 900х1500 мм, поперечные балки 900х1300 мм до 26 м
Железобетонная ребристая плита 300-530 мм, продольные балки 900х2000 мм, поперечные балки 900х1800 мм до 33 м

Защита искусственных сооружений (ИССО), ввиду специфики их конструкции, требовала особого подхода. На этапе разработки концепции инженерной защиты рассматривалось несколько вариантов. Первый предполагал увеличение размеров свайного основания под опорами путепроводов и мостов. Увеличение числа свай, и соответственно, габаритов ростверка, допускало исключение из работы некоторых свай в случае развития карстовых процессов с возникновением просадок или провалов вблизи сооружения. При этом, даже при возникновении негативного сценария, безопасность эксплуатации ИССО сохранялась.

Для защиты протяженных участков дороги (более 1000 м) устроены «спящие мосты» – ребристые железобетонные плиты в основании дорожной конструкции

Второй вариант предполагал устройство противокарстового барьера ниже уровня свайного фундамента, который бы предотвращал выход деформаций на поверхность покрывающей толщи под сооружением. Такой «экран» в виде грунтоцементного массива предполагалось выполнить методом струйной цементации. Это решение, как и первое, не исключало развитие карстовых процессов. Следовательно, деформации карстующихся пород могли подняться вверх и со временем разрушить защитный грунтоцементный слой, что создало бы угрозу безаварийной работе ИССО [6].

В итоге был принят вариант инъекционного закрепления (рис. 1), который предполагает исключение рисков развития карстовых процессов путем заполнения пустот, полостей, трещин и зон разрушения карстующихся пород и покрывающей толщи.

Принципиальная схема противокарстовой защиты путепровода (рис. 1)

Необходимо отметить, что многие специалисты отмечают высокую эффективность применения геотехнических методов противокарстовой защиты в виде закрепления грунтов цементацией [7-9]. Однако авторы не уточняют какая именно технология имеется в виду.

Как правило, для тампонирования грунта применяется манжетная технология инъектирования, которая является классическим решением. Однако у этого решения, несмотря на гарантированную надежность результата, имеется весомый минус – пошагово выполняемая инъекция требует существенных временных затрат.

Jet Grouting широко и довольно продолжительное время применяется в практике отечественной строительной отрасли [10]. Возможности и специфика технологии хорошо знакомы проектировщикам и строителям, что открывает возможности для экспериментов.

В целях сокращения сроков выполнения работ специалисты «ГЕОИЗОЛ Проект» проработали метод высоконапорного инъектирования с использованием комплекса оборудования для струйной цементации. По сравнению с классической манжетной технологией, это дало значительную экономию времени, поскольку все операции по инъектированию происходят за одну проходку.

Применение техники Jet Grouting позволяло выполнить работы с высокой скоростью

Необходимо акцентировать внимание на том, что выбранный метод высоконапорной инъекции направлен не на разрушение породы с созданием грунтоцементного массива, что характерно для Jet Grouting, а предназначен для заполнения трещин и пустот скального грунта.

При правильном подборе цементных составов и организации работ метод высоконапорной инъекции специализированными растворами с применением оборудования для струйной цементации сочетает высокую скорость производства работ с надежностью результата.

В проекте предусмотрено применение различных материалов, в том числе специальных составов, обладающих специфическими характеристиками, с комплексом модифицирующих добавок: стабильного высокоподвижного экранирующего быстросхватывающегося раствора (СВЭБР) и стабильного высокоподвижного быстросхватывающегося раствора (СВБР).

Принципиальная схема применения стабильных растворов

Для эффективного заполнения пустот, полостей, трещин и зон разрушения карстующихся пород применяется стабильный цементный раствор, устойчивый к расслоению при взаимодействии с водой за счет применения модифицирующих добавок.

Специфика оборудования Jet Grouting требует применения растворов с высоким водоцементным отношением (В\Ц=0,8…1,0). Инъекционные составы должны быть текучими и при этом обладать необходимыми прочностными характеристиками.

Первичная скорость схватывания – еще одна критически важная характеристика растворов, применяемых для закрепления карстующихся пород. На участках, требующих инженерной защиты от карстов, изыскания выявили грунты с высоким коэффициентом фильтрации (более 100 м/сут). Быстросхватывающийся раствор образует первичную структуру в течение 15 минут после нагнетания. Таким образом, даже в условиях перемещения воды в массиве грунта, исключается суффозия инъецированного материала и достигается качество выполнения работ.

Для повышения экономической эффективности проект предусматривал комбинированное применение инъекционных составов.

Размер зоны инъектирования грунта определяется для каждого сооружения индивидуально в зависимости от диаметра карстовой воронки. Работы по инъектированию выполняются в несколько этапов.

Схема устройства инъекционных скважин

На первом этапе устраивается непроницаемый барьер из нескольких рядов контурных скважин. Вначале по периметру инъецируется цементный раствор. На участках со значительным поглощением раствора контур дополняется скважинами с заполнением СВЭБР.

Внутри закрепляемой зоны, после набора прочности раствора в контурном ряде, выполняется инъекция цементным раствором с поэтапным сгущением сетки скважин. Производится оценка коэффициента фильтрации и прочности грунтового массива. Если параметры не соответствуют проектным производится инъекция СВБР для достижения требуемых параметров сплошности закрепляемого массива.

При наличии в верхней зоне над карстующимися породами крупнообломочных, песчаных и иных несвязных грунтов дополнительно предусматриваются контрольные инъекции покровной толщи для предотвращения разуплотнения и сохранения исходных физико-механических характеристик массива в случае развития карстово-суффозионных процессов вблизи защищаемого объекта.

Схема инъектирования карстующихся пород и покрывающей толщи

Для определения эффективности принятого технического решения проведены работы по опытной инъекции (рис. 2). Измерения параметров производились до и после инъектирования.

В контрольных скважинах, пробуренных в зоне закрепления, выявлены следы инъекционных материалов, что свидетельствовало о наличии пустот в массиве и их заполнении в результате высоконапорного инъектирования. Результаты изысканий подтвердили расчетные высокие параметры проницаемости СВЭБР и СВБР при заполнении массива. Использованные растворы на основе цемента без модифицирующих добавок имеют существенно более низкие характеристики проницаемости.

Опытная площадка. Применение комплекса оборудования для струйной цементации (рис. 2)

В результате выполнения работ с применением оборудования для струйной цементации карстующиеся породы и перекрывающие их грунты не были нарушены, при этом улучшились их физико-механические свойства. Высоконапорное инъектирование повысило сплошность массива и значительно снизило его фильтрационные параметры.

Геофизические исследования методом межскважинного сейсмического просвечивания выявили увеличение скоростей распространения упругих волн в среднем на 20%, что свидетельствует об уменьшении пустотности массива в результате проведенных инъекционных работ.

Опытная кустовая откачка, выполненная до закрепления массива, показала высокие фильтрационные свойства карстующихся пород. После первого этапа закрепления массива с устройством инъекционных скважин с шагом 4х4 м зафиксировано снижение коэффициентов фильтрации с 154 – 299 м/сут. до 34 – 57 м/сут. После сгущения сетки скважин до шага 2х4 м коэффициент фильтрации снизился до значений менее 1 м/сут.

Образцы, отобранные на опытной площадке

Практика подтвердила эффективность разработанных компанией «ГЕОИЗОЛ Проект» решений противокарстовой защиты методом высоконапорного инъектирования с использованием комплекса оборудования для струйной цементации. В рамках строительства участка автомагистрали М-12 «Восток» в сжатые сроки выполнен большой объем работ по закреплению карстующихся грунтов. Расчетные параметры, принятые проектом, подтверждены в результате контроля качества, который проводился для каждого защищаемого искусственного сооружения.

 

Библиографический список

  1. Рекомендации по проведению инженерных изысканий, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях Нижегородской области. // Департамент градостроительного развития территории Нижегородской области. Нижний Новгород, 2012 г. — С. 139.
  2. СП 116.13330.2012. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения. М.: Минрегион России, 2012 г.
  3. СП 499.1325800.2021 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от карстово-суффозионных процессов, 2021 г.
  4. СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений / 2 02 01 83* 22 13330 2016. СНиП 2.02.01-83*. Актуализированная редакция, 2016 г.
  5. Золотарь А.И., Мельников Р.В. Обзор противокарстовых мероприятий, применяемых при проектировании линейного объекта М-12 «Москва – Казань» // Путевой навигатор. №. 53 (79). 2022 г. — С. 36-45.
  6. Вагапов Р.Р. Определение расчетной формы сводов в сцементированной грунтовой толще над карстовой полостью // Основания и фундаменты, подземные сооружения. Известия КГАСУ. №3 (25). 2013 г.  — С. 61-66.
  7. Хоменко В.П. Противокарстовая и противосуффозионная защита в России: история и современность // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. Вып. 4 (115). С. 482–489.
  8. Самосват В. В. Современные проблемы обеспечения механической безопасности земляного полотна при проектировании автомобильных дорог на закарстованных территориях. // Дороги и мосты. 2020. Вып. 2(44). ФАУ «РОСДОРНИИ». — С. 31-52
  9. Готман Н.З., Готман А.Н. Определение модуля деформации закрепленного цементацией грунта // Основания и фундаменты, подземные сооружения. Известия КГАСУ. №1 (39). 2017 г.  — С. 138-144.
  10. Малинин, А. Г. Струйная цементация грунтов: монография / А. Г. Малинин. – Пермь: Пресстайм, 2007. – С. 168

 

 

Для цитирования:

Богданов И.С., Чернышов П.О. Применение метода высоконапорного инъектирования для защиты искусственных сооружений автомагистрали М-12 «Восток» от карстовых процессов // Комплексные технологии в механике и транспортном строительстве: материалы II Всероссийской научно-практической конференции «Комплексные технологии в механике и транспортном строительстве», посвящённой памяти профессора Г.Н. Гаврилова (14 декабря 2023 г.) / под общей редакцией Веприняка И.А. – СПб, Петергоф: ВИ (ЖДВ и ВОСО), 2023. – 360 с.

 

 Версия для слабовидящих