Методы струйной цементации

Струйная цементация – это способ улучшения грунтов, основа которого состоит на одновременном размыве цемента и грунта, который вводится под самым высоким давлением (до 45 МПа) со скоростью 250–350 м/с. Благодаря этому уничтожается сама структура массива и создается объединенная масса грунта и основного компонента с заранее заданными свойствами. Закрепление грунта получается в процессе погружения в заранее пробуренную скважину струйного монитора с кабелями, через которые проходит вода и цементный раствор. Диаметр насадки составляет 2-2,5 мм. Окружающий скважину грунт разрушается струей воды и интенсивно перемешивается с цементным раствором. Постепенно извлекая монитор из скважины, создают области закрепления грунта.

Решение задач 

С помощью струйной цементации грунтов в тоннелестроении возможно решение следующих задач.

Технология работ при струйной цементации: а — бурение скважины; б — погружение в скважину струйного монитора; в — постепенное извлечение монитора из скважины; 1 — поверхность земли;

Технология струйной цементации может позволить усилить прочностные и деформационные особенности грунтов внедрением в них стальных компонентов. При этом компонент и внедренные в него грунтобетонные сваи рассматриваются как один геотехнический массив.

Также как в тоннелестроении, особенность струйной цементации нашла большое применение в области промышленного и жилищного строительства, ремонта автомобильных дорог и в горном деле.

Виды струйной цементации

В зависимости от конкретных инженерно–геологических условий применяется однокомпонентная, двухкомпонентная или трехкомпонентная технология струйной цементации. Кроме этого есть, возможность частичной или полной промывки обрабатываемых элементов, их вынос и замещение цементным раствором.

Однокомпонентная струйная цементация представляет из себя размыв из перемешивания и закрепления грунта струей цементного раствора. При этом размер грунтоцементной колонны может составлять 0,6-0,8 м. Главные параметры однокомпонентной струйной цементации:

• давление подачи раствора – 36^16 МПа;
• расход раствора 60–160 л/мин.;
• скорость подъема монитора 30–55 см/мин.;
• частота вращения монитора 15–35 об/мин.

Двухкомпонентная струйная цементация представляет из себя разрыв, перемешивание и закрепление элементов с помощью двух компонентов. Существует две системы – воздушная и водная. В воздушном способе струя цементной смеси внедряется внутрь струи очень сжатого воздуха и за счет этого энергия размыва существенно повышается. В водной системе проводится заранее размыв грунта при помощи отдельной струи воды. Чуть ниже кабеля для подачи воды находится кабель для подачи цементной смеси. При двухкомпонентной струйной цементации диаметр грунтоцементной колонны находится в пределах 0,8–1,8 м.

Основные параметры двухкомпонентной струйной цементации (воздушная система):

• давление подачи раствора 36^6 МПа;
• давление подачи воздуха 0,6–1,6 МПа;
• скорость подъема монитора 16– 26 см/мин.;
• частота вращения монитора 10–20 об/мин.

Основные параметры двухкомпонентной струйной цементации (водная система):

• давление подачи раствора 7–9 МПа;
• давление подачи воды 45– 65 МПа;
• скорость подъема монитора 5–8 см/мин.;
• частота вращения монитора 5–15 об/мин.

Трехкомпонентная струйная цементация представляет из себя разрыв, перемешивание и закрепление материала с помощью трех струй. Струя воды внедряется внутрь струи сжатого до предела воздуха и подается через верхнее сопло, что дает возможность не только повышать энергию размыва, но и применять эффект «эрлифта» для выноса на поверхность легких элементов размываемых компонентов. Струя цементной смеси подается через нижнее отверстие и служит для перемешивания размытых, как правило, сложных частиц грунтов. При трехкомпонентной струйной цементации возможно достижение диаметра колонны обработанного грунта в пределах 0,9–2,2 м.

Основные параметры трехкомпонентной струйной цементации:

• давление подачи раствора 6–9 МПа;
• давление подачи воды 45–65 МПа;
• давление подачи воздуха 0,8–1,8 МПа;
• скорость подъема монитора 5–8 см/мин.;
• частота вращения монитора 5—15 об/мин.

Перечень основных механизмов, используемых при струйной цементации.

Струйный скважинный кабель для размыва элемента, подачи твердеющей смеси в размытую полость и перемешивания разрыхленного грунта с твердеющим раствором.

Буровой станок для бурения рабочих мероприятий, вращения и подъема струйного модуля при закреплении элемента. При значительной высоте сооружаемых материалов стрела бурового станка наращивается до соответствующей предельной высоты.

Копровая навесная гидравлическая установка для подъема и вращения струйного монитора, а также для фиксации, при необходимости направления струйного размыва.

Самоходный кран для подъема монитора при сооружении плоских конструкций большой высоты.

Поршневые насосы для подачи размывающей жидкости и твердеющего цементного раствора.

Строительную площадку есть возможность оборудовать механизированным перемещением цемента с конвейером, для хранения и использования порошкообразного вяжущего элемента, смесителями, компрессорами для использования сжатого воздуха, рукавами для работы к струйному кабелю необходимых компонентов, резервуарами для хранения размывающей жидкости, а также жидких компонентов твердеющего раствора.

На строительном районе необходимо также использовать устройства и материалы для регулирования параметров технологического процесса, а также для оперативной связи между работниками при осуществлении синхронных, быстротекущих технологических процессов.

Комплект технологического оборудования для закрепления грунтов по однокомпонентной струйной технологии корпус, в котором монтируются боковые насадки; подводящие трубы для рабочих компонентов; гибкие рукава для подвода рабочих компонентов (выполняются в виде сборных секций определенной длины и формы); вертлюг (одно–, двух– или трехкомпонентный) – для случая, когда необходимо обеспечить вращение вокруг вертикальной оси.

Струйный кабель является особым оборудованием, он проектируется и изготавливается с учетом особенностей каждого конкретного строительного объекта и их элементов.

Однако есть и общие конструктивные черты струйных кабелей. Так, во многих конструкциях и элементах кабелей к нижней части их конструкций крепится буровой элемент, который выполняется в виде буровой коронки или трехшарошечного долота. Благодаря этому появляется возможность начать струйный размыв сразу же после завершения бурения рабочей скважины, устраняя лишние операции по извлечению бурового снаряда и монтажу кабелю.

Применение струйной цементации в тоннелестроении 

Производство струйной цементации нашла большое использование в мировой строительной практике и, в частности, в области тоннелестроения. Такое использование успешно применялось при постройке тоннелей в Италии. Так, при проходке тоннелей в г. Лиссабоне, с использованием струйной цементации по однокомпонентной и двухкомпонентной схемам, выполнено закрепление грунтов под историческим монументом.

Для исключения недопустимых разрушений монумента с дневной поверхности было использовано 865 грунтоцементных колонн диаметром 2,00 м по двухкомпонентной (воздушной) системе и 112 грунтоцементные колонны диаметром 0,80 м по однокомпонентной системе. После окончания горнопроходческих построений и струйной цементации максимальные значения осадки монумента не превысили 8 мм.

Применение при устройстве ограждений котлованов

Технология струйной цементации нашла большое использование при устройстве ограждений котлованов.

Поэтому из положительного строительного опыта применения технологии струйной цементации элементов, есть возможность выделить некоторые достоинства, расширяющие область использования такой технологии при работе над тоннелями в условиях плотной городской застройки:

• высокая скорость работ за счет малого диаметра бурения скважин;
• выполнение работ в стесненных условиях (высота – от 3 м, ширина – от 1,3 м);
• возможность проведения работ, как с поверхности земли, так и из забоя тоннеля или из вспомогательных выработок;
• отсутствие динамических воздействий.

Струйная цементация успешно используется как в несвязных крупнообломочных, так и в мелкодисперсных глинистых грунтах независимо от степени их проницаемости и имеет существенные преимущества по сравнению с традиционными способами стабилизации неустойчивых грунтов.