Оптимизация тампонажных растворов с использованием микровяжущих для снижения осадочных деформаций при строительстве тоннелей

РЕФЕРАТ. Наиболее эффективно в условиях плотной городской застройки строительство тоннелей метрополитена с помощью тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК). Однако необходимо учитывать проблематику защиты зданий и сооружений в зоне подземного строительства. Самый значимый фактор, влияющий на изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива при новом строительстве, — ​наличие зазора между грунтом и железобетонной тоннельной обделкой. Это пространство далее заполняется тампонажным раствором, но различные факторы способствуют осадке конструкций существующих объектов в зоне сооружения тоннеля. Проходка ТПМК часто ведется в сложной геологической и гид­рогеологической ситуа­ции, что во многих случаях требует использования специальных технологических прие­мов. Обычные тампонажные системы на минеральной основе не позволяют качественно заполнять заобделочное пространство, что негативно влияет на осадку объектов окружающей застройки. Один из возможных способов минимизации осадок — ​ввод в со­став тампонажных смесей особо тонкодис­персных вяжущих (ОТДВ), или микроцементов. Это позволяет нагнетать смеси на минеральной основе даже в сильно водонасыщенные грунты в заобделочном пространстве, максимально заполняя кольцевой зазор. При этом тонкие фракции ОТДВ снижают водоотдачу растворов и их склонность к расслоению и вымыванию в условиях фильтрации.

Ключевые слова: подземное строительство, метрополитен, тампонаж, ОТДВ, особо тонкодисперсное вяжущее, заобделочное пространство, микроцемент, микровяжущее.

Keywords: underground development, underground railway, grouting, EFB, especially fine binder, space between lining and rock, microcement, microbinder.

Введение

Ускоренный рост численности населения городов РФ, особенно в регионах с развитой экономикой, соответствует общемировым тенденциям [1]. При этом в подавляющем большинстве случаев территория городов развивается экстенсивно, экономические факторы превалируют над социальными, развитие транспортной инфраструктуры не успевает за темпами строительства новых районов и реновации исторической час­ти городов. Метрополитен позволяет с максимальной эффективностью решать проблему транспортной доступности в условиях мегаполисов. Этот вид транспорта не требует строительства дорог, развязок, наземных транспортных узлов, которое зачастую практически невозможно в центральной час­ти городов.

Наиболее эффективно в условиях плотной городской застройки строительство тоннелей с помощью тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК, рис. 1), которое при использовании технологии возведения тоннелей из железобетонной высокоточной обделки можно вести со скоростями до 300—500 м/мес. Однако необходимо учитывать проблематику защиты зданий и со­оружений в зоне подземного строительства.

Рис. 1. ТПМК с грунтопригрузом

Большинство крупных городов, расположенных в центральной части РФ (где в основном и строится мет­рополитен), характеризуются чрезвычайно сложной гид­ро­геологической ситуацией ввиду наличия в зоне строительных работ крупных рек, озер, болот, водо­хранилищ, подземной фильтрации грунтовых вод, карстово-суффозионной опасности. При строительстве тоннелей в городской черте в таких усло­виях возможны аварии и нештатные ситуации, во избежание которых требуется применять специальные способы работ, поз­воляющие повысить их безопасность [1, 2]. Кроме того, если в зоне строительства тоннелей есть различные жилые и гражданские здания, промышленные сооружения, сети и коммуникации, а также если оно ведется в стесненных условиях, то необходимо обеспечить безопасность при эксплуатации этих объектов. В ходе проектирования мет­рополитена в мегаполисах тщательно анализируют и обосновывают необходимость применения методов проведения работ, обеспечивающие сохранность окружающей застройки [3, 4]. Это позволяет оптимизировать проектные решения [5] и исключить аварийные ситуации при новом строительстве [6]. 

При проходке ТПМК в условиях обводненных грунтов требуется полностью учитывать все факторы риска, определять конечные значения осадок и предпринимать эффективные меры, позволяющие снизить негативное влияние этих факторов на объек­ты окружающей застройки.

Максимальные риски и большие осадки грунта имеют место на участках, где ТМПК проходит близко к существующим сооружениям [3, 4]. Если в таких ситуациях расчетные показатели, характеризующие напряженно-деформированное состояние (НДС) грунтового массива, выходят за пределы нормативных значений, то для стабилизации НДС применяют специальные методы: 

• закреп­ление грунтов [3—5],

• компенсационное нагнетание,

• создание противофильтрационных завес [6, 7]. 

При таких мероприятиях основной этап работ — ​инъекционное нагнетание в грунты [8], однако при высоконапорной инъекции в зоне конструкций [6, 9] резко и непрогнозируемо изменяется НДС в грунте, что способствует деформации конструкций и повышает риск возникновения аварийной ситуации [9].

При проектировании объектов метрополитена в мегаполисах требуются тщательный анализ необходимости применять специальные методы проведения работ, обеспечивающие сохранность окружающей застройки [7, 10], чтобы и оптимизировать проектные решения [11], и исключить аварийные ситуации при новом строитель­стве [12]. Анализ работ [13—15] и данных, полученных при строитель­стве объектов Московского метрополитена, а также сравнение взаимозависимостей данных геотехнического мониторинга и технологических режимов проходки тоннелей ТПМК [16, 17] позволяет с достаточно высокой вероятностью определять прогнозировать ненормативные осадки земной поверхности по трассе щитовой проходки тоннелей, непроектные условия и необходимость корректировки технологий работ.

Необходимо, чтобы геотехнический прогноз выполнялся в объемной постановке с варьированием факторов влияния (желательно с учетом тех ситуаций, в которых их влияние максимально) и позволял сделать одно­значные выводы для заданных условий. 

Один из наиболее значимых факторов, влияющих на изменение НДС грунтового массива, обусловленное новым строительством, — наличие зазора между грунтом и железобетонной тоннельной обделкой. Хотя это пространство впоследствии заполняется специальным тампонажным раствором, различные факторы способствуют осадке конструкций существующих объектов в зоне сооружения тоннеля. 

Тампонирование заобделочного пространства

На эффективность и безопасность проведения проходческих работ особенно сильно влияют гидрогеологические условия: например, высокий гидростатический напор (давление воды в уровне шелыги свода тоннеля) может способствовать значительному расслоению и последующему вымыванию тампонажной смеси в условиях фильтрации и обводнения грунтового массива [16]. Этот напор при неблагоприятных условиях может превышать 0,4—0,5 МПа и усугубляться повышенной фильтрацией подземных вод. 

Высокая степень обводненности грунтов, наличие фильтрационных потоков, значительная открытая пористость грунтов в зоне проходки сильно влияют на полноту заполнения заобделочного пространства тампонажным материалом. При значительном обводнении грунтов в зоне их контакта с ТПМК и далее с конструкциями тоннеля концентрируются различные водные прослойки. Когда нагнетаемый тампонажный раствор попадает в такую среду, изменяется его фактическое водовяжущее соотношение, что чревато водоотделением в нем и седиментацией. В результате зазор может заполняться лишь частично, а свой­ства раствора изменяются и их весьма трудно контролировать [18, 19]. Так, при нагнетании раствор (смесь сухого вяжущего с водой) в водонасыщенной среде заобделочного пространства смешивается с подземными водами [20], в результате в нем начинаются седиментация, водоотделение и расслоение. При этом не получается создать упрочняющую водонепроницаемую оболочку по контуру тоннеля в заобделочном пространстве, что является причиной дополнительного роста осадок и негативным фактором при дальнейшей эксплуатации тоннеля. Данная проблема решается путем многоступенчатого нагнетания стандартных минеральных растворов в зазор между обделкой и грунтом при повышенном давлении. Кроме того, можно нагнетать раствор и в один заход, если применять модифицированные тампонажные составы с высокой связностью [21] и пониженным водоотделением, в том числе при повышенном давлении. Тампонажный раствор инъецируют в незаполненное простран­ство через специальные отверстия в юбке щита, а далее через отверстия в обделке блоков тоннеля. Такой тампонаж с заполнением всего заобделочного пространства позволяет снизить деформации обделки, повысить эксплуатационную на­дежность, долговечность и стойкость конструкций. Качественно проведенные тампонажные работы обеспечивают плотный контакт и ликвидацию зазоров, а также состояние обделки тоннельного сооружения и грунта, гарантирующее расчетный срок эксплуатации тоннелей не менее 100 лет. Следствия нарушения этих требований к работам — ​водопроявление различной интенсивности и активные течи через стыки тоннельной обделки (а иногда даже через поверхность блоков), что резко снижает долговечность тоннельных конструкций.

При тампонажных работах в несложных инженерно-геологических условиях в основном применяют минеральные смеси на основе вяжущих гидравлического твердения. При этом многие производители часто заменяют часть портландцемента на более дешевые наполнители (шлаки, золы, глинистое и кремнеземистое сырье), чтобы улучшить экономические показатели. Однако такие наполнители ввиду нестабильности их свойств и особенностей состава часто не позволяют обеспечить требуемую по­движность тампонажных смесей и их низкое водоотделение (седиментацию). Качество тампонажных работ в обводненных грунтах (особенно в условиях гидростатического напора и значительной фильтрации) часто снижается из-за плохой адаптированности стандартных тампонажных смесей к наличию дополнительного количества воды. Чтобы обеспечить стабильность заполнения контактной зоны, тампонажная смесь должна быть высокоподвижной и стойкой к вымыванию при нагнетании (показатели ее пластичности и водоотделения должны соответствовать нормативным), а тампонажный камень должен быть достаточно прочным в раннем и 28-суточном возрасте. При тампонаже в обводненных грунтах тре­буется более высокие показатели связности, седиментации (водоотделения) и набора прочности растворов, поэтому целесообразно использовать оптимизированные составы тампонажных смесей. Чтобы повысить эти показатели, используют химические добавки и органоминеральные тонкомолотые порошки, повышающие связность смеси и стабильность свойств, а также ускоряющие набор прочности [22].

Оптимизация тампонажных смесей

Повышение плотности упаковки вяжущего и оптимизация его гранулометрического состава — ​эффективные способы улучшить технические характеристики тампонажных смесей.

В работах [23, 24] описана оптимизация гидравлических вяжущих, вводящихся в состав мелкозернистых бетонов, набрызг-бетонных композиций, растворов для закрепления грунтов и др., путем введения особотонкодисперсных вяжущих (ОТДВ) и метакаолинов с высокой тониной помола гранулометрический состав гидравлических вяжущих, вводящихся в состав мелкозернистых бетонов, набрызг-бетонных композиций, растворов для закрепления грунтов и др. При этом за счет повышения плотности упаковки вяжущего улучшались основные технологические параметры растворов на его основе. При вводе таких добавок, в отличие от ввода инертных компонентов, не снижается прочность конечного продукта, поскольку добавка активна (участвует в процессах гидратации). Это позволяет быстро подбирать составы, не определяя их проч­ностные показатели, в том числе в длительные сроки твердения (28, 356 сут и др.) [23, 25].

Приведем пример оптимизации состава тампонажных растворов, позволяющей снизить показатели седиментации и водоотделения с сохранением реологических свойств смеси.

Для приготовления тампонажных смесей использовали следующие материалы: порт­ландцемент класса 42,5 Воскресенского цементного завода, песок Рузского карьера, золу-унос, воду и пластификатор на поликарбоксилатной основе.

Чтобы оптимизировать водоотделение тампонажных растворов на основе порт­ландцемента, в их состав вводили высокодисперсный метакаолин и ОТДВ — ​мик­роцемент с параметрами D₅₀ = 3 мкм, D₉₅ = 6 мкм (показывающими наибольший средний размер 50 и 95 % присутствующих в этом материале частиц соответственно) и удельной площадью поверхности более 20 000 см²/г.

Связность системы минеральный порошок—​вода (под связностью раствора здесь понимается его способность сохранять однородность на всех этапах приготовления и использования), служившая критерием качества тампонажной смеси, характеризовалась водоотделением, которое определяли только в статическом состоя­нии в калиброванном цилиндре (мерной колбе) для объема раствора, равного 100 мл (см. рис. 2). Объем твердого осадка измеряли каждые 5 мин до тех пор, пока водоотделение не прекращалось. Водоудерживающая способность и водоотделение раствора характеризуются коэффициентом водоотделения — ​отношением объема отделившейся жидкости к объему раствора, залитого в цилиндр. Этот коэффициент определяли через 1 ч с момента заливки раствора в колбу, без учета времени перемешивания компонентов (5 мин).

Рис. 2. Смеси разных составов с различными показателями водоотделения

Состав и характеристики контрольного и модифицированных тампонажных растворов приведены в таблице. Отметим, что добавка ОТДВ (или тонкодисперсного метакаолина) повышает связность тампонажного раствора (т. е. снижает водоотделение) без снижения его текучести (подвижности), что особенно важно при тампонировании путем нагнетания.

Выводы

При строительстве транспортных тоннелей максимально полное заполнение заобделочного пространства — ​важнейший фактор безаварийной проходки и минимизации осадочных деформаций.

Расслоение и размыв тампонажных растворов, нагнетаемых в зонах водонасыщенных грунтов, могут привести к нештатным ситуациям и к повышению фактических осадок конструкций зданий и сооружений сложившейся городской застройки.

Модифицирование тампонажных смесей путем введения в них ОТДВ (микроцементов) способствует повышению связности смеси, что позволяет проводить качественный тампонаж даже в сильно водонасыщенных грунтах.

По-видимому, при дальнейшей модификации тампонажных смесей тонкодис­персными компонентами можно получить смеси с показателями водоотделения/седиментации, близкими к нулю даже при повышенных давлениях нагнетания, что особенно актуально на опасных участках (при наличии уникальных и опасных объектов в условиях проходки под ними в сильно водонасыщенных грунтах).

Работа выполнена в НИУ МГСУ в рамках реализации Программы развития университета «ПРИОРИТЕТ 2030». Проект 3.1 «Научный прорыв в строи­тельной отрасли — ​новые технологии, новые материа­лы, новые методы».

ЛИТЕРАТУРА

1. Nezhnikova E. The Use of underground city space for the construction of civil residential buildings. Proc. Engin. 2016. Vol. 165. P. 1300—1304. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.854.

2. Конюхов Д.С. Анализ параметров механизированной проходки тоннелей для определения характеристик перебора грунта // Горные науки и технологии. 2022. Т. 7, № 1. С. 49—56.

3. Boschi K., Di Prisco C.C., Ciantia M.O. Micromechanical investigation of grouting in soils // Intern. J. of Solids and Structures. 2019. Vol. 187. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2019.06.013.

4. Kozlova I.V., Bespalov A.E., Zemskova O.V. Modified composition for fixing sandy soils // Mater. Sci. Forum. 2020. Vol. 992. P. 143—148.

5. Каддо М.Б., Ефимов Б.А., Михайлик Е.А. Минеральная композиция для стабилизации грунта // Инж. вестн. Дона. 2024. № 3 (111). С. 564—570.

6. Ter-Martirosyan A., Sidorov V. The management of stress-strain state of the bases for stabilizing uneven settlements // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 196, N 2. P. 03022.

7. Axelsson M., Gustafson G. The PenetraCone, a new robust field measurement device for determining the penetrability of cementitious grouts // Tunnelling and Underground Space Technol. 2010. Vol. 25, N 1. P. 1—8. DOI: 10.1016/j.tust.2009.06.004.

8. Dzagov A.M., Kornilov A.A. Accounting for properties of the compacted soil-bed under foundation and capillary fringe of loess soils subjected to silicate stabilization // Soil Mechanics and Foundation Engin. 2024. Vol. 61, N 4. P. 396—402.

9. Куликова Е.Ю., Конюхов Д.С., Потокина А.М., Устинов Д.В. Аналитический метод расчета коэффициента технологического перебора грунта при организации производства горно-строительных работ с применением механизированной проходки тоннелей // Горный информ.-аналит. бюлл. 2022. № 6—2. С. 305—315.

10. Bouchelaghem F. Multi-scale modelling of the permeability evolution of fine sands during cement suspension grouting with filtration // Computers and Geotechnics. 2009. Vol. 36, N 6. P. 1058—1071. DOI: 10.1016/j.compgeo.2009.03.016.

11. Шишкина В.В., Тер-Мартиросян А.З. Нагнетание тампонажного раствора в заобделочное пространство // Проб­лемы и перспективы развития России: молодежный взгляд в будущее. Сб. науч. статей 2-й Всеросс. науч. конф. 2019. С. 291—293.

12. Корнеева Е.В. Тампонаж с использованием вторичного минерального сырья // Приволжский науч. журн. 2020. № 2 (54). С. 56—65. 

13. Бехтев И.К. Верификация полуэмпирического метода прогноза осадок Р.Б. Пека для щитовой проходки транс­портных тоннелей мелкого заложения // Инж. вестн. Дона. 2020. № 5 (65). С. 42.

14. Loganathan N. An innovative method for assessing tunneling-induced risks to adjacent structures. N. Y: Parsons Brinckerhoff Inc., 2011.

15. Савченко И.В., Лазебник А.Ю. Разработка технологических схем высоконапорной инъек­ции с использованием тампонажного пакера // Проблемы горного дела: сб. науч. тр. Донецк, 2021. С. 39—43.

16. Di H., He P. Influence of large-diameter shield tunneling on deformation of adjacent high-speed railway subgrade in soft soils and effectiveness of protective measures // Tunnelling and Underground Space Technology. 2025. DOI: 10.1016/j.tust.2024.106260.

17. Liu Y., Lei H. Deformation analysis of ground and existing tunnel induced by overlapped curved shield tunneling // J. of Rock Mechanics and Geotechn. Engin. 2025. DOI: 10.1016/j.jrmge.2024.05.050.

18. Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Исследования скорости поперечных волн в грунтоцементе при анизотропном напряженном состоянии // Вестн. МГСУ. 2020. Т. 15, № 10. С. 1372—1389.

19. Bouchelaghem F., Benhamida A., Dumontet H. Mecha­nical damage behaviour of an injected sand by periodic homogenization method // Comput. Mater. Sci. 2007. Vol. 38, N 3. P. 473—481. DOI: 10.1016/j.commatsci.2005.12.044.

20. Ge Z., Yang X., Ma M. Analysis of convergence deformation rehabilitation of shield tunnels by lateral grouting // KSCE J. of Civil Engin. 2025. P. 100234. DOI: 10.1016/j.kscej.2025.100234.

21. Муртазаев С.А.Ю., Сайдумов М.С., Муртазаева Т.С.А., Абумуслимов А.С. Влияние тонкомолотых минеральных наполнителей техногенной природы (МНТП) на седиментацию цементных суспензий // Наука и инновации в строитель­стве. Сб. докл. IV Междунар. науч.-практ. конф. Белгород, 2020. С. 372—379.

22. Samchenko S., Kozlova I., Zorin D. The effect of ultrafine fillers on the properties of cement-sand mortars // Materials Today: Proc. Intern. Conf. on Modern Trends in Manufacturing Technol. and Equipment, 2019. P. 2096—2099.

23. Ильина Л.В., Анпилов С.М., Лыткина Е.В. Использование алюмосиликатных добавок для упрочнения мелкозернис­тых бетонов // Эксперт: теория и практика. 2024. № 3 (26). С. 48—55.

24. Харченко И.Я., Исрафилов К.А., Харченко А.И. Инъекционные смеси на геополимерной основе для уплотнения и упрочнения грунтов // Системные технол. 2023. № 1 (46). С  124—130.

25. Алексеев В.А., Харченко И.Я., Харченко А.И., Баженова С.И., Бетербиев А.С.Э. Модифицированные бетонные смеси для пространственных конструкций, наносимые методом набрызга // Вестн. МГСУ. 2016. 10.1016/j.compgeo.2009.03.016.