Наиболее уязвимыми местами конструкции являются стыковые соединения элементов обделок, а также свойства материалов, применяемых для инъектирования в заблочное и затрубное пространство.

Проблему можно решить путем разработки новых материалов, отвечающих необходимым техническим требованиям.

При строительстве подземных сооружений, возводимых способом щитовой проходки или микротоннелирования, применяется технология инъектирования за обделку сооружения. При микротоннелировании технология предназначена для уменьшения трения труб о горные породы и продвижения трубопровода домкратными станциями. При щитовой проходке инъектирование выполняется для придания устойчивости горной выработки в районе забоя щита при монтаже очередной секции блоков. Кроме этого, инъектирование создает для сооружения противофильтрационную завесу.

В процессе проведения работ проанализированы свойства инъекционных составов, применяемых при строительстве подземных сооружений. На основании анализа приняты к разработке рецептуры на основе портландцемента и гидравлической извести. При выборе компонентов составов (вяжущих, заполнителей, добавок) учитывали экономические аспекты и обеспеченность строительного комплекса г. Москвы материалами.

Для бестраншейных технологий применяют растворы для заблочного или затрубного инъектирования для уменьшения трения о грунт при продавливании труб (блоков), а также для создания противофильтрационной завесы на период строительства и эксплуатации сооружения.

Наибольшее распространение получили бентонитовые, цементно-бентонитовые, а также растворы на основе гидравлической извести.

ГУП «НИИМосстрой» разработал новые составы для инъектирования, обладающие более широким спектром действия, которые по сравнению с традиционными составами обладают повышенными гидроизоляционными свойствами и дают экономический эффект.
Бентонит – это глина, в которой содержится не менее 70% монтмориллонита, который является высокодисперсным слоистым алюмосиликатом (Na,K,Ca) (Аl,Fe,Мg)[(Si,Al)₄O₁₀](OH)₂*nH₂O). Бентониты в основном содержат систему SiO₂ – Al₂O₃ – Fe2O₃ – CaO, являющуюся основой для гидравлических вяжущих веществ. Таким образом, бентонит обладает химическим сродством с другими компонентами инъекционного состава.

Бентонит характеризуется наличием на его поверхности ионообменных катионов, в значительной степени определяющих его химические и физические свойства.

Избыточный отрицательный заряд, компенсирующий обменные катионы межслоевого пространства монтмориллонита, обусловливает высокую гидрофильность бентонита. При затворении бентонита водой она проникает в межслоевое пространство монтмориллонита, гидратирует его и вызывает набухание. При дальнейшем разбавлении водой бентонит образует устойчивую вязкую суспензию с выраженными тиксотропными свойствами. Кроме того, монтмориллонит обладает высокими адсорбционными свойствами.

Указанные свойства бентонита объясняют его широкое применение в качестве гелеобразователя для снижения фильтрации буровых растворов, как связующего материала в литейных формовочных смесях, а также как гидроизоляционного и адсорбционного материала.

Бентонит, в котором главным обменным катионом является Na, получил название натриевого или щелочного бентонита. Бентонит, в котором в обменных катионах преобладает Ca, получил название кальциевого бентонита.

Наиболее распространенными в природе являются кальциевые бентониты. При необходимости можно преобразовать кальциевые бентониты в натриевые, обработав их натриевыми солями. Такой процесс ионного замещения называется активированием, а преобразованный натриевый бентонит – активированным. Глины, содержащие монтмориллонит менее 70%, или, у которых вместо монтмориллонита содержится какой-либо другой минерал из группы смектитов, относятся к бентонитоподобным глинам или бентоноидам.

Бентонитовые порошки для бестраншейной прокладки коммуникаций позволяют преодолеть проблемы, порождаемые характеристиками грунта (крупнозернистый песок, липкая глина и др.), а также особенностями способа проходки. Основу глинопорошка для бестраншейной прокладки составляет высококачественный бентонит, переработанный по специальной технологии с добавлением специальных реагентов (рисунки 1, 2,3).

Применение специальных бентопорошков позволяет значительно сократить продолжительность работ по прокладке коммуникаций.

При строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях (плывунные неустойчивые грунты, значительное давление грунтовых вод и др.) используются проходческие комплексы с гидропригрузом. В таких комплексах в призабойную область под давлением нагнетается бентонитовый раствор, что позволяет поддерживать забой в стабильном состоянии. Разработанная порода, измельченная до состояния пульпы, отводится вместе с бентонитом по трубопроводу. В сепарационной установке происходит отделение породы и рекультивация бентонитового раствора, который в дальнейшем возвращается в камеру гидропригруза. По результатам лабораторного анализа рецептура бентонитового раствора может корректироваться в зависимости от условий проходки и характеристик грунтов.

Глинопорошки для приготовления бентонитовых растворов, используемых в щитовой проходке, должны обладать высоким качеством, поскольку от него зависит надежность функционирования проходческого комплекса.

Проведен анализ бентонитовых глинопорошков, выпускаемых ОАО «Бентонит Урала», ЗАО «Керамзит» (Серпухов), НПК «Бентонит» (Москва), ЗАО «Бентомир», «Иждеванский комбинат» (Армения), ЗАО «Бентопром» (Белгород). Результаты исследований приведены в таблицах 1-6.

 Таблица 1 – Свойства раствора на основе бентопорошка производства НПК «Бентонит»

Таблица 2. Результаты исследований бентопорошков НПК «Бентонит» и ЗАО «Керамзит»

Таблица 3 – Результаты определения выхода глинистого раствора НПК «Бентонит» и ЗАО «Керамзит»

Таблица 4 – Результаты исследований реологических свойств бентонита

Таблица 5 – Результаты исследований бентопорошка Иждеванского комбината (Армения)

Таблица 6 – Характеристики бентопорошков ЗАО «Бентопром» (г. Белгород)

Для щитовой проходки тоннелей чаще всего используются бентопорошки марки БМ-Т.

Глинопорошки этой марки относятся к высококачественным бентопорошкам, производятся из импортного бентонитового сырья, отвечают требованиям стандарта Американского института нефти API-13A.

Бентопорошок этой марки используется для приготовления бентонитовых суспензий, применяемых при щитовой проходке тоннелей, отличается экономичностью расхода, а также более широким спектром контролируемых реологических характеристик, наиболее полно отражающих условия строительства подземных сооружений.

Бентопорошки БМ-Т изготовляются по техническим условиям ТУ 5751-001-78035873-05 «Глинопорошки бентонитовые для буровых растворов», разработанным в соответствии с требованиями стандарта API-13A. Характеристики глинопорошков приведены в таблице 7.
Таблица 7 - Характеристики глинопорошков БМ-Т

Бентонитовый раствор нагнетается в заблочное или затрубное пространство коллекторных тоннелей, что облегчает продавливание тоннеля и уменьшает осадки. Бентонитовый раствор готовят и подают за наружную поверхность пилотного и строящегося тоннелей установкой «Cоlkret» или аналогичной. Раствор подается с производительностью до 8 м³/ч под давлением до 50 бар.

Для приготовления бентонитового раствора используются смеси «Штювамикс» (Германия), «Тексотон», «Бароид». В зависимости от грунтов применяют различные добавки типа «Тулуп» или «Мунд», для подготовки воды может быть применена кальцинированная сода.

Нагнетание бентонита должно производиться постоянно для предотвращения защемления комплекса и уменьшения осадок дневной поверхности. Закачивание бентонита всегда производится только через одно отверстие. Остальные отверстия в это время шаровыми кранами отключают от подводящей бентонит магистрали.

Если проходка проходит легко и сопротивление продавливанию невысокое, допускается производить нагнетание только в щитовой машине (не нагнетать состав по всей длине тоннеля).

При повышении сопротивления нагнетание производится по всей длине тоннеля после каждой заходки. Отверстия при проходке открываются в шахматном порядке.

В том случае, если над тоннелем расположены рыхлые и разрушенные грунты (возможен уход бентонита вверх), допускается нагнетание бентонита только в лоток тоннеля.

За рубежом чаще всего используются смеси «Штювамикс» для горизонтального бурения.

Это - буровой концентрат нового поколения немецкой компании «ШТЮВА». Он состоит из комбинации натриевого бентонита и модифицированного природного полимера. Широко применяется при бурении горизонтальных проходов, проколов и т.д. Эта смесь предназначена для всех способов горизонтального бурения. Можно применять как в сыпучих, так и в вязких скалистых образованиях. Характеристики требуемых параметров буровой жидкости варьируются в зависимости от дозировки.

За счет добавок смесь «ШТЮВАМИКС» предотвращает разбухание вязких пород при бурении (рисунок 4).

Буровой концентрат нового поколения состоит из комбинации натриевого бентонита и модифицированного природного полимера, представляет собой сухую смесь. Смесь предназначена для всех способов горизонтального и вертикального бурения. «ШТЮВАМИКС» предотвращает осыпание различных типов грунтов при бурении. «ШТЮВАМИКС» можно применять как в сыпучих, так и в вязких скалистых образованиях. Характеристики требуемых параметров бурового раствора зависят от дозировки «ШТЮВАМИКС» (от 20 до 35 кг/м³).

Дозировка «ШТЮВАМИКС» для бурового раствора зависит от плотности грунтов. В данной буровой смеси одновременно присутствуют натриевый бентонит и модифицированный природный полимер. Поэтому ШТЮВАМИКС не нуждается в дополнительных добавках. Преимущество заключается в том, что этот раствор, в отличие от других, можно применять сразу после приготовления. После завершения бурения ШТЮВАМИКС можно откачать без применения активаторов.

Смешивание ШТЮВАМИКС (Германия) происходит с нейтральной водой (6,5-7,5 pH). Если есть только жесткая вода, то перед смешиванием продукта нужно добавить в воду около 2,5 кг/м3 натриевого карбоната (сода) и перемешивать 10 мин. Значение pH должно после этого соответствовать 9-10.

Аналогично ШТЮВАМИКС успешно применяется бентонит RED STAR BORE (США), отличающийся низкой пластической вязкостью. Это высококачественный естественный бентонит натрия, разработанный специально для горизонтально-направленного бурения. Состав экономичен в применении, рабочие концентрации до трех раз меньше, чем у традиционных бентонитов. Состав характеризуется высокой гидратацией, при этом существенно сокращается продолжительность замешивания и набухания.

При использовании бетонтита RED STAR BORE можно почти полностью отказаться от дорогих полимерных добавок.

Для антифрикционного и тампонажного инъектирования также могут применяться бентонитовые глинопорошки, выпускаемые отечественными предприятиями.

ОАО «НПО «Буровая техника» провело исследование проб бентонитовых глинопорошков, выпускаемых ОАО «Бентонит Урала», ЗАО «Керамзит» (Серпухов), НПК «Бентонит» (Москва).

НПК «Бентонит» производит четыре вида бентопорошков марок ПБМА, ПБМБ, ПБМВ, ПБМГ, отвечающих требованиям ГОСТ 25795 и ТУ 39-01470001-105-93 «Глинопорошки для буровых растворов», характеристика которых приведена в таблице 12.

Таблица 8

Для производства бентопорошков марок ПБМВ и ПБМГ бентонитовая глина модифицируется кальцинированной содой. Бентопорошки марок ПБМА и ПБМБ модифицируются кальцинированной содой и при необходимости полимерами.

В таблицах 9, 10, 11 приведены результаты сравнительных исследований образцов бентопорошков производства НПК «Бентонит» (образцы 1, 2) и ЗАО «Керамзит» (г. Серпухов) (образец 3).

Таблица 9. Результаты исследований бентопорошков НПК «Бентонит» и Серпуховского ЗАО «Керамзит»

Таблица 10 - Результаты определения выхода глинистого раствора

Таблица 11 - Свойства 10% суспензий, приготовленных затворением в горячей воде образцов бентопорошков, набухавших в течение 16 ч

Исследования образцов бентопорошков показали, что выход глинистого раствора из образца 1 составил 18 м³/т, образца 2 – 15 м3/т, что по сравнению с выходом раствора из образца 3 выше на 42,8%. В соответствии с ОСТ 39-203-07-86 бентопорошки (образцы 2,3) НПК «Бентонит» относятся к высококоллоидным бентопорошкам марки ПБМБ и ПМБВ. Бентопорошок (образец 3) производства ЗАО «Керамзит» (г. Серпухов) относится к марке ПБМВ, но по сравнению с образцом 2 бентопорошка НПК «Бентонит» аналогичной марки имеет показатель коллоидности глинистого раствора и технологические параметры, значительно уступающие бентонитовым суспензиям производства НПК «Бентонит».

Глинопорошки, изготовливаемые на предприятиях НПК «Бентонит», по своим технологическим параметрам полностью отвечают ТУ 39-01470001-105-93 «Глинопорошки для буровых растворов». Они широко применяются для приготовления полимербентонитовых буровых растворов в регионах Западной Сибири. Из глинопорошка, выпускаемого НПК «Бентонит», были разработаны составы ингибированных растворов на основе полимерсиликата натрия и полимерных стабилизаторов Камцел-3, Сайпан, Камцел ПАЦ (К-ПАЦ), результаты которых приводятся в таблице 1 и 2. Из таблиц следует, что на основе бентонитового глинопорошка НПК «Бентонит» можно получать полимерглинистые буровые растворы для промывки скважин в глинисто-песчаных породах с заданными технологическими параметрами. Из таблиц 10, 11 следует, что водные растворы исследуемого бентонита позволяют получить суспензии плотностью 1,03-1,04 г/см³, вязкостью 35-40 с, СНС1/10 = 95,7/133,4 дПа; PV = 9,2 мПа*с, AV = 18,6 мПа*с, YP = 89,2 дПа; толщина фильтрационной корки – 2 мм, липкость — 8,50, рН = 9,3-9,8, что свидетельствует о высокой коллоидности и диспергируемости бентопорошка в водной среде. Для получения аналогичной бентонитовой суспензии на базе производства бентонита ЗАО «Керамзит» необходима добавка в водную фазу 6% глинопорошка, что вдвое больше, чем бентопорошка производства НПК «Бентонит».

Лабораторные испытания бентопорошка производства НПК «Бентонит» показали, что его средний расход на приготовление бентонитовых суспензий составляет 30 кг на 1 м³ бурового раствора, тогда как серпуховского бентопорошка требуется в два раза больше.
Суспензии на его основе достаточно хорошо стабилизируются полимерными реагентами карбоксиметилцеллюлозного типа (Камцел-3, К-ПАЦ) и акрилатного типа (Сайпан и др.). Для получения требуемых технологических параметров фильтрации и реологических параметров достаточно добавки реагентов стабилизаторов и гелеобразователей для понижения фильтрации в пределах 0,1-0,2% к объему исходного бурового раствора. В качестве ингибирующей добавки для полимерглинистой системы бурового раствора используется полимерсиликат натрия — реагент К-100 в количестве 0,3-0,5%.

На основе глинопорошка НПК «Бентонит» возможно получение полимерглинистых ингибированных буровых растворов с требуемыми технологическими параметрами для промывки наклонно-направленных скважин при бурении в глинисто-песчаном комплексе пород. Добавки 0,2% Камцел-1000-3В и 0,2% полиакрилатного реагента Сайпан обеспечивают необходимые технологические параметры бурового раствора и фильтрационный показатель на уровне 3-4 см³ за 30 мин. Полученный полимерглинистый ингибированный раствор на основе полимерсиликата натрия выдерживает до 15-25% обогащения глинистым шламом, сохраняя рабочие характеристики бурового раствора.

Наряду с бентонитовыми глинопорошками для приготовления буровых растворов применяются также составы на основе гидравлической извести.

Анализ существующих инъекционных составов, используемых при прокладке коллекторных тоннелей методом бестраншейных технологий, свидетельствует о целесообразности применения следующих систем:

- портландцемент – песок-бентонит- вода- зола-унос;
- гидравлическая известь- микрокремнезем- зола-унос- смесь пескового отсева-вода.

Данные составы были приняты как наиболее перспективные, позволяющие получать широкий диапазон технологических и эксплуатационных свойств в зависимости от геологических и гидрогеологических условий строительства.

Б.В. Ляпидевский, канд. техн. наук, А.В. Никитин, Г.П. Родина, С.О.Бадамшин
ГУП «НИИМосстрой»