Струйная цементация¶

Струйная цементация (Jet Grouting, от англ. jet — струя и grouting — закрепление грунта) — это технология укрепления грунтов, основанная на разрушении естественной структуры грунта высоконапорной струей цементного раствора (или воды с последующим заполнением полости цементным раствором) и одновременном перемешивании разрушенного грунта с вяжущим, в результате чего образуются грунтоцементные элементы (колонны, сваи, стены) с заданными физико-механическими свойствами. Технология относится к методам инъекционного закрепления грунтов и применяется в строительстве для повышения несущей способности оснований, устройства противофильтрационных завес, усиления фундаментов, а также при реконструкции зданий и сооружений.

¶История

Первые экспериментальные работы по струйной цементации были проведены в Японии в начале 1970-х годов. Компания «Kajima Corporation» в 1972 году разработала и запатентовала технологию, получившую название «Jet Grouting». В 1970-х годах метод активно внедрялся в Японии для укрепления оснований под высотные здания и тоннели метро. В 1980-х годах технология распространилась в Европе и США, где применялась для ремонта и усиления фундаментов исторических зданий, а также для борьбы с водопритоками в подземных сооружениях.

В России струйная цементация начала применяться в середине 1990-х годов. Первые крупные проекты были связаны с реконструкцией московского метрополитена и строительством высотных зданий в Москве (в частности, при усилении фундаментов «Москва-Сити»). С 2000-х годов технология получила широкое распространение в промышленном и гражданском строительстве, а также в гидротехническом строительстве.

¶Принцип действия и устройство

¶Основные элементы

Струйная цементация осуществляется с помощью специального бурового оборудования, включающего:

Буровая установка (обычно гусеничная или навесная) с вращателем и подачей шнека.
Монитор (струйная насадка) — специальное устройство на конце буровой штанги, оснащенное одной или несколькими форсунками (соплами) для подачи рабочей жидкости под высоким давлением. В зависимости от типа технологии монитор может иметь одну, две или три форсунки.
Насосная станция высокого давления (до 400–600 бар) для подачи цементного раствора, воды или воздуха.
Система приготовления и подачи цементного раствора (бетоносмеситель, гомогенизатор, насосы).
Компрессор (для технологии с использованием сжатого воздуха).

¶Технологический процесс

Процесс струйной цементации включает три основных этапа:

Бурение лидерной скважины. Буровая штанга с монитором на конце погружается в грунт на проектную глубину. Обычно бурение ведется с промывкой водой или глинистым раствором для удаления шлама.
Разрушение и перемешивание грунта. После достижения проектной отметки включается подача рабочей жидкости (цементного раствора или воды) под высоким давлением. Струя, выходящая из форсунок монитора, разрушает структуру грунта. Одновременно штанга с монитором вращается и медленно поднимается (или опускается) с заданной скоростью. В результате разрушенный грунт интенсивно перемешивается с цементным раствором, образуя однородную грунтоцементную смесь.
Формирование колонны. После завершения подъема штанги на поверхность в скважине остается сформированный грунтоцементный элемент (колонна). Время набора прочности грунтоцемента составляет от 7 до 28 суток, в зависимости от типа грунта и рецептуры раствора.

¶Параметры процесса

Ключевыми параметрами, влияющими на диаметр и качество получаемой колонны, являются:

Давление подачи (обычно 200–600 бар).
Расход рабочей жидкости (10–200 л/мин).
Скорость подъема штанги (0.5–5 см/с).
Скорость вращения штанги (5–30 об/мин).
Состав цементного раствора (водоцементное отношение, добавки-ускорители, пластификаторы).

¶Классификация

В зависимости от количества используемых сред (жидкостей) различают три основные технологии струйной цементации:

¶Однофазная (Jet 1)

Используется только одна среда — цементный раствор, подаваемый под высоким давлением. Разрушение грунта и его перемешивание с вяжущим происходит одновременно. Применяется в слабых грунтах (пески, супеси, глины) и позволяет получать колонны диаметром от 0.3 до 0.8 м.

¶Двухфазная (Jet 2)

Используются две среды: цементный раствор, подаваемый под высоким давлением, и сжатый воздух, подаваемый по кольцевому каналу вокруг струи раствора. Воздух создает «рубашку» вокруг струи, уменьшая ее трение о грунт и увеличивая дальность разрушения. Диаметр колонн достигает 1.0–1.5 м. Применяется в более плотных грунтах (суглинки, глины, мелкие гравийные отложения).

¶Трехфазная (Jet 3)

Используются три среды: вода под высоким давлением (для разрушения грунта), сжатый воздух (для увеличения дальности струи) и цементный раствор, подаваемый отдельно (для заполнения образовавшейся полости). Вода и воздух подаются через монитор, а цементный раствор — через отдельную трубу или через полость штанги. Эта технология позволяет получать колонны диаметром до 2.0–3.0 м и более, а также обеспечивает высокое качество перемешивания. Применяется в сложных геологических условиях (в том числе в скальных грунтах, при наличии валунов).

¶Применение

Струйная цементация используется в различных областях строительства:

Усиление фундаментов существующих зданий. Технология позволяет укрепить основание без вывода объекта из эксплуатации. Например, при реконструкции исторических зданий в центре Москвы (Большой театр, Кремль) струйная цементация применялась для усиления фундаментов и предотвращения осадок.
Устройство противофильтрационных завес. При строительстве котлованов в водонасыщенных грунтах струйная цементация позволяет создавать непроницаемые стены (грунтоцементные диафрагмы), предотвращающие приток воды.
Строительство подземных сооружений. При проходке тоннелей метро, коллекторов, подземных паркингов технология используется для временного или постоянного крепления стен и кровли выработки.
Укрепление откосов и склонов. Применяется для предотвращения оползней и обрушений на автомобильных и железных дорогах, в горной местности.
Гидротехническое строительство. При строительстве плотин, дамб, набережных струйная цементация используется для создания противофильтрационных завес и укрепления оснований.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

Универсальность. Применима в широком диапазоне грунтов: от песков и глин до гравия и скальных пород.
Высокая производительность. За одну смену можно устроить до 10–20 колонн диаметром 0.6–1.0 м.
Возможность работы в стесненных условиях. Оборудование может работать вблизи существующих зданий, в подвалах, на ограниченных площадках.
Контролируемые параметры. Диаметр, прочность и водонепроницаемость колонн могут регулироваться в процессе.
Экологичность. Используется цементный раствор, который не содержит токсичных компонентов.

¶Недостатки

Высокая стоимость оборудования. Насосы высокого давления и буровые установки требуют значительных капитальных вложений.
Сложность контроля в неоднородных грунтах. При наличии крупных включений (валуны, строительный мусор) возможны отклонения от проектных параметров.
Образование шлама. В процессе бурения и разрушения грунта образуется значительное количество отработанного раствора, который требует утилизации.
Ограничения по глубине. Максимальная глубина применения обычно составляет 30–40 м, хотя в отдельных проектах достигает 60 м.

¶Примеры реализации

Москва, «Москва-Сити». При строительстве высотных зданий (башня «Федерация», «Меркурий Сити Тауэр») струйная цементация применялась для усиления оснований в условиях сложных грунтов (мощные толщи водонасыщенных песков и глин).
Санкт-Петербург, реконструкция здания Биржи. Для предотвращения осадок исторического здания на Васильевском острове были устроены грунтоцементные колонны под фундаменты.
Тоннели метро в Москве. При проходке перегонных тоннелей на участках с высоким уровнем грунтовых вод (например, на Люблинско-Дмитровской линии) струйная цементация использовалась для создания водонепроницаемых экранов.
Гидроузел на реке Кубань. Для укрепления основания плотины и создания противофильтрационной завесы были выполнены колонны диаметром до 1.5 м на глубину до 30 м.

¶Интересные факты

В Японии, где технология была разработана, струйная цементация активно применяется для укрепления оснований под высотными зданиями в сейсмоопасных зонах.
В некоторых проектах (например, при строительстве тоннелей под реками) струйная цементация используется в сочетании с замораживанием грунтов, что позволяет создавать комбинированные противофильтрационные завесы.
Диаметр грунтоцементных колонн может достигать 5–6 м при использовании специальных мониторов с несколькими форсунками и многократным проходом (технология «Super Jet»).