Искусственное понижение уровня грунтовых вод

Водопонижение на строительстве метрополитенов применяют при сооружении станций, тоннелей и подземных переходов, возводимых открытым способом, при проходке станционных и перегонных тоннелей закрытым способом, при строительстве стволов шахт, а также выполнении различных работ, сопутствующих сооружению тоннелей метрополитена (перекладка коммуникаций, подводка или укрепление фундаментов и др.).

Для водопонижения применяют: легкие иглофильтровые установки, эжекторные иглофильтры, установки вакуумного и забойного водопонижения, а также глубинные насосы, устанавливаемые в водопонижающие скважины,

Сущность метода водопонижения основывается на том, что при откачке грунтовых вод, поступающих в скважину, котлован или подземную выработку, поверхность воды в грунте приобретает воронкообразную форму с уклоном к месту откачки (рис. 86). Воронкообразную (пониженную) поверхность грунтовых вод называют депрессионной поверхностью, а пространство между этой поверхностью и непониженной поверхностью грунтового потока — депрессионной воронкой.

По мере откачки воды депрессионная воронка увеличивается по площади распространения и в глубину. Если интенсивность откачки остается постоянной, то со временем наступает стабилизация-установившийся режим, при котором не происходит дальнейшего развития депрессионной воронки. С прекращением откачки уровень грунтовых вод восстанавливается. Целью водопонижения является развитие и поддержание депрессионной воронки в водоносных грунтах, т. е. их поддержание в осушенном состоянии в течение всего периода возведения сооружения. В ряде случаев водо-понижение применяют для снятия избыточного напора в подстилающих водоносных грунтах, отделенных от дна котлована слоем водоупорного грунта.

Рис. 86. Схема водопонижения:
а — одной скважиной; б — двумя скважинами при водоупоре ниже дйа котлована; в — то же на уровне дна котлована; 1 — контур котлована под строящееся сооружение; 2 — водопони-жающая скважина; 3 — сухой грунт, находящийся выше уровня грунтовых вод (УГВ); 4 — депрессионная воронка (осушенный водопонижением грунт); 5 — поверхность депрессии; 6 — обводненный грунт; 7 — погружной насос; 8 — водоупорный слой; h — максимальная высота остаточного слоя воды, снимаемого открытым водоотливом

Однако в ряде случаев (например, когда близко под дном котлована залегают водоупорные грунты) полностью осушить водоносные грунты не удается и над водоупором остается слой воды толщиной 0,5-1 м. Для его снятия чаще всего применяют открытый водоотлив с помощью переносных насосных установок, откачивающих воду из устраиваемых временных колодцев (зумпфов).

При выборе способа водопонижения учитывают характеристики грунтов и условия их залегания, мощность водоносного слоя, коэффициент фильтрации, размеры осушаемой зоны в грунте, способы производства горнопроходческих или строительных работ, продолжительность водопонижения, характеристики имеющихся технических средств водопонижения.

Водопонижающие скважины бурят за пределами контура возводимых конструкций. Их расположение в плане зависит от размеров сооружения, а также от гидрогеологических характеристик грунтов и может быть: линейным (в один или несколько рядов по прямой линии, например, при проходке перегонных тоннелей), контурным (по контуру, огибающему сооружение, например, котлован, для сооружения станции метрополитена открытого способа работ), кольцевым (например, при проходке шахтных стволов), комбинированным (например, когда при широких котлованах внутри контура водопонижающих скважин располагают еще один или несколько рядов таких же скважин).

Водопонижение с помощью легких иглофильтров. Этот способ основан на создании и поддержании вакуума самовсасывающими насосами в широко разветвленной сети иглофильтров, погруженных в грунт и соединенных резиновыми шлангами с коллектором (рис. 87). Грунтовая вода засасывается через фильтры во всасывающий коллектор и откачивается насосами за пределы осушаемой площади.

Легкий иглофильтр представляет собой колонну труб диаметром 46-50 мм и длиной до 8,5 м, соединенных герметично. В нижней части колонны имеется фильтровое звено, состоящее из двух труб: наружной, имеющей по всей поверхности равномерно распределенные отверстия, и внутренней, с открытым нижним концом. Наружная труба обматывается спиралью, поверх которой натягивается фильтрационная сетка. Звено заканчивается наконечником с шаровым клапаном. Каждый иглофильтр погружают в грунт с помощью гидроподмыва, используя давление струи воды.

Одним ярусом легких иглофильтров можно понизить уровень грунтовых вод до 4,5 м. Для понижения грунтовых вод на большую глубину применяют иглофильтры, которые располагают ярусами. Легкие иглофильтровые установки типа ЛИУ используют при разработке котлованов и траншей в грунтах с коэффициентом фильтрации до 1 м/сут.

Водопонижение с помощью эжекторных иглофильтров. Такие иглофильтры имеют специальное устройство для подъема воды — эжектор (водоструйный насос). Одним ярусом таких эжекторных иглофильтров можно понизить уровень грунтовых вод до 18-20м в грунтах с коэффициентом фильтрации 0,5-1 м/сут.

В основу конструкции эжекторных иглофильтров положен принцип действия водоструйного насоса, в котором движущаяся с большой скоростью струя воды забирает с собой некоторое дополнительное количество воды с нижнего уровня и поднимает его на более высокий. Схема действия эжекторного иглофильтра основана на следующем (рис. 88). В колонну 1 иглофильтра опускают эжекторный водоподъемник (эжектор) на трубе 2. Рабочая вода в эжектор подается по кольцевому пространству между внешней и внутренней водоподъемной трубами. Вытекая из насадки 6 с большой скоростью под действием насоса 4, струя рабочей воды вовлекает за собой в диффузор 5 воду, поступающую в фильтровое звено 7 из окружающих пород. Откачиваемая иглофильтрами грунтовая вода в смеси с рабочей водой по трубе 2 поступает в циркуляционный резервуар 3, из которого часть избыточной воды уходит в водосток и канализацию, а другая часть снова поступает в центробежные насосы для питания иглофильтров.

Погружение эжекторных иглофильтров происходит при подмыве воды, поступающей через шаровой клапан 8. При большой глубине, а также неблагоприятных геологических условиях бурят специальные скважины, в которые вставляют иглофильтры.

На строительстве применяются эжекторные установки типа ЭЙ. В комплект установки входят от 16 до 36 иглофильтров, высоко— и низконапорные насосы с электродвигателями, распределительный трубопровод и циркуляционный бак. Эжекторные иглофильтровые установки применяются для водопонижения при разработке грунта котлованов и траншей глубиной до 10-12 м.

Рис. 87. Схема работы легкой иглофильтровой установки:
1 — насосный агрегат; 2 — иглофильтр; 3 — коллектор; 4 — фильтровая часть иглофильтра УГВ — уровень грунтовых вод

Рис. 88. Схема действия эжекторного иглофильтра

Вакуумный метод водопонижения. Метод основан на создании устойчивого вакуума на наружных поверхностях водоприемных устройств (фильтровых участках труб). Вакуумирование водонасыщенных грунтов применяют для усиления эффекта водопонижения в сложных гидрогеологических условиях — в грунтах с коэффициентами фильтрации 0,05— 2 м/сут, при малой водопроницаемости, низкой водоотдаче и неоднородном сложении грунтов, в частности при переслаивании водоносных и водоупорных слоев.

Вакуумирование достигается применением установок вакуумного водопонижения УВВ с обычным иглофильтром для понижения уровня грунтовых вод до глубины 6-7 м, эжекторными вакуумными водопонижающими установками ЭВВУ с вакуумными концентрическими скважинами, позволяющими вести врдополижение до глубины 20-22 м в переслаивающихся водоносных и водоупорных грунтах, и установками забойного водопонижения УЗВМ, предназначенными для осушения мелких и пылеватых песков в призабойной зоне при открытом и закрытом способах работ.

В установках УВВ для создания в полости всасывающего коллектора устойчивого вакуума используется водовоздушный эжектор, активизирующий в основном воду, которая выделяется из во-довоздушной смеси, поступающей из иглофильтров. Вода откачивается водоводяным эжектором. Оба эжектора питаются рабочей водой, поступающей к ним от центробежного насоса. Для обеспечения устойчивой работы каждый из эжекторов может принимать на себя функции другого.

Эжекторные вакуумные водопонижающие установки с вакуумными концентрическими скважинами отличается от обычных установок с эжекторными иглофильтрами конструкцией скважин.

Установка забойного водопонижения, работающая на принципе вакуумного водопонижения (рис. 89) при проходке тоннеля щитовым способом позволяет преодолевать участки со сложными гидрогеологическими условиями.

Глубинное водопонижение. Этот способ основан на откачке воды из водоносных слоев с помощью глубинных центробежных насосов, устанавливаемых в водопонижающих скважинах, пробуренных вокруг будущей подземной выработки. В скважины опускают трубчатые фильтры на уровень водоносного горизонта, и затем буровые обсадные трубы извлекают из грунта, при этом создается непосредственный контакт фильтра с окружающим его грунтом. В результате откачки воды из скважины глубинным насосом образуется депрессионная воронка, внутри которой грунты в значительной степени осушаются. Глубинное водопонижение применяют при откачке воды с глубин более 20 м.

Рис. 89. Расположение установки забойного вакуумного водопонижения при сооружении перегонного тоннеля метрополитена:
1 — иглофильтры; 2 — деревянное крепление груди забоя; 3 — рычаг для укладки тюбингов; 4 — тюбингоукладчик; 5 — тюбинговая обделка тоннеля; 6 — манометр; 7 — вакуумметр; 8 — водоструйный насос; 9 — манометр; 10 — циркуляционный бак; 11 — дефлектор; 12 — сбрасывающий рукав; 13 — центробежный насос; 14 — электродвигатель; 15 — гибкий соединительный рукав; 16 — наращиваемое звено коллектора; 17 — откаточные пути; 18 — домкрат для передвижки тюбингоукладчнка; 19 — коллектор; 20 — породопогрузочная машина; 21 — передвижное звено пути