Нетрадиционные методы ремонта земляного полотна

Разрушение дорожного покрытия происходит, как правило, в результате деформаций земляного полотна, в большинстве случаев связанных с избыточным увлажнением грунтов.

В результате воздействия собственной массы подвижной нагрузки, переувлажнения и других природных факторов, а также а результате нарушения технологии может происходить деформация земляного полотна, которая выражается в потере геометрически правильных очертаний земляного полотна (рис. 10.2, 10.3).

Дефекты и болезни земляного полотна зачастую являются следствием недоработок при его проектировании, нарушения технологии строительного процесса, неудовлетворительного текущего содержания, низкого качества ремонтно-восстановительных работ. При этом мелкие нарушения и повреждения перерастают в опасные деформации, что создает аварийные ситуации, приводит к ограничению скоростей движения и, как следствие, к большим экономическим потерям. Усугубляет состояние дел изменение климатических условий, выражающихся в глобальном потеплении и увеличении количества выпадающих осадков. Деградация вечной мерзлоты в северо-восточных районах страны приводит к существенным деформациям земляного полотна даже там, где оно до последнего времени работало стабильно. В частности, такая проблема существует для Восточно-Сибирской и Забайкальской железных дорог. Байкало-Амурской магистрали, где деформациями охвачены целые перегоны. В то же время строительство дорог на Севере страны зачастую затруднено из-за отсутствия кондиционных грунтов, пригодных для отсыпки надежного земляного полотна. Проведение ремонтных работ чаше всего связано с ухудшением условий безопасности движения на всех стадиях производства работ.

Наиболее распространенными повреждениями и деформациями земляного полотна являются балластные мешки, карманы и корыта, оползания и сплывы откосов насыпей и выемок, расползание насыпей, просадки и оседания основания земляного полотна. Особую группу наиболее распространенных деформаций представляют пучины основной площадки земляного полотна в процессе его зимнего промерзания и весенние пучинные просадки при оттаивании.

Мероприятия по повышению эксплуатационной надежности земляного полотна сводятся, как правило, к устройству различных ограждающих, укрепляющих, дренажных конструкций и связаны с большими объемами ручного труда. Применение машин и механизмов на откосах насыпей и выемок зачастую ограничено. Методы диагностики состояния земляного полотна и эффективность существующих технологий его усиления не всегда отвечают потребностям времени. В то же время новые технологии внедряются очень медленно.

В Сибирском государственном университете путей сообщения совместное Институтом горного дела Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД COPAH) разработаны новые технологии упрочнения грунтов с использованием комплекса мобильных машин и механизмов, позволяющих выполнять самый широкий спектр работ, связанных с закреплением, упрочнением и армированием грунтов. Отличительной особенностью комплекса является высокая степень механизации выполняемых им работ. Используемое оборудование обладает малой энергоемкостью, просто в обращении, имеет небольшие массу и габаритные размеры. Это позволяет применять его в любых труднодоступных местах, в том числе на откосах и склонах, на подходах к мостам, в тоннелях и водопропускных трубах, на площадках в условиях стесненной городской застройки.

Пневмопробойники разработаны в ИГД CO РАН. Конструкция и технологии их использования в строительстве защищены многочисленными патентами Российской Федерации и зарубежных стран. Наиболее широкое применение они нашли при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций, но давно и успешно используются при глубинном уплотнении просадочных и насыпных необводненных грунтов, а также при устройстве набивных свай. Пневмопробойник представляет собой самодвижущуюся пневматическую машину ударного действия для пробивания скважин в грунте. Его отличительной особенностью является использование корпуса в качестве рабочего органа, образующего скважину путем радиального уплотнения грунта.

Внедрение пневмопробойника в грунт происходит под действием ударов, наносимых ударником, движущимся внутри корпуса, по его переднему внутреннему торцу. Силы фения между наружной поверхностью корпуса и стенками скважины удерживают пневмопробойник от перемещения в обратном направлении под действием реактивных сил. Наличие осевой симметрии и значительная длина гарантируют сохранение заданного направления во время движения в грунте. Реверсивное устройство позволяет изменять направление ударов, а следовательно, и направление движения пневмопробойника, т.е. обеспечивает его возврат по скважине. Благодаря этому появляется возможность проходки «глухих» скважин любой пространственной ориентации.

При прямом ходе пневмопробойника в грунте образуется скважина необходимой глубины. При этом вокруг скважины происходит радиальное уплотнение грунта. Реверсивным ходом пневмопробойник возвращается назад к устью скважины и извлекается из нее. Образовавшаяся скважина заполняется сухой цементно-песчаной или бетонной смесью, и проходка пневмопробойника повторяется. В результате материал засыпки втрамбовывается в стенки скважины, вызывая дополнительное радиальное уплотнение грунта. Путем нескольких таких проходок вокруг скважины создается зона из уплотненно-закрепленного грунта. Сами скважины, заполненные бетоном, в необходимых случаях могут рассматриваться как сваи с высокой удельной несущей способностью. Производительность и диаметр уплотняемой за один проход зоны могут быть увеличены при применении пневмопробойника с расширителем. Расширитель скважин может иметь различную форму (в зависимости от поставленной задачи).

Препятствием к применению пневмопробойника являются сухие слабоуплотняемые песчаные и переувлажненные глинистые грунты. В таких грунтах силы сцепления корпуса пневмопробойника с ними недостаточно для реализации эффекта его самодвижения в грунте. Валуны, остатки строительного мусора или другие преграды, находящиеся в грунте и сопоставимые по размерам с диаметром пневмопробойника, могут явиться причиной его отклонения от заданного направления, замедления движения или полной его остановки.

Круг задач, которые могут решаться с помощью пневмопробойников, очень широк: проколы под насыпями для прокладки коммуникаций, устройство набивных свай, уплотнение грунтов, устройство закрытых дренажных скважин, возведение стягивающих, анкерных и удерживающих конструкций, устройство противофильфационных завес и др.

Кольцевые пневмоударные машины, разработанные в ИГД CO РАН, могут с успехом использоваться для забивки в грунты инъекторов различной конструкции, изготовления армированных микросвай, при устройстве стержневых креплений вертикальных стенок котлованов и откосов, анкерных креплений и противофильтрационных завес, водопонижающих и дренажных устройств. Машины выполнены с осевым каналом для установки в него стержня и зажимным механизмом для передачи стержню через его боковую поверхность энергии удара. Наличие зажимного механизма оригинальной конструкции обеспечивает автоматическую перестановку машины на забиваемом стержне или инъекторе по мере его заглубления в грунт. Обратному перемещению стержня под действием реактивных сил отдачи машины препятствуют силы трения по его боковой поверхности о грунт и силы тяжести машины и стержня.

Конструкция кольцевых машин исключает применение грузоподъемных средств и обеспечивает погружение стержня в грунт целиком или отрезками любой длины. Это позволяет совмещать при работе различные технологические операции, производя одновременно с забиванием или извлечением стержня подачу в грунт различных материалов (жидкостей, бетонного раствора и т. п.) или устанавливая в него необходимые конструктивные элементы.

Пневмомолоты «Тайфун» предназначены для забивания в грунт труб, шпунта и выполнения ряда других специальных строительных работ. В них благодаря новым техническим решениям достигнуты более высокие, по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами, энергетические показатели и экономичность при одинаковых с ними массе и размерах. В ИГД CO РАН разработан типоразмерный ряд пневмомолотов «Тайфун», самый большой из которых имеет массу ударной части 1500 кг. Технические решения, положенные в основу их конструкции, защищены патентами Российской Федерации.

Все машины типа «Тайфун» предельно просты по конструкции, надежны и долговечны. Они более удобны в эксплуатации, так как запуск в работу осуществляется без применения каких-либо специальных устройств, используются воздухоподводящие рукава значительно меньших, чем у аналогов, диаметров и регулируется в широком диапазоне расход воздуха при сохранении на одном уровне энергии удара. Последнее обстоятельство позволяет адаптировать пневмомолоты «Тайфун» к имеющемуся в распоряжении компрессору.

Машина «Тайфун-40» успешно зарекомендовала себя в различных условиях при прокладке труб диаметром от 114 до 219 мм под автодорогами и улицами г. Новосибирска. Благодаря небольшим габаритным размерам эта машина незаменима при работе в стесненных условиях. Она может быть с успехом применена при устройстве ограждающих, анкерных и стягивающих устройств, подпорных стенок, противооползневых конструкций и др.

Раскатчик скважин впервые был разработан также в ИГД CO РАН г. Новосибирска. Раскатка — это непрерывный процесс образования цилиндрической полости путем деформации и уплотнения грунта раскатывающим рабочим механизмом. Раскатчик скважины представляет собой ряд установленных на эксцентриковом валу конических катков, оси которых смещены и развернуты так. что при вращении вала они катятся по винтовой линии. Катки посажены на вал с помощью подшипников, которые защищены от попадания в них частиц грунта специальными прокладками и уплотнительными кольцами. При передаче валу вращения и продольного усилия катки начинают обкатывать грунт, внедряясь в него и образуя при этом скважину. Диаметр уплотненной зоны вокруг скважины, полученной таким образом, значительно больше, чем при использовании пневмопробойника. Конструкция острия раскатчиков скважин может иметь вид конуса, сверла и т. п.

Приводом для раскатчика скважин может служить любой буровой станок специальной конструкции с гидравлической осевой подачей. Вращение, передаваемое раскатчику скважин от бурового станка через колонну буровых труб, снабженную центрирующим фонарем, осуществляется гидродвигателем станка. Дополнительное осевое усилие, передаваемое раскатчику от привода, способствует увеличению скорости проходки, позволяет его реверсировать, а также осуществлять проходку в обводненных и пластичных грунтах.

Использование раскатчиков скважин дает ряд преимуществ по сравнению с пневмопробойниками, основными из которых являются:

• отсутствие шума и вибрационных воздействий на близкорасположенные здания и сооружения;

• высокие скорости проходки, достигающие в некоторых грунтах 1 м/мин;

• низкая энергоемкость процесса и использование различных видов двигателей (механических, электрических, пневматических, гидравлических);

• высокая точность направления проходки;

• проходка в гравелистых, галечниковых и водонасыщенных грунтах, где использование пневмопробойников невозможно;

• возможность существенной механизации и автоматизации процессов.

Метод напорных инъекций является одним из эффективных методов упрочнения грунтов путем нагнетания в них под большим давлением вяжущего раствора. Весь технологический процесс, начиная от погружения инъекторов в грунт и кончая приготовлением и нагнетанием раствора, предполагает минимальное использование ручного труда. Наиболее широко данный метод применяется при уплотнении переувлажненных слабых глинистых грунтов и рыхлых, недоуплотненных техногенных отложений. Суть его заключается в нагнетании в упрочняемый грунт под большим давлением (до 0,3...0,5 МПа), превышающим структурную прочность грунта, цементно-песчано-глинистого раствора. В результате происходит нарушение сплошности грунта в виде щелевидных разрывов, заполняемых инъецируемым раствором. Грунт между зонами разрывов при этом уплотняется, его прочностные свойства улучшаются. Кроме того, несущая способность закрепленной части основания и его жесткость увеличиваются за счет эффекта армирования грунтового массива линзами твердеющего раствора, прочность которого во времени повышается. Уплотнение грунтов напорными инъекциями имеет попутный эффект — значительное снижение коэффициента фильтрации, что может быть использовано для создания противофильтрационных завес.

Химические методы упрочнения грунтов основаны на введении в грунт химических реагентов. Характер изменения свойств грунтов при этом сводится, в первую очередь, к значительному увеличению прочности, водостойкости и морозостойкости, уменьшению водопроницаемости грунтов в результате изменения состава и характера структурных связей. Химические методы очень разнообразны. Наиболее распространенным из них является метод силикатизации, используемый в различных модификациях. Нагнетание закрепляющих реагентов в грунты осуществляется насосами или сжатым воздухом из специальной емкости (пневмобака) через заглубляемые в грунт перфорированные инъекторы или инъекционные скважины. Распределительная гребенка специальной конструкции, снабженная расходомерами и манометрами, позволяет выполнять нагнетание одновременно в трех—шести инъекторах.

Имея набор оборудования, позволяющий выполнять работы с помощью различных технологий, можно комбинировать их в зависимости от грунтовых условий и поставленных задач (табл. 10.1).

В частности, возможно использование одновременно нескольких методов для выполнения комплекса противооползневых, водоотводных и других мероприятий. Для более четкой фиксации границ зон уплотнения и повышения качества работ при использовании метода высоконапорной инъекции может проводиться предварительное оконтуривание таких зон сплошной стенкой из уплотняющих скважин, образуемых пневмопробойниками. В такой оконтуренной зоне обеспечиваются более эффективное использование основной технологии и более равномерное уплотнение грунта по всему объему зоны. В качестве оконтуривающей стенки с той же целью при наличии в зонах уплотнения включений крупнообломочного грунта могут быть применены набивные сваи, устроенные в раскатанных скважинах.

Для более точного выявления зон залегания обводненных и необводненных грунтов широко используются геофизические исследования, в частности, методика электромагнитного сканирования грунтов. Эта методика доказала свою высокую эффективность при решении ряда технических и инженерно-геологических задач: локализации зон обводнения, определения уровня грунтовых вод, оконтуривания переувлажненных и ослабленных зон в грунтовом основании и т.п.