Геннадий Разумов - Тонущие города

И скважины, и иглофильтры справляются со своими задачами в хорошо водопроницаемых, преимущественно песчаных грунтах. Слабопроницаемые грунты (тонкозернистые и глинистые пески, супеси, суглинки) плохо и медленно отдают воду. А осушать их при строительстве особенно необходимо — каждый может себе представить, что такое раскисший глинистый грунт, по которому ни проехать, ни пройти.

Одно из эффективных средств осушения слабопроницаемых грунтов — их вакуумирование. В полости фильтров (в скважинах или иглофильтрах) создают вакуум, распространяющийся на прилегающий к ним грунт. В этом случае к силе гравитации добавляется атмосферное давление, выжимающее воду из пор грунта в фильтры. Вода может и остаться в грунте, но она переходит в капиллярное состояние, с давлением ниже атмосферного, обжимая скелет грунта и упрочняя его. Для вакуумирования грунта используют эжекторные иглофильтры и иглофильтровые установки вакуумного водопонижения.

Этот краткий обзор средств водопонижения создает впечатление, что они могут справиться со своей задачей практически в любых гидрогеологических условиях. И это действительно так. Но это не значит, что здесь все в порядке и беспокоиться не о чем. Посмотрим немного внимательнее.

Основные средства водопонижения — вертикальные скважины — ничем не отличаются от скважин, предназначенных для водоснабжения. Но цели этих процессов противоположны. При водоснабжении требуется получить максимум количества воды (дебит) при минимальном понижении уровня подземных вод. При водопонижении, наоборот, требуется понизить уровень при минимальном расходе воды. Лишняя вода — это дополнительные бесполезные затраты. Для целей водоснабжения скважины стремятся заглубить в наиболее водопроницаемые слои. При водопонижении такой подход ведет к лишнему расходу откачиваемой воды. Но заглублять скважины приходится, чтобы обеспечить достаточную площадь входа воды в фильтр. Очевидно, что для водопонижения более рационально развивать водоприемники не по вертикали, а по горизонтали, ограничивая их глубину, т.е. переходить от вертикальных скважин к системам горизонтальных фильтров.

Широко распространенные иглофильтровые установки с вертикальными фильтрами представляют собой, по существу, горизонтальные дрены, выполненные в виде цепочки часто расположенных коротких фильтровых звеньев. Но длина всех трубопроводов иглофильтровой установки в 10–12 раз больше длины самой установки. Это — следствие вертикального расположения фильтров.

Горизонтальные фильтры нужны для водопонижения не только по соображениям экономики. Часто встречаются гидрогеологические условия, в которых вертикальные водоприемники не могут дать требуемого эффекта осушения грунтов. К ним относятся, в частности, случаи, когда котлован полностью перерезает водоносный пласт и достигает водоупорного слоя (такие выработки называют совершенными). Здесь требуется полный перехват потока подземных вод, а это может быть сделано только горизонтальной дреной, лежащей на водоупоре, в подошве водоносного пласта.

Системы с горизонтальными фильтрами существуют, и предпринимаются усилия для применения их с целью водопонижения. Прежде всего это лучевые водозаборы, каждый из которых представляет собой шахту с продавленными из нее в грунт по радиальным направлениям горизонтальными трубами-фильтрами. Они обладают большой водозахватной способностью, экономичны в эксплуатации. Но недостатком их являются шахты, сооружение которых плохо увязывается с мобильным характером строительного водопонижения. Для ликвидации этого недостатка создают конструкции малых лучевых колодцев, вертикальным стеолом которых должна служить не шахта, а буровая скважина.

Такие конструкции разработаны в ВИОГЕМе в Белгороде (лучевой колодец с буровым автоматом для прокладки фильтров) и в институте Гидроспецпроект в Москве (лучевой колодец и горизонтальные линейные дрены с телескопическими фильтрами). В этих конструкциях применяется буровой принцип прокладки горизонтальных дрен — в первом случае механическое бурение, во втором — гидравлическое, поэтому фильтры могут быть расположены практически на любой необходимой глубине. По принципу прокалываний грунтов — с использованием пневматического пробойника, который, как локомотив, тянет за собой фильтр, — в ПНИИИСе (Москва) разработана технология прокладки горизонтальных фильтров.

Существуют и другие принципы прокладки горизонтальных фильтров. В Голландии, например, гибкие пластмассовые фильтры укладывают на дно узкой траншеи, глубиной до 8 м, проходка которой вместе с укладкой фильтра производится многоковшовым экскаватором. Конец фильтра выводится на поверхность и присоединяется к всасывающему патрубку насоса.

Эта система заменяет иглофильтровые установки.

Мы затронули только одну из задач совершенствования техники всдопонижения — задачу перехода от вертикальных водоприемников к горизонтальным. Разумеется, ею не исчерпываются потребности этой области строительной технологии. Ученым и инженерам остается еще обширное поле деятельности.

Второй путь борьбы с водой при подземном строительстве базируется на отжатии воды от выработки. Этот путь, можно считать, уже пройден и является достоянием истории строительства. Речь идет о кессонном способе строительства подземных сооружений. При этом способе устье подземной выработки, например вход в шахту, плотно герметизируется и в выработку нагнетают сжатый воздух. Когда давление его становится равным гидростатическому давлению подземной воды, она перестает течь в выработку и отжимается от нее. Все работы в выработке ведутся при повышенном давлении воздуха. Сообщение с поверхностью — вход и выход — осуществляется через шлюзовой аппарат, обеспечивающий, постепенность изменения давления. В противном случае при резком изменении давления, особенно при его снижении (декомпрессии), человеческому организму грозит беда — кессонная болезнь. Вредность работы при повышенном давлении — одна из главных причин отмирания этого способа работ, в последние десятилетия уже почти не применяемого и используемого только в исключительных случаях.

Однако принцип отжатия воды воздухом не отошел в историю, его применяют при работах, не требующих присутствия людей в зоне повышенного давления. С помощью сжатого воздуха интенсифицируют процесс водопонижения: в водоносный пласт, из которого водопонизительные скважины откачивают воду, по другим скважинам нагнетает сжатый воздух, принудительно отжимая воду к водопонизительным скважинам. Это ускоряет процесс осушения слабопроницаемых и плохо отдающих воду грунтов, дает возможность большего понижения уровня подземных вод. В замкнутых участках водоносного пласта (например, ограждаемых противофильтационными завесами) сжатым воздухом в комплексе с водопонижением можно удалить всю воду, полностью осушив грунты. Таким способом обеспечена проходка тоннелей на некоторых участках московского метрополитена.