Шахтное и подземное строительство : специальные способы строительства. Ч. 1. Специальные способы строительства

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

№ 2729

Кафедра строительства подземных сооружений 
и горных предприятий

М.Н. Шуплик

Шахтное и подземное 
строительство

Специальные способы строительства

Учебное пособие

Допущено учебно-методическим объединением вузов Российской 
Федерации по образованию в области горного дела в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки «Горное дело»

Москва  2015

УДК 622.25
 
Ш96

Р е ц е н з е н т ы :

проф., д-р техн. наук А.Г. Протосеня 

(зав. каф. строительства горных предприятий и подземных сооружений 

Санкт-Петербургского национального минерально-сырьевого университета «Горный»);

проф., д-р техн. наук В.И. Смирнов 

(советник Союза золотопромышленников России)

Шуплик М.Н.

Ш96  
Шахтное и подземное строительство. Часть 1. Специальные 

способы строительства : учеб. пособие / М.Н. Шуплик. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2015. – 73 с.

ISBN 978-5-87623-949-5

Пособие посвящено технологии струйной цементации грунтов. Описана 

сущность технологии, дан обзор современных достижений отечественной и 
зарубежной практики строительства подземных сооружений с применением 
струйной цементации. Рассмотрены вопросы, связанные с контролем за технологией струйной цементации, показаны области ее применения.

Уделено внимание технологии строительства подземных сооружений с ис
пользованием способа водопонижения.

Учебное пособие написано в соответствии с содержанием рабочей про
граммы дисциплины «Шахтное и подземное строительство» и дополняет раздел «Специальные способы строительства» учебника «Шахтное и подземное 
строительство».

Предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению под
готовки 23.03.02 «Горное дело».

УДК 622.25

ISBN 978-5-87623-949-5




М.Н. Шуплик, 2015
НИТУ «МИСиС», 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ....................................................................................................4
1. Строительство подземных сооружений с применением 
струйной цементации ...............................................................................7

1.1. Сущность и условия применения струйной цементации............. 7
1.2. Разновидности технологических схем струйной цементации .... 9

1.2.1. Однокомпонентная технология (Jet-1) .................................... 9
1.2.2. Двухкомпонентная технология (Jet-2) ................................... 10
1.2.3. Трехкомпонентная технология струйной 
цементации (Jet-3) ...............................................................................11

1.3. Возведение плоских грунтобетонных конструкций ................... 12
1.4. Оборудование для струйной цементации .................................... 14
1.5. Технологические процессы струйной цементации ..................... 19

1.5.1. Бурение скважин ...................................................................... 19
1.5.2. Процесс струйного размыва грунта ....................................... 21
1.5.3. Процесс перемешивания размытого грунта 
с твердеющим раствором .................................................................. 21
1.5.4. Выбор параметров технологических процессов .................. 22
1.5.5. Влияние значений параметров технологического 
процесса на объем закрепленного грунта. ...................................... 25

1.6. Контроль в процессе струйной цементации ................................ 27
1.7. Возможные области применения струйной цементации ........... 28

2. Строительство подземных сооружений с применением 
способа водопонижения .........................................................................32

2.1. Способы и средства водопонижения в городском 
подземном строительстве ...................................................................... 32
2.2. Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) .................................. 34
2.3. Водопонижение эжекторными иглофильтровыми 
установками (ЭИ) ................................................................................... 37
2.4. Водопонижение вакуумными установками (УВВ) ..................... 40
2.5. Электроосмотический способ водопонижения ........................... 41
2.6. Водопонижение с применением водопонизительных 
скважин .................................................................................................... 43
2.7. Технологические операции при выполнении работ 
по водопонижению................................................................................. 51
2.8. Обоснование параметров водопонижения ................................... 59
2.9. Влияние водопонижения на окружающую среду ....................... 68

Библиографический список ...................................................................... 72

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие современных городов, непрерывный рост чис
ленности их населения и занимаемых территорий, а также высокие 
темпы социального и научно-технического прогресса остро ставят 
вопрос о планомерном, эффективном освоении подземного пространства крупнейших городов и размещении в этом пространстве объектов самого различного назначения. Как показывают исследования, 
только в ближайшие пять лет в подземном пространстве крупных 
городов предстоит построить свыше 600 км тоннелей различного назначения, более 200 объектов социального и культурно-бытового назначения, а также другие подземные сооружения, обеспечивающие 
нормальную жизнедеятельность городов.

Одобренная Правительством Москвы «Концепция комплексного 

социально-экономического развития Москвы», в основу которой положено экономическое и социальное развитие региона как единого 
комплекса, предусматривает рост производительности труда в производственной сфере в 2,5–3 раза. Ее планируется примерно на две 
трети обеспечить за счет повышения технического уровня, на одну 
треть – за счет совершенствования организации труда и производства. 
Намечено широкое применение современных технологий, гибких автоматизированных систем и робототехники, углубление специализации и развитие межотраслевых производств. Внедрение научно-технических разработок призвано существенно снизить энергоемкость и 
материалоемкость производства, в 3–4 раза сократить сроки создания 
и освоения новой техники и технологии.

Следует особо подчеркнуть, что освоение подземного простран
ства будет осуществляться при повышенном внимании к вопросам 
экологии, экономии водных и энергетических ресурсов, при этом будет проводиться жесткая ресурсосберегающая политика.

Выбор способа и технологии производства работ при строитель
стве городских подземных сооружений во многом зависит от целого 
комплекса взаимоувязанных друг с другом факторов, и в первую очередь от гидрогеологических условий. 

Анализируя гидрогеологические условия подземного строитель
ства в г. Москве и других крупных городах России, можно констатировать, что примерно в 20 % случаев подземные сооружения строятся 
или будут строиться в сложных горногеологических условиях, характеризующихся неустойчивыми грунтами с низкими коэффициентами 
фильтрации, нередко с напорными подземными водами.

В таких условиях строительство подземных сооружений осу
ществляют с применением специальных способов, таких как искусственное замораживание грунтов, стена в грунте, тампонирование и 
др., направленных на стабилизацию грунтов и обеспечивающих безопасные условия строительства. В последнее десятилетие в мировой 
практике подземного строительства успешно и в больших объемах 
применяется способ струйной цементации, или, как его еще называют, Jet Grouting, или просто Jet.

Струйная цементация джет граутинг (Jet Grouting) отличается от 

обычной цементации тремя основными особенностями: метод может 
применяться для большинства нескальных грунтов – от мягкой глины 
и песка до гравия; исходный пункт в результате цементации полностью преобразуется в новый материал – грунтобетон, характеризующийся высокой прочностью, низкой способностью к деформациям и 
очень низкой водопроницаемостью; геометрические размеры и свойства грунтобетонных элементов могут обоснованно выбираться на 
стадии проектирования и экспериментально проверяться в процессе 
возведения сооружения.

Технология струйной цементации грунтов появилась практически 

одновременно в трех странах – Японии, Италии и Англии. Если считать, что основой технологии является факт размыва грунта водной 
струей, то в этом случае авторство вообще трудно установить, так как 
данный вид работ давно применяется в горном деле. Идея заместить 
размытый и удаленный в виде пульпы грунт цементным раствором 
или сразу размывать грунт не водой, а струей цементного раствора 
появилась во многих странах почти одновременно и была реализована в различные варианты технологии.

Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в тече
ние последних лет технология струйной цементации мгновенно распространилась по всему миру, позволяя не только более эффективно 
решать традиционные задачи, но и найти новые решения иных многочисленных сложных проблем в области подземного строительства.

В отечественной практике струйная технология впервые была при
менена Всесоюзным объединением «Гидроспецстрой» Минэнерго 
СССР. В 1979 г. ВО «Гидроспецстрой» на строительстве Загорской 
ГАЭС для ограждения котлована от притока грунтовых вод была сооружена с использованием струйной технологии противофильтрационная завеса. Длина завесы составляла около 200 м, глубина 6...10 м, 
общая площадь – 1500 м2. В качестве заполнителя использовали бентонито-цементный раствор.

Струйная цементация может использоваться при возведении под
земных строительных конструкций не только в качестве альтернативы традиционным используемым технологиям, но и в сочетании 
с ними, путем выполнения элементов конструкций и сооружений, 
основная часть которых производится по указанным традиционным 
технологиям.

Струйная технология является одним из методов закрепления 

грунтов, причем наиболее совершенным, позволяющим формировать 
в грунте зоны закрепления различной формы и размеров со значительно более высокими механическими параметрами по сравнению 
с исходным грунтом, при этом обладающим меньшей водопроницаемостью. Поэтому данная технология может применяться для различных целей. Область применения значительно расширяется за счет 
возможности работать в особо трудных условиях, закрытых малых 
пространствах как на открытых площадках, так и в помещениях. При 
этом технология позволяет закреплять практически весь диапазон 
дисперсных грунтов.

С учетом того, что струйная цементация с каждым годом находит 

все большее применение в практике подземного строительства, а в 
имеющихся учебниках по горному делу она практически не описана, 
в данном учебном пособии она рассмотрена более подробно с анализом ее сущности и возможных областей применения.

Наряду со струйной цементацией при строительстве подземных 

сооружений в обводненных грунтах очень часто используют способ 
водопонижения. В связи с тем, что способ водопонижения довольно подробно описан в учебной и технической литературе, в данном 
пособии водопонижению уделено меньшее внимание. Тем не менее 
автор попытался в сжатом виде дать общие сведения о применяемых 
способах водопонижения и более подробно остановиться на проектировании параметров водопонижения.

1. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ 
СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ 

СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

1.1. Сущность и условия применения 

струйной цементации

Сущность технологии заключается в использовании энергии высо
конапорной струи цементного раствора для разрушения грунта и одновременного перемешивании его с цементным раствором. После твердения раствора образуется новый материал – грунтобетон, обладающий 
высокими прочностными и деформационными характеристиками.

Технологически операция по закреплению грунтов струйной це
ментацией выглядит так: к монитору по гибкому рукаву подают размывающую жидкость, например цементный раствор. При этом из насадки диаметром от 1,6 до 3,5 мм выходит высокоскоростная струя 
раствора, которая производит размыв грунта, образуя в нем горизонтальную каверну (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема формирования грунтоцементной колонны: 
1 – поступление цементного раствора; 2 – выход пульпы; 

3 – водоцементная струя; 4 – обрабатываемый объем грунта; 5 – грунт, 

обработанный в предыдущих циклах (сформированная часть сваи)

Размытый грунт вместе с отработанным раствором частично вы
носится на поверхность в виде пульпы, которая по канавке направляется в специальный пульпоприемник (траншею или зумпф). Монитор 
приводят во вращение вокруг вертикальной оси и одновременно начинают медленно поднимать. В результате, по мере подъема вращаемого монитора, часть размытого вращаемой струей грунта (в пределах радиуса размывающей способности струи) перемешивается с 
раствором и, таким образом, в грунтовом массиве образуется цилиндрическая размытая полость, заполненная грунтобетонной смесью. 
После завершения подъема монитора на требуемую высоту и затвердевания цемента в грунте образуется колонна закрепленного грунта 
(грунтобетона), обладающего высокими прочностными и деформационными характеристиками. Соединенные воедино грунтовые колонны образуют прочную волнообразную водонепроницаемую перемычку, которая может выполнять роль грузонесущей водонепроницаемой 
конструкции или же противофильтрационной завесы – в зависимости 
от назначения возводимого подземного объекта.

Если скорость подъема монитора принять достаточно большой, то 

можно получить грунтобетонную конструкцию спиральной формы. 
Такие конструкции целесообразно использовать там, где существенно важны силы трения между конструкцией и грунтом, например, в 
анкерах.

Эффективность струйной цементации существенно зависит от ха
рактеристик грунтов. В частности, метод дает удовлетворительные 
результаты для крупнозернистых грунтов, тогда как его использование для плотных глинистых грунтов вызывает некоторые проблемы и 
метод практически не подходит для скальных пород. Положительные 
результаты были получены при струйной цементации речных гравийно-галечных отложений, включавших крупную гальку, поскольку пористость грунта позволяет легко проникать раствору в грунт, а 
крупные фрагменты оказываются включенными в противофильтрационную завесу сами.

Метод струйной цементации (без дополнительных мероприятий) 

непригоден в зонах, где имеется значительная фильтрация в грунтах, 
которая может способствовать возникновению ходов сосредоточенной фильтрации во время строительства и выносу инъекционного 
раствора из формируемой завесы. Метод непригоден также на таких 
глубинах, когда невозможно контролировать расположение колонн с 
достаточной точностью, чтобы обеспечить их взаимное пересечение. 

Известны положительные результаты создания противофильтрационных завес, полученные на глубинах более 65 м.

Технология цементации Jet Grouting обладает следующими пре
имуществами:

• Скорость работ. Применение данной технологии работы в грун
те обеспечивает существенное снижение затрат времени и труда, а в 
итоге и финансовых вложений на возведение бетонных конструкций 
в грунте: стен, колонн, оснований и т.п.;

• Доступность в разных условиях. Имеется возможность при
менения таких форм укрепления при работе в условиях ограниченной площади: в подвальных помещениях, в значительной близости от 
других зданий, на откосах и т.д.;

• Безопасность для других сооружений. Технологии цементного 

укрепления грунта не представляют опасности для фундаментов зданий, расположенных в непосредственной близости от места работы. 
Безопасность обеспечивается отсутствием ударных нагрузок.

1.2. Разновидности технологических схем 

струйной цементации

1.2.1. Однокомпонентная технология (Jet-1)

При однокомпонентной технологии струйной цементации вначале 

бурят технологическую скважину буровой колонной, в нижней части 
которой смонтирован специальный скважинный монитор, имеющий 
боковую насадку диаметром 2–6 мм. После бурения скважины на 
проектную глубину буровой колонне с монитором придают вращательное движение и одновременно с этим к монитору по гибкому рукаву подают цементный раствор с давлением 40...60 МПа. При этом 
из насадки выходит высокоскоростная струя раствора, которая производит размыв грунта, образуя в нем горизонтальную каверну, заполненной смесью «грунт–цементный раствор». По мере вращения 
и подъема монитора, часть размытого вращаемой струей грунта (в 
пределах радиуса размывающей способности струи) перемешивается 
с раствором и таким образом в грунтовом массиве образуется цилиндрическая размытая полость, заполненная грунторастворной смесью. 
Часть размытого грунта вместе с отработанным раствором частично 
выносится на поверхность в виде пульпы, которая направляется в 
специальный пульпоприемник (траншею или зумпф). После завершения подъема монитора на проектную высоту и затвердевания цемен

та в грунте образуется колонна закрепленного грунта (грунтобетон). 
Схема возведения грунтобетонных колонн по однокомпонентной технологии представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Однокомпонентная технология: 1 – поступление 

цементного раствора; 2 – выход пульпы; 3 – водно-цементная струя; 

4 – обрабатываемый объем грунта; 5 – грунт обработанный 

в предыдущих циклах

Технология Jet-1 наиболее проста в исполнении, требует мини
мального количества оборудования, однако диаметр получаемых 
грунтобетонных колонн также является наименьшим по сравнению с 
другими вариантами технологии, который не превышает 0,8...1 м.

Для увеличения диаметра формируемых свай, особенно в плотных 

глинах, применяются операции предварительного размыва грунта. 
Для этого в процессе подъема буровой колонны производят размыв 
грунта водяной струей под давлением 20...30 МПа. После размыва 
грунта на всю высоту будущей сваи буровую колонну повторно опускают до проектной отметки и начинают собственно струйную цементацию. Такая технология получила название ПРГ (предварительный размыв грунта).

1.2.2. Двухкомпонентная технология (Jet-2)

Для увеличения длины водоцементной струи используют струю 

сжатого воздуха. Для этого наряду с боковой насадкой в мониторе 
монтируется соосная с ней воздушная насадка, через которую одно

временно с подачей раствора через центральную насадку подается 
сжатый воздух, создающий искусственный воздушный поток вокруг 
струи раствора. При этом размытый грунт выносится по скважине в 
потоке аэрированного раствора.

Воздушная рубашка, защищаемая воздушную струю, снижает со
противление окружающей среды по боковой поверхности струи и 
тем самым увеличивает ее разрушающее действие. Давление воздуха 
должно быть не менее 0,5 МПа, подача – 6...18 м3/ч.

Двухкомпонентная технология позволяет создавать грунтобетон
ные колонны существенно больших диаметров по сравнению с однокомпонентной (при условии равенства всех остальных характеристик 
процесса). Диаметр колонн, получаемых по рассматриваемой технологии, в глинах достигает 1,2 м, в суглинках и супесях – 1,5 м, в песке – 2,0 м, в гравии – до 2,5 м. Схема возведения грунтобетонных 
колонн по двухкомпонентной технологии представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Двухкомпонентная технология: 1 – поступление 

цементного раствора; 2 – выход пульпы; 3 – водно-цементная струя; 

4 – струя сжатого воздуха; 5 – обрабатываемый объем грунта; 

6 – грунт, обработанный в предыдущих циклах

1.2.3. Трехкомпонентная технология струйной 

цементации (Jet-3)

При применении трехкомпонентной струйной цементации внача
ле осуществляют размыв грунта с использованием водяной струи в