При закрытой, подземной разработке строительных выработок приток в них воды вызывает еще большие осложнения. Вынос водой грунта — при значительном его объеме — чреват аварийными последствиями и для самой выработки, и для расположенных над ней, на поверхности земли, сооружений. Вынос грунта в небольших размерах, его подвижки могут привести к деформациям уже готовой части подземного сооружения, например обделки тоннеля. Да и поступление чистой воды в стесненную подземную выработку создает дополнительные трудности в проведении строительных работ. Следовательно, и в подземную выработку, вернее, особенно в подземную выработку лучше бы воду не допускать.
В этом направлении развивалась и продолжает развиваться техника борьбы с подземными водами. Здесь имеются три пути: первый — перехватить, откачать воду за пределами выработки, второй — отжать воду от выработки и третий — поставить воде преграду.
Первый путь — это водопонижение, искусственное понижение уровня подземных вод. Истоки этого метода идут от колодцев, а затем буровых скважин, из которых издревле добывали воду. При откачке воды уровень ее в скважине или колодце понижается, вызывая приток воды из окружающего водоносного грунта. Уровень воды в грунте также понижается с уклоном в направлении течения, и вокруг скважины образуется депрессионная воронка. Если откачку воды ведут из группы скважин, они взаимодействуют друг с другом и их депрессионные воронки объединяются, образуя общую депрессию уровня подземной воды. В этой осушенной зоне (над депрессионной воронкой) располагается выработка в грунте. Водопонизительные скважины размещают, как правило, по контуру осушаемой выработки, устанавливают в них насосы, объединяют общим трубопроводом для сброса откачиваемой воды и линией электроснабжения. Это уже водопонизительная система. Крупные водопонизительные системы, например на котлованах гидроэлектростанций или на карьерах полезных ископаемых, состоят из десятков, а то и сотен скважин, из которых ведется откачка непрерывно в течение нескольких лет.
Помимо скважин с размещенными в них погружными насосами при водопонижении используют и другие специально созданные для этого технические средства. Прежде всего это хорошо известные строителям и горнякам легкие иглофильтровые установки. Иглофильтр — полуторадюймовая труба длиной обычно 6 м с фильтровым звеном длиной 1 м на нижнем конце. С помощью гидроразмыва иглофильтры погружают в грунт на расстоянии 0,75–1,5 м один от другого, присоединяют их (до 100 штук в одном комплекте) к всасывающему трубопроводу, к которому подключен насос, и иглофильтровая установка готова к действию. За счет вакуума, развиваемого насосом, она понижает уровень подземных вод на 4–5 м, иногда немного больше. Если требуется большее понижение уровня, иглофильтровые установки можно размещать последовательно в нескольких ярусах.
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.
