Творческая деятельность советских ученых и инженеров, еще в 30-е гг. оценивших огромные возможности методов искусственного замораживания грунтов и понижения уровня грунтовых вод, проявивших настойчивость в их внедрении, совершенствовании и теоретическом обосновании, определила создание в нашей стране особой отрасли техники подземного строительства.
Расположение водозаборных сооружений и противофильтрационных устройств определяется конкретными инженерно-геологическими условиями, величинами требуемого понижения уровня грунтовых вод, а также техникоэкономическими соображениями. В Москве, Харькове, Минске строительство метро велось преимущественно в переслаивающихся грунтах с различными фильтрационными свойствами. В основном эти грунты состояли из отложений речных долин. Величины зон размывов разных слоев по глубине изменялись от десятков сантиметров до многих метров. Выработки часто вскрывают полную мощность водоносных отложений, что значительно затрудняет осушение котлованов и тоннелей.
Трасса метрополитена мелкого заложения в Тбилиси проходит в отложениях межгорной долины, представленных суглинистыми слоями с прослойками и линзами щебня, характеризующимися низкими фильтрационными свойствами. Потребовалось проведение дополнительных мероприятий по интенсификации водоотбора. В Ереване линия метрополитена проходит в галечниковых отложениях, в мощном предгорном бассейне подземных вод. Осушение пласта в этих условиях было бы невозможно без водопонизительных скважин со значительными дебитами, до 250 м3/ч на каждую скважину. В Горьком линия первой очереди метро проходит в песчаных аллювиальных отложениях. Почти по всей трассе тоннели сооружают с применением искусственного понижения уровня грунтовых вод. С 60-х гг. в строительстве метрополитенов наметилась тенденция к интенсивному переходу от глубокого заложения линий к мелкому. Сооружение тоннелей мелкого заложения, проходящих преимущественно в четвертичных отложениях — песках, суглинках и глинах, при сравнительно высоких уровнях грунтовых вод значительно увеличило объемы работ, выполняемых специальными способами. Из вспомогательных эти способы превратились в одни из основных в технике метростроения.
За последние 10—15 лет объем использования специальных способов в метростроении возрос почти в 6 раз. За этот период под защитой замороженных грунтов в нашей стране было сооружено более 40 эскалаторных тоннелей, более 80 стволов шахт и около 4 км горизонтальных выработок. С применением искусственного понижения уровня подземных вод было сооружено 15 км тоннелей, для чего потребовалось пробурить и оборудовать погружными насосами более 1 тыс. водопонизительных скважин, установить более 40 тыс. иглофильтров и 500 иглофильтровых установок типа ЛИУ. Общая стоимость работ, выполненных с помощью специальных способов, в 1970—1980 гг. превысила 100 млн. руб.
В настоящее время примерно 30—35% общей протяженности строящихся линий метрополитенов сооружают с применением специальных способов. Стоимость работ с использованием таких способов составляет более 20% общей стоимости строительства участков. В ближайшие годы намечается дальнейшее увеличение объемов работ с применением специальных способов, особенно в Москве, Ленинграде, Баку, Минске. В Баку решается уникальная по сложности инженерная задача — понижение уровня грунтовых вод на 40 м для кессонной проходки на большой глубине. Несмотря на трудности реализации такого решения, в ходе работ подтверждается правильность принятой схемы защиты выработки в процессе проходки.
Тоннели между станциями «Тушинская» и «Сходненская» Краснопресненского радиуса Московского метрополитена были сооружены под деривационным каналом, в массиве породы, где уровень грунтовых вод располагался на 5 м выше лотка тоннеля. Водопониженне осуществлялось двумя рядами глубоких скважин, расположенных на береговых дамбах канала перпендикулярно оси тоннеля. Высокая точность устройства скважин позволила обеспечить снижение уровня грунтовых вод ниже лотка тоннеля в створе середины канала, а также бесперебойную работу водопонизительной системы. Была исключена необходимость применения дополнительных средств в виде установок УЗВМ и наклонных скважин, предусмотренных проектом.
При продлении Рижского радиуса тоннели проходили в слое глин. Непосредственно под лотком тоннеля, а на некоторых участках в пределах его габарита залегали глинистые пески с водоносным горизонтом до 30 м. Проектом предусматривалась кессонная проходка с предварительным понижением уровня грунтовых вод. Строители предложили более рациональную схему водопонижения — пробурить водопонизительные скважины в песке и нижележащем известняке. При водоотборе из слоя песков могло произойти перераспределение напоров грунтовых вод, что способно было изменить пути фильтрации. Появился бы дополнительный источник питания слоя песков через слой известняков (локальные литологические окна).
Путем устройства шести скважин в известняке удалось значительно снизить напор грунтовых вод, а восемь скважин в песке понизили напор на величину, значительно превышавшую предусмотренную проектом, что позволило пройти тоннель без применения кессона. На отдельных участках для снятия остаточного гидростатического давления в песках применили водопонижение непосредственно из тоннеля через тюбинговые отверстия в лотке, с использованием иглофильтров, установленных за проходческим щитом.
Станция «Щукинская» и примыкающие к ней тоннели второй очереди Краснопресненского радиуса Московского метрополитена также построены под защитой водопонижения. Сложность проходки котлована, в котором монтировали конструкции станции, заключалась в том, что выработкой вскрывались водоносные пески, ниже которых залегал второй слой песков, содержащий напорный водоносный горизонт. Первоначальной схемой предусматривались понижение уровня грунтовых вод в верхней толще песков с помощью системы легких иглофильтровых установок и снятие остаточного столба воды открытым водоотливом по боковым траншеям. Уменьшения гидростатического давления в нижней толще песков предполагалось достичь водопонижающими скважинами с погружными насосами типа ЭЦВ.
Осуществление такой сложной схемы потребовало бы значительных трудовых и материальных затрат и не исключало возможных осложнений в процессе проходки. Детальное изучение геологического разреза и дополнительная разведка в ходе производственного бурения позволили упростить схему водопонижения путем объединения фильтровых колонн водопонизительных скважин верхнего и нижнего водоносных горизонтов. Это обеспечило одновременный забор воды с двух горизонтов и успешное осушение котлована и тоннеля. Были исключены установка 2300 иглофильтров и прокладка 2500 м всасывающих коллекторов, что дало экономию 14 тыс. машино-смен работы установок ЛИУ-5 и около 3 тыс. машино-смен работы насосов открытого водоотлива.
На строительстве пяти глубоких эскалаторных тоннелей Кировско-Выборгской линии Ленинградского метрополитена были значительно усовершенствованы техника и технология бурения наклонных скважин. Эскалаторный тоннель станции «Площадь Мужества» пересекает толщу слабых пылеватых песков и супесей, что значительно осложнило бурение с помощью станков КАМ-500 и ЗИФ-300 и не дало положительных результатов. После выхода из направляющих кондукторов Скважины на длине 30—40 м отклонялись от заданного направления на 6—7 м.
Была применена новая технология бурения с применением специальных буровых установок наклонного бурения ТУНБ-150, разработанных метростроевцами совместно со специалистами Главтоннельметростроя и созданных Барнаульским заводом геологоразведочного оборудования. Новая технология позволила решить задачу непрерывного бурения в крайне неблагоприятных инженерногеологических условиях. Она явилась большим вкладом в совершенствование работ по искусственному замораживанию грунтов.
Установка ТУНБ-150 отличается высоким уровнем механизации основных и вспомогательных работ. В отличие от бурового станка КАМ-500 она позволяет производить принудительную механизированную подачу в скважины обсадных труб диаметром до 273 мм с одновременным вращением их, механизировать свинчивание и развинчивание бурильных и обсадных труб, а также осуществлять подъем труб весом до 250 кг с поверхности земли на стеллаж и мачту. Установка оснащена оптическим наклонометром, позволяющим ориентировать ее в заданном направлении и осуществлять контроль за ее стабильностью в процессе бурения.
Благодаря установке ТУНБ-150 применена новая технология сооружения наклонных замораживающих скважин, совмещающая бурение с монтажом и опусканием замораживающих колонок. Это достигается производством бурения непосредственно замораживающей колонкой, на которой закреплено долото с открытым верхним концом, входящее в полость колонки. Верхний конец долота соединен с пробкой, смонтированной на нижнем перфорированном конце подводящего патрубка. По окончании бурения пробку навинчивают посредством патрубка на верхний конец долота, достигая таким образом герметизации конуса замораживающей колонки. Внедрение буровых установок ТУНБ-150 позволило сократить сроки бурения в 4—5 раз и уменьшить его стоимость почти вдвое. С помощью установок ТУНБ-150 было осуществлено замораживание грунтов в 19 наклонных эскалаторных тоннелях в разных городах страны, где строятся новые линии метрополитенов.
На строительстве первой очереди Харьковского метрополитена проектом предусматривалось осуществить водопонижение главным образом с помощью эжекторных иглофильтров, причем было предусмотрено всего шесть водопонизительных скважин. Это обусловливалось близким залеганием водоупора и наличием грунтовых вод на глубине 3—7 м. После проведения опытно-производственного водопонижения от эжекторов пришлось отказаться (к этому времени их установили всего 200 из 2 тыс., предусмотренных проектом). Основным средством водопонижения стали водопонизительные скважины в сочетании с легкими иглофильтрами и открытым водоотливом.
Тоннели первой линии метрополитена в Ереване на участке протяженностью 1 км проходят в обводненных и валунно-галечных отложениях. Необходимо было понизить уровень грунтовых вод по отношению к статическому на 12,5—13 м. Проектом предусматривалось водопонижение при помощи двухрядной системы скважин с расположением их вдоль тоннелей на всем протяжении трассы. Работа опытно-производственного участка на станции «Площадь Ленина» подтвердила возможность корректировки водопонизительной схемы. Не отклоняясь от основных положений проекта, выявили возможность вести работы по водопонижению с помощью опорных кустов в виде групп водопонизительных скважин, расположенных в трех пунктах по трассе. Это значительно сократило количество скважин, позволило избежать сноса части городской застройки, а также необходимости прокладки водоотливного трубопровода.
Изучив многолетний опыт работы по водопонижению на Горьковском, Ждановском и Краснопресненском радиусах Московского метрополитена и опираясь на данные, полученные на опытно-производственных участках, ученые и инженеры пришли к выводу, что большая металлоемкость и высокие трудовые затраты, связанные с применением эжекторных иглофильтров, могут быть исключены. Выявились и другие недостатки установок с эжекторными иглофильтрами — сравнительно низкий КПД, стоимость, в 2 раза превышающая стоимость водопонижения скважинами, оборудованными погружными насосами, энергоемкость, почти в 6 раз превышающая энергоемкость скважин. Во многих случаях эжекторные иглофильтры были заменены водопонизительными скважинами, оборудованными погружными насосами различных типоразмеров.
Несмотря на значительный прогресс в развитии техники специальных способов работ в метростроении в последние годы, технический уровень этих работ пока еще не соответствует новым требованиям. Стоимость специальных способов работ все еще остается высокой, техника бурения и механизация работ ждут совершенствования, экспериментальные и теоретические исследования проводятся недостаточно интенсивно, объем инженерно-геологических изысканий недостаточен, проектирование в ряде случаев ведется без достаточного изучения гидрогеологических режимов и химического состава грунтовых вод.
Специализированные организации Министерства транспортного строительства СССР в содружестве с ЦНИИС, Метрогипротрансом и другими научно-исследовательскими и проектными организациями ведут активную работу по преодолению этих недостатков, создавая и широко внедряя прогрессивные технические средства и технологию. Внедряются мобильные иглофильтровые установки различных конструкций и погружные электронасосы, совершенствуются методы расчета водопонизительных установок, расширяется сфера применения метода замораживания грунтов.
Отработана прогрессивная технология бурения водопонижающих скважин вращательным способом с обратной промывкой. Проведены экспериментальные работы по проходке скважин методом вибропогружения и виброизвлечения труб, внедряется скоростное замораживание с применением жидкого азота и химического закрепления грунтов. Завершаются работы по изготовлению новейшей буровой установки горизонтального и наклонного бурения. Для обеспечения квалифицированного технического руководства и контроля за ведением работ, рассмотрения и корректировки проектных решений, обобщения данных наблюдений создана гидрогеологическая и маркшейдерская служба.
Необходимо более широко привлекать ведущие проектные организации, конструкторские бюро, заводы к созданию и внедрению новых специальных машин и оборудования для метростроителей. Следует усилить научные исследования в области статических, теплотехнических и гидрогеологических расчетов и прогнозов, повысить уровень проектирования за счет улучшения качества и увеличения объемов инженерно-геологических изысканий, а также более тщательного изучения гидрогеологических режимов и химического состава грунтовых вод.