Инъекция через манжетную колонну труб
Цементационные завесы большой глубины создают через скважины, оборудованные на всю глубину манжетными колон­нами (рис. 2.17). Вустье скважины устанавливают обсадную трубу-кондуктор длиной 2-5 м.
Манжет­ная колонна

Рис. 2.17. Манжет­ная колонна а-общий вид колон­ны: 1 - труба насосно-компрессорная перфорированная; 2 - резиновая     манжета; 3 - упорное     кольцо; 4 - скобы направляющего «фонаря»; 5 - отверстия перфора­ции; б - оборудова­ние манжетной колонны для цемента­ции аллювиальных песчаных отложений: 1 - труба; 2 -стенка скважины; 3- залив­ка из цементно-глинистого раствора; 4 - отверстие; 5 - верх­ний тампон двойного уплотнителя; 6 - ре­зиновая  манжета

 Примеры конструкций инъек­ционных скважин, осуществленных на Асуанской плотине, при­ведены на рис. 2.18.

Конст­рукции инъекцион­ных скважин
Рис.   2.18.   Конст­рукции инъекцион­ных скважин
а - устраиваемых с открытой поверхно­сти; 6 - устраивае­мых из галереи; 1- кондуктор; 2 -обсад­ная труба; 3 - песок; 4 - скала; 5 - бетон
 
 
Пространство между стенками скважины и трубой-кондук­тором заливают цементно-песчаным раствором с добавкой уско­рителя схватывания. Вертикальность кондуктора проверяют отвесом. Устойчивость стенок скважины при бурении обеспечи­вают либо обсадными трубами, либо применением бурового промывочного глинистого раствора. Искривление скважины до­пускается до 2,5% ее глубины; при большем искривлении скважину перебуривают.

Манжетная колонна представляет собой состав труб необхо­димого диаметра, имеющий через каждые 33 см несколько от­верстий (шесть - восемь) диаметром 6 мм. Отверстия прикры­ты снаружи резиновыми манжетами. Для предотвращения сме­щения манжета с обеих сторон фиксируется стальными упорными кольцами из 6-миллиметровой арматурной стали. Между этими кольцами и торцами манжеты оставляются зазо­ры в 3-8 мм, облегчающие выход раствора в грунт. Манжета выполнена в виде цилиндра из эластичной резины длиной 100 мм, внутренним диаметром. 59,6-60 мм и наружным диаметром 70-76мм при наружном диаметре труб колон­ны 60,3мм. При инъекции манжета играет роль обратного клапана, про­пуская раствор только в грунт и предотвращая попадание его в колонну извне в процессе нагнетания раствора через соседние скважины. Для плотного прилегания манжеты к трубе внут­ренняя поверхность ее должна быть гладкой, а наружная по­верхность трубы под нею не должна иметь каверн и налетов ржавчины.

Положение манжетной колонны труб по оси скважины фик­сируют направляющими «фонарями», выполненными из трех-четырех скоб круглой или полосовой стали, которые размещают через 3-8 м по высоте колонны.

Манжетную колонну устанавливают в скважину после ее бурения и промывки очищенным буровым раствором, прокачи­ваемым через буровой снаряд с максимальным дебитом в течение 0,5-3,5 ч. При подъеме бурового снаряда во избежание обрушения стенок скважины в нее доливают буровой раствор. Спуск манжетной колонны в скважину обычно производят бу­ровым снарядом. Перед спуском проверяют качество манжет, резьбовые соединения труб и т. д. В случае затруднения при спуске колонну осторожно приподнимают, а затем с поворотом продолжают спуск без ударов и. принудительного задавливания. Все эти меры предосторожности при спуске колонны необходи­мы для сохранения положения манжет и целостности скважины.

Большие осложнения при спуске манжетной колонны вызы­вают чрезмерные искривления скважины.

Манжетную колонну после спуска приподнимают на 10-15 см над забоем скважины и в таком положении приварива­ют к кондуктору у ее устья. Это создает натяжение труб под действием их веса и улучшает центровку колонны в скважине. После спуска колонны между ней и стенками скважины устраивают глиноцементную обойму, которая в процессе инъ­екции раствора предотвращает его прорыв на поверхность зем­ли по затрубному пространству и обеспечивает его равномер­ное распределение в пределах каждой манжеты. Для устройства обоймы в колонну на ниппельных штангах опускают инъекционный тампон, устанавливая его над нижней манжетой.  Затем скважину непрерывно в течение 10-30 мин промывают водой или глиносиликатным раствором с максимально возможной подачей, исключающей обрушение ее стенок. После этого затрубное пространство заполняют обойменным раствором. Состав обойменного раствора и его прочность определяются временем, через которое потребуется разорвать обойму при инъ­екции. Так, при разрыве обоймы в возрасте 7-9 дней рекомен­дуется состав 1:0,5:1,3 (цемент:глина:вода), а в возрасте 3-5 дней - состав 1:0,33 :1,16.

Инъекцию раствора в песок обычно производят через 7-12 сут после устройства обоймы. За это время она набирает необходимую прочность. Не раньше, чем через 20-30 ч и не позднее, чем через 3 сут после устройства обоймы производят промывку колонны от обойменного раствора водой под давле­нием 0,1-0,4 МПа.
Изоляцию цементируемой зоны осуществляют самоуплотня­ющимся двойным уплотнителем (тампоном) (см. рис. 2.5 и 2.7), спускаемым в манжетную колонну на ниппельных штангах и устанавливаемым для инъекции на соответствующем участке труб с одной манжетой.

Нагнетаемый в трубу раствор приоткрывает резиновую ман­жету как клапан и вызывает появление в обойме на участке инъекции трещин, через которые он проникает в грунт. При этом в грунте образуются каналы, протяженность которых в начальный период зависит от их количества, свойств грунта, давления и расхода раствора. Этот способ позволяет произво­дить многократное нагнетание раствора в любую зону, дает воз­можность обрабатывать каждую зону дифференцированно, при­меняя растворы в соответствии с крупностью и пористостью пес­ка. Сначала инъецируют соответствующий раствор в зоны круп­ного песка, а затем хорошо проникающие растворы в зоны более мелких песков, что исключает попадание хорошо проникающих растворов в зоны крупного песка.

Для инъекции можно применять несколько схем расположе­ния двойного уплотнителя (тампона) и его перестановки с ман­жеты на манжету (рис. 2.19). При инъекции «снизу вверх в один прием» (рис. 2.19, а) тампон устанавливают сначала на ниж­ней манжете и затем переставляют с манжеты на манжету последовательно снизу вверх. Способ «снизу вверх в два прие­ма» (рис. 2.19,6) применяют при цементации различающихся, зон песков. Сначала тампон устанавливают на нижней манжете и затем переставляют снизу вверх по зонам 1, инъецируемым однотипным раствором. Таким образом, закрепление некоторых зон (например, 2) вначале не производят (схема на рис. 2.19, б). После этого тампон извлекают и промывают манжетную колон­ну до подошвы пропущенного интервала.  Затем тампон  снова устанавливают на нужной глубине, и при его движении снизу вверх закрепляют пропущенный интервал (схема // на рис. 2.19,6).

Скважины    незначительной глубины инъецируют по схеме «сверху вниз» (рис. 2.19,в); при этом тампон сначала устанавливают на верхнюю манжету и затем переставляют

Способы обработки инъек­ционных скважин
Рис. 2.19. Способы обработки инъек­ционных скважин
 
 

 с манжеты на манжету последовательно сверху вниз.
При необходимости закрепления сначала верхней зоны при­меняют способ инъекции «сверху вниз и снизу вверх в два прие­ма» (рис. 2.19,г). Сначала тампон устанавливают на верхней манжете и затем переставляют с манжеты на манжету последо­вательно сверху вниз в пределах некоторой верхней закрепляе­мой зоны (схема / на рис. 2.19,г). По окончании закрепления этой зоны тампон извлекают, промывают колонну и устанавливают тампон на ее нижней манжете, после чего производят инъекцию снизу вверх до смыкания с подошвой верхней, ранее закрепленной, зоны (схема // на рис. 2.19,г.
При ярко выраженной послойной неоднородности песков их закрепление производят по способу «через манжету» (рис. 2.19,д). Для этого после нагнетания в грунт раствора с помощью нижней манжеты колонны тампон переставляют вверх с пропуском одной манжеты. После обработки очередной ман­жеты тампон устанавливают на пропущенную манжету и т. д. Эти операции повторяют до полной обработки скважины.
Если при нагнетании происходит какое-нибудь осложнение, например выход раствора в соседнюю скважину или прорыв его вдоль обоймы инъецируемой скважины, то наступает резкий спад давления. При нормальной пропитке грунта в процессе инъекции давление обычно постоянно, и лишь при наступлении отказа оно резко возрастает. Закрепление верхних слоев песча­ного грунта до глубины 5-8 м обычно затрудняют частые вы­ходы раствора на поверхность земли. Для прекращения выхода раствора на поверхность земли достаточно приостановить инъ­екцию на время, необходимое для схватывания раствора. В эти зоны обычно нагнетают быстротвердеющий раствор. Пригрузка инъецируемого грунта временной насыпью высотой 5-6 м создает благоприятные условия ведения инъекционных работ у поверхности при достаточно высоких давлениях (2-3 МПа) и исключает выход раствора. Горизонтальные водонепроницае­мые экраны в песчаных грунтах создают путем закрепления наиболее проницаемого слоя. Для этого раствор нагнетают в грунт лишь через манжеты, обслуживающие этот слой; каждая скважина закрепляет расположенный перпендикулярно к ней водопроницаемый слой на площади 50-80 м2.
Состав раствора, норму его нагнетания и режим подбирают опытным путем с соблюдением условия, чтобы развитие кана­лов разрыва ограничивалось обрабатываемой зоной, поскольку в противном случае возможны излишнее растекание раствора и нежелательный значительный подъем поверхности земли.
Для закрепления мелкого песка следует применять дисперги­рованные цементные растворы коллоидного типа или переходить на другие химические способы закрепления.
Опыт закрепления мелких песков цементными растворами яа вибродомолотых цементах с пластифицирующими добавка­ми показал, что таким-образом пески могут быть закреплены при радиусе инъекции 1,1-1,25 м. В крупных песках в зависи­мости от их коэффициента фильтрации и давления инъекции расстояние между скважинами может достигать 2,5-3,5 и да­же 5 м. Цементацию песчаных грунтов ведут при давлейии 6- 7 МПа и более.
Давление разрыва обоймы отличается от давления инъекции и зависит от состояния стенок скважины, состава обойменного раствора, толщины обоймы и упругости породы, возрастая, как правило, с глубиной. Так, в первом ярусе уникальной завесы Асуанской плотины (на глубине 35-50 м) оно составляло 3,4- 4 МПа, во втором и третьем ярусах (на глубине 100-200 м) - 4,4-6 МПа.
В местах обрушения стенок скважины обойма утолщается и разорвать ее труднее. Также труднее разорвать обоймы, содер­жащие излишнее количество цемента. Если же в состав обой­менного раствора входит слишком мало цемента, то обойма получается пластичной и из-за этого может не разорваться при нагнетании.
Норма закачки раствора на одну манжету зависит от шага скважин в ряду и расстояния между рядами скважин.
Расчетная норма раствора должна быть инъецирована в грунт в полном объеме при первом или повторном нагнетании. Повторное нагнетание позволяет одновременно ликвидировать неоднородность закрепления грунтов, полученную при первичной инъекции. Если из-за неточности расчета норм закачки раство­ра результаты инъекции не удовлетворяют требований, предъ­являемых к завесе, между основными скважинами пробуривают дополнительные, для которых норму закачки определяют в процессе производства работ.
Метод закрепления песчаных грунтов с помощью манжет­ных колонн труб позволяет разделить буровые и инъекционные работы, обеспечивает возможность повторения нагнетания в лю­бом месте и на любой отметке, если первоначальная обработка закрепляемой толщи в целом или отдельных ее зон окажется недостаточной.
Одним из основных производственных показателей закрепле­ния грунтов является производительность инъецирования.
Ряд авторов считает, что производительность инъекционных насосов при нагнетании раствора через манжетную колонну  удобно выражать числом обработанных в единицу времени ман­жет, и на основании опыта работ по устройству завесы в осно­вании Асуанской плотины предлагают следующую эмпириче­скую зависимость:

  (2.17)
 

где: П - производительность инъекционного насоса при работе его в три сме­ны, число манжет в сут;
Ки - коэффициент использования насоса, примерно равный 0,6;
Ncp - средняя норма закачки раствора на одну манжету, л;
Qcp - средний расход закачки раствора, л/мин;
tп.т   - время, затрачиваемое на перестановку тампона с манжеты на ман­жету, мин.