AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA

im. Stanisława Staszica w Krakowie

WYDZIAŁ WIERTNICTWA, NAFTY I GAZU

Eksploatacja złóż surowców płynnych

Ochrona środowiska - projekt.

Temat: technologie wykonywania ekranów szczelinowych.

Wykonał:

Ekrany szczelinowe

Ekrany szczelinowe są konstrukcjami uszczelniającymi, stabilizującymi oraz izolującymi ośrodek gruntowy stanowiącymi barierę dla przepływu zarówno wód gruntowych, jak i zło­żowych. W budownictwie hydrotechnicznym znane są i szeroko stosowane od około 50 lat. Zna­lazły one zastosowanie przy zabezpieczaniu kopalń, zwłaszcza odkrywkowych i głębokich wykopów przed dopływem wód oraz w celu ochrony przed podtapianiem terenów położonych w sąsiedztwie zbiorników wodnych, występujących w obwałowaniach na powierzchni terenu.

Ekrany stosuje się również w celu odcięcia dopływu wód gruntowych do obszaru osuwisk, odizolowania wód zasolonych (morskich) od wód słodkich oraz odcięcia dopływu wód powodu­jących erozję podłoża. W miarę rozwijania technik i technologii wykonywania, zastosowanie ich zostało rozszerzone w celu izolowania składowisk odpadów szkodliwych dla środowiska, a tak­że dla zabezpieczenia wód gruntowych przed migracją do nich substancji toksycznych. Szcze­gólnie mają zastosowanie przy eliminowaniu wypływu skażeń z terenów istniejących już składowisk odpadów, gdzie ta metoda jest praktycznie jedyną możliwą do zastosowania dla ochrony wód podziemnych przed wpływem zanieczyszczeń. Zakotwienie ekranu w warstwie nieprzepuszczalnej stwarza dodatkową możliwość kontrolowanego odprowadzania wód odcie­kowych poprzez system drenarski. W podobny sposób zabezpiecza się instalacje przemysłowe, zbiorniki i inne urządzenia, które w przypadku awarii lub przecieku mogłyby być źródłem ska­żeń wód gruntowych. Do wykonania pionowej szczeliny w ośrodku gruntowym (masywie skal­nym) mogą być zastosowane :

1) maszyny wrębowe (metoda wiertniczo-frezowa),

2) koparki chwytakowe,

3) wiertnice systemu ssącego, przez uzbrojenie przewodu wiertniczego w łopatki tnące i fre­zowanie nim czołowej ścianki szczeliny (metoda wiertniczo-frezowa).

Szczelina, w zależności od wymagań technologicznych ekranu oraz warunków hydrogelogicznych może być wypełniona:

— zawiesiną monodyspersyjną, którą stanowią zazwyczaj roztwory iłowe z dodatkami związków koagulujących lub też hydraulicznych materiałów wiążących,

— zawiesinę polidyspersyjną,

— hydratonami (zaczynami gruntowo-chemicznymi) wiążącymi w środowisku wodnym.

1. Metoda wiertniczo-frezowa

W metodzie tej stosuje się specjalny przewód wiertniczy uzbrojony na całej długości w łopatki skrawające (frezy) i zakończony u dołu świdrem przystosowanym do skrawania ośrodka gruntowego. Wiertnicę do wierceń obrotowo-ssących można także przystosować do metody wiertniczo-frezowej przez zamontowanie jej na platformie otwartej, na podwoziach wózków budowlanych lub górniczych. Inny sposób (przy wiertnicach samojezdnych) to uzbro­jenie koła wiertnicy stalowymi obręczami, umożliwiającymi ruch wiertnicy po szynach.

Przewód wiertniczy (l) (rys. l) wycinający szczelinę wykonuje jednocześnie ruch obroto­wy nadany przez stół wiertniczy (2), ruch pionowy posuwisto-zwrotny uzyskany przez pod­ciąganie i opuszczanie przewodu oraz ruch posuwisty poziomy uzyskany przez ciągnięcie wiertnicy po szynach. W rezultacie ostrza skrawające (3) wykonuj ą ciągły ruch śrubowo-cyklo-idalny. Należy dodać, że przewód frezujący podlega złożonym naprężeniom zginającym i skrę­cającym, obustronnie zmiennym. Naprężenia te wywołane są momentem skręcającym powstającym na skutek oporów przy skrawaniu gruntu oraz nakładającym się momentem gnącym, wywołanym poziomym przesuwaniem się wiertnicy. Na ugięcie związane z posuwem wiertnicy narażony jest też stół obrotowy (2), który ma określony dopuszczalny moment skrę­cający, zależny od konstrukcji napędu. Oba te momenty determinują dopuszczalną głębokość wycinania szczeliny ekranowej i jest to największą wadą tego sposobu wiercenia.

Spośród wiertniczo-frezowych metod wykonywania ekranów przeciwfiltracyjnych szero­kie zastosowanie znalazła metoda Rodio-Markoni (rys.2). Jest to metoda wykonywania ekra­nów przez wiercenie udarowe z podnośnikiem powietrznym. Najpierw, w pewnej odległości od siebie, wierci się dwa otwory (l, 2), które wyznaczają kierunek ekranu. Następnie, po wypełnie­niu otworów płuczką wiertniczą, przy użyciu pompy (3) zwiercanajest udarowo lub obrotowo świdrem (4) przestrzeń między tymi otworami. Operację tę wykonuje się kolejnymi warstwami, przesuwając wiertnicę wraz z wieżą (5) po szynach (6). Tą metodą można wykonywać szczeliny o szerokości 0,5 — l,2 m i głębokości nawet do 100 m, a w sprzyjających warunkach, w skalach miękkich do 150 m.

2. Metoda chwytakowa

W metodzie tej szczelina jest głębiona za pomocą specjalnych chwytaków wąskoprzes-trzcnnych, zawieszonych na koparkach lub dźwigach.

Szczeliny wykonuje się chwytakami zawieszonymi na linach lub żerdziach. Maszyny do wykonywania szczelin dzielą się na dwie podstawowe grupy:

— z chwytakami zawieszonymi na linach,

— z chwytakami zawieszonymi na żerdziach.

W obu przypadkach łyżki chwytaków mogą być zamykane i otwierane za pomocą drugiej liny lub hydraulicznie. Dobór urządzenia do wykonywania konkretnego zadania technologi­cznego zależy od celu jakiemu ma służyć przesłona, wymaganej prędkości realizacji przesłony i w dużej mierze od możliwości wykonawcy. Chwytaki dwulinowe są najprostszymi narzędzia­mi do głębienia szczelin. Mogą być one podwieszone na koparkach gąsienicowych z osprzętem dźwigowym (dwubębnowych). Masa chwytaków wynosi od 3 do 20 Mg. Chwytaki o dużej wy­sokości zapewniają większą wydajność oraz pionowość szczelin. Wymagają one jednak ma­szyny podstawowej o znacznym udźwigu — około 500 kN.

Chwytaki zawieszone na linie i zamykane hydraulicznie mogą być montowane na ko­parkach lub na żurawiach gąsienicowych. Dla uzyskania dużej efektywności pracy, maszyny te muszą posiadać udźwig około 500 kN, a celem zapewnienia pionowości szczeliny przy użyciu tych maszyn muszą być one wyposażone w prowadniki pozwalające na utrzymanie w pozycji pionowej narzędzia, przy głębieniu do minimum 1,5 m od powierzchni lub muszą być wykonane ścianki prowadzące na tę głębokość. Przy użyciu tych maszyn można głębić szczeliny do około 50 m.

Głębiarki żerdziowe wyposażone w żerdź teleskopową typu Kelly z chwytakami sterowany­mi hydraulicznie są bardziej wydajne w pracy od urządzeń z chwytakami zawieszonymi na li­nach. Sztywne prowadzenie chwytaka przez żerdź ułatwia uzyskanie gładkich, pionowych ścian szczelin. Wywieranie nacisku na chwytak znacznie zwiększa skuteczność odspajania gruntu od calizny, zwłaszcza przy nierównomiernym oporze przy urabianiu, jaki występuje na obu szczę­kach. Głębiarki te pozwalają na wykonanie szczelin do głębokości 35 m.

W Polsce urządzenia do głębienia szczelin nie są produkowane. Zakłady Maszyn Budowla­nych ZREMB w Solcu Kujawskim produkuj ą chwytaki dwulinowe w kooperacji z firmą STEIN z Niemiec. Zakłady te wyprodukowały również chwytaki hydrauliczne typu POCLAIN. ZREMB w Solcu Kujawskim wyprodukował prototyp głębiarki G 24 na potrzeby budowy metra w Warszawie i na tym zakończył produkcję. Maszyna ta zdaje egzamin przy wykonywaniu przesłon do głębokości 15 m.

Wśród liczących się producentów sprzętu do wykonywania przesłon tą metodą można wy­mienić m.in. firmy Casagrande i Soilmec z Włoch, Bauer z Niemiec. Przykładowo, firma Casag-rande produkuje urządzenia KRC l, KRC 2, KRC 2 HD z żerdzią teleskopową typu Kelly, którymi można wykonywać ekrany do głębokości odpowiednio 25 i 40 m. Urządzenia te są wy­posażone w chwytaki hydrauliczne typu K. Urządzenie firmy Casagrande typu KRC 2 zamon­towane na dźwigu C 50 .

3. Metoda hydrofrezowa

Do wykonywania głębokich ekranów szczelinowych nąj lepiej nadaje się metoda hydrofrezowa. Przy wykonywaniu szczelin zęby frezowe mogą być wymieniane i dobierane w zależności od rodzaju i twardości przewiercanych warstw. Zasadę głębienia szczelin według tej metody poka­zano na rysunku 3.

Firma Bauer wprowadziła dwa podstawowe urządzenia frezujące umożliwiające wykonanie ekranów szczelinowych i ścianek szczelnych o następujących parametrach:

Model maszsyny	Wyposażenie	Szerokość szczeliny[m]	Głębokość szczeliny[m]
BC 30	Podstawowe	0,64 - 1,20	Do 50
	Specjalne	Do 2,0	Do 120
BC 15	Podstawowe	0,50 - 0,60	Do 25
	Specjalne	Do 0,80	Do 60

Na ramie prowadzącej wykonanej ze stali profilowanej zabudowane są w dolnej części dwa napędzane hydraulicznie bębny z wymiennymi ostrzami, które obracają się przeciwbieżnie z maksymalną prędkością obrotową do 0,4 s"' przy BC 30 i do 0,67 s~¹ przy BC 15. Prędkość ob­rotową można płynnie regulować. Ośrodek, który zostaje przez frezy urabiany do wielkości przy urządzeniu (BC 30 70—80 mm i 30—40 mm w przypadku urządzenia BC 15) jest zasysany przez pompę ssącą obiegową zabudowaną nad frezami. Szczelina wykonywana przez urządze­nie frezowe jest wypełniana na bieżąco płuczką bentonitową, która następnie jest odpompowywana z urobkiem do zespołu oczyszczającego, skąd wraca do szczeliny. Zespół frezów za­budowanych w ramie prowadzącej może być podwieszony bezpośrednio na dźwigu lub może być wyposażony w siłownik hydrauliczny umożliwiający uzyskiwanie stałego nacisku na frezy i przesuwanie całej ramy. W kabinie operatora jest zabudowany pulpit sterowniczy umożliwia­jący automatyczne sterowanie procesem głębienia szczeliny, tj. uzyskiwanie stałego nacisku na zęby frezów i szybkości głębienia szczeliny. Zabudowany bywa również elektroniczny zestaw aparaturowy umożliwiający utrzymywanie pionowości szczeliny z rejestracją dokładności do 2%o. Urządzenie BC 15 może być również wyposażone w układ umożliwiający dowolną konfi­gurację ustawienia hydrofreza wobec podnośnika, tj. dźwigu czy koparki .

Z uwagi na duży postęp głębienia szczeliny jaki uzyskuje się przy zastosowaniu hydrofrezów stosuje się ze­staw sprzętu i urządzeń umożliwiających wykonywanie, przetłaczanie i oczyszczanie płuczki bentonitowej z urobku do określonych wartości:

— maksymalna wydajność frezu BC 30 wynosi około 500 m³ / godz., natomiast frezu BC 15 około 250 m³ / godz.

— osiągana zdolność oczyszczania przez urządzenia regenerujące płuczkę wiertniczą:

dla frezu BC 30 około 600 rn³ / godz.

dla frezu BC 15 około 300 m³ / godz.

Żeby utrzymać założone wartości strumienia objętości przepływu płuczki w przypadku dużych odległości między urządzeniem hydrofrezowym a zespołem oczyszczającym, stosuje się dodatkowe pompy ciśnieniowe, które są zabudowane w rurociągach przetłaczających płuczkę bentonitową.

Wprowadzony przez firmę Bauer system tech­niki frezowania tzw. CBS umożliwia dowolne kompletowanie stosowanych urządzeń (koparka li­nowa, ramy z frezami i zespół napędowy) i osiąga­nie głębokości frezowania do 120 m. Firma Bauer opracowała również urządzenie MBC 30 na bazie BC 30 poruszające się na szynach oraz o zmniej­szonych wymiarach: 4,7 m długości, 4,1 m szero­kości i 5,0 m wysokości. Urządzenie zaprojekto­wano do pracy w tunelach, podziemnych budow­lach itp. Urządzeniem tym można wykonywać ekrany szczelinowe pod kątem do 10°.

Firma Soletanche z Francji posiada dwa typy hy­drofrezów do wykonania szczeliny do nominalnych głębokości 30 i 60 m. Szczeliny tymi urządzeniami można wykonać do maksymalnej głębokości 100 i 125 m .

Zasada działania tych urządzeń jest identyczna jak w przypadku firmy Bauer. Różnice wy­stępują tylko w szczegółowych danych technicz­nych. Wydajność głębienia szczeliny w ośrodku gruntowym o małej spójności wynosi dla urządzenia Soletanche 20 m³ ściany na godzinę, a w przypadku bardzo twardych wapieni l irAgodz.

Podobnie firma Casagrande produkuje hydro-frezy K.3 i K3L. Maksymalna głębokość głębienia dla tych urządzeń wynosi 60 m. Firma Tone-Boring z Japonii wyprodukowała urządzenia napędzane silnikami elektrycznymi — stąd nazwa elektrofre-zy. Urządzeniami tymi można wykonywać ekrany do głębokości 150 m i szerokości 3,2 m. Wszystkie wyżej wymienione urządzenia charakteryzują się wysoką wydajnością i precyzją wykonania szczeliny.

4. Metody wypełniania ekranów szczelinowych zaczynami uszczelniającymi

Po wykonaniu szczeliny przy realizacji ekranów przeciwfiltracyjnych należy ją wypełnić od­powiednio dobranym zaczynem uszczelniającym (np. zaczynem iłowo-cementowym, iłowo--żużlowo-alkalicznym, iłowym itp.). Stosowane zaczyny muszą charakteryzować się ściśle określonymi parametrami technologicznymi ( niski współczynnik filtracji, odporność na koro­zję, brak liniowych zmian itp.).

Technologie wypełniania ekranów szczelinowych.

Technologie te są następujące:

— w technologii a sekcję głębi się pod osłoną płuczki bentonitowej, która zapewnia sta­teczność ścian szczelin lub otworu. Po zakończeniu głębienia do szczeliny wprowadza się za­czyn uszczelniający np. w postaci zawiesiny iłowo-cementowej, która wypiera stopniowo płuczkę bentonitową i wypełnia sekcję. Płuczkę bentonitową odpompowywuje się do zbiorni­ków i po oczyszczeniu wykorzystuje się do głębienia następnych sekcji;

— w technologii b sekcję głębi się pod osłoną płuczki bentonitowej, a następnie do szczeliny wprowadza się zaczyn uszczelniający np. cementowy, który miesza się z płuczką bentonitową tworząc zaczyn uszczelniający o wymaganych parametrach technologicznych;

— w technologii c sekcję głębi się pod osłoną zaczynu uszczelniającego typu iłowo-cemen-towego o małej lepkości. Zaczyn ten zwany tężejącym lub twardniejącym zapewnia stateczność ścian szczeliny podczas głębienia, a później po związaniu stanowi odcinek ekranu iłowo-cemen-towego;

— w technologii d sekcję głębi się pod osłoną rur stalowych, a następnie otwór wypełnia się zaczynem iłowo-cementowym podciągając jednocześnie rury osłonowe. Ten sposób dotyczy wyłącznie ekranów wykonywanych z szeregu pali zachodzących na siebie (ekran wykonany metodą otworową).

W przypadku konieczności zmniejszenia przepuszczalności ekranu, poprawy jego długo­trwałości, zabezpieczenia przed osiadaniem gruntu buduje się ekrany złożone, polegające na wprowadzeniu dodatkowych elementów do zaczynu uszczelniającego, jak np. folię HDPE (po­lietylen o wysokiej gęstości) lub ścianki stalowe. Elementy folii HDPE mogą być powiązane ze sobą mechanicznie przez uszczelnienie połączeń minerałami pęczniejącymi lub przez spawanie. W przypadku łączenia arkuszy folii przez spawanie konieczny jest dobór takich materiałów i technologii, które umożliwiaj ą sprawdzenie szczelności spawów. Przykładem może być ekran Geolock, gdzie elementy folii są ze sobą powiązane za pomocą specjalnych zamków z uszczelką z neoprenu. Do szczeliny wprowadza się folię rozpiętą na ramie stalowej. Po osiągnięciu wy­maganej głębokości ramę usuwa się, pozostawiając w zawiesinie elementy folii.

---