Metoda znajduje obecnie szerokie zastosowanie w budownictwie lądowym i wodnym, może być stosowana we wszystkich rodzajach gruntu.
Iniekcja strumieniowa (ang. jet grouting) jest procesem wzmacniania podłoża gruntowego, polegającym na mieszaniu gruntu z zaczynem, tłoczonym pod wysokim ciśnieniem. W konsekwencji działania wysokoenergetycznego strumienia iniektu następuje całkowite zniszczenie naturalnej struktury i odspajanie gruntu oraz jego częściowa wymiana. Na skutek procesu iniekcji cechy gruntu zostają ujednolicone, a powstały w wyniku petryfikacji kompozyt gruntowo-cementowy wykazuje znaczną wytrzymałość i bardzo małą przepuszczalność.
Najczęściej stosowanym środkiem stabilizującym jest zaczyn cementowy, ale istnieje możliwość użycia innych mieszanek, np. iniekty bitumiczne z dodatkiem bentonitu lub iniekty na bazie żywic syntetycznych. Możliwe jest również wykorzystanie dodatków poprawiających właściwości spoiw, takich jak popioły lotne oraz środki przyspieszające czas wiązania.
W zależności od rodzaju i przepuszczalności urabianego gruntu stosunek wagowy wody do cementu (w/c) w wykorzystywanych zaczynach cementowych powinien kształtować się w granicach od 0,5 do 1,5 (małe w/c dla gruntów przepuszczalnych, większe w/c dla gruntów słabo przepuszczalnych).
Wykonawstwo technologii iniekcji strumieniowej można przedstawić etapowo. Pierwszy etap rozpoczyna się od wywiercenia otworu za pomocą żerdzi z dyszami iniekcyjnymi, zakończonej koronką wiertniczą. Po osiągnięciu w gruncie projektowanej rzędnej podstawy konstruowanego elementu następuje druga część realizacji, a więc podnosi się żerdź, która jednocześnie obraca się i podaje zaczyn pod ciśnieniem rzędu 30–50 MPa, z wydatkiem 50–450 l/min. Po zmieszaniu gruntu ze spoiwem zachodzi wiązanie, tworząc gruntowo-cementową strukturę uformowanej bryły iniekcyjnej.
W zależności od stosowanego ciśnienia, czasu iniekcji, ruchu posuwistego żerdzi i prędkości obrotowej podczas jej wyciągania formuje się w gruncie elementy o różnych przekrojach i średnicach (rys. 1). Można również realizować całe moduły o dowolnych kształtach konstrukcyjnych (rys. 2).
Rys. 1. Przykłady elementów iniekcyjnych możliwych do uzyskania: a) kolumna, b) półkolumna, c) ćwierćkolumna, d) ściana (lamela)
Rys. 2. Przykłady konstrukcji z elementów iniekcyjnych: a) przegroda (tarcza), b) płyta, c) blok
Najczęściej stosowane są elementy iniekcyjne walcowe (kolumny), których średnice wynoszą od 0,4 do ponad 3,0 m. Średnica powstałego w wyniku procesu iniekcji kompozytu gruntowo?cementowego zależy od właściwości gruntu oraz takich parametrów jak: ciśnienie iniektu, czas iniekcji, średnica dysz, gęstość iniektu.
W razie potrzeby można wykonać zbrojenie kolumn wkładkami stalowymi (prętami, rurami, kształtownikami), dzięki czemu skutecznie zastępują one pale wykonywane za pomocą innych technologii, np. pale CFA, Omega i inne.
Jak w przypadku wszystkich technologii wzmacniania podłoża gruntowego i robót palowych, tak i w jet groutingu niezwykle ważne jest wykonywanie badań odbiorczych, mających na celu potwierdzenie skuteczności zastosowanych rozwiązań. Badaniami chętnie stosowanymi i dającymi wiarygodne wyniki są próbne obciążenia statyczne. Próbne obciążenia statyczne przeprowadzone przez Piletest potwierdzają bardzo dobrą przydatność kolumn iniekcyjnych jet grouting zarówno w budownictwie mostowym, jak i kubaturowym. Norma PN-EN 12716.
Wykonawstwo specjalistycznych robót geotechnicznych. Iniekcja strumieniowa traktuje próbne obciążenia w sposób zbyt ogólny, dlatego badania statyczne przeprowadzane są zwykle według PN-83/B-02482 Fundamenty budowlane. Nośność pali i fundamentów palowych. Badania te są istotne szczególnie wtedy, gdy kolumny traktowane są jako fundamenty głębokie.
Wykonawstwo specjalistycznych robót geotechnicznych. Iniekcja strumieniowa traktuje próbne obciążenia w sposób zbyt ogólny, dlatego badania statyczne przeprowadzane są zwykle według PN-83/B-02482 Fundamenty budowlane. Nośność pali i fundamentów palowych. Badania te są istotne szczególnie wtedy, gdy kolumny traktowane są jako fundamenty głębokie.
Dotychczasowe wyniki badań potwierdzają dobrą współpracę kolumn jet grouting zarówno z gruntami niespoistymi, jak i spoistymi, także w przypadku występowania wierzchnich warstw nasypowych. Doświadczenia związane z wykonaniem badań na budowach wiaduktów Franowo i Dolna Wilda w Poznaniu pokazują, że kolumny w zakresie przeciążenia do 150% nośności obliczeniowej charakteryzują się sprężystym zakresem osiadań rzędu 10 mm. Przemieszczenia trwałe, po odciążeniu, zwykle nie przekraczają 50% maksymalnego przemieszczenia zarejestrowanego w badaniu.
Próbnym obciążeniom poddawane są kolumny pionowe i ukośne o wszelkich średnicach. W zależności od przewidywanych obciążeń można je poddawać również badaniom na siły wyciągające lub boczne. Jeżeli nośność boczna ma duże znaczenie, można również rozpatrywać zastosowanie badań inklinometrycznych.
Dodatkowo kolumny jet grouting doskonale sprawdzają się jako elementy kotwiące w próbnym obciążeniu statycznym innych elementów. Możliwość ich zastosowania powoduje obniżenie kosztu wykonania badań, ponieważ nie ma potrzeby używania balastu. Warunkiem koniecznym użycia kolumny jako kotwy jest zazbrojenie profilem stalowym bądź rurą na całej jej długości.
Należy pamiętać, że badania ciągłości i długości pali metodami Sonic Echo bądź Cross Hole Sonic Logging nie sprawdzają się dla kolumn jet grouting, z uwagi na słabą przewodność akustyczną cementogruntu, jak również z powodu zmiennej geometrii ich trzonów. Powoduje to duże zaburzenia fali dźwiękowej lub ultradźwiękowej, w konsekwencji uniemożliwiając interpretację wyników. Dlatego jeszcze bardziej niż w przypadku np. pali CFA ważną rolę w procesie formowania kolumn jet grouting odgrywa aparatura kontrolno-pomiarowa wiertnicy. Operator powinien na bieżąco monitorować głębokość, prędkość obrotu i posuwu narzędzia oraz ciśnienie, wydatek i objętość wtłoczonego iniektu. Metryki przedstawiające graficznie powyższe parametry są istotnym elementem kontroli i odbioru robót.
Technologia iniekcji strumieniowej jest wykorzystywana w budowlach tymczasowych i trwałych, szeroko stosowana w budownictwie lądowym i wodnym. Najważniejsze jej zastosowania to:
– wzmacnianie podłoża pod nasypy drogowe, kolejowe i nawierzchnie lotniskowe;
– wzmacnianie podłoża istniejących fundamentów, w przypadku zmiany funkcji użytkowej lub przebudowy budynków;
– wzmacnianie fundamentów istniejących budynków w sąsiedztwie głębokich wykopów;
– wzmacnianie fundamentów obiektów mostowych nowo wznoszonych oraz istniejących jako zabezpieczenie przed erozją;
– wzmacnianie i uszczelnienie podłoża gruntowego pod rurociągami oraz zabezpieczenie ścian;
– podchwytywanie i naprawa posadowienia fundamentów obiektów zabytkowych;
– formowanie tymczasowej obudowy tuneli;
– stabilizacja zboczy, skarp i tarasów;
– wykonywanie robót palowych pod dowolne obiekty budowlane;
– wykonywanie ścian oporowych;
– zabezpieczanie ścian wykopów wodoszczelnymi palisadami w sąsiedztwie głębokiego wykopu;
– wykonywanie wodoszczelnych grodzi, łącznie z korkiem uszczelniającym dno wykopu;
– uszczelnianie zapór wodnych poprzez wykonywanie dodatkowych ekranów szczelnych wewnątrz i pod podstawą zapory;
– uszczelnianie (zaplanowane lub awaryjne) palisad, ścian szczelinowych lub innych elementów obudowy;
– wykonywanie ekranów uszczelniających w konstrukcjach podziemnych, np. garaży.
Jednym z ciekawszych przykładów zastosowania w Polsce na dużą skalę metody iniekcji strumieniowej jest budowa (zrealizowana IX 2002 − XII 2003 r.) autostrady A4 od węzła Wirek do węzła Batorego w Rudzie Śląskiej. Inwestycja polegała na wzmocnieniu podłoża pod nasypy drogowe i wiadukty autostradowe oraz na uszczelnieniu dna wykopów pod przepusty drogowe w rejonie szkód górniczych. W ramach tego przedsięwzięcia wykonano kolumny jet grouting o średnicach 600 mm i 800 mm, zbrojone kształtownikami HEB-200 do głębokości 20 m, o łącznej objętości cementogruntu 34 739 m3. Zastosowanie tej technologii pozwoliło na zabezpieczenie konstrukcji przed deformacjami powstałymi na skutek tąpnięć.
Budowa tunelu pod czynną linią kolejową we Włocławku, konstrukcja trasy tranzytowej al. Królowej Jadwigi. Wzmacnianie słabonośnego podłoża gruntowego palami w technologii jet grouting
Kolejnym przykładem wykorzystania tej technologii jest wykonanie pali fundamentowych dla posadowienia zbiornika sody o pojemności około 1650 m3w Zakładach Chemicznych w Inowrocławiu na gruntach organicznych (namułach, torfach i gytiach). Podczas realizacji (XII 2006 − I 2007 r.) uformowano w gruncie za pomocą iniekcji strumieniowej 38 kolumn o średnicy 800 m i długości 22 m (zbrojonych rurami bezszwowymi 406/10 ze stali R-45 o długości 16,8 m).
Prawdziwą wizytówką i przykładem ukazującym duże możliwości metody jet grouting jest ukończony w 2005 r. we Włocławku – jedyny do tej pory w Polsce – projekt przejścia trasy tranzytowej (alei Królowej Jadwigi) pod czynną linią kolejową. Tunel wykonano w technologii pipe roofing, która dała możliwość przeprowadzania robót wykonawczych bez konieczności wstrzymania ruchu pociągów. Podczas realizacji w wyniku przeprowadzonego sondowania CPT okazało się, że w podłożu poniżej podstawy nasypu kolejowego zalegają warstwy słabych gruntów organicznych w postaci namułów i gytii o miąższości dochodzącej do 8 m. W tych złożonych warunkach geotechnicznych, biorąc pod uwagę charakter konstrukcji, jet grouting był jedyną technologią umożliwiającą wzmocnienie słabonośnego podłoża pod tunelem. Obiekt został posadowiony za pomocą kolumn o średnicy 800 mm o łącznej długości 3799 metrów bieżących, przy czym długość pojedynczego elementu iniekcyjnego wahała się od 5,5 do 9 m.
Metoda iniekcji strumieniowej ma wiele zalet. Jet grouting może być stosowany we wszystkich rodzajach gruntu, nawet tam gdzie występują stare fundamenty, gruz, duże kamienie i rumosz skalny. Technologia pozwala na kształtowanie w podłożu elementów konstrukcyjnych o złożonych kształtach i dowolnej długości, różnym przeznaczeniu oraz usytuowaniu. Powstały ośrodek gruntowo-cementowy wykazuje jednolitą strukturę oraz znaczną wytrzymałość na ściskanie (nawet ponad 40 MPa). Jest oprócz mikropali jedyną technologią pozwalającą na wzmacnianie istniejących fundamentów i placów wykonanych z płyt żelbetowych (płyty lotnisk, nabrzeża itp.) bez konieczności ich demontażu. Metoda może być stosowana w przypadkach, gdy brak jest miejsca dla ciężkiego sprzętu, a także daje możliwość wykonywania wzmocnienia we wnętrzach pomieszczeń, co często pozwala wzmacniać fundamenty istniejących obiektów.
Realizacja technologii nie wywołuje drgań podłoża i może być prowadzona w bezpośrednim sąsiedztwie istniejącej zabudowy, jednocześnie charakteryzując się bardzo dużym tempem wykonywania prac.
Podstawową wadą technologii jet grouting jest konieczność usuwania z placu robót upłynnionego gruntu zawierającego cement, wydobywającego się podczas iniekcji z otworu wiertniczego na powierzchnię.
Tomasz Brzeski
Polbud-Pomorze Sp. z o.o.
mgr inż. Ryszard Rippel
Piletest Sp. z o.o.
Zdjęcie Maciej Stasiński
Rysunki Tomasz Brzeski
Literatura
1. E. Stilger-Szydło, Posadowienie budowli infrastruktury transportu lądowego. Teoria-projektowanie-realizacja, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2005.
2. Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa 2002.
3. www.polbud-pomorze.pl
