Дорога в будущее: зачем ученые делают грунту инъекции

Каждый день по улицам городов и трассам проезжают тысячи, а иногда и миллионы машин. Например, ежедневный трафик на МКАДе — более миллиона автомобилей. А каждый из них весит около полутора тонн. Но как дороги выносят такую нагрузку, особенно с учетом того, что прямо под ними в грунте спрятаны километры коммуникаций и труб? Все это заслуга исследователей, без которых даже доехать до работы мы бы вряд ли смогли. 

Как сегодня они укрепляют тоннели, почему без магии химии не работало бы метро и как невидимые специалисты постоянно следят за нашими дорогами — рассказала заместитель генерального директора ООО «Системные продукты для строительства» Анастасия Щукина. Именно она исследует и принимает участие в разработке и внедрении полимерных составов для укрепления грунтов.

Грунту тоже нужны прививки

Грунты у нас под ногами очень непредсказуемы — они разрушаются, меняются. В них могут прятаться и подводные реки, и различные водные потоки, появление которых очень трудно предвидеть, особенно в мегаполисе. Как распределится давление, сыграет ли физика нам на пользу или во вред — угадать сложно. Но в городе на таком грунтовом основании нужно возводить дома, строить заводы, электростанции и, конечно, дороги. И здесь ошибки недопустимы — ведь речь идет о жизни и безопасности людей.

Поэтому, перед тем как закладывать фундамент для этих построек, специалисты подготавливают почву — и при необходимости делают так называемое химическое закрепление, то есть закачивают в грунт специальные составы на минеральной или полимерной основах. Они застывают и позволяют, например, заполнять пустоты, подавлять водопритоки при строительстве тоннелей, повышать несущую способность грунтового массива. Эта же технология позволяет «залечивать» дефекты конструкций во время эксплуатации объектов. 

Как рассказала Анастасия Щукина, этой технологии уже несколько веков. Впервые метод инъектирования (укрепления и стабилизации грунта или строительных конструкций путем введения в них специальных составов) применил еще в 1802 году французский инженер Шарль Бериньи. Он укрепил цементным раствором кирпичную кладку под водой.

И именно цемент до сих пор наиболее часто используется в строительстве для укрепления грунта. Однако есть и более современная технология: ученые разрабатывают специальные химические составы — например, на основе полиуретанов и акрилатов, — которые имеют множество преимуществ.

И для шоссе, и для шасси

Эксперт объяснила, что с составами на основе полиуретанов мы встречаемся в повседневной жизни. Наглядный пример — монтажная пена. Полиуретан при застывании также становится прочным и к тому же может выносить температуры примерно от -60°С до +120°С. Его часто используют в тоннелестроении — он позволяет быстро заполнить трещины и поры грунта. «Обделка тоннеля не должна пропускать воду, должна сдерживать горное давление от прилегающего массива горных пород, что воздействуют на стенки тоннеля», — рассказала специалист.

Составам на основе акрилатов свойственны низкая вязкость, контролируемое время схватывания, безусадочность и долговечность. Они становятся важным инструментом в случае срочных и даже аварийных ремонтных работ. Их используют и для гидроизоляции — например, чтобы отвести воду, поступающую в тело тоннеля при протечке. С их помощью можно также укреплять грунт при просадке, чтобы не произошел дальнейший обвал при проходке.

Различные составы на основе полимеров позволяют быстро ремонтировать дороги, тоннели и даже посадочные полосы в аэропортах. Исследователь отметила, что инъекционные составы на полимерной основе использовали при прокладке автомобильных тоннелей в Сочи, при строительстве станций метро в городах-миллионниках, в том числе в Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Москве. Но на деле почти каждое метро «живет» благодаря полимерным составам.

Метро не спит

Метрополитен никогда не спит – даже ночью там кипит жизнь. Специалисты проверяют пути и при необходимости проводят ремонтные работы. Причем, как объяснила Анастасия Щукина, движение поездов можно остановить всего на несколько часов – «попасть в окно» на сленге метрополитена. И за это время нужно устранить все неполадки – например, протечки.

«В метро на путях подвижного состава идет контактный рельс, который находится под напряжением. И вот его, соответственно, можно отключить только на два часа, потому что даже ночью там курсируют различные составы», — рассказала Анастасия Щукина.

Но даже без электричества в тоннелях ходят поезда — так называемые мотовозы, которые развозят сотрудников по станциям. Они работают на дизельном топливе или бензине. Поэтому у специалистов очень мало времени на ремонтные работы. И укрепить грунт тоннеля метрополитена или же путевого бетона с помощью цементной инъекции возможности просто нет.

«Среди полимеров есть те, которые полимеризуются и набирают необходимый запас прочности уже за несколько минут. Все зависит от задачи, которая стоит перед нами. Например, существуют составы, которые застывают так быстро, что через 30 минут ты можешь уже пускать поезд по укрепленному с их помощью основанию или садить на них самолет», — привела пример специалист.

Ученый — доктор и детектив

По словам Анастасии Щукиной, специалистам важно не просто устранить протечку — ведь вода, если ей перекрыть выход на ремонтируемом участке с помощью любого инъекционного состава, может выйти наружу в другом месте, где этого состава уже нет. «Протечка воды — чаще всего следствие основной проблемы. Поэтому нам важно найти причину протечки или поломки. А она может крыться в неправильно запроектированной дренажной системе, неправильно рассчитанной нагрузке на крепь обделки и многом другом», — объяснила специалист.

Она сравнивает эту работу с действиями врача, которому важно не просто отметить симптомы, но и поставить диагноз, найти причину недомогания. Для этого нужно взять анализы, узнать течение болезни конкретного пациента. И строители делают почти то же самое — они занимаются диагностикой и мониторингом в каждом конкретном случае индивидуально. Это могут быть исследования как на земле, так и под землей. Например, в одних случаях проводят георадиолокационные исследования с помощью ультразвука, в других — берут пробу грунта и изучают ее в лабораторных условиях.

Грунт под микроскопом

На разных участках пути и во время строительства дороги, и при необходимости во время ее эксплуатации специалисты извлекают из земли пробы грунта — так называемые керны, которые представляют собой цилиндрические столбики. Их достают с помощью бурения специальными машинами и механизмами. С их помощью ученые могут рассказать о составе грунта в этой местности, ее истории, даже флоре и фауне.

Строители по кернам могут понять, как в этом районе меняется грунт, определить его характеристики. В том числе, при проведении таких исследований могут быть обнаружены подземные течения техногенного характера, подземные реки, которые довольно непредсказуемы — поэтому они могут быть опасны для построек и дорожного полотна. «Важно постоянно брать пробы грунта на конкретном объекте, изучать их, постоянно мониторить геологию почв, обновлять резервы, а не брать информацию, условно говоря, из архива двадцатилетней давности», — обратила внимание Анастасия Щукина.

За дорогами следят

На самом деле, мониторинг за состоянием тоннелей и их составляющими, например, транспортными путями происходит регулярно — и мы каждый день проходим мимо разных датчиков, которые помогают отслеживать состояние дорожного полотна и грунта. «В Москве устанавливают специальные датчики на дома, под которыми проходят ветки метро. И эти датчики подают сигнал, если по дому, например, идет трещина или происходят различные усадки при проходке тоннеля», — поделилась заместитель генерального директора ООО «Системные продукты для строительства». Она отметила, что пока все данные изучают специалисты, а не искусственный интеллект. И только эксперт может отметить, что на каком-то участке идет опасная просадка, а где-то нужно провести работы, чтобы предотвратить ее.

Экологичная химия

Раньше составы для химического закрепления грунта могли наносить вред экологии — с этим сталкивались специалисты при разработке первых материалов для инъектирования. Но сегодня научное сообщество разрабатывает более безопасные составы, чтобы не нанести вред природе и человеку, применяющему его. «Сегодня это относительно безопасные компоненты, которые не наносят вред ни гидрогеологии, ни ландшафту, ни людям. Они не выделяют опасные соединения», — отметила ученый.

Кроме того, полимерные составы не вымываются теми же самыми подземными водами — поэтому можно говорить не только об их экологичности, но и долговечности при воздействии различных агрессивных сред. Анастасия Щукина исследует технологические процессы нагнетания специальных инъекционных составов — например, давление нагнетания, скорость нагнетания этих составов, их вязкость, время набора прочности и прочее.

«Сейчас нет никаких пределов конечного продукта, которые мы способны получить. То есть сделать возможно практически все! Как бы это утопически ни звучало, химия, в том числе отечественная, сейчас вышла на такой уровень, что мы можем синтезировать любые полимеры и их различные модификации. Малотоннажная химия активно развивается», — поделилась мыслями эксперт.

Поэтому сегодня все в руках ученых-инженеров — именно их идеи и решения могут в корне изменить отрасль, а также смежные направления. Это своего симбиоз. И им предстоит не только найти наиболее удачную формулу, но и перенести новую технологию на практику — построить надежную дорогу в будущее.

Полина Казакова

Наука.рф в Телеграм: https://t.me/npnauka

Наука.рф Вконтакте: https://vk.com/sciencerf