Wypełnianie pustej przestrzeni pierścieniowej w przewiertach HDD– samoutwardzalna płuczka Drill-mix®

Kierunkowe przewierty sterowane (HDD) zyskały sobie zasłużoną przychylność inwestorów pragnących w szybki i nieuciążliwy dla otoczenia sposób zainstalować nową infrastrukturę podziemną. Zalet tej technologii można wymieć bardzo wiele, ale warto zwrócić uwagę na potencjalne zagrożenia spowodowane naruszeniem gruntu przez nowopowstały odwiert.

Wprowadzenie rury produktowej do otworu wymaga od niego odpowiednio większej średnicy, by cały proces przebiegł bez komplikacji. W zależności od rodzaju i średnicy wprowadzanej rury, warunków geologicznych oraz długości przewiertu, zalecane jest by otwór był większy w granicach od 25 do 50% w stosunku do wprowadzanej rury (Rys.1). O ile przy instalowaniu małośrednicowych rur, przestrzeń pierścieniowa jest stosunkowo nieduża i nie stanowi większego zagrożenia np. osiadaniem gruntu nadległego (nadkładu), o tyle przy większych średnicach, pustka powstała pomiędzy rurą a gruntem może wpływać negatywnie na znajdujące się nad odwiertem obiekty.

W procesie rozwiercania otworu (w zależności od geologii i ilości przejść do wymaganej średnicy), następuje niszczenie struktury gruntu również poza przewidzianą średnicą np. przez rozmycie strumieniem płuczki w czasie wiercenia lub płukania odwiertu. Zjawisko to występuje zwłaszcza w gruntach podatnych na rozmycie (piaski, żwiry) i może doprowadzić do niekontrolowanego powstawania pustek o dużych rozmiarach.

Oprócz zagrożenia spowodowanego osiadaniem gruntu, puste przestrzenie stanowią nową drogę drenażu przez wody gruntowe, powodując dalsze rozmycie i powiększanie się pustek wzdłuż przewiertu. Efekty tego procesu mogą wystąpić na długo po zakończeniu budowy, a ich gwałtowny przebieg uwidacznia się najbardziej, gdy przewiert przebiegał pod sztywnymi obiektami np. budynki, drogi, tory kolejowe itp. (Rys. 2,3)

Pozostawienie pustej przestrzeni wokół rury może stwarzać wiele problemów przy przejściach pod zbiornikami wodnymi i rzekami. Przesiąkanie wody przez warstwę gruntu nadkładu może powodować wielorakie problemy. Na przykład, przy przewiertach pod wałami przeciwpowodziowymi mogą nastąpić przesiąki po stronie zawala, powodując podtopienia, zwłaszcza przy różnych poziomach punktów wejścia i wyjścia wykonywanego przewiertu.

Należy mieć na uwadze fakt, że płuczka bentonitowa używana do wykonywania przewiertów kierunkowych HDD i mikrotunelingu nie jest materiałem wiążącym. Po zakończeniu prac wiertniczych i pozostawieniu płuczki w otworze, jej stan skupienia będzie uzależniony od wilgotności gruntu. Może ona przybierać formę żelu (przy naporze wód gruntowych, pozostawiona płuczka może zostać wypłukana), lub ulec wysuszeniu (zmniejszając swoją objętość). Ponowny kontakt z wodą powoduje, że wyschnięty bentonit zostaje powtórnie upłynniony. Takie wypełnienie otworu można traktować jako grunt aktywny, mając świadomość, że powyższe właściwości płuczki bentonitowej nie gwarantują szczelnego i trwałego wypełnienia przestrzeni wokół rury.

W celu zminimalizowania uprzednio wymienionych zagrożeń, stosuje się iniekcyjne wypełnianie pustej przestrzeni pierścieniowej po wciągnięciu rury. Metoda ta posiada jednak wiele wad. Odkrywki takich wypełnień pokazały nierównomierność rozmieszczenia iniektu oraz częściowe tylko jego stwardnienie. Stosowanie w tej metodzie tradycyjnych materiałów iniekcyjnych prowadzi do niecałkowitego a tym samym nieszczelnego wypełnienia iniekowanej przestrzeni. Po stwardnieniu takie wypełnienie jest kruche i nietrwałe.

Drugą metodą jest wtłaczanie materiału wypełniającego począwszy od wejścia aż do wyjścia odwiertu przed ostatnim etapem budowy tj wciągnięciem rury produktowej. Szczelne wypełnienie przestrzeni pierścieniowej jest wtedy zapewnione. Należy jednak zwrócić uwagę by medium wypełniające odwiert utrzymywało odpowiednie parametry reologiczne, w celu zapobiegnięcia zwiększania się oporów tarcia, lub co gorsza, przechwyceniu rury produktowej przy jej wciąganiu.

Zwiększone ciśnienie w otworze, spowodowane zatłaczaniem zaczynu wypełniającego prowadzi czasami do szczelinowania gruntu otaczającego, czego widocznym efektem są deformacje powierzchni terenu i samowypływ płuczki na trasie przewiertu.

Zdarza się, że do płuczki znajdującej się w otworze dodawany jest cement. Takie działanie powoduje powstanie niejednorodnej zawiesiny oraz destabilizację parametrów płuczki wiertniczej (Rys 4). Taka mieszanina po krótkim, trudnym do precyzyjnego określenia czasie traci swoje pierwotne właściwości reologiczne i w przypadku jakichkolwiek komplikacji lub awarii na etapie wciągania rury, następuje jej „zacementowanie" razem z urządzeniem wiercącym oraz system płuczkowym. Ratunkowe działania generują duże koszty i przekładają się na wydłużenie całego procesu budowy.

Alternatywą dla powyższych problemów jest zastosowanie samoutwardzalnej płuczki Drill-mix®. Jest to materiał łączący w sobie właściwości płuczki wiertniczej oraz materiału wypełniającego( Rys 5).

Produkt ten, został specjalnie opracowany dla zastosowania w przewiertach HDD i mikrotunelowaniu. Możliwe jest jego zamówienie w różnych formach pakowania (luz, worki Big-Bag lub worki 25 kg). Przy prawidłowym magazynowaniu, produkt jest pełnowartościowy przez 6 miesięcy.

Proces przygotowania zawiesiny z suchej mieszanki Drill-mix® i wody, przebiega jak dla standardowej płuczki, przy wykorzystaniu tych samych urządzeń. W przypadku korzystania z wody innej niż wodociągowa (np. z rzeki), należy wykonać test sprawdzający. W standardowej recepturze płuczki samoutwardzalnej Drill-mix® stosuje się koncentrację 160 kg na m3. Mimo zwiększonego udziału fazy stałej, zawiesina utrzymuje dobre parametry reologiczne (Tabela 1). Lepkość na lejku Marsh'a powinna zawierać się w przedziale 40 – 50 s i można ją regulować poprzez koncentracje Drill-mix® w zawiesinie.

Czas urabialności Drill-mix® został tak wydłużony, by twardnienie rozpoczynało się po ok. 48 godzinach. Kiedy czas urabialności (ok. 2 dni) się skończy, płuczka Drill-mix® zaczyna się utwardzać(Rys.6). Końcowa twardość Drill-mix® jest podobna do twardości gliny (ok. 0,3 MPa). Jest to wartość wystarczająca, gdyż zależy nam na uzyskaniu przez materiał wypełniający wytrzymałości zbliżonej do otaczającego rurę gruntu.

W przypadku projektów, w których wymagana jest dużo wyższa wytrzymałość i jej szybszy przyrost, możliwe jest zastosowanie odpowiedniej modyfikacji produktu Drill-mix®. Urabialności takiej odmiany produktu to ok. 8 godzin a zapotrzebowanie to 330 kg/m3 (Rys.7). Najczęściej tę odmianę produktu Drill-mix® stosuje się do wstępnej stabilizacji rumoszu skalnego, oraz warstw sypkich (piasków, żwirów).

Stosując płuczkę samoutwardzalną należy zwrócić uwagę na zawartość substancji organicznych w gruncie, gdyż może to wpływać na proces twardnienia. Należy też pamiętać o niezwłocznym przepłukaniu instalacji płuczkowej po zakończeniu prac wiertniczych.

Przed zastosowaniem Drill-mix® w danym otworze, powinno się sprawdzić jego oddziaływanie z płuczką wiertniczą użytą do wykonania przewiertu. Najprostszą metodą jest przygotowanie kilku próbek zawiesin w różnych proporcjach płuczki wiertniczej i samoutwardzalnej płuczki Drill-mix®. Zastosowane różnych udziałów poszczególnych mediów wynik z powstawania różnych stref mieszania się tych płynów w procesie wypełniania odwiertu przez Drill-mix®. Ten prosty test da nam informacje, czy płynny w otworze będą stabilne względem siebie tz. czy nie wykazują flokulacji, lub nie powodują natychmiastowego twardnienia. Gdy płyny są jednorodne i stabilne, należy sprawdzić ich parametry reologiczne przy użyciu lepkościomierza.

Jeżeli te parametry mieszczą się w zaprojektowanych granicach, można przystąpić do zatłaczania Drill-mix® do odwiertu. Po wyparciu lżejszej płuczki wiertniczej z otworu przez Drill-mix® (Rys. 8), ostatni etap instalowania rury przebiega jak dla standardowego przewiertu.

Do podstawowych zalet stosowania samoutwardzalnej płuczki Drill-mix® należą:

- Uzyskanie wszystkich niezbędnych właściwości płuczki wiertniczej

- Podwyższona zawartość substancji stałych zapobiega powstawaniu pustych przestrzeni

- Nadaje się do recyklingu, podobnie jak standardowe płuczki wiertnicze

- Ścisła współpraca z otoczeniem, zachowanie stałej objętości oraz odporność na erozję

- Ochrona rur stalowych przed korozją

- Zapobieganie uszkodzeniom wciąganych rur wywołanym przez osiadanie gruntu

- Dopuszczony do kontaktu z wodami gruntowymi, potwierdzony atestem higienicznym

- Bezproblemowe wyparcie płuczki wiertniczej