Pustki pogórnicze i krasowe

Pustki pogórnicze i krasowe powstają jako efekt uboczny działających w przeszłości  podziemnych zakładów wydobywczych oraz procesów krasowych (rozpuszczania skał przez wody powierzchniowe i podziemne). Skutkuje to między innymi powstawaniem lejowisk i zapadlisk na powierzchni terenu. Tereny pogórnicze nie nadają się do zagospodarowanie na potrzeby budownictwa przemysłowego i infrastrukturalnego bez przeprowadzania odpowiednich badań i działań zabezpieczających. Wzmacnianie podłoża pustek pogórniczych i krasowych wykonuje się poprzez iniekcje ciśnieniowe (compaction grouting).

Kluczowe informacje

Technologia zabezpieczania podziemnych pustek na obszarach krasowych i eksploatacji pogórniczej

Pustki krasowe i pogórnicze są wynikiem działających w przeszłości podziemnych zakładów wydobywczych oraz procesów krasowych (rozpuszczania skał przez wody powierzchniowe i podziemne). Występowanie w górotworze pustek i stref rozluźnień na niewielkiej głębokości może być przyczyną uaktywnienia się procesów zapadliskowych, które propagują ku powierzchni terenu tworząc różnego rodzaju deformacje nieciągłe:

– powierzchniowe (np. leje i zapadliska),

– liniowe (np. pęknięcia, szczeliny, progi, rowy).

O typie deformacji i ich wymiarach decyduje wiele czynników geologiczno – górniczych, zwłaszcza nawodnienie ośrodka i związany z nim proces sufozji.

Wpływ oddziaływania wody jest częstą przyczyną reaktywacji starych pustek w górotworze. Dotyczy to również pustek podsadzanych materiałem drobnoziarnistym lub ilastym. Materiał ten może ulegać wymywaniu wskutek migracji wód poprzez szczeliny górotworu.

Kolejną ważną przyczyną są niewłaściwie zlikwidowane szyby i szybiki. Dość ciekawym i niewłaściwym sposobem likwidacji takich szybików było wykonywanie pomostów na nieznacznej głębokości, a następnie  zasypywanie przestrzeni nad pomostem. Zniszczenie pomostu, niezależnie z jakiego materiału był wykonany, powoduje przemieszczenie się w głąb materiału zasypowego, czego następstwem jest zapadlisko.

Ponadto należy zaznaczyć, że zagrożenie terenu może być aktualnie większe od szybów wydrążonych w skałach mocnych, natomiast mniejsze w szybach wykonanych w zwietrzałych skałach. Ponieważ one prawdopodobnie uległy samopodsadzeniu na odcinkach niezlikwidowanych i nie powinny stwarzać zagrożenia na powierzchni terenu.

Zagrożenie zapadliskowe  ze strony wyrobisk chodnikowych jest efektem ich niepełnej likwidacji w wyniku zastosowania wzmocnienia obudowy, co często wynikało z potrzeby profilaktyki przed wpływami eksploatacji głębiej położonych pokładów węgla.

Do najczęstszych czynników aktywizujących proces powstania deformacji nieciągłych jest:

• Zmiany warunków hydrologeologicznych, związanych z infiltracją wód w głąb górotworu;
• Osłabienie właściwości górotworu w wyników procesów wietrzenia i procesu reologicznego;
• Utrata stateczności starych, płytko występujących wyrobisk;
• Zniszczenie zabezpieczeń i obudowy starych szybów i szybików;
• Rozwój pustek w wyniku przemieszczania materiału zasypowego w niewłaściwie zlikwidowanych szybach i szybikach;
• Deformacje w górotworze generowane przez głęboką eksploatację pokładów węgla;
• Dynamiczne obciążenie górotworu drganiami komunikacyjnymi, wstrząsami górniczymi itp.;
• Nadmierne obciążenie statyczne terenu w naruszonej działalnością górniczą strefie przypowierzchniowej.

Istotnym elementem w kontekście identyfikacji potencjalnych pustek w górotworze jest przeprowadzenie szczegółowego rozpoznania warunków geologiczno-inżynierskich podłoża. Istnieje szereg metod umożliwiających wykrywanie anomalii w ośrodku gruntowym, spośród których istotną rolę odgrywają metody geofizyczne. Badania te mają charakter wstępny i służą do wytypowania obszarów, w których można spodziewać się nieciągłości lub zmian właściwości fizycznych podłoża.

Badania geofizyczne są elementem ukierunkowania Inwestora, Projektanta na zagrożenia związane z zapadliskami, pustkami itd. Nie są to metody jednoznaczne jednak wskazujące kierunek działania i postepowania w kolejnych etapach rozpoznanie podłoża.

Do najbardziej efektywnych metod geofizycznych stosowanych w tym celu należą:

• tomografia elektrooporowa (ERT),
• metoda konduktometryczna (GCM),
• metoda potencjałów wzbudzonych (IP),
• georadar (GPR).

Właściwości elektrooporowe gruntów uzależnione są od wielu czynników, takich jak skład mineralny, zawartość wody, struktura, tekstura czy temperatura ośrodka.

Obecność pustek bądź spękań w warstwach skalnych będzie objawiała się generowaniem anomalii wysokooporowych. Pustki zawodnione bądź wypełnione materiałem ilastym, będą punktowo obniżać oporności warstwy, generując tzw. anomalie niskooporowe.

Dla przykładu

-woda 25 Ωm

– iły 10-80 Ωm

– woda zasolona 0-10 Ωm

– powietrze bardzo wysoka oporność.

Na podstawie uzyskanych map anomalii, w kolejnym etapie realizuje się ich weryfikację poprzez wykonanie wierceń poszukiwawczych (kontrolnych).

W celu weryfikacji anomalii geofizycznych, należy wykonać otwory kontrolne. W zależności od wielkości przewidywanej strefy osłabienia, należy się liczyć z wykonaniem nawet do kilkunastu otworów kontrolnych w jednej strefie. Jeżeli jakość rozpoznania strefy osłabienia jest obarczona większa niepewnością wówczas należy wykonać otwory kontrolne z dodatkowym rozpoznaniem kamerą otworową.

Podstawową i jedną z najczęściej stosowanych metod zabezpieczenia podłoża w przypadku występowania pustek podziemnych jest iniekcja otworowa inaczej zwana iniekcją zatłaczającą wysoko lub niskociśnieniową.

W ramach robót geotechnicznych wykonuje się otwory technologiczne służące zatłaczaniu iniektu (zaczynu wiążącego) w obręb zdegradowanego górotworu. Wiercenia wykonuję się przy użyciu samojezdnej wiertnicy z systemem obrotowym wykorzystując rury wiertnicze. W przypadku skał wiercenia wykonuje się najczęściej bez rur osłonowych stosując świder gryzowy oraz płuczkę wodną. Wiercenia prowadzone są do osiągnięcia projektowanej głębokości, następnie po ewentualnym zabezpieczeniu otworu (zapewnieniu stateczności) wprowadzana jest stalowa rura iniekcyjna do zatłaczania materiału podsadzkowego. Wtłaczanie zaczynu należy prowadzić „od dołu do góry”, prace zabezpieczające prowadzi się, aż do całkowitego zaniku chłonności materiału (powinien nastąpić samowypływ iniektu z bieżącego otworu). Sposób zatłaczania należy dopasować do lokalnych warunków, uwzględniając genezę pustki i warunki w podłożu. Główne metody zatłaczania to:

– metoda grawitacyjna – przeznaczona do wypełniania wolnych, łatwo penetrowalnych przestrzeni, zatłaczanie odbywa się przy minimalnym ciśnieniu umożliwiającym przepływ zaczynu;

– metoda ciśnieniowa – wskazana dla stref rozluźnień oraz mniejszych pustek o nieokreślonym, trudno penetrowalnym kształcie. Zaczyn należy podawać ciśnieniem umożliwiającym penetrację nieciągłości. Wartość ciśnienia zawiera się w przedziale 200-500 kPa, dokładna wartość powinna być dopasowywana do konsystencji zaczynu i prędkości przepływu.

W trakcie zatłaczania należy obserwować powierzchnię terenu wokół prowadzonych prac celem wychwycenia ewentualnego szczelinowania górotworu. Jeżeli zaobserwowane zostaną objawy szczelinowania pracę należy przerwać i zmodyfikować parametry zatłaczania.

Do wypełnienia zdegradowanego ośrodka geologicznego stosuje się iniekt – zaczyn samozestalający na bazie ubocznych produktów spalania takich jak popioły, piaski elektrowniane oraz dodatku spoiwa hydrauliczne. Zakłada się użycie materiałów jak dla gotowych produktów dostępnych powszechnie na rynku. Do prac zabezpieczających niezbędna jest woda technologiczna, którą można pozyskać z komunalnej sieci wodociągowej za pomocą np. hydrantów. Iniekt do zatłaczania pustek może być sporządzany bezpośrednio na placu budowy (w mieszalniku mechanicznym) lub dostarczany betonowozami.

Po zakończeniu prac uzdatniających, w celu weryfikacji ich skuteczności, należy przeprowadzić kontrolne badania terenu, najczęściej w formie badań geofizycznych. Badania te powinny zostać wykonane nie wcześniej niż 14 dni od zakończenia prac związanych z likwidacją zagrożenia. W ramach dokumentacji powykonawczej (odbiorowej) wykonuje się ponadto:

– badania wytrzymałości materiału iniekcyjnego na ściskanie,

– kontrolne odwierty rdzeniowe w celu weryfikacji stopnia wypełnienia pustek,

– geodezyjny szkic inwentaryzacyjny wykonanych punktów iniekcji,

– dziennik robót zawierający zestawienie wykonanych odwiertów wraz z uwagami oraz ilością zatłoczonego iniektu.

Firma Menard od lat w Polsce prowadzi działalność związaną z zatłaczaniem pustek zarówno krasowych i jak pogórniczych. W dalszej części artykułu opisano przypadek uzdatnienia podłoża pod inwestycją mieszkaniową w gęstej zabudowie miejskiej.

Jedną z ciekawych i wymagających realizacji było wypełnienie pustek na obszarze byłej eksploatacji górniczej w centrum miasta Katowice w południowej Polsce pod wysokim budynkiem mieszkalnym.

Inwestycja w Katowicach, polegająca na wykonaniu kilkunastokondygnacyjnego budynku z dwoma poziomami podziemnymi.

Zgodnie z dostępnym rozpoznaniem, podłoże w poziomie posadowienia stanowiły nasypy niebudowlane oraz skała rodzima w postaci piaskowców i mułowców. W strefie występowania podłoża skalnego zaprojektowano posadowienie bezpośrednie, a w strefie nasypów niebudowlanych wzmocnienie podłoża w technologii kolumn betonowych.

W trakcie prowadzenia robót ziemnych doszło do wystąpienia zapadlisk w zakresie występowania rodzimego podłoża skalnego.

W pierwszej kolejności podjęto decyzję o wykonaniu badań geofizycznych, które wykazały występowanie anomalii, potencjalnie wskazujących na istnienie pustek w podłożu. Poniżej przedstawiono mapę anomalii.

Główna koncentracja anomalii znajdowała się pod wysoką częścią budynku dlatego w celu bezpiecznego jego posadawiania zdecydowano się na wykonanie wierceń kontrolnych (poszukiwawczych) w miejscach napotkanych anomalii. Otwory wiertnicze równocześnie miały spełniać funkcję otworów zatłaczających w przypadku napotkania pustki. Takie podejście realizacyjne generuje znaczną oszczędność czasową i uzasadnione jest ekonomicznie.

Finalnie wykonano odwierty do głębokości ok. 25,0-30,0m w siatce 10,0 x 10,0m. Zrealizowane otwory potwierdziły występowanie pustek na kilku poziomach, większość na głębokości ok. 7,0-9,0m. W trakcie wiercenia otworów równocześnie prowadzono zatłaczanie iniektu. Siatkę punktów dogęszczono w drugiej fazie wykonywania punktów iniekcyjno-kontrolnych, tak aby w strefie najbardziej obciążonej (pod najwyższą częścią budynku) rozstaw punktów wynosił ok. 5,0 x 5,0m.

Analiza zrealizowanych odwiertów oraz zakresu przeprowadzonego zatłaczania wskazuje, że zabezpieczane pustki w strefie skał piaskowca są skutkiem zapadających się wyrobisk górniczych zlokalizowanych na głębokościach ok. 30m, które „zasklepiając/zasypując” się na kolejnych poziomach wędrują ku powierzchni.

Istotnym aspektem, na który należy zwrócić uwagę jest monitoring powierzchni terenu oraz obiektów sąsiadujących podczas wykonywania prac zatłaczających. Z uwagi na iniektowanie materiału podsadzkowego z reguły pod zadanym ciśnieniem konieczna jest dokładna kontrola i obserwacja terenu sąsiadującego z obszarem robót pod kątem uniesień/anomalii. Jeżeli zaobserwowane zostaną podobne objawy należy zmodyfikować wydajność tłoczenia i gęstość zaczynu.