Технология замораживания грунтов в строительстве

Обновлено: 05.10.2024

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Шуплик М. Н., Борисенко В. Н.

Технология искусственного замораживания грунтов с применением твердых криоагентов в подземном строительстве

Опыт и перспективы развития ресурсосберегающих технологий замораживания грунтов в городском подземном строительстве

Совершенствование технологии искусственного замораживания грунтов с использованием твердых криоагентов

Анализ и перспективы развития способа искусственного замораживания горных пород в подземном строительстве

В.Н. Борисенко, 2004

М.Н. Шуплик, В.Н. Борисенко

СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТВЕРДЫХ КРИОАГЕНТОВ

П последние годы способ искусственного замораживания грунтов находит все большее применение при строительстве городских подземных сооружений в сложных гидрогеологических условиях.

В городских условиях основной объем замораживания грунтов приходится на глубины до 30 м, в основном 11-20 м от поверхности земли. При замораживании грунтов на таких глубинах неизбежное влияние на процесс формирования ледогрунтового ограждения оказывает теплоприток со стороны земной поверхности, который в летнее время, как показывает практика, может превышать в 5-10 раз тепло-приток со стороны незамороженного массива.

Анализ опыта строительства коммунальных тоннелей в Москве показывал, что в 85 % всех случаев в радиусе до 3 м находились или наземные, или подземные коммуникации. Особую сложность при этом вызывает наличие в непосредственной близости от строящихся объектов теплотрасс, канализационных коллекторов и других коммуникаций, имеющих повышенную температуру (локальные источники тепла с температурой до 60 0С).

Специфика городского хозяйства оказывает воздействие на состав подземных вод. Зачастую подземные воды, подлежащие замораживанию, содержат примеси нефтепродуктов, растворы минеральных солей, что резко снижает температуру ледообразования, и на отдельных объектах она составляет - (10-15) 0С. Жизнедеятельность города влияет и на начальную температуру подземных вод, которая вблизи теплотрасс подземных коммуникаций достигает 20-25 0С.

В городском подземном строительстве ледог-рунтовые ограждения чаще всего выполняют роль противофильтрационной перемычки и реже грузонесущей, поэтому их создают незначительной толщины (0,8^1,1 м).

Все возрастающие объемы замораживания грунтов вблизи зданий, сооружений, под железными и автомобильными дорогами, с одной стороны, высокая стоимость, большая энерго-и материалоемкость этого процесса, с другой, приводят к необходимости решения крупной проблемы, направленной на обоснование и разработку параметров технологии замораживания грунтов в городских условиях, обеспечивающей ресурсосбережение, охрану окружающей среды и повышение техникоэкономических показателей подземного строительства.

Одним из путей достижения поставленной цели является обоснование и разработка принципиально новых мобильных способов замораживания грунтов с применением твердых криоагентов, позволяющих обеспечить ресурсосбережение. Под последним понимается снижение для замораживания заданного объема грунта электроэнергии, воды, труб и требуемого оборудования.

В качестве твердых криоагентов для замораживания грунтов могут быть использованы любые химические вещества, обладающие свойством сублимации, т.е. способностью переходить из твердого состояния в газообразное минуя жидкое, при низких отрицательных температурах.

ми использование других криоагентов, являются: для неона и аргона - трудность добычи, обусловленная малым содержанием этих газов в воздухе, для окиси углерода и аммиака - токсичность газов, для метана - повышенная вероятность взрыва воздушно-метано-вой смеси над колонками.

Фазовые превращения не сопровождаются химическими изменениями и являются физическим процессом. В процессе сублимации из окружающей среды поглощается относительно большое количество тепла при низкой температуре.

При нормальном атмосферном давлении (0,101 МПа) температура сублимации твердого диоксида углерода составляет -78,9 0С. При давлении ниже 0, 518 МПа (точка тройной фазы) диоксид углерода может находиться только в двух агрегатных состояниях - твердом или газообразном. При давлениях, превышающих 0,518 МПа, диоксид углерода в зависимости от температуры может находиться в любом из трех агрегатных состояний.

Физические свойства диоксида углерода подробно изложены в работе [1].

Остановимся на наиболее важных с практической точки зрения физических свойствах диоксида углерода как для твердого, так и для газообразного агрегатных состояний, так как обе эти фазы оказывают существенное влияние на процесс замораживания грунтов.

Основные свойства диоксида углерода в твердом и газообразном состоянии: Температура сублимации, К СС)

Давление сублимации, МПа 0,101

В твердом состоянии 1563

В газообразном состоянии 1,976

Теплоемкость, кДж/(кг* К):

В твердом состоянии 1,24

В газообразном состоянии 0,845

Удельная теплота сублимации, кДж/кг 574 Коэффициент теплопроводности в твердом состоянии, Вт/м*К 0,4.

С практической точки зрения наибольший интерес представляет величина удельной теплоты сублимации, т.е. количество теплоты, поглощаемое 1 кг твердого диоксида углерода в процессе сублимации. Как видно из приведенных выше данных, эта величина составляет 574 кДж/кг. С учетом поглощения тепла из окружающей среды газообразным диоксидом углерода до понижения температуры газа до 0 0С теплота сублимации (холодопроизводитель-ность) составляет 638 кДж/кг.

Твердый диоксид углерода обладает весьма важным и интересным с практической точки зрения свойством. Он хорошо растворяется в труднозамерзающих жидкостях, при этом в отдельных жидкостях в зависимости от соотношения количества

Рис. 1. Твердый диоксид углерода спрессованный в различные формы

3 мм гранулы 16 мм грану- куски различ-

смешиваемых веществ температуру смеси можно довести до -100 0С.

Газообразный диоксид углерод не горит и не поддерживает горения. При атмосферном давлении и нормальной температуре С02 является неактивным соединением, тяжелее воздуха примерно в 1,5 раза.

Источниками получения углекислого газа, идущего на производство жидкой углекислоты и твердого диоксида углерода, является природная углекислота спиртового брожения, получаемая на спиртовых, пивоваренных и лесогидролизных заводах, углекислота и углекислый газ химических производств (газонефтеочистительных заводов, заводов по производству синтетического аммиака), углекислота метанового и этанового брожения, углекислота дымовых газов топлива, углекислота естественных источников.

В последние годы получили распространение автономные сухоледные установки, работающие по каскадному циклу с использованием в качестве исходного сырья жидкий низкотемпературный диоксид углерода.

Анализ закономерностей изменения свойств твердого диоксида углерода в зависимости от внешних условий и воздействий позволяет обосновать и предлжить ряд новых технологических схем замораживания грунтов, принципиальные схемы.

Наиболее простая и распространенная тех-

Рис. 2 Установка ВР 407 для производства сухого льда в виде блоков, кусков, гранул (Аъсо)

Максимальная глубина замораживания определяется из условия, чтобы в самой нижней части колонки давление не превышало 0,518 МПа (давление тройной точки), которое получается при заполнении колонки на 35^40 м твердым диоксидом углерода. Газ диоксида углерода по мере его накопления поднимается вверх и, пройдя всю колонку по высоте, выбрасывается наружу. Колонка в верхней части должна быть открытой для свободного выхода газообразного диоксида углерода в атмосферу. Это требование вызвано тем, что в результате сублимации 1 кг твердого диоксида углерода образуется 500-800 л газообразного С02 и в случае герметизации колонки может резко подняться давление внутри ее, что может привести к разрыву колонки и резкому повышению температуры сублимации.

Для равномерного замораживания грунтов на заданную высоту уровень диоксида углерода в колонке должен поддерживаться примерно

постоянным, равным высоте замораживания.

Оценивая рассматриваемую технологическую схему с позиции эффективности теплообмена, следует заметить, что в колонке происходят сложные тепло-массообменные процессы. На участке расположения твердого диоксида углерода для получения минимально возможных температур замораживания необходимо стремиться к тому, чтобы был плотный контакт между диоксидом углерода и стенкой колонки, что позволяет добиваться отвода тепла от грунта по законам теплопроводности. При плотном контакте твердого диоксида углерода со стенкой колонки температура последней будет близка температуре сублимации

- 75^ - 78 0С. При отсутствии плотного контакта между криоагентом и стенкой колонки (что имеет место на практике) по поверхности стенки колонки сформируется паровая прослойка, которая может резко ухудшить условия отвода тепла и увеличить перепады между температурой стенки колонки и температурой сублимации диоксида углерода.

На участке колонки, где движется газообразный диоксид углерода, конвективный теплообмен между ним и грунтом может быть описан с помощью математического аппарата, справедливого для движения газа в цилиндрических трубах. Недостатком рассматриваемой схемы является сложность поддержания твердого диоксида углерода на заданной глубине и ограничение по глубине. Непостоянство уровня по глубине может привести к неоднородности формирования ледогрунтового ограждения или же непроизводительным потерям холода в верхних слоях грунта, не подлежащих замораживанию.

Применение твердого диоксида углерода в практике замораживания грунтов может быть расширено, если его использовать как промежуточный хладагент для охлаждения хладоно-сителя вместо замораживающей станции.

На рис. 3 приведена принципиальная технологическая схема замораживания грунтов, при которой твердый криоагент выполняет роль замораживающей станции и служит хладагентом.

Рис. 3. Технологическая схема замораживания грунтов с применением сухого льда в качестве хладагента: 1 - теплоизолированная емкость для хладоносителя;

2 — твердый диоксид углерода (сухой лед); 3 - изотермическая емкость; 4 - батарея труб; 5 - насос для циркуляции хладоносителя; 6 - питающий и отводящий трубопроводы

Как видно из рис. 3 предлагаемая схема аналогична рассольной схеме замораживания, в которой отсутствует компрессор и конденсатор. Холодоноситель из емкости 1 поступает в теплообменный аппарат 3, в котором охлаждается до заданной температуры. Из теплообменного аппарата холодоноситель попадает в магистральные трубопроводы 6, откуда перераспределяется по замораживающим колонкам. Для циркуляции холодоносителя предусмотрен насос 5. Циркулируя в колонках, холодоноситель отдает холод окружающему массиву и нагревается на 3-5 0С. Из замораживающих колонок холодоноситель по трубопроводу поступает в емкость, откуда движется на повторное охлаждение. Примерами холодоносителей,

применяемых при низких температурах, могут служить метиленхлорид (СН2СІ2), трихлорэти-лен С2НС13, этиловый спирт, ацетон, различные фракции перегонки нефти (керосин) и др. Наибольшее распространение в качестве холодоносителя получил водный раствор хлористого кальция СаС12.

Теплообменный аппарат представляет собой изотермический контейнер, в котором расположен змеевик 4. Змеевик состоит из медных труб. Остальное пространство в контейнере заполняем диоксидом углерода С02, называемый иногда сухим льдом. При контакте с поверхностью змеевика диоксид углерода сублимирует и в газообразном состояние выходит в атмосферу. По мере сублимации сухого льда производим догрузку.

При проектировании способа замораживания грунтов по данной технологии возникают проблемы, связанные с определением следующих параметров: энерго- и материалоемкости способа; режима движения хладоносителя в змеевике (ламинарный, переходный, турбулентный); площади поверхности змеевика;

Предлагаемая методика определения параметров вышеописанной технологии, основана на анализе практических данных и математическом описании конвективного теплообмена в горизонтальных трубах.

Исходными данными для проектирования технологии являются следующие параметры:

- хладопроизводительность установки, ккал/ч;

- диаметр труб змеевика, м;

- коэффициент теплопроводности хладоносителя X, ккал/(мхчхград);

- изобарная теплоемкость хладоносителя Ср, ккал/(кгхград);

- кинематическая вязкость хладоносителя v, м2/с;

- плотность хладоносителя у, кг/м3.

Расчетная схема приведена на рис. 4.

Для определения площади поверхности теплообмена в аппарате используем уравнение теплового баланса. Изменение энтальпии хо-лодоносителя вследствие теплообмена определяется соотношением:

где G - расход массы, кг/ч; i - удельная энтальпия, ккал/кг.

Полагая, что Ср = const и di = Cp dt, имеем

После интегрирования получим: Q =

GxCpx(t2 - t1), где t1, t2 - температура холодо-

носителя соответственно на входе и выходе в теплообменный аппарат.

Расход хладоносителя находим по формуле:

О = Q / Срх Д 1 ху, ккал/ч.

Определим скорость холодоносителя по формуле:

где Б - площадь сечения трубы, м2.

Найдем критерий Рейнольдса и Прандтля:

Яе = Uxd / у; Рг = V / а = ухСрху / %.

В зависимости от значений Яе и Рг определяем коэффициент конвективного теплообмена (ак). Например, для развитого турбулентного режима:

ак = 0,022х^хЯе0,8хРг0,4 / d, ккал / (м2хчхград);

для ламинарного движения: ак = 8,63хХ0,7ху0,2хСр0,3х(р/и)0Дх

х((ухи)0,2М0,5)х АI;0,1, ккал/(м2хчхград),

где Р - коэффициент объемного расширения жидкости, 1/град, и - периметр сечения, м.

Используя зависимость, 0 = (12 - 11^)/(11 --^р) = ехр(- акхЕзм / (ОхСрху)), находим площадь поверхности змеевика из выражения:

Езм = (1и(0)хОхСрХу) / (-ак).

где 11р - температура поверхности трубки змеевика.

Общая длина трубы змеевика составит:

Расход хладагента (сухого льда) определим из выражения:

где а - удельная теплота сублимации, а = = 137,1 ккал/кг.

Время активного замораживания (т) определяем из уравнения теплового баланса:

т = Q3 / - Qox)x24], сут,

где Q3 - количество холода, необходимое для замораживания, ккал; Qox - количество холода, необходимое для понижения температуры окружающих ледогрунтовое ограждение грунтов, ккал/ч.

Способ искусственного замораживания грунтов с применением твердого диоксида уг-

Рис. 4. Расчетная схема змеевика: tj, tj- температура хладоносителя соответственно на входе и выходе из теплообменного аппарата; G - объемный расход хладоносителя, м3/час.

К достоинствам способа следует отне-

2. Шуплик М.Н., Плохих В.А., Никифоров К.П., Киселев В.Н. Перспективы технологии заморажива-

сти простоту эксплуатации замораживающей станции; компактность; высокие темпы замораживания; относительно невысокую стоимость; незначительные энергозатраты; отсутствие потребности в воде; а к недостаткам - относительно большие сроки проведения подготовительных работ.

ния грунтов в подземном строительстве // Подземное пространство мира № 4, 2001.

3. Исаченко В. П., Осипова В. А, Сукомел А.С..

Теплопередача. - М., Энергия. 1975.

Шуплик М.Н - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет. Борисенко В.Н. - магистр, наук, Московский государственный горный университет.

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ИНСТИТУТГОРНОГО ДЕЛА - НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СО РАН

Шипеев Олег Васильевич Влияние режима выпуска руды из очистных блоков на напряженно-деформированное состояние массива 25.00.13 к. т. н.

Исследование, разработка и внедрение новой флотационной техники и технологии обогащения медноцинковых продуктов техногенного происхождения (на примере отвальных хвостов обогатительной фабрики и шлаков медеплавильного производства Среднеуральского медеплавильного завода)

Замораживание грунтов – искусственное охлаждение грунтов в естественном залегании до отрицательных температур с целью их стабилизации и достижения водонепроницаемости.

Замораживание грунтов применяется для создания временной прочной водонепроницаемой перемычки, преграждающей доступ воде или плывунным грунтам при производстве подземных сооружений в водоносных грунтах.

Максимальная глубина замораживания определяется из условия, чтобы в самой нижней части трубы давление не превышало 0,518 МПа. Газ диоксида углерода по мере его накопления поднимается вверх и, пройдя все трубу по высоте, выбрасывается наружу. Труба в верхней части должна быть открыта для свободного выхода газообразного диоксида углерода в атмосферу.

При замораживании грунтов рассольным методом подающийся хладоноситель ( соляной рассол) представляет собой высоконцентрированный раствор хлористого кальция, предварительно охлаждённый в испарителе холодильной машины до температуры -25 градусов С.

Хладоноситель с помощью насоса из испарителя подаётся в распределитель, к которому подсоединены подающие трубы и через них поступает в нижнюю часть этих труб, а затем восходящим потоком медленно поднимается вверх, отнимая тепло от окружающего массива грунта. Нагревшийся на 3-5 градусов раствор через отводящие трубы собирается в общий коллектор и по обратной связи рассольной сети вновь поступает в испаритель холодильной установки для повторного охлаждения до начальной температуры и т.д.

Подробнее о реализации объектов по технологии "Искусственное замораживание грунта" смотрите на странице Строительного подразделения ГК Буровые Технологии.

Сущность и область применения. Искусственное замораживание грунтов применяют в разнообразных инженерно-геологических условиях при наличии разнородных пластов водоносных грунтов с коэффициентами фильтрации не более 10 м/сут, а также в трещиноватых скальных грунтах, залегающих над толщей неустойчивых водоносных грунтов, с притоком подземных вод более 50 м/ч.

Иногда в качестве хладоносителя ипользуют раствор хлористого натрия, хлористого лития, углекислоту, фреон и др., которые, так же как и СаСЬ, не замерзают при низких температурах и не оказывают вредного воздействия на стальные трубопроводы и аппаратуру.

По мере циркуляции хладоносителя вода в порах грунта, окружающего каждую скважину, постепенно замерзает и образуются ледогрунтовые цилиндры радиусом 1-1,5 м. Отдельные ледогрунтовые цилиндры смыкаются между собой, создавая довольно прочную и абсолютно водонепроницаемую сплошную мерзлотную завесу, служащую ограждением, под защитой которого ведутся работы по проходке тоннеля.

Рис. 8.6. Конструкции замораживающих скважин при рассольном (а) и безрассольном (б) способах замораживания:

1 — направление движения рассола; 2 — замораживающая колонка;
3 — питающая труба; 4 — колонка для газообразного азота;
5 — колонка для жидкого азота; 6 — соединительная труба;
7 — входная труба; 8 — теплопроводное устройство; / — глубина скважины

При больших объемах работ может оказаться целесообразным применение вначале безрассольного способа замораживания с последующим поддержанием ледогрунтовой завесы рассольноциркуляционным способом.

К недостаткам безрассольного замораживания следует отнести большой расход жидкого азота (300-1200 кг на 1 м грунта) и высокую стоимость работ. В связи с этим низкотемпературное безрассоль- ное замораживание целесообразно применять в наиболее сложных градостроительных и инженерно-геологических условиях, а также для быстрой ликвидации внезапных прорывов грунтовых вод в подземные выработки. Вид мерзлотной завесы и схема расположения замораживающих скважин определяются способом строительства тоннеля, глубиной его заложения, характером городской планировки и застройки, а также инженерно-геологическими условиями.

При строительстве автотранспортных тоннелей открытым способом искусственное замораживание применяют для создания водонепроницаемого ограждения стен. Такое ограждение может устраиваться в сочетании со свайной крепью и служить только для защиты от проникания в котлован подземных вод или одновременно выполнять роль несущей конструкции, воспринимающей боковое давление грунта и воды и не требующей дополнительного крепления. Для замораживания стен котлована вертикальные скважины глубиной / располагают в один или два ряда вдоль бровок и заглубляют в водоупор на 2-3 м (рис. 8.7).

При замораживании стен котлованов прямоугольной в плане формы скважины забуривают по контуру длиной Ьо и шириной Во:

где L и В — длина и ширина котлована; 5 —- толщина ледогрунтовой стенки.

Смещение осей скважин относительно оси ледогрунтовой стенки обусловлено тем, что грунт со стороны сооружения промерзает быстрее, чем снаружи, причем примерно 0,65 приходится на внутреннюю, а 0,45 — на наружную сторону. При расположении скважин в два ряда шаг их по контуру внутреннего ряда С составляет 1-1,25 м, а внешнего С2 — 1,25—1,5 м; расстояние между рядами скважин ао= 2,5-3 м.

Толщину ледогрунтовой стенки определяют из условия ее прочности по формуле

где q_max — максимальная интенсивность горизонтального давления грунта и воды на стенку; у — удельный вес грунта.

Рис. 8.7. Схемы ледогрунтового ограждения котлована:

1 — ледогрунтовый массив; 2 — замораживающие скважины;
3 — контур котлована; 4 — водоупор; / - глубина скважин;

В — ширина ледогрунтового ограждения; a, cl, с2 — шаг скважин

При строительстве тоннелей закрытым способом также применяют контурное замораживание. Вертикальные или наклонные скважины забуривают с поверхности земли до водоупора вдоль оси тоннельной выработки таким образом, чтобы изолировать тоннель от проникания воды (рис. 8.8, а-д).

Рис. 8.8. Схемы ледогрунтовых завес при контурном замораживании грунтов вокруг выработок, сооружаемых закрытым способом (а-е):

1 — замораживающие скважины; 2 — водонасыщенный грунт;
3 — водоупор; 4 — контур выработки; 5 — ледогрунтовая завеса;
6 — вспомогательная подземная выработка (штольня)

Наклонные скважины применяют обычно при глубоком залегании водоупора, а также при расположении тоннелей вблизи фундаментов зданий или при наличии густой сети подземных коммуникаций. Бурение вертикальных и наклонных замораживающих скважин с поверхности земли неизбежно связано с нарушением поверхностных условий. Кроме того, приходится в большинстве случаев выполнять значительный объем буровых работ и замораживать излишние объемы грунта, особенно при глубоком заложении тоннеля. В связи с этим иногда скважины забуривают из вспомогательных подземных выработок, пройденных выше уровня грунтовых вод (рис. 8.8, е).

При проходке подземных выработок закрытым способом наиболее эффективным является горизонтальное замораживание грунтов, при котором замораживающие скважины располагают параллельно оси выработки или под небольшим углом. Вначале из забойного котлована по контуру тоннеля с небольшим наклоном к его оси устраивают замораживающие скважины с шагом 1 м на глубину 20-40 м. В скважины помещают замораживающие колонки, по которым циркулирует раствор СаСЬ, охлажденный до 233 К. После образования защитного ледогрунтового свода начинается проходка закрепленного участка тоннеля, причем забой не доводится до конца мерзлотной завесы на 3-4 м.

Рис. 8.9. Схема горизонтального замораживания:

1 — замораживающие скважины; 2 — ледогрунтовое ограждение;
3 — экскаватор; 4 — тоннельная машина; 5 — транспортер; 6 — думпер;
7 — камера; 8 — крепь из набрызгбетона

Для бурения скважин второй и последующих очередей устраивают камеры, уширяющие выработку. Из камеры забуривают скважины, размещая их по дуге окружности с углами соответственно ai=120° и (Х2=180 о . Таким образом, создается ледогрунтовый свод толщиной d= 1,5 и d = 2 м (рис. 8.9).

Способ горизонтального замораживания хотя и характеризуется значительной трудоемкостью, несколько ограничивает темпы проходки и требует больших материальных затрат, однако обеспечивает безопасность ведения работ, исключает сложные операции по укреплению фундаментов зданий, позволяет свести к минимуму нарушения условий уличного движения и избежать недопустимых осадок земной поверхности.

При проходке тоннелей в устойчивых сухих грунтах, подстилающих неустойчивые водоносные отложения, может оказаться целесообразным замораживание массива неустойчивых грунтов над кровлей выработки. Для этого применяют площадное замораживание, пробуривая с поверхности земли несколько рядов вертикальных или наклонных скважин (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Этапы площадного замораживания:

1 — устройство колонок; 2 — замороженный грунтовый массив

Прочность ледогрунтового ограждения зависит от температуры замораживания и от вида грунтов. Так, замороженные до 248 К водонасыщенные пески приобретают прочность до 18 МПа, а глинистые грунты — до 10 МПа. Ориентировочно предел прочности на сжатие замороженных грунтов можно определить по формуле

где Т — абсолютная температура замораживания, К;

Ял — предел прочности льда на сжатие, Rr = 2 МПа.

При разработке проекта замораживания производят также расчет необходимой хладопроизводительцости замораживающей станции и времени активного замораживания, используя данные технических условий. По результатам расчетов подбирают компрессоры, холодильное и насосное оборудование.

Технология работ и применяемое оборудование. Работам по искусственному замораживанию предшествует бурение скважин, монтаж трубопроводов и холодильного оборудования. Для бурения вертикальных замораживающих скважин применяют буровые станки типа УРБ-2А-2Д, УРБ-2А-2, АРБ-2ДЗ, RB-50 (Германия) и др. Бурение наклонных скважин производят специальными станками с обязательной установкой направляющих труб-кондукторов. Последние обеспечивают точное направление бурения и изолируют замораживающие колонки на участках зонального замораживания. Отклонения от проектного положения при бурении вертикальных скважин не должны превышать 1%, а наклонных — 2% их длины. Наряду с бурением скважин применяют погружение замораживающих колонок с использованием гидроподмыва, виброударного способа, задавливания гидродомкратами и пр., что сокращает продолжительность работ.

При рассольном способе замораживания охлаждение рассола до требуемой температуры производят преимущественно на стационарных замораживающих станциях, в состав которых входят компрессор, конденсатор, испаритель, регулирующий вентиль, насосное оборудование, система трубопроводов и пускорегулирующая аппаратура. Для сжатия аммиака применяют горизонтальные и вертикальные одно- или двухступенчатые аммиачные компрессоры типа АУ-200, АУ-300, АУ-400, 4АУ-15, Frascold (Италия), Hangbell (Тайвань), ДАУ-50, ДАУ-80 и др.

Для искусственного замораживания грунтов на небольших участках взамен стационарных замораживающих станций применяют передвижные замораживающие установки. При этом отпадает необходимость монтажа и демонтажа громоздкого холодильного оборудования, устройства мощных фундаментов и т.п.

Для транспортирования рассола от замораживающей станции к скважинам и обратно прокладывают распределительные и обратные трубопроводы, которые обычно заглубляют в траншеи или в подземные галереи, защищая от солнечных лучей. Замораживающие колонки подключают к рассольной сети по параллельной или последовательной схеме. В первом случае все колонки подключают одновременно, что ускоряет процесс замораживания, не требует больших энергетических затрат. Последовательную схему, при которой осуществляется поочередное подключение замораживающих колонок, целесообразно и экономично применять при проходке протяженных тоннелей с периодическим подключением новых и отключением использованных колонок.

При безрассольном способе замораживания отпадает необходимость в замораживающей станции и не требуется прокладка трубопроводных сетей. Жидкий азот получают в ректификационных машинах из окружающего воздуха сжижением и последующим разделением его на кислород и азот. Газообразный азот снова сжижают и помещают в специальные емкости. Жидкий азот доставляют на строительную площадку в автоцистернах и сливают в накопительные резервуары, откуда его подают по теплоизолированным трубопроводам в замораживающие скважины.

Существуют два режима искусственного замораживания: активный и пассивный. Активное замораживание, при котором образуется ледогрунтовая завеса, выполняют до проходки выработки. В процессе проходки устанавливают пассивный режим замораживания для поддержания расчетной толщины завесы. При этом хладопроизводитель- ность замораживающей станции составляет порядка 30-35% ее расчетной производительности. В период активного и пассивного замораживания грунтов производят систематические наблюдения за уровнем грунтовых вод и за температурой грунтового массива, используя для этого специально пробуренные гидрогеологические и термометрические контрольные скважины. Кроме того, измеряют температуру охлаждающего рассола в замораживающих колонках, на прямой и обратной линиях рассолопровода.

В зависимости от инженерно-геологических условий, вида тоннеля и способа его строительства применяют различные технологические приемы рассольного замораживания грунтов. Так, при залегании по глубине тоннеля разнородных слоев грунта с различным содержанием воды применяют дифференцированное замораживание, позволяющее получить равномерное по толщине ледогрунтовое ограждение в одинаковые сроки. Для этого забуривают замораживающие скважины разной глубины или располагают их с неодинаковым шагом. Применяют также замораживающие колонки различного диаметра, выполняя их с гладкой или ребристой поверхностью. Кроме того, используют питающие трубы переменного сечения, изменяя скорость движения хладоносителя в различных грунтах.

Весьма эффективным является зональное замораживание грунтов, основанное на неодинаковой степени замораживания залегающих грунтов при разном положении горизонта грунтовых вод. При этом применяют обычное оборудование, состоящее из питающей и отводящей труб (рис. 8.11, а). В нижней части колонки, заполненной хла- доносителем, создается рабочая зона, где имеет место более интенсивный теплообмен между колонкой и окружающим грунтом, чем в верхней нерабочей зоне. Рабочая зона колонки отделяется от нерабочей сплошной диафрагмой, а между питающей и отводящей трубами в нерабочей зоне создается воздушное теплоизоляционное пространство. При этом в пределах рабочей зоны грунт промерзает до расчетной температуры, а на участке нерабочей зоны температура его выше расчетной. Таким образом, уменьшаются затраты холода, сокращаются сроки и стоимость замораживания. Зональное замораживание целесообразно применять, в частности, при расположении замораживающих скважин вблизи подземных коммуникаций или сооружений, грунт вокруг которых не должен подвергаться интенсивному замораживанию.

При пересечении подземной выработкой отдельных прослоек водонасыщенных грунтов оказывается эффективным локальное замораживание, при котором замораживающие скважины забуривают непосредственно из забоя выработки. Глубина скважины определяется мощностью неустойчивых грунтов, которые подвергаются замораживанию.

Рис. 8.11. Конструкции замораживающих скважин при зональном (а), перманентном (б) и ускоренном (в) замораживании:

1 — отводная труба; 2 — питающая труба; 3 — внутренняя труба;
4 — неподвижное кольцо; 5 — подвижное кольцо; 6 — сальник; 7 — стакан; 8 — замораживающая колонка; 9 — рассол; 10 — участок замораживания; 11 — участок оттаивания; 12 — цилиндр; 13 — трос; 14 — турбулизатор

Для сокращения продолжительности замораживания грунтов, уменьшения избыточного ледовыделения и предотвращения пучения глинистых грунтов предназначен способ перманентного замораживания. При этом способе охлаждение грунтов происходит по мере углубления выработки. Для этого в заранее пробуренную скважину опускают колонку и помещают в нее полый, герметически закрытый стальной цилиндр с питательными трубками, по которым циркулирует хладоноситель (рис. 8.11, б). Внутрь замораживающей колонки подают теплопередающий раствор с низкой температурой замерзания.

Заполненный хладоносителем цилиндр подвешивают на тросе в замораживающей колонке и перемещают вниз с некоторым опережением фронта земляных работ. При этом происходит постепенное и равномерное замораживание отдельных слоев грунта. Длина цилиндра изменяется в зависимости от сроков активного замораживания и не должна превышать расстояния от поверхности земли до водоупорного слоя. При этом фронт замораживания перемещается параллельно с разработкой грунта в забое выработки.

Ускорение сроков активного замораживания может быть достигнуто также использованием специальных колонок с турбулизаторами потока хладоносителя (рис. 8.11, в). При этом в колонке создается турбулентный режим движения рассола, что приводит к увеличению холодоотдачи от хладоносителя стенкам скважины. Воздушные тур- бохолодильные установки ТХМ1-75, ТХМ1-200 обеспечивают охлаждение воздуха до 220-130 К в течение нескольких часов.

После возведения и гидроизоляции тоннеля окружающий грунт постепенно оттаивает и восстанавливаются условия, существовавшие до замораживания грунтов. Естественное оттаивание обычно происходит в 4-5 раз медленнее, чем активное замораживание. При этом возможны осадки дневной поверхности, которые могут повлечь за собой деформации поверхностных зданий и сооружений. Поэтому естественное оттаивание применяют, главным образом, при строительстве тоннелей глубокого заложения.

В большинстве случаев устраивают искусственное оттаивание грунта, которое должно быть непрерывным и равномерном как по длине, так и в пределах поперечного сечения подземного сооружения. Искусственное оттаивание осуществляется подачей в замораживающие колонки пара или нагретого до температуры 323-343 К раствора хлористого кальция. Температуру раствора повышают постепенно, на 2. 3 Кв сутки, чтобы не повредить соединения трубопроводов и замораживающих колонок. После извлечения обсадных труб и замораживающих колонок скважины должны быть тщательно затампониро- ваны глиной, цементным или известковым раствором.

Существенная экономия и сокращение потерь холода достигаются при замене стальных питающих труб полиэтиленовыми диаметром 32 мм со стенками толщиной 2-2,5 мм. При этом повышается эффект замораживания в связи с возрастающей приблизительно на 30% холо- доотдачей.

В процессе замораживания и оттаивания грунтов в окрестности тоннельного сооружения выполняют непрерывный мониторинг температуры мерзлотной завесы, ее сплошности, уровня грунтовых вод и др.

В настоящее время сложилась комплексная система контроля образования и состояния ледогрунтовых ограждений, включающая:

• температурные измерения в массиве грунтов (измерения температуры грунта в термометрических скважинах, пробуренных на проектных границах ледогрунтового ограждения);
• акустические измерения в контуре ледогрунтового ограждения (контроль сплошности ледогрунтового ограждения методом межскважинного акустического просвечивания МАП или ультразвуковым методом УМ);
• гидрогеологические наблюдения (контроль излива из гидрогеологической скважины, пробуренной внутри контура ледогрунтового ограждения).

Дальнейшее развитие техники и технологии искусственного замораживания грунтов связано с совершенствованием как рассольного, так и безрассольного способа замораживания, применением новейшего оборудования и снижением влияния последствий оттаивания грунта на окружающий тоннель грунтовый массив, находящиеся поблизости здания, сооружения, инженерные коммуникации и др.

Статья рассматривает различные способы заморозки грунта для строительства. Анализируются все достоинства и недостатки описываемых технологий, на основе приведенных данных определяется область использования тех или иных способов заморозки грунтов для подземного строительства.

Ключевые слова: способы заморозки грунта,рассольный метод,низкотемпературное азотное замораживание, твердые криоагенты, сухой лед, хладоноситель, пучение грунта, сублимация, плывун

Современные темпы развития социального и научно-технического прогресса, рост численности населения мира ставит перед собой непосредственную задачу развития подземных и наземных объектов различного назначения.

Территория России затрагивает различные погодные и природные условия, поэтому перед строительством ставится непосредственная задача использования оптимальных способов производства работ, особенно если рядом уже есть построенные сооружения или под землей проходят коммуникации. Это обуславливается сложными горно-геологическими условиями, характеризующимися неустойчивыми грунтами и течением подземных вод.

Предмет исследования данной статьи — различные технологии заморозки грунта. Решающим фактором выбора технологии может являться стабильность грунта и уровень грунтовых вод, поэтому применяется специальная технология по производству определенных работ. В мировой практике чаще всего используют заморозку грунта путем искусственной заморозки.

Искусственная заморозка грунта имеет разные способы проведения данных работ. Существует два практических способа, которые применяются в мировой практике уже давно [2, 5]. Нами рассматривается экспериментальный способ заморозки, который подразделяется на:

‒ замораживание грунта рассольным способом;

‒ низкотемпературное замораживание грунта с использованием жидкого азота;

‒ замораживание грунта с применением твердых криоагентов в подземном строительстве.

Каждый из данных способов является уникальной технологией, предназначение каждого из данных способов различно. Эти способы имеют плюсы и минусы.

В технологии замораживании грунта рассольным способом применяют для заморозки холодильный агент. В качестве хладагента применяют охлажденный водный раствор хлористого кальция (рассол). Данный рассол обладает свойством оставаться жидким даже при отрицательных температурах. Этот водный раствор, охлажденный на замораживающей станции, по системе труб попадает к замораживающим колонкам, в предварительно пробуренных скважинах [4, 5].

Рис. 1. Установка для замораживания грунтов рассольным методом: а) — схема циркуляции раствора; б) — схема замораживающей станции; в) — конструкция замораживающей колонки; 1 — рассольный бак; 2 — обратный рассолопровод; 3 — термометр; 4 — водомер; 5 — манометр; 6 — коллекторное кольцо; 7 — отводящая труда; 8 — замораживающие колонки; 9 — питающая труба; 10 — кран; 11 — распределительный рассолопровод; 12 — прямой рассолопровод; 13 — насос; 14 — конденсатор; 15 — аммиачный компрессор; 16 — испаритель; 17 — регулирующий вентиль; 18 — головка замораживающей колонки

Для осуществления данного способа заморозки вырывается скважина, заглубленная на 2–5 м водоупорного грунта, в которую вставляется замораживающая труба. В данную трубу вставляется питающая труба, которая не доходит до дна замораживающей трубы на 40–50 см, с открытым нижним концом. Замораживающие колонки по специальной системе соединяют с питающими трубами, по которым в свою очередь подается рассол.

Данный рассол охлаждается на замораживающей станции. Охлаждает рассол аммиачная система, предназначенная для охлаждения рассола. Циркуляцию рассола в данной системе обеспечивает рассольная система. После того как охлажденный рассол попадает в систему замораживающих труб, которые охлаждают грунт путем теплообмена [1].

Этот способ имеет ряд преимуществ. Например, он обеспечивает возможность проводить работы в водоносных грунтах любого характера (глинистые породы грунта или кавернозными грунтами); после завершения работ грунт возвращается в первоначальное состояния без каких-либо изменений, не наносится экологический вред. Конечно же, данный способ хорошо изучен, изучены поведение и нестационарные процессы при работе с различными грунтами.

Способ имеет недостатки: длительный период заморозки; в связи с тем, что происходит заморозка, грунт сильно переувлажняется; во время работ происходит сильное пучение грунта[1]; данная технология может применяться только в герметичных трубах, иначе произойдет экологическое загрязнение; при работе с данной технологией летом, нужно оградить грунт от попадания на него солнечных лучей; и при разработке проекта с использованием данной технологии нужно обеспечить защитить уже существующих сооружений или коммуникаций.

Другой метод, это низкотемпературное замораживание с использованием жидкого азота. В данной технологии варьируется другой хладагент, в состав которого входит жидкий азот, причем его температура испарения намного превышает рассол.

Рис. 2. Схема низкотемпературного азотного замораживания: 1 — подводящая труба; 2 — труба для отвода испарившегося азота; 3- стальной оголовок замораживающей колонки

Данный способ простотой, но при этом схож с рассольным методом. В нем жидкий азот доставляют на площадку сразу в цистернах, далее их подключают к замораживающим колонкам. Жидкий азот поступает в питающую трубу, которая стоит внутри замораживающей колонки. После прохода через питающую трубу жидкий азот оказывается внутри самой колонки и испаряется, поступая в питающую трубу соседней колонки. Так как этот процесс является цикличным, то дойдя до последней трубы и совершив процесс заморозки, жидкий азот поступает в атмосферу в виде испарений.

Положительные качества этого метода заключаются в том, что жидкий азот используют только однократно и его не нужно держать строго в замкнутой системе. После проведения всех работ его выпускают в атмосферу, а при попадании в грунт, он не загрязняет почву. Жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен. Технология не требует наличие громоздких замораживающих станций [2].

Отрицательные качества — пучение грунтов, что приводит к увеличению объема грунта; сложные подготовительные работы; длительный процесс замораживания; в теплое время года место проведения работ нужно защищать от попадания солнечных лучей; стоимость проведения таких работ очень высока, в связи со стоимостью главного агента (жидкий азот).

Рис. 3. Схема замораживания грунтов с применением сухого льда: 1 — резервуар; 2, 3 — входное отверстие; 4 — выходное отверстие для подачи хладоносителя; 5 — выходное отверстие для подачи твердого криоагента; 6 — насос; 7 — замораживающие колонки; 8 — трубопровод

Как и в других способах, вырываются скважины, в которые устанавливаются замораживающие колонки с питающей трубой. Она подсоединена к резервуару с жидким хладоносителем и твердым криоагентом. В результате совместного нахождения жидкого хладоносителя и твердого криоагента происходит сублимация криоагента и интенсивное охлаждение хладоносителя. После охлажденния хладоноситель поступает в замораживающие колонки, где происходит теплообмен с грунтом [2].

К достоинствам способа следует отнести: компактность всей установки; высокие темпы замораживания за счет увеличения площади поверхности теплообмена хладоносителя с твердым криоагентом.

К недостаткам — большие сроки проведения подготовительных работ; сложность контроля заполнения скважин сухим льдом по глубине; высокая стоимость хладоносителя; во всех случаях, нужно защищать место проведения работ от попадания солнечных лучей во избежание обратного процесса (оттаивания).

Заключение

Каждый из этих способов стоит применять в разных случаях. Рассольный способ более универсален, поэтому его можно применять для предотвращения притока воды в подземных выработках. Он так же применим ко всем видам грунта. Замораживание возможно на различных глубинах и при различной степени водонасыщенности грунтов. Так как способ хорошо изучен, его можно применять в любых масштабах: как на ограниченных, так и больших площадях.

Азотное замораживание является очень дорогостоящим, поэтому данная технология используется при ликвидации прорывов и плывунов[3] в горных выработках, а также при выполнении срочных работ в водоносном грунте.

Заморозка сухим льдом является наиболее адекватной в условиях строительства подземных сооружений в плотном городском массиве.

Искусственное замораживание грунта — универсальный способ проведения работ, в особенности в водоносных грунтах. Но в разных условиях необходима корректировка и адаптация технологий. Все вышеперечисленные технологии являются наиболее востребованными и изученными.

[1] Пучение грунта - это изменение объема почвы в следствии промораживания почвы

[2] Сублимация - способность переходить из твердого состояния в газообразное минуя жидкое состояние, при низких отрицательных температурах

[3] Плывун - грунт перенасыщенный водой, в частых случаях смесь песка или супесь

Основные термины (генерируются автоматически): жидкий азот, питающая труба, замораживающая колонка, сухой лед, грунт, замораживание грунта, замораживающая станция, работа, рассольный метод, рассольный способ.

Ключевые слова

способы заморозки грунта, рассольный метод, низкотемпературное азотное замораживание, твердые криоагенты, сухой лед, хладоноситель, пучение грунта, сублимация, плывун

Москва меняется

Как строили метро - заморозка грунта

Уже в 30-е годы прошлого века, когда в столице строилось первое метро, метростроители столкнулись с очень непростыми гидрогеологическими условиями. Тогда же была применена система от обрушения грунта и других типичных проблем, угрожающих тоннелям, которая по сей день считается одной из самых продуманных и надежных. Речь идет о заморозке грунта, основанной на простой, но эффективной системе.

Этот способ, возможно, принесен к нам из Сибири, где в зимнюю стужу старатели уже давным-давно специально промораживали заливаемые водой шахты, чтобы ускорить их проходку.

Он состоит в том, что место работ отгораживается от общей массы водоносного грунта стеной из мерзлоты. Замороженный грунт в метр-два толщиной при температуре -12 градусов практически выдерживает любое давление горных пород и прекрасно противостоит проникновению грунтовых вод. Но как заставить холод спуститься под землю? Это достигается с помощью искусственных приспособлений из специальных холодильных машин.

Холодильная машина основана на том, что хладогент (жидкий аммиак, фреон и т.д.), который из цистерн пускают в подготовленные замораживающие колонки, при своем испарении отбирает у окружающей среды теплоту. Его пары вновь сжижаются с помощью компрессора и конденсатора, а холод, образовавшийся в испарителе, идет на охлаждение незамерзающего рабочего рассола хлористого кальция. Рассол при температуре -25 градусов поступает в охлаждающую систему. Для ее установки по контуру выработки пробуриваются скважины диаметром 150-200 миллиметров на расстоянии 1 метра друг от друга. В скважины опускаются замораживающие колонки, состоящие из двойных труб. Замораживающий рассол поступает по средней трубе, а по наружной трубе после естественного нагрева в грунте на несколько градусов возвращается в холодильную машину. Таким образом, циркуляция рассола происходит непрерывно.

Примерно через месяц работы холодильной машины грунт вокруг отдельных замораживающих колонок смерзается в монолитную массу, защищающую место выработки от проникновения грунтовых вод и осыпания стенок.

Теперь холодильная машина должна лишь поддерживать кольцо мерзлоты, до тех пор, пока не будут произведены выработка и закрепление ее стенок.

Более современный способ - низкотемпературное замораживание с использованием жидкого азота. Он представляет собой бесцветную жидкость, температура испарения которой очень низка (при атмосферном давлении она равна —195,8 С).

Получают жидкий азот на специальных заводах путем сжижения атмосферного воздуха при низких температурах и последующего разделения его на жидкий азот и кислород, имеющие разные температуры испарения. Жидкий азот транспортируют в специальных емкостях (танках).

В отличие от других промышленных хладагентов (аммиака, фреона), которые можно использовать только в замкнутой системе холодильной установки, жидкий азот используют однократно (испаряющийся газ выпускают в окружающую среду).

Способ низкотемпературного замораживания с применением жидкого азота обладает рядом преимуществ по сравнению с обычным (рассольным) замораживанием. При замораживании жидким азотом не нужны замораживающие станции, а также сети трубопроводов. Доставленный на стройплощадку жидкий азот из цистерн пускают сразу в замораживающие колонки. Скорость замораживания увеличивается, что особенно важно при больших скоростях фильтрации грунтовых вод, а также при поступлении термальных и минерализованных вод. На замораживание 1 м3 грунта с содержанием воды до 30% расходуется 1000 л жидкого азота. Жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен и нетоксичен.

Однако оба этих способа в последнее время применяются достаточно редко. Жидкий азот – удовольствие недешевое, к тому же на заморозку уходит более месяца. А задача нынешних метростроевцев, которые реализуют беспрецедентную для России программу развития метрополитена, строить недорого и быстро. Поэтому заморозка сегодня используется лишь при проходке наклонных эскалаторных тоннелей.

Технология появилась практически одновременно в трех странах - Японии, Италии, Англии. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в течение последнего десятилетия она мгновенно распространилась по всему миру.

Устройство свай из грунтобетона выполняется в два этапа: производство прямого (бурение скважины) и обратного хода буровой колонны. В процессе обратного хода производят подъем колонны с одновременным ее вращением.

С помощью Jet Grouting получают очень прочный котлован, строят надежные основания под любые строения. В шахматном порядке создают свайное поле, одна свая перекрывает другую и получается монолит – скала. И на ней можно строить что угодно. Эта технология особенно эффективна, когда приходится возводить объекты в песчаном грунте, в мягкопластичной глине или в других мягких грунтах.

Благодаря этим технологиям, сегодня метростроевцы могут работать в самых сложных геологических условиях, прокладывая тоннели, которые приводят метро в новые районы столицы.

Читайте также:

Технология замораживания грунтов в строительстве

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Шуплик М. Н., Борисенко В. Н.

Ключевые слова

Похожие статьи

Изменение пористости карбонатных пород под влиянием.

Исследование работы сезоннодействующего термостабилизатора.

Компрессорная контейнерная установка для сезонно действующих.

Расчет флюидизационного аппарата для заморозки зеленого.

Использование торфа и торфогеля как органического удобрения

Применение термостабилизаторов грунта на магистральных.

Анализ работоспособности грунтовой плотины в криолитозоне

Разрушение кимберлита при циклическом. | Молодой ученый

Москва меняется

Как строили метро - заморозка грунта