Главная Минимаркер Мосты и тоннели Минимаркер Строительство тоннелей и метрополитенов Минимаркер Способ искусственного замораживания грунтов

Способ искусственного замораживания грунтов

Страница 2 из 6

Этот способ широко применяют для временного придания грунтам прочности и предотвращения притока воды в подземные выработки. Способ достаточно универсален и применим для всех типов рыхлых, связных и сыпучих грунтов, а также полускальных и скальных грунтов. Искусственное замораживание возможно на различных глубинах, при различной степени водонасыщенности грунтов. С его помощью можно замораживать массивы грунта как ограниченной формы, так и на больших площадях.

Сущность способа проходки в искусственно замороженных грунтах состоит в создании из замороженного грунта временного ограждения (кругового, прямоугольного или иного очертания), препятствующего проникновению грунтовой воды или водоносных неустойчивых грунтов в выработку при выполнении проходческих работ.

Создают такое ограждение следующим образом (рис, 3.1). До начала проходческих работ вблизи контура выработки (1) через толщу водоносных грунтов бурят скважины (2), заглубляя их в водоупорной слой (4), на глубину h = 2÷3 м. В скважины опускают замораживающие трубы – колонки. Через колонки прокачивают охлажденную до низких температур жидкость или нагнетают в них сжиженные газы с низкой температурой испарения.

Схема образования льдогрунтового ограждения

Рис. 3.1 – Схема образования льдогрунтового ограждения

В результате постоянного притока холода в замораживающие колонки находящаяся в грунте вода замерзает и вокруг каждой колонки образуются льдогрунтовые цилиндры (3), с постепенно увеличивающимся радиусом R. Со временем эти цилиндры смыкаются в единое льдогрунтовое ограждение толщиной В.

Замороженные грунты резко изменяют свои первоначальные физико-механические свойства (прочность на сжатие и растяжение, сцепление, сдвиг, упругость и т. д.).

В зависимости от способа передачи холода от хладообразующего агрегата в замораживающую колонку различают две схемы замораживания: рассольную и безрассольную.

При рассольной схеме холод от хладообразующего агрегата передают в замораживающую колонку посредством циркулирующей между ними жидкости – хладоносителя. В каждую колонку (рис. 3.2) опускают питающую трубу (6) с открытым нижним концом, который не доходит до дна замораживающей колонки на 400–500 мм. Питающую трубу подключают к распределительному коллектору (3), по которому подают хладоноситель. Отобрав тепло от окружающего грунта, хладоноситель по отводящей трубе (5) поступает в обратный коллектор (1), а оттуда на повторное охлаждение. Для выключения замораживающей колонки из работы на питающей и отводящей трубах установлены запорные краны (2) и (4). В замораживающих колонках могут быть установлены специальные диафрагмы (7), которые ограничивают циркуляцию хладоносителя в колонке до определенной высоты. Это позволяет замораживать грунт только в нижней части колонок. Такие колонки называют колонками зонального замораживания.

Схема обычной замораживающей колонки (а) и колонки зонального замораживания (б)

Рис. 3.2 – Схема обычной замораживающей колонки (а) и колонки зонального замораживания (б)

В качестве хладоносителя используют водные растворы солей, получившие название рассолов. В практике замораживания наибольшее распространение получил водный раствор хлористого кальция. Рассолы достаточно дешевы и легко могут быть приготовлены в условиях строительной площадки. Однако им свойственны недостатки: они агрессивны но отношению к льдогрунтовому ограждению и в случае утечки из колонок разрушают его, приводя к прорыву плывуна в выработку; кроме того, их можно охлаждать только до температуры –20÷25°С. В тех случах, когда необходимо понизить температуру хладоносителя, т. е. сократить время на образование льдогрунтового ограждения, вместо рассолов следует применять жидкости, не замерзающие при более низких температурах – этиленгликоль или фреон-30. Эти жидкости допускают охлаждение до температуры –35°С, кроме того, при утечке из колонки они не разрушают льдогрунтовое ограждение.

При безрассольной схеме охлаждение скважин происходит непосредственно хладообразующим веществом – хладагентом – без хладоносителя. Процесс замораживания при этом осуществляется за счет непосредственного испарения хладагента в замораживающих колонках. В качестве хладообразующих веществ используют аммиак, фреон-143, углекислоту и азот. Температура испарения их при атмосферном давлении составляет: аммиака –33,4°С, фреона –143÷47,6°С, углекислоты –35°С, азота –195,8°С.

Наиболее эффективным хладагентом является жидкий азот, поскольку он обладает самой низкой температурой испарения. Время замораживания грунта жидким азотом сокращается по сравнению с рассольным способом в 8–9 раз. Повышенная прочность льдогрунтового ограждения (из-за более низкой температуры грунта) позволяет уменьшить его толщину, а следовательно, дополнительно сократить время, необходимое на образование такого ограждения. Для замораживания применяется простое в монтаже и легко транспортируемое оборудование. Жидкий азот доставляют на объект в специальных емкостях – танках вместимостью до 38 м3, смонтированных на шасси автомобиля.

Для замораживания грунтов жидким азотом могут быть использованы замораживающие колонки такой же конструкции, что и при рассольном.

Несмотря на указанные преимущества, замораживание жидким азотом осуществляют в настоящее время довольно редко. Это объясняется сравнительно высокой стоимостью жидкого азота (40–50 руб. за 1 т) и значительным его расходом на замораживание 1 м3 грунта (0,8–1 т). В связи с этим замораживание грунтов жидким азотом можно считать целесообразным при ликвидации внезапных прорывов воды или плывуна и при выполнении срочных работ в водонасыщенных грунтах.

В некоторых случаях может оказаться эффективным комбинированный способ замораживания: создание льдогрунтового ограждения с использованием жидкого азота и поддержание грунтов в замороженном состоянии в период строительства тоннеля с использованием рассольного способа.

Льдогрунтовые ограждения зоны сооружения тоннеля могут быть созданы по следующим основным схемам.

1. Сплошное замораживание массива вертикальными скважинами, пробуренными с поверхности по трассе выработки в несколько продольных рядов (рис. 3.3, а). По этой схеме вдоль трассы выработки с расстоянием от 1,5 до 2,5 м бурят систему вертикальных замораживающих скважин (1) для создания сплошного льдогрунтового массива, в пределах которого ведут проходку выработки (2). Глубину скважин назначают с таким расчетом, чтобы в основании тоннеля оставался замороженный слой (плита) толщиной а, способный выдержать гидростатическое давление. При наличии подстилающего водоупора (3) (рис. 3.3, б) скважины в наружных рядах заглубляют в этот водоупор, а остальные не доводят до контура тоннельной выработки, чтобы не промораживать грунт в ее сечении. При глубоком заложении выработки (рис. 3.3, в) следует ограничить льдогрунтовый массив по высоте с помощью колонок зонального замораживания (4).

Схемы сплошного замораживания массива вертикальными скважинами

Рис. 3.3 – Схемы сплошного замораживания массива вертикальными скважинами

2. Контурное замораживание скважинами, пробуренными с поверхности и заглубленными в водоупор. По этой схеме при проходке горизонтальных выработок (рис. 3.4, а) замораживающие скважины (1) пробуривают с поверхности по периметру прямоугольников, вытянутых вдоль трассы тоннеля и охватывающих контур выработки (2). Льдогрунтовое ограждение делит зону сооружения тоннеля на отдельные герметизированные отсеки. По мере продвижения забоя выработки грунт в очередном отсеке осушают, откачивая воду насосами через скважины.

Схемы контурного замораживания грунта

Рис. 3.4 – Схемы контурного замораживания грунта

По другой схеме контурного замораживания сооружают стволы и наклонные (эскалаторные) тоннели метрополитенов (рис. 3.4, б). В этом случае замораживающие скважины (1) бурят параллельно оси выработки на таком расстоянии от ее контура (2), чтобы после образования льдогрунтового ограждения грунт в сечении выработки остался незамороженным. Скважины заглубляют в водоупор (3) на величину h = 4÷6 м.

3. Замораживание системой наклонных скважин, образующих над тоннелем шатер из замороженного грунта (рис. 3.5). С помощью взаимно пересекающихся скважин (1) в толще водоносных грунтов создают водонепроницаемый контур за пределами сечения тоннеля (2). Направление и количество скважин в сечении зависят от наличия водоупорного пласта (3) и его расположения относительно выработки.

Схема замораживания грунта системой наклонных скважин при наличии водоупора вблизи выработки (а) и без него (б)

Рис. 3.5 – Схема замораживания грунта системой наклонных скважин при наличии водоупора вблизи выработки (а) и без него (б)

4. Замораживание с устройством льдогрунтовой плиты (рис. 3.6). Эту схему используют для создания надежной кровли из замороженного грунта (4) при расположении тоннеля (1) в непосредственной близости от дна водотока (2). С этой целью в открытый на дне водотока котлован укладывают секции замораживающих колонок (3) в несколько ярусов по высоте и засыпают песчаным грунтом.

Схема замораживания грунта с устройством льдогрунтовой плиты

Рис. 3.6 – Схема замораживания грунта с устройством льдогрунтовой плиты

5. Замораживание горизонтальными или наклонными скважинами, пробуренными непосредственно из забоя выработки (рис. 3.7, а) или из специальных выработок (рис. 3.7, б): штолен, котлованов, камер и т. п. Льдогрунтовое ограждение из забоя выработки может быть создано с применением горизонтальных замораживающих скважин (1), расположенных внутри контура выработки или же расходящимся пучком. При этом концы скважин должны быть заглублены в водоупор (2). В противном случае грунт необходимо проморозить по всему сечению выработки. В условиях плотной городской застройки скважины бурят из специальной пройденной над тоннелем штольни (3). Замораживание грунта из забоя выработок осуществляют с помощью передвижных замораживающих станций, располагаемых в тоннеле.

Схемы замораживания грунта из забоя выработки (а) и из вспомогательных выработок (б)

Рис. 3.7 – Схемы замораживания грунта из забоя выработки (а) и из вспомогательных выработок (б)

Выбор той или иной из указанных схем замораживания должен быть обоснован технико-экономическими расчетами.

При проектировании замораживания грунта расчетом должны быть определены: толщина льдогрунтового ограждения, расстояние между замораживающими скважинами и их количество, производительность замораживающей установки и время для создания льдогрунтового ограждения необходимой толщины.

Комплекс работ по замораживанию грунтов состоит из следующих этапов: бурение скважин и опускание замораживающих колонок; монтаж замораживающей станции и рассольной сети; замораживание грунтов и контроль за процессом замораживания; поддержание грунта в замороженном состоянии на период сооружения тоннеля; естественное или искусственное оттаивание грунтов; демонтаж замораживающей установки.

Затраты на искусственное замораживание грунтов зависят главным образом от объема замороженного грунта. С увеличением объемов работ стоимость замораживания 1 м3 грунта снижается. В среднем стоимость замораживания грунтов составляет от 5 до 20% стоимости основного сооружения.

В зависимости от свойств грунтов и длины замораживающих колонок они могут быть опущены в предварительно пробуренные скважины, непосредственно погружены, забиты или вдавлены в грунт, а также уложены по дну водотока и засыпаны грунтом.

После установки замораживающих колонок в них помещают питающие и отводящие трубы и монтируют замораживающую сеть. По окончании монтажных работ производят пробный пуск системы и приступают к работам по замораживанию грунтов.

Процесс замораживания состоит из двух периодов: периода образования льдогрунтового ограждения (активное замораживание) до начала проходки тоннеля и периода поддержания отрицательной температуры замороженного грунта до окончания работ по сооружению тоннеля (пассивное замораживание). В период активного замораживания к колонкам подают максимальное количество холода, а в период пассивного замораживания – количество холода, необходимое только для поглощения тепла, притекающего к замороженным грунтам от окружающих их незамороженных грунтов.

Для достижения высокого качества замораживания грунтов в процессе замораживания контролируют распределение температур в грунтах через термометрические скважины, расположенные на некотором расстоянии от замораживающих, и замыкание замороженного контура льдогрунтового ограждения через гидрогеологические скважины, пробуренные в центре выработки. Об образовании замкнутого контура льдогрунтового ограждения судят по поднятию уровня воды в этой скважине, так как вода внутри замороженного контура испытывает давление, которое возрастает при увеличении толщины льдогрунтового ограждения.

Технология работ по сооружению тоннелей под защитой льдогрунтового ограждения существенно не отличается от обычной, но имеет некоторые особенности. Так, проходку тоннелей обычным щитом можно осуществлять при любой схеме замораживания, а механизированные щиты можно применять только в тех случаях, когда грунты в сечении тоннеля не заморожены и не пересекаются замораживающими скважинами. Необходимо соблюдать меры предосторожности, чтобы не нарушить устойчивость льдогрунтового ограждения и не повредить замораживающие колонки, которые из-за возможного искривления скважин при бурении могут находиться на незначительном расстоянии от контура тоннеля. Мерзлые нескальные грунты разрабатывают отбойными молотками или пневмолопатами, так как разработка таких грунтов взрывным способом может вызвать деформацию окружающих выработку грунтов и, как следствие, нарушение льдогрунтового ограждения. Взрывные работы могут быть допущены, как исключение, при наличии в замороженной зоне скальных и полускальных грунтов.

При проходке тоннелей в зоне замороженных грунтов специальные водоотливные средства применять не следует, поскольку поступление воды в забой указывает на образование «окна» в льдогрунтовом массиве. Если в процессе проходки в забое обнаружена замораживающая колонка, отклонившаяся внутрь выработки, ее необходимо отключить от распределительной замораживающей сети, отрезать часть, препятствующую проходке, и конец оставшейся части заварить. После этого колонку можно снова включать в работу. О случайном повреждении замораживающей колонки в забое тоннеля необходимо немедленно сообщить на замораживающую станцию, а поступающий из колонки хладоноситель при помощи шлангов отвести в лоток тоннеля или в находящуюся в тоннеле емкость. Если в процессе проходки выработки будут обнаружены признаки оттаивания, течей, а также незамороженных грунтов, проходку следует прекратить. Возобновить ее можно только после выявления и устранения причин, вызвавших нарушения в льдогрунтовом ограждении.

После проходки выработки и возведения обделки в зоне замороженных грунтов подачу холода в колонки прекращают. Оттаивание льдогрунтовых ограждений вокруг тоннелей осуществляется, как правило, естественным способом. Иногда применяют искусственное оттаивание, что способствует равномерному нагружению конструкции и позволяет регулировать процесс деформации сооружения.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика