Искусственное замораживание пород
|
Сущность способа искусственного замораживания водоносных пород заключается в создании временного льдогрунтового ограждения любого требуемого очертания для защиты выработки от прорыва воды или плывуна и для воспринятия боковых нагрузок. Замораживание водоносных пород для строительных целей основано на их свойстве приобретать высокую механическую прочность и полную водонепроницаемость при низких температурах. Вода, находящаяся в порах, замерзает и образующийся лед служит связью, соединяющей отдельные частицы грунта. Причина замерзания воды — теплообмен при циркуляции рассола низкой температуры в трубчатых колонках, заложенных в замораживаемом массиве. Искусственное замораживание может быть отнесено к наиболее совершенным и универсальным методам укрепления водоносных пород; оно дает хорошие результаты в самых неблагоприятных условиях. Предел прочности на сжатие (в кГ/см2) для замороженных песчаных грунтов можно определить по формуле  Предел прочности на разрыв составляет около 0,25 предела прочности на сжатие. Наибольшей прочностью обладают замороженные грунты, насыщенные водой до 30—40%. При изменении влажности в ту или другую сторону прочность уменьшается. На прочность влияют петрографический и гранулометрический состав, а также наличие растворов солей в воде и скорость движения грунтовых вод и др. Имея данные о механической прочности замороженного грунта, можно задать размеры ледяных массивов, ограждающих котлован или подземную выработку. Форма и размеры льдогрунтового ограждения зависят от физико-механических свойств горных пород и от способа производства работ. Для открытых котлованов ограждающие (подпорные) стены рассчитывают по общим правилам строительной механики на боковое давление пород и воды с учетом характерных напластований пород. Для ствола шахты кругового очертания толщина ограждающей ее стены может быть найдена по формуле  Допуская возможность некоторой непараллельности скважин, при помощи которых производят замораживание, необходимо увеличить расчетную толщину замороженной стены в месте пересечения ледяных цилиндров на 0,5—1,0%. Так как льдогрунтовое кольцо наращивается неравномерно относительно осевой линии расположения замораживающих скважин, то диаметр окружности D1 расположения скважин определяют с учетом интенсивности нарастания толщины δ кольца внутрь выработки, доходящей до 60% (рис. ХII.1, а),  Здесь а — расстояние между скважинами по контуру выработок (от 1,0 до 2,0 м). Эти расстояния уточняют с учетом влияния стоимости отдельных производственных процессов, входящих в состав искусственного замораживания. Потребное количество холода Q3 может быть определено по данным ТУ. Практически нужно учитывать потери холода Qп через поверхность 5 ледяной стены, окруженной незамороженным грунтом. При температурах замораживания (-20—25° С) на глубине до 50 м потеря холода через 1 м2 ледяной стены составляет 5—10 ккал/ч. Тогда  Общее количество холода Qc, нужное для замораживания грунтового массива:  Найденное количество холода должно быть передано грунту через боковую поверхность замораживающих колонок, опущенных в буровые скважины. Установлено, что 1 м2 этой поверхности может передать за 1 ч в среднем 125—250 ккал. Общее количество холода, передаваемое n трубами диаметром d за 1 ч, будет равно:  Приравнивая количество холода QT, подаваемого по трубам, к количеству потребного холода Qc, получим время замораживания:  Учитывая, что потери холода в холодильной установке и распределительной сети составляют 10—15% от количества холода, затрачиваемого на замораживание, холодопроизводительность замораживающей станции Qc должна быть принята соответственно больше. Пo найденной величине холодопроизводительности из каталога подбирают необходимый компрессор. Получение холода на замораживающей станции (рис. XII.1, б) основано на свойстве жидкого аммиака кипеть при пониженных давлениях со значительным поглощением тепла. Аммиак совершает замкнутый цикл, при сжатии его компрессором до давления, соответствующего переходу в жидкое состояние (8—12 ати), аммиак нагревается до температуры 90—100°C и после охлаждения в конденсаторе (обычно оросительном) превращается в жидкость при температуре, превышающей на 7—8°С температуру охлаждающей его воды. В дальнейшем жидкий аммиак проходит через узкое отверстие вентиля, регулирующего давление в змеевике испарителя, и переходит в газообразное состояние при температуре -25° С и давлении 1,55 ати. При этом происходит охлаждение рассола, совершающего замкнутый цикл и проходящего последовательно через центробежный насос, испаритель и замораживающие колонки, опущенные в буровые скважины.  Охлаждающий рассол должен: не замерзать при температуре замораживания, не отлагать солей на стенках труб и не разрушать их материала и обладать достаточной плотностью и теплоемкостью. Этим требованиям удовлетворяют растворы хлористых солей щелочных металлов, из которых наиболее часто применяют раствор хлористого кальция. Концентрацию этого рассола при рабочей температуре, равной 20—25° С, принимают 1,25 (по удельному весу). Охлажденный рассол поступает в распределитель в виде стальной трубы диаметром 150—200 мм и далее в замораживающую колонку (рис. XII.2). Колонка — это стальная цельнотянутая труба диаметром 100 мм, состоящая из 4,5—8-мых звеньев, соединенных муфтами. Нижняя часть трубы имеет заостренный башмак, а верхняя — головку, к которой присоединены питающая и отводящая трубы диаметром 25—40 мм. Питающая труба, по которой рассол поступает из распорядителя, для отложения осадков, занесенных рассолом в скважину, не доходит до дна колонки на 40—50 см.  Головки замораживающих колонок, распределитель и коллектор, через который рассол поступает в испаритель, обычно размещают в хорошо изолированной от наружного воздуха траншее, носящей название галереи или оголовника ствола шахты. При отсутствии оголовника все трубы располагают на поверхности и тщательно обертывают войлоком, шлаковатой и т, п. Особое внимание уделяют соединению звеньев замораживающей колонки, так как неплотность стыков может быть причиной утечки рассола в породу, после чего пропитанный рассолом участок не удается заморозить. Для нормального течения процесса замораживания необходимо, чтобы в каждую скважину поступало одинаковое количество рассола, Это обеспечивают включением скважин (рис. XII.3) в сеть по схеме, обеспечивающей равенство путей циркуляции рассола через все скважины. Наиболее трудная и ответственная работа при замораживании грунтов — бурение скважин для замораживающих колонок. Скважины имеют диаметр до 150 мм и должны быть заглублены в водоупор на 2—3 м, чтобы обеспечить водонепроницаемость дна выработки.  Отклонение скважин от проектного положения не должно превышать 1,5%, так как иначе в замороженной стене могут образоваться «окна», через которые возможен прорыв воды и плывуна. При глубине скважин до 70 M в мягких породах наиболее распространено вращательное бурение с промывкой глинистым раствором, нагнетаемым через полую буровую штангу и закрепляющим стенки скважины тонким слоем глины, благодаря чему не требуется применения обсадных труб. По окончании бурения монтируют колонки и разводящую сеть и начинают замораживание параллельным или последовательным (каскадным) способом. По первому способу (рис. XII.4, а) все скважины включают одновременно, и вокруг них образовываются цилиндры замороженного грунта, которые с течением времени создают сплошную стену.  Признаком замыкания кольца вокруг выработки служит поднятие уровня воды в контрольной скважине, пробуренной внутри контура. Это явление происходит по причине сдавливания льдом воды, заключенной в замкнутом пространстве. Недостатки параллельного способа — трудность контроля хода замораживания, большая холодопроизводительность замораживающей станции и перерасход энергии в случае, если по тем или иным причинам замыкание кольца на одном из участков задерживается. При каскадном способе (рис. XII.4, б) замораживание начинают в двух или более скважинах, расположенных на противоположных концах выработки, по направлению подземного потока. После понижения температуры в соседних скважинах до нуля их включают в замораживание. При этом через первые скважины рассол пропускают лишь время от времени для предотвращения оттаивания грунта вокруг них. Такое поддержание грунта в замороженном состоянии носит название пассивного замораживания и требует в среднем 35% холода в сравнении с непрерывным, активным замораживанием. Постепенным наращиванием числа включенных скважин достигают сплошного замыкания стены, ограждающей выработку. Каскадный способ позволяет значительно сократить холодопроизводительность станции, так как активному замораживанию подвергают лишь небольшую часть скважин. Недостаток способа — значительный расход времени на замораживание. После того как стена вокруг выработки замкнута замороженным грунтом, все скважины переключают на пассивное замораживание, продолжающееся в течение всего времени сооружения тоннеля. По окончании работ необходимо произвести оттаивание массива. При неравномерном оттаивании может возникнуть неравномерное давление на обделку тоннеля. Наиболее надежно искусственное оттаивание постоянным повышением температуры рассола, циркулирующего в сети. Способ искусственного замораживания получил в России распространение при строительстве стволов шахт, тоннелей, плотин, фундаментов различных сооружений и т. п. Наиболее широкое развитие способ искусственного замораживания получил на строительстве метрополитенов при проходке вертикальных стволов шахт, наклонных тоннелей и горизонтальных выработок. |
