ИСКУССТВЕННОЕ ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГРУНТОВ
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.
В настоящее время применяют два способа искусственного замораживания грунтов: рассольный и безрассольный. Сущность рассольного способа заключается в том, что по контуру будущего тоннеля забуривают вертикальные, наклонные или горизонтальные замораживающие скважины диаметром 120-150 мм, располагая их на расстоянии 0,8-1,5 м. В скважины помещают замораживающие колонки диаметром 114 мм и питающие трубки диаметром 25-37 мм, по которым циркулирует охлажденный до 253-248 К рассол хлористого кальция СаСЬ (рис. 8.6, а).
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:
Рассол охлаждают до расчетной температуры производится на замораживающей станции, располагаемой обычно в пределах строительной площадки. Процесс образования холода основан на свойстве жидкого аммиака при испарении охлаждаться до 248-243 К.
Рассольный способ замораживания грунтов требует применения сложного оборудования, не всегда обеспечивает необходимую сплошность ледогрунтового ограждения. Кроме того, в связи с недостаточно низкой температурой замораживания процесс образования мерзлотной завесы весьма длителен. В отличие от рассольного, без- рассольный способ основан на получении холода в результате испарения сжиженных газов непосредственно в замораживающих скважинах без промежуточных хладоносителей. При этом в качестве хладагента используют жидкий азот, пропан, фреон, аммиак. Применяя жидкий азот, имеющий низкую температуру испарения (77 К), можно в несколько раз сократить время образования ледогрунтового ограждения и уменьшить его толщину. Схема циркуляции азота в замораживающих колонках представлена на рис. 8.6, б. При безрассольном замораживании отпадает необходимость в использовании специального хладоносителя, сокращается время замораживания, повышается прочность ледогрунтового ограждения и обеспечивается взрыво- и пожаробезопасность. Кроме того, уменьшаются теплопотери, снижается энергия на циркуляцию рассола и исключаются прорывы через «окна» в мерзлотной завесе.
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 qmax — максимальная интенсивность горизонтального давления грунта и воды на стенку; у — удельный вес грунта.
Рис. 8.7. Схемы ледогрунтового ограждения котлована:
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):
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:
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:
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:
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.