книги из ГПНТБ / Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве

Д ля сравнения приведем примеры расположения замораяшвающих скваж ин, выполненные в СССР и за рубежом в двух случаях при образовании ледогрунтовых стен.

Перемычки. Ледогрунтовая перемычка в виде арки была образо­ вана на строительстве плотины Гранд-Кули (США). Строительная площадка пересекалась длинным узким ущельем (каньоном), запол­ ненным илом. Ил находился в движении, образуя оползень, который непрерывно «выливался» из ущ елья. Д ля борьбы с оползнем был применен способ искусственного замораживания грунтов. Между стенами каньона была образована ледогрунтовая арка. Длина арки 30 м, высота 12 м, толщина 6,1 м. Замораживающие скважины здесь расположили в 8 параллельных рядах при расстоянии между сква ­ жинами 0,75 м. Общее число замораживающих скваяш н 377. Общая

было принято на самом деле. Соответственно были бы меньшими расход замораживающих труб, мощность замораживающей станции

истоимость работ.

ВСССР прямолинейная ледогрунтовая перемычка применялась на строительстве доков судоремонтного завода. Доки располагаются в древней долине, образованной в гранитогнейсах и заполненной рыхлыми образованиями, представленными суглинками, илами со

скоплениями валунов и гальки в основании долины. Головная часть доков располагается на расстоянии 100 м от берега морского залива. Общая ширина котлована в головной части доков составляет 160 м.

При принятом порядке разработки котлована земляные и бетон­ ные работы необходимо было защитить от грунтовых и морских вод, а также от оползания в котлован водоносных грунтов. Ледогрунто­ вая стена была образована тремя рядами вертикальных заморажи­ вающих колонок. Длина линии замораживающих скваж ин первого

в котлованах доков расстояния между замораживающими скваж и­ нами в первом ряду были приняты 1,5 м, а во втором и третьем рядах 2 м. Суммарная глубина скваж ин 3240 м. Площадь заморояюиного грунта 1150 м2.

Площадь, приходящаяся на одну замораживающую скваж ину, составляла 5,3 м2 по сравнению с 0,5 м2, или в 10 раз больше, чем на плотине Гранд-Кули. Если бы расстояния между скважинами на строительстве доков были приняты такими же, как и на стро­ ительстве плотины, то пришлось бы пробурить 1150 : 0,5 = =■ 2300 скваж ин вместо 216 фактически пробуренных.

140

концентрическим треугольникам на расстоянии 1,2 м одна от другой.

было принято 2 м, тогда для образования массива достаточно было бы пробурить только 40 замораживающих скважин.

В СССР массив из замороженного грунта был образован над тоннелем Московского метрополитена на Каланчевской улице. Длина тоннеля 70 м, ширина 14 м, общая площадь замораживаемого мас­ сива 980 м2. Расстояние между замораживающими колонками было принято 2 м. Общее число колонок 395; колонки располагали в 8 ря­ дах по 50 колонок в каждом ряду. Общая глубина замораживающих колонок 6000 м. Общий объем замороженного грунта 14 000 м3. Д ля замораживания грунтов здесь встретились исключительно неблагоприятные условия: на некоторой глубине протекала под­ земная река «Ольховец» и под замораживаемым массивом проходили штольни с помощью сжатого воздуха, который затруднял замора­ живание грунтов. Тем не менее работы были выполнены без серьез­ ных осложнений в работе.

Если бы расстояние между замораживающими колонками было принято таким же, как и на плотине Гранд-Кули, т. е. 0,75 м, то для замораживания грунтов на этом участке пришлось бы пробурить

§4. Анализ расчетных формул

Ввыведенных выше уравнениях содержатся параметры, опре­ деляющие наивыгоднейшее расстояние между замораживающими скважинами, в том числе время, затрачиваемое на замораживание грунтов.

Исследуем, какое влияние оказывает каждый из параметров, входящий в эти уравнения, на конечный результат: время, затрачи­

ваемое на бурение замораживающих скважин и монтаж рассольных трубопроводов; стоимость бурения 1 м скважины; стоимость произ­ водства холода; температура охлаждающего рассола и термофизи­ ческие свойства замороженных грунтов.

Буровые работы. Из уравнения (147) видно, что время Z можно

значительно сократить, увеличив число М одновременно работа­ ющих буровых станков. Однако это мероприятие связано с необхо­ димостью увеличения парка буровых машин, а также кадров буровых рабочих на сравнительно короткий срок. Такое решение вопроса в большинстве случаев будет нецелесообразным.

Скрытые возможности сокращения времени бурения скважин следует искать в другом, более важном факторе — в увеличении производительности буровых станков.

Время, затрачиваемое на бурение одной скважины,

где h — глубина замораживающей скважины;

Р— производительность бурового станка в сутки. С увеличением производительности буровых станков уменьшается время,

затрачиваемое на бурение замораживающих скважин. Скорости бурения замораживающих скважин можно увеличить,

применяя буровые станки более совершенных конструкций, и, сле­ довательно, более производительные, а также гидравлический способ бурения замораживающих скваж ин и др.

Время, затрачиваемое на бурение и монтаж замораживающих колонок, можно сократить путем непосредственного опускания замораживающих труб в грунт, применяя размыв грунта струей воды, вибропогружение замораживающих труб или забивку труб тяжелыми отбойными молотками. Эти способы погружения замора­ живающих труб можно применять: при сравнительно небольшой глубине замораживания грунтов и при условии изменения конструк­ ции соединений отдельных замораживающих труб между собою. Вместо соединений труб при помощи муфт трубы следует соединять, ввинчивая одну трубу в другую , подобно соединению колонковых труб при вращательном способе бурения, или при помощи кони­ ческой нарезки, как это выполняется в специальных заморажива­ ющих трубах.

Предположим, что замораживающие трубы опускают в грунт с подмывом водой. Будем считать, что с перестановкой станка (мачты)

0,5 сут. Тогда наивыгоднейшее расстояние между замораживающими скважинами с точки зрения наименьших затрат времени на образо­ вание ледогрунтовой стены

143

Стоимость погружения замораживающих труб способом гидра­

Экономически наивыгоднейшее расстояние между заморажива­ ющими скважинами в заданных условиях

Разница в сроках, необходимых для образования ледогрунтовой стены, z4 — z 3 = 12 сут сравнительно невелика. В этом случае предпочтение целесообразно отдать экономически наивыгоднейшему расстоянию между замораживающими скважинами, т. е. х4 — 1,9 м. При таком расстоянии потребуется меньшая холодопроизводитель­ ность замораживающей станции, меньший расход электроэнергии и снизится расход замораживающих и питающих труб.

Необходимо заметить, что стоимость бурения замораживающих скваж ин оказывает сравнительно ограниченное влияние на экономи­ чески наивыгоднейшее расстояние между замораживающими сква­

жин на 500% соответствует увеличение экономически наивыгодней­ шего расстояния между замораживающими скважинами только на 6 0 % .

Время z", затрачиваемое на монтаж магистральных трубопрово­ дов и присоединение замораживающих колонок, в общем балансе времени замораживания грунтов занимает небольшое место. Часть этих работ обычно выполняют одновременно с буровыми работами. Для сокращения его необходимо в первую очередь правильно орга­ низовать труд на этих работах и заранее заготовить магистральные трубопроводы (заделать штуцеры, ввернуть краны, заготовить соеди­ нительные трубы и др.).

Стоимость производства холода. В уравнении (142) стоимость собственно замораживания грунтов с находится в знаменателе дроби подкоренной величины. Следовательно, с увеличением стоимости с оптимальное расстояние между замораживающими скважинами уменьшается.

Стоимости электроэнергии и воды, расходуемых на замора­ живающую станцию в зависимости от холодопроизводительности

до 92% . При этом меньшие проценты относятся к заморажи­ вающим станциям малой и средней производительности, а большие проценты — к станциям большой холодопроизводительности — свыше 1 млн. норм, ккал/ч.

1 44

Постоянные расходы — эксплуатационные материалы, содержа­ ние персонала, обслуживающего замораживающую станцию, и амор­ тизационные отчисления — составляют 2 4 —50% в первом случае и 8 — 20% — во втором.

Рассмотрим два случая замораживания грунтов: при стоимости 1 к В т -ч электроэнергии 0,01 руб. и стоимости 1 м3 воды 0,04 руб. и при стоимости электроэнергии 0,05 руб. и стоимости 1 м3 воды

освоенных или отдаленных районах, то мы получаем несколько парадоксальный результат: в этих именно условиях необходимо иметь в 1,6 раза больше мощность замораживающей станции, во столько же раз большую мощность электростанции и, наконец, больший расход замораживающих труб, чем в освоенных промышлен­ ны х районах.

Т ак как замораживающая станция является крупным потребите­ лем электроэнергии, а электроэнергия очень дорогая, то возникает вопрос, не имеется ли (кроме общепринятого для замораживания грунтов) какого-либо другого способа получения холода, при кото­ ром бы совсем не потребовалось или, по крайней мере, мало рас­ ходовалось электроэнергии.

Этому требованию удовлетворяют холодильные установки абсорб­ ционного типа (рис. 58). В отличие от компрессионного способа, при котором применение электроэнергии неизбежно, при абсорб­ ционном способе холод получают с помощью тепловой энергии. Таким образом, применяя абсорбционный способ получения холода, мы освобождаемся от необходимости иметь электроэнергию, за исключением небольшого количества ее для привода в движение рассольного и аммиачного насосов. Но и здесь вместо центробежных насосов можно применять поршневые и таким образом электроэнер­ гию заменить паром. Работа абсорбционных установок основана

на использовании тепловой энергии, т. е. пара. В отдаленных рай­ онах пар всегда легче получить, чем электроэнергию. Д ля получения пара могут быть использованы все виды местных топлив: уголь, торф, дрова и др. Таким образом, для работы абсорбционных холо­ дильных установок нет необходимости оборудовать специальную электростанцию, а для последней дизельную или котельную станции.

Абсорбционные холодильные установки имеют еще одно преиму­ щество — они могут успешнее работать с более высокими температу­ рами охлаждающей воды, чем компрессионные машины. Следова­ тельно, охлаждающая вода может быть неоднократно использована

16 17

Рис. 58. Схема абсорбционной холодильной установки:

1 — генератор; 2 — форгенератор; з — сборник слабого аммиачного раствора; 4 — тепло­ обменник; 5 — дроссельный вентиль для водоаммиачного раствора; 6 — абсорбер; 7 — реси­ вер водоаммиачного раствора; 8 — доохладитель; 9 — водоаммиачный насос; 1 0 — конден­ сатор; 11 — ресивер для жидкого аммиака; 12 — переохладитель; 13 — дроссельный вен­ тиль для жидкого аммиака; 14 — испаритель; 15 — рассольный насос; 16 — основной дефлег­

матор; 17 — вспомогательный дефлегматор:

I — водоаммиачный раствор; II — аммиак; III — вода; IV — пар; V — рассол

с помощью градирен, в результате чего расход ее сократится. А этот фактор в районах, бедных водой или с высокой стоимостью ее, имеет чрезвычайно важное значение. В компрессионных холодильных машинах, применяемых для замораживания грунтов, температура отработанной воды обычно близка к температуре атмосферного воздуха и потому применение градирен — для охлаждения воды — оказывается в ряде случаев нецелесообразным. Вследствие этого для охлаждения хладагента все время поступает свеж ая вода, расход ее большой, а стоимость, особенно при высокой цене ее — велика. Следовательно, и с точки зрения расхода воды применение абсорб­ ционных установок более целесообразно.

Температура хладоносителя (рассола). В рассмотренном выше примере было определено оптимальное расстояние между замора­ живающими скважинами при средней температуре хладоносителя = —20° С. Расчеты показывают, что при больших расстояниях

146

между замораживающими скважинами время, затрачиваемое на образование ледогрунтовой стены при такой температуре хладоноси­ теля, значительно увеличивается — прямо пропорционально ква ­ драту расстояния между замораживающими скважинами.

В уравнениях (142) и (148) температура хладоносителя входит в числитель подкоренной величины. Следовательно, с понижением температуры хладоносителя расстояние между замораживающими скважинами может быть увеличено.

С другой стороны, время, затрачиваемое на замораживание грунтов, обратно пропорционально температуре хладоносителя. Сле­ довательно, для сокращения времени замораживания грунтов необ­ ходимо возможно больше снижать температуру хладоносителя. Д ля замораживания грунтов в ^настоящее время применяют охла­ ждающий рассол с температурой от — 20 до — 27° С. Т акая темпе­ ратура является предельной для холодильной установки одноступен­ чатого сжатия при применении речной или грунтовой воды для сжимания холодильного -агента. Замораживание грунтов с темпера­ турой хладоносителя ниже — 30° С называют глубоким охлаждением. Д ля глубокого охлаждения необходимо применение холодильных установок двухили многоступенчатого сжатия.

Общая установочная мощность электродвигателей заморажива­ ющей станции при глубоком охлаждении только на 35 — 40% выше, чем при одноступенчатой работе холодильных машин. Т ак, напри­ мер, для аммиачной установки глубокого охлаждения холодопроиз­ водительностью 217 000 раб. ккал/ч установочная мощность элек­ тродвигателя составляет 240 к В т. В тех же условиях для замораживающей станции обычного замѣраживания холодонроизводительностью 247 000 ккал/ч установочная мощность электродви­ гателей составляет 176 к В т, т. е. на 36% меньше, чем при глубоком охлаждении.

Но при глубоком охлаждении время, затрачиваемое на образова­ ние ледогрунтовой стены при одинаковых расстояниях между замора­ живающими скважинами, меньше, чем при обычном замораживании.

Средний коэффициент теплоотдачи замораживающей трубы при температуре рассола —40° С составляет 500 ккал/ч, а с учетом потерь холода в рассольной сети в размере 10% 500 -1,1 — 550 ккал/м 2-ч. Соответственно 1 м замораживающей трубы передает грунту 550 X X 0,36 = 200 ккал/ч или 200 -24 = 4800 раб. ккал/сут-м .

Стоимость электроэнергии, затрачиваемой на работу заморажи­ вающей станции при обычном охлаждении грунта, составляет 30% общих расходов при стоимости 1 к В т -ч 0,01 руб. и 72% при сто­ имости 1 к В т -ч 0,05 руб.

При глубоком охлаждении на производство 1000 раб. ккал элек­ троэнергии расходуется на 40% больше, чем при обычном заморажи­ вании. Соответственно, стоимость производства 1000 раб. ккал при глубоком охлаждении повысится на величину

d = cxэ *1 .4, руб.,

147

где сг — стоимость производства 1000 раб. ккал при обычном охла­ ждении;

э — удельные затраты электроэнергии при обычном охлажде­ нии.

Тогда стоимость производства 1000 раб. ккал при глубоком охла­ ждении будет

С' = Сі(1 + э -1 ,4 ), руб.

При стоимости 1 к В т -ч 0,01 руб.

Сі = 0,024(1 + 0 ,3 .1 ,4 ) = 0,034 руб.

При стоимости 1 к В т -ч 0,05 руб

С\ = 0,062 (1 + 0,72 •1,4) = 0,124 руб.

Определим экономически наивыгоднейшее расстояние между за­ мораживающими скважинами при температуре хладоносителя

— 40° С в условиях рассмотренного выше примера, принимая сто­ имость 1 к В т -ч 0,01 и 0,05 руб.

П ри стоимости 1 кВт -ч 0,01 руб.

Стоимость содержания 1 м замораживающей колонки

с5 = 0 ,0 3 4 *4 ,8 + -Ц- = 0 ,167, руб/м.

Экономически наивыгоднейшее расстояние между заморажива­ ющими скважинами при этом условии

Время, необходимое на образование ледогрунтовой стены (соб­ ственно замораживание),

П ри стоимости 1 кВт -ч 0,05 руб.

Стоимость содержания 1 м замораживающей колонки

с - 0 ,1 2 4 . 4 ,8 + -Ц- = 0,6 руб/м.

148

Экономически наивыгоднейшее расстояние между заморажива­ ющими скважинами

(8 + 4) 4 0 - 1 ,8 = 1,31 м,

,6 •30 000

Время, необходимое на образование ледогрунтовой стены,

Стоимость образования ледогрунтовой стены:

УІ = 413 678 руб.

Сопоставим между собою полученные результаты экономически наивыгоднейшего расстояния между замораживающими скважинами при одинаковых стоимостях электроэнергии, но при разных темпе­ ратурах охлаждающего рассола (табл. 22).

К ак видно из приведенных цифр, температура охлаждающегорассола оказывает сравнительно малое влияние на величину эконо­ мически наивыгоднейшего расстояния между заморажива­ ющими скважинами. При понижении температуры в 2 раза наи­ выгоднейшее расстояние между скважинами снижается на 17— 40% .

Время, затрачиваемое на образование ледогрунтовых стен при глубоком охлаждении, в 3 —4 раза меньше времени, затрачиваемого на образование ледогрунтовой стены при температуре охлажда­ ющего рассола — 20° С. Однако экономия во времени в связи с по­ нижением температуры хладоносителя частично нейтрализуется

149