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

Величины l, l x, l 2, D и E являю тся постоянными. Следовательно, предельная глубина Н замораживания вертикальными заморажива­ ющими скважинами будет в конечном результате зависеть от вели­

чины соотношения у . Другими словами, чем выше стоимость а

бурения и монтажа 1 м горизонтальной замораживающей скваж ины, тем на большую глубину будет выгоднее применять замораживание грунтов вертикальными замораживающими скважинами.

дельные глубины Н (м) замораживания вертикальными скважинами при этих переменных значениях а.

и горизонтальных замораживающих скваж ин горизонтальные сква ­ жины целесообразно применять, начиная уже с глубины 4,77 м.

При а = Ь общие глубины вертикальных и горизонтальных замораживающих скважин также будут равными. П усть D = 5 м,

жин, согласно уравнению (187), будет равна 1099 м.

С повышением стоимости а (бурения и монтажа горизонтальных замораживающих скважин) предельные глубины Н замораживания вертикальными скважинами увеличиваются. Соответственно уве­ личиваются и объемы буровых работ. Примем а — Ab или а = 60 руб.,

Согласно уравнению (183), стоимость бурения и монтажа гори­ зонтальных замораживающих скважин

А = 60 •3,14 (5 + 2) 50 = 65 940 руб.

Согласно уравнению (187), стоимость бурения и монтажа вер­ тикальных замораживающих скважин

В = 15 I I (5 + 2 + 2) (34,07 + 5) = 65 930 руб.

Стоимость работ в обоих случаях одинаковая.

Следовательно: уравнения (189) и (190) являю тся справедливыми, при стоимости а — Ab замораживание грунтов вертикальными замо­ раживающими скважинами целесообразно применять до глубины 34,07 м.

Время, необходимое на бурение замораживающих скваж ин, определяется объемом буровых работ, количеством буровых станков, занятых на бурении, и производительностью их.

210

Сравнение способов было бы неполным, если бы не были учтены расходы на собственно замораживание грунтов. Необходимая холодо­ производительность замораживающей станции при замораживании горизонтальными колонками

в среднем к = 100 раб. ккал/(м -ч).

Необходимая холодопроизводительность замораживающей стан­ ции при замораживании вертикальными замораживающими колон­ ками

Стоимость производства 1000 ккал холода в обоих случаях будет одинаковой. Поэтому будет достаточным сопоставление между собою величин Qx и Q2.

В условиях рассмотренного выше примера необходимая холодо­ производительность замораживающей станции при замораживании грунтов горизонтальными замораживающими колонками

( ^ = 3,14 ) 50• 100 = 109 900 ккал/ч .

При Я = 34,07 м необходимая холодопроизводительность замо­ раживающей станции при замораживании грунтов вертикальными замораживающими колонками

Таким образом, при одновременном замораживании всего уча­ стка вертикальными замораживающими колонками холодопроизво­ дительность замораживающей станции (а следовательно и стоимость замораживания) будет в 4 раза больше холодопроизводительности замораживающей станции при замораживании грунтов горизонталь­ ными замораживающими колонками (при равной стоимости буровых

имонтажных работ).

Вслучае применения локального замораживания при вертикаль­ ны х замораживающих колонках высота активной части колонки уменьшится с (Я + D) до

Я 2 = Я -f- hlt

где hx — толщина массива замороженных грунтов над сводом соору­ жаемой выработки.

Соответственно активная глубина всех вертикальных заморажи­ вающих колонок

Необходимая холодопроизводительность замораживающей стан­ ции при локальном замораживании грунтов вертикальными замора­ живающими колонками

Нетрудно установить, что общая глубина L 2 вертикальных замораживающих скваж ин будет всегда больше общей длины L x горизонтальных замораживающих скважин (исключая частный слу­

В таких же соотношениях будут находиться и холодопроизводи-

ветственно будут близкими между собой и холодопроизводительности замораживающих станций. Однако и в этом случае общая глубина бурения и монтажа вертикальных замораживающих колонок будет больше общей длины горизонтальных колонок.

Время, необходимое на замораживание грунтов, прямо про­ порционально квадрату расстояния между замораживающими ко­ лонками. Так как расстояния между вертикальными заморажива­ ющими колонками вдвое больше расстояния между горизонтальными колонками, то время, необходимое на замораживание грунтов вер­ тикальными замораживающими колонками, в 4 раза больше времени замораживания грунтов горизонтальными замораживающими колонками.

С другой стороны, при уменьшении расстояния между вертикаль­ ными замораживающими скважинами затраты времени на их бурение и монтаж будут увеличиваться.

Таним образом,, решающим фактором при выборе способа замо­ раживания является стоимость бурения и монтажа замораживающих скважин.

Замораживание грунтов горизонтальными или наклонными замораживающими колонками будет неизбежным при сооружении горизонтальных подземных выработок в следующих условиях:

212

под шоссейными дорогами и автострадами, железнодорожными и трамвайными путями;

под городскими улицами, площадями, зданиями и сооружениями; на территориях заводов, фабрик, ш ахт и других действующих

предприятий; под водоемами.

Бурение вертикальных замораживающих скважин в таких усло­ виях часто оказывается совсем невозможным.

Замораживание грунтов горизонтальными замораживающими ко­

Одним из преимуществ замораживания грунтов горизонтальными колонками является то, что при этом способе не нарушаются поверх­ ностные сооружения, расположенные над проходимой выработкой; исключается прокладка рассолопроводов на земной поверхности.

При замораживании грунтов горизонтальными замораживающими колонками сокращ ается объем буровых и монтажных работ (по сравне­ нию с замораживанием вертикальными замораживающими колон­ ками), а также объем замороженного грунта на единицу длины сооружаемой выработки, что обусловливает и меньшие затраты на производство работ по замораживанию грунтов.

При проведении горизонтальных горных выработок заморажи­ вание грунтов осущ ествляли на шахте «Бегичевская» вертикальными замораживающими скважинами, пробуренными с земной поверх­ ности; на шахте «Новомосковская» и на шахте № 3/4 «Западная-

Щекинская» — горизонтальными замораживающими скважинами. При сооружении подземных коллекторов замораживание грунтов

применяли в М оскве, Ленинграде и Туле — наиболее часто вер­ тикальными и наклонными замораживающими скважинами, про­ буренными с земной поверхности, а также горизонтальными замора­ живающими скважинами, пробуренными из забоев проходимых выработок.

§ 2. Проведение горизонтальных горных выработок

Проведение главного откаточного штрека на шахте «Бегичев­ ская». Замораживание грунтов вертикальными скважинами, про­ буренными с земной поверхности, применяли при сооружении гл ав­ ного откаточного штрека на шахте «Бегичевская» (Подмосковный угольный бассейн). Поперечные размеры штрека 2,4 X 2,52 м; площадь поперечного сечения 6,1 м2 в свету и 11,6 м2 в проходке.

Главный откаточный штрек, кровля которого расположена на глубине 17 м от поверхности земли, проходили по пласту угля двумя фазами и крепили неполными дверными окладами. Во второй фазе приступили к перекреплению с целью выравнивания подошвы. При производстве этих работ в выработку из кровли многократно прорывался мелкозернистый водоносный песок (плывун) и глина

213

общим объемом 1600 м3. На земной поверхности над штреком обра­ зовалась провальная воронка глубиной до 12 м и поперечными размерами 30 X 20 м (рис. 90).

Попытки пройти нарушенный участок штрека с применением иглофильтровой установки с забивной крепью не дали положитель­ ных результатов из-за большого давления на крепь и выноса песка.

иОм

Работы по перекреплению выработки прекратили и провальную воронку заполнили лесными материалами. Участок штрека протя­ женностью 40 м восстанавливали с применением способа замора­ живания вертикальными замораживающими колонками, опущен­ ными с земной поверхности.

Геологический разрез грунтов, залегающих над главным отка­ точным штреком (рис. 91): растительный слой мощностью 0,6 м;

геологического разреза, кровлю главного откаточного штрека отде­ ляли от водоносного песка прослойки песчаной глины и угля не­

214

большой мощности. Пьезометрический уровень подземной воды над кровлей штрека 12,8 м.

До начала бурения замораживающих скважин штрек очистили от песка; лесные материалы из провальной воронки удалили, а во­ ронку засыпали грунтом, который тщательно утрамбовали. С обеих сторон штрека уложили деревянные перемычки из брусьев.

Замораживающие скважины расположили в трех прямолинейных рядах на расстоянии 2 м один от другого. Расстояние между сква ­ жинами в рядах приняли: 1,5 м — в контурных рядах и 2 м — в среднем ряду. Общее число замораживающих скважин 80. Замора­ живающие скважины бурили четырьмя буровыми станками

Рис. 91. Схема участка замораж ивания и расположение замораживающ их скваж ин

КА -2м-300. Скважины первого ряда с № 1 по № 29 бурили средней глубиной 23,2 м — на 1,7 м ниже подошвы откаточного штрека; скважины второго ряда с № 30 по № 51 глубиною 17 м бурили только до кровли ш трека, а скважины третьего ряда с № 52 по № 80, как

искважины первого ряда, глубиной по 23,2 м. Общая глубина замо­ раживающих скважин 1701 м.

Замораживающие скважины бурили с треног станками КАМ -500 с промывкой глинистым раствором. Д ля предотвращения утечек глинистого раствора и растекания его по откаточному штреку обру­ шенный участок штрека с обеих сторон изолировали деревянными водонепроницаемыми перемычками. На бурение замораживающих скважин затратили 30 сут.

Вскважины опустили замораживающие трубы диаметром 125 мм

ипитающие трубы диаметром 32 мм.

Замораживающая станция состояла из трех аммиачных агрегатов с компрессорами марки А У -150 общей холодопроизводительностью

215

450 000 норм, ккал/ч. На активное замораживание горных пород затратили 45 сут. Рабочая температура рассола от — 20 до - 2 2 ° С.

Замороженный грунт разрабатывали двумя отбойными молотками заходками длиной 2 — 3 м.

Средняя скорость проходки штрека составила 15 м/мес. Она замедлялась тем, что в одном боку штрека имелись окна из неза­ мороженного грунта, вызванные чрезмерными отклонениями замора­ живающих скважин от заданного направления.

При проведении штрека грунт поддерживали в замороженном состоянии — применяли пассивное замораживание грунтов. По мере проведения штрека в нем устанавливали постоянную крепь; металлические рамы с заполнениями промежутков между ними

В боках и кровле выработки укладывали руберойд и шлаковую вату, которые прижимали горбылями. Затем устанавливали метал­ лические рамы трапециевидной формы, изготовленнне из двутавро­ вы х балок № 22; расстояние между рамами 0,5 м. Пространство между полками двутавровых балок металлической крепи затягивали досками толщиной 25 мм. После этого возводили монолитную крепь из бетона марки 200 толщиной 500 мм.

Проведение главного вентиляционного штрека на шахте № 2

«Северная». Подмосковным научно-исследовательским угольным институтом осуществлено замораживание грунтов при проведении западного-бис главного вентиляционного' штрека на шахте «Ново­ московская».

На этой шахте при подготовке ш ахтного поля к эксплуатации в одной из горных выработок был встречен плывун. Б результате прорыва плывуна последними были занесены штреки главного напра­ вления и все примыкающие к ним горные выработки. Это вызвало необходимость пройти более 5 км обходных горных выработок.

Западным-бис главным вентиляционным штреком 3 необходимо было пересечь занесенный плывуном южный штрек 2 (рис. 92). Когда до южного штрека оставалось пройти 2,5 м угольного целика, разведочные работы показали, что пересечь южный штрек обычным способом нельзя. В водоносном песке-плывуне содержалось 46 — 73% зерен диаметром менее 0,1 мм; коэффициент фильтрации песков 0 ,1 5 —0,54 м/сут.

Были сделаны попытки закрепить песок в южном штреке цемент­ ным раствором, однако без положительных результатов. Этот участок был пройден с применением способа искусственного замора­ живания грунтов.

Ширина занесенного плывуном южного вентиляционного штрека составляла 6 м. В кровле пересекаемого штрека оставалась защитная пачка угля толщиною 1,1 м; в подошве штрека залегала плотная глина мощностью 2 м. Эти благоприятные условия позволили осу­

216

ществить замораживание грунтов в виде двух вертикальных ледо­ грунтовых стен (рис. 93) на северной и южной боках западного главного вентиляционного штрека.

Для этого с каждой стороны штрека заложили по пяти замора­ живающих колонок диаметром 50 мм и длиною 5,5 м. Через угольный целик замораживающие скважины бурили станком ДС-4; далее в водоносном песке замораживающие колонки задавливали гидра­ влическими домкратами.

Для замораживания грунтов применили подземную передвижную холодильную установку с фреоновым компрессором У -4Ф У -60/30 . Холодильный агент — фреон-12. Оборудование всей установки раз­ мещалось на четырех ш ахтных платформах.

На замораживание грунтов затратили 26 сут при средней темпе­ ратуре охлаждающего рассола — 15° С. За указанный период обра­ зовались ограждающие ледогрунтовые стены толщиной 1 ,2 — 1,6 м. Ледогрунтовые ограждения позволили успешно пройти аварийный участок и закрепить его постоянной крепью.

Проведение горизонтальной выработки в оползневом склоне.

На побережье Черного моря для борьбы с оползнями в числе других мероприятий была пройдена дренажная ш тольня. Трасса штольни расположена в пределах постоянно действующего оползневого цирка.

Грунты, составляющие оползневой склон, представлепы насып­ ным материалом и лёссовидными суглинками, среди которых зале­ гают два слоя уплотненного лёсса с мощностями соответственно 1 и 2 м. Лёссовидные суглинки слабые и неустойчивые; местами они насыщены водой. Уровень подземных вод находился на глубине 18,6 м от земной поверхности. Лёссовидные суглинки способны насыщ аться водой, переходя в жидкую консистенцию.

Подземные воды характеризуются повышенной м инерализациейдо 19 мг/л.

Штольню проходили обычным способом без каких-либо ослож­ нений, пока на расстоянии 97 м от устья ее не встретили разжиженные грунты . Попытка пройти участок с разжиженными

217

грунтами забивной крепью окончились неудачно. Более того, она привела к внезапному прорыву разжиженных грунтов в штольню с образованием провальной воронки на земной поверхности. Воронка образовалась на асфальтированном шоссе, расположенном вдоль побережья моря.

Проведенные геологоразведочные работы показали, что участок с расжиженными грунтами имеет протяженность около 25 м. Этот участок решено было пройти с применением способа замораживания.

Замораживающие скважины расположили следующим образом. Вокруг провальной воронки заложили 19 скваж ин с расстояниями между ними 1,9 м. Вдоль оси штольни 33 замораживающие сква ­ жины расположили в 11 рядов, по три скваж ины в каждом ряду. Расстояния между рядами приняли 1,5 м, а между скважинами

врядах 2 м. Средняя глубина замораживающих скваж ин 15 м.

Для замораживания грунтов применили аммиачную установку, состоящую из двух аммиачных компрессоров А У -150/480, двух

оросительных конденсаторов с поверхностью охлаждения 45 м2,

128 000 ккал/ч, хотя в этих условиях была достаточной холодопроиз­ водительность компрессоров 80 000 ккал/ч.

Грунты замораживали охлаждающим рассолом с температурой от —20 до — 22° С. Активное замораживание грунтов продолжалось 64 сут. За это время было заморожено 2000 м3 грунта, причем грунт в пределах поперечного сечения штольни был также заморожен. Неблагополучный участок штольни был пройден за 26 сут без какихлибо осложнений. Во время проходки штольни охлаждающий рассол поступал только в контурные замораживающие колонки.

Проведение квершлага на шахте «Миловице» (ПНР). Замора­

живание грунтов наклонными скважинами, пробуренными из выра­ ботки, применяли в 1961— 1962 гг. при проведении Паркового кверш ­

в зоне тектонических нарушений — трех сбросов (рис. 94). Первым

песчаника и водоносным илом (плывуном), находящимся под напором до 15 кгс/см 2 и обладающим малым коэффициентом фильт­ рации.

Сбросовую трещину несколько раз пытались пересечь кверш ла­ гами обычным способом с забивной крепью, однако каждый раз неудачно. При проведении Паркового кверш лага 1 в него прорывался плывун в объеме около 3000 м3. В результате прорыва на земной поверхности образовалась провальная воронка диаметром 20 м и глубиною до 10 м (рис. 95).

Парковый кверш лаг II диаметром 3 м в свету и 4 м в проходке решили проходить с применением способа замораживания. Проведе-

218

нию кверш лага предшествовало передовое разведочное бурение. На расстоянии 4,5 м от сбросовой трещины и в 800 мм от забоя квер ­

Наклонные замораживающие скважины 5 в числе 20 расположили по окружности диаметром 3-м (в плоскости забоя). Угол наклона скважин 11° 15' к горизонту. При таком угле наклона заморажи­ вающие скважины в средней части сбросовой трещины располагались уже по окружности диаметром 6 м, а на конечной глубине — по окружности диаметром 9 м.

Р и с . 9 6 . Расположение замораж иваю щ их скваж ин в Парковом кверш лаге II:

Замораживающие скважины длиною 18 м бурили через бетонную перемычку буровыми станками КАМ -500.

Д ля установки направляющих труб через бетонную перемычку бурили скважины диаметром 216 мм. Диаметр скважины между

219