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

для замораживания грунтов в кровле тоннелей расположили еще несколько рядов горизонтальных замораживающих колонок. Общая

проходимого с применением искусственного замораж ивания грунтов:

1 — термоизолирующие плиты; 2 — горизонтальные замораживающие колонки;

3 — шахтный ствол; 4 — участок тампонажа

300 000 норм, ккал/ч с электродвигателем мощностью 75 к В т, кон­ денсатора и испарителя с поверхностями охлаждения по 120 м2, рассольного насоса с электродвигателем мощностью 19 к В т, водя­

230

ного насоса с электродвигателем мощностью 11 к В т и общей гра­ дирни для охлаждения циркуляционной воды на 330 000 ккал/н.

ратура воздуха в нем была — 5° С.

Д ля повышения температуры воздух, нагнетаемый в тоннели, подо­ гревали до + 5 ° С.

Грунт в тоннелях разрабатывали траншейным способом. Для предохранения бетона, предназначенного для крепи тоннеля, от замерзания на подошву траншеи насыпали слой гравия толщиной 10 см, который затем покрывали слоем бетона толщиною 10 см.

Рис. 107 . Схема замораж ивающ ей станции:

1 — фреоновый компрессор; 2 — электродвигатель компрессора; 3 — кон­ денсатор; 4 — испаритель; о — регулирующий вентиль; в — градирня; 7 — циркуляционный насос для охлаждающей воды; 8 — рассольный насос; s — рассолопровод охлажденного рассо,Та; 10 — рассолопровод отработанного

р а с с о л а

2 3 1

По выполнении этих работ укладывали основной бетон в подошву, стены и кровлю тоннеля. При укладке бетона в стены тоннеля в за­ мораживающих колонках циркулировала нагретая вода.

По окончании сооружения тоннеля замораживающие колонки были извлечены и подняты на земную поверхность. Одновременно с этими работами была прекращена циркуляция рассола в заморажи­ вающих колонках, заложенных в термоизоляционных плитах. Затем были подняты со дна реки термоизоляционные плиты и произведена очистка дна реки землесосом.

§ 2. Тоннель метро под р. Мегурогава в г. Токио

Участок тоннеля Токийского метрополитена, пересекающий р. Ме­ гурогава под прямым углом, расположен под мостом Готамба Охаси (рис. 108). Ширина русла реки в этом месте 25,6 м.

Сооружение этого участка тоннеля было сопряжено с преодоле­ нием некоторых трудностей.

В период строительства тоннеля не должен прерываться интен­ сивный поток городского транспорта через мост Готамба Охаси.

быть стеснен.

Кроме того, рассматриваемый участок тоннеля расположен вблизи эксплуатируемой станции метро и заложить тоннель на большей глубине было невозможно.

Д ля определения оптимального способа по сооружению тоннеля на этом участке были рассмотрены следующие варианты:

отвод русла реки в сторону и производство работ открытым спо­ собом;

заключение реки в коллектор и производство работ траншейным способом;

перекрытие реки искусственным островом и производство работ открытым или кессонным способом;

щитовой способ проходки тоннеля.

Все варианты оказались неприемлемыми, и участок тоннеля под р. М егурогава решили проходить с применением искусственного замораживания грунтов. Среди других достоинств этого способа

232

были отмечены следующие. Замораживать можно практически любыегрунты. Замороженный грунт обладает достаточно высокой механи­ ческой прочностью; под дном реки он предупредит проникновение- в проходимый тоннель водоносных неустойчивых грунтов, стабили­ зировав их. Кроме того, останутся ненарушенными дно реки, авто­ дорога и опоры мостов.

В случаях прекращения подачи электроэнергии на участок замо­ раживания, повреждения каких-либо аппаратов и др. наступит

стволы; s •— теплоизоляционные плиты; 9 — опора моста; 10 — затампонированный участок;

естественное размораживание, но оно протекает медленно и не при­ водит к каким-либо осложнениям на участке производимых работ.

План участка тоннеля, сооруженного с применением искусствен­ ного замораживания грунтов, показан на рис. 109. Геологический разрез под дном р. М егурогава представлен следующими грунтами: непосредственно под дном реки залегает илистый грунт мощностью

23 3

Инженерно-геологическими изысканиями было установлено, что грунтовые воды в гравийно-галечниковых отложениях находятся в движении со скоростью 5 м/сут. Д ля снижения скорости движения грунтовой воды по контуру замораживающего участка, а также вокруг четырех шахтных стволов в гравийно-галечниковые отложе­ ния нагнетали тампонажный раствор. В результате нагнетания рас­ твора скорость движения грунтовых вод была снижена до 0,5 м/сут.

Как и в предыдущем примере, для предупреждения просачивания воды из реки в сооружаемый тоннель, теплоизоляции дна реки и уско­ рения разработки верхней части тоннеля на дно реки были уложены теплоизоляционные плиты с заделанными в них горизонтальными замораживающими колонками (рис. 110). Укладке теплоизоляцион­ ных плит предшествовала установка шести рядов двутавровых балок-прогонов.

Замораживание грунтов на этом участке тоннеля осуществили с помощью вертикальных, наклонных и горизонтальных заморажи­ вающих колонок. Длина участка замораживания 38 м.

Вертикальные замораживающие колонки располагали в двух рядах с каждой стороны тоннеля; расстояния между колонками при­

234

В тех местах, где замораживающие скважины нельзя было бу­

по четырем углам участка замораживания. Поперечные сечения ство­ лов 4,8 X 4,8 м, глубина их 10 м.

К ак указы валось выше, до начала проходки стволов окружающие их гравийно-галечниковые отложения подвергались тампони­ рованию.

Общая длина замораживающих колонок 3700 м. Замораживающая станция состояла из пяти фреоновых агрегатов.

Холодопроизводителыюсть каждого агрегата 300 000 норм, ккал/ч. Мощность электродвигателя фреонового компрессора 75 кВ т. Хладоагент — фреон-22. Хладоноситель — раствор хлористого кальция.

Д ля наблюдения и контроля за процессом замораживания в 140 пунктах участка замораживания были установлены контрольно­ измерительные приборы, которые в течение всего периода стро­ ительства обеспечивали получение необходимых данных о темпера­ турах, радиусах распространения холода, наруш ениях устойчивости опор мостов.

Активное замораживание грунтов закончили, когда средняя температура замороженного грунта достигла — 5° С. Общий объем замороженного грунта 5100 м3.

После окончания работ по сооружению тоннелей пространства между тоннелем и конструкциями моста залили жидким бетоном. Затем удалили теплоизоляционные плиты и извлекли вертикальные замораживающие колонки.

§ 3. Тоннель Парижского метрополитена

При строительстве 4-й линии Парижского метрополитена были встречены трудности на участке тоннеля между подземными стан­ циями метро Сен-Мишель и Щателе. Здесь трасса тоннеля пересекает р. Сену в том месте, где остров Ситэ разделяет русло реки на два рукава (рис. 112).

Под р. Сеной тоннель проходили с помощью кессонов 1, опуска­ емых в виде секций тоннеля (рис. 113). Наиболее трудным оказался участок тоннеля протяженностью 64 м от берега реки до станции Сен-Мишель, где залегали водоносные неустойчивые грунты.

Положение осложнялось тем, что по берегу р. Сены пролегала подземная часть Орлеанской железной дороги, вокзал 2 которой располагался над сооружавшимся тоннелем. Стены вокзала под­ держивали верхнее строение набережной и тротуары улицы.

Тяжелый участок тоннеля решили пройти с применением искус­ ственного замораживания грунтов. Чтобы предупредить осадки грунта под полотном железной дороги и зданием подземного вокзала, не прекращая движения поездов, выполнили работы по укреплению названны х сооружений. Под основанием стен вокзала и полотном железной дороги возвели несколько арок с опорами 3, опущенными

235

Ри с. 113 . Продольный разрез берегового участка 4-й линии П ариж ского метро­ политена:

1 — кессон Кв 5, опущенный под руслом р. Сены; 2 — подземный вокзал Орлеанской железной дороги; 3 — опоры арок; 4 — участок тоннеля, пройденный обычным способом; 5 — дере­ вянное шпунтовое ограждение; 6 — перемычка с глиняным заполнением; 7 — насыпь грунта в русле р. Сены; 8 — замораживающие скважины; 9 — платформа Сен Мишель

236

ных мергелистых грун тах, т. е. на протяжении первых 20 — 30 м. На большем расстоянии были встречены отложения песка с большим содержанием кварцевой гальки . Здесь часто ломались алмазные коронки, стоимость которых была очень высока. По этой причине бурение горизонтальных скваж ин прекратили.

После этого приступили к проходке тоннеля 4 обычным способом, с водоотливом. Вначале проходили верхнюю штольню, а затем ее расширяли до полного поперечного сечения тоннеля. Работы по сооружению тоннеля протекали с большим трудом вследствие боль­ шого притока воды в тоннель (до 220 м3/ч) и были опасными вслед­ ствие пересечения не­ устойчивых грунтов.

Таким способом про­ шли участок тоннеля под Орлеанской железной до­ рогой вплоть до береговой стены подземного вокзала.

Замораживание гр ун ­ тов оказалось неизбеж­ ным на последнем участке тоннеля — в наиболее опас­ ном месте — вблизи и под руслом левого рукава

р.Сены. В качестве за­

полагался непосредственно под руслом реки. Грунты , подлежащие замораживанию, были представлены водоносными аллювиальными отложениями — илом, песком и галькой, которым подстилали мер­ гель и известняк.

М ассив, подлежащий замораживанию, предварительно оградили деревянным шпунтом 5, а на р. Сене устроили перемычку с глиняным заполнением 6. Ч асть р. Сены над проходимым тоннелем засыпали грунтом на 1 м выше уровня воды в реке.

Замораживанию был подвергнут массив грунта с треугольным основанием, размеры сторон которого 21 X 15 X 13 м (рис. 114). 48 вертикальных замораживающих скваж ин расположили по двум концентрическим треугольникам на расстоянии 1,2 м одна от другой.

Скважины бурили диаметром 250 мм и глубиною 17 м — на 1 м ниже отметки подошвы тоннеля. Кроме названных параллельно берегу реки пробурили прямолинейный ряд из 9 вертикальных замораживающих скваж ин — для образования заградительного барьера. В скважины опускали замораживающие трубы внутренним диаметром 100 мм и питающие трубы диаметром 35 мм.

237

Замораживание грунтов производили двумя отдельными холо­ дильными установками. Первая замораживающая станция обслужи­ вала 32 замораживающие колонки и состояла из аммиачного ком­ прессора производительностью 130 000 ккал/ч при температуре испарения — 25° С, конденсатора и испарителя; холодопроизводи­ тельность второй станции была 70 000 ккал/ч. Эта станция обслуживала 25 других замораживающих колонок. В колонках циркулировал раствор хлористого кальция крепостью 30° Be. Рассол охлаждали до — 22 24° С. Замораживание массива заняло один месяц. Общий объем замороженного грунта 2150 м3.

Взамороженной зоне тоннель проходили обычным способом.

Водонасыщенные пески оказались настолько отвердевшими, что в некоторых случаях вынуждены были прибегать к взрывным рабо­ там. От широкого применения взрывных работ пришлось отказаться ввиду близости набережной, подземного вокзала железной дороги, а также из-за того, что в пределах проходимого тоннеля находились замораживающие колонки.

Прохождение тоннеля в замороженной зоне было сопряжено с некоторыми трудностями. При производстве тоннельных работ встретили сильный приток воды, источником которого явился под­

был быстро закончен после того, как ручей изолировали дополни­ тельным шпунтовым ограждением.

В период строительства тоннеля на опасном участке движение поездов по Орлеанской железной дороге не прерывалось.

§ 4. Транспортный тоннель в Стокгольме

Наиболее населенный участок Стокгольма расположен на север­ ном берегу оз. Мелар. Он отделен от южного участка холмом, под­ нимающимся на 21 м над уровнем озера и затрудняющим сообщение между отдельными частями города. Холм решили пересечь тоннелем. Трассу тоннеля выбрали по оси улицы, с тем чтобы избежать отчу­ ждения владений вблизи выходов тоннеля. Длина тоннеля 230 м; высота его до замка свода 3,8 м.

Для сооружения тоннеля в граните прошли нижнюю штольню. Выше штольни в некоторых местах непосредственно на граните залегал мелкий водоносный песок и слой крупного гравия, сцемен­ тированного глинистым материалом. В 75 м от устья тоннель проходил под фундаментами двух пятиэтажных домов, расположен­ ных по обоим склонам холма. Свод тоннеля располагали на 3 м ниже фундаментов домов. Если бы тоннель сооружали обычным способом, то была бы нарушена сохранность домов.

Д ля разработки каллот в этой части тоннеля все же решили применить обычный способ. Однако этим способом удалось пройти тоннель только на протяжении 12 м. Дальнейш ая разработка тон­ неля затруднялась тем, что вода, поступавшая сверху, размывала

238

грунт и вытекала через тончайшие отверстия в крепи, чем была вызвана осадка поверхности земли.

В целях укрепления оснований и предупреждения осадок окру­ жающих строений на время производства работ часть тоннеля про­ ходили с применением искусственного замораживания грунтов. Д ля получения холода в тоннеле смонтировали холодильную уста­ новку, способную охладить около 700 м3/ч воздуха.

Замораживание грунтов осуществляли нагнетанием охлажден­ ного воздуха в охлаждаемую камеру — пространство, заключенное между двумя теплоизолированными перемычками. Перемычки пред­ ставляли собой двойные деревянные перегородки, пространства между которыми были заполнены древесным углем.

Схема замораживания грунтов показана на рис. 115. Рассол, охлажденный на замораживающей станции, нагнетался рассольным

Рис. 115. Схема замораж ивания грунтов в тоннеле охлажденным воздухом:

3 — термоизоляционная перемычка; 2 — холодильник; 3 — вентилятор; 4 — злектродвигатель; 5 — рассольный насос; в — шлюзовая камера

насосом 5 в охладитель 2, где он охлаждал воздух, всасываемый вентилятором 3 из охлаждаемой камеры. Охлажденный воздух затем нагнетали вентилятором снова в камеру.

Через 60 ч после начала охлаждения изолированной камеры гравий был проморожен на глубину 0,3 м. Температура охлажден­

замороженным, но это работы не осложнило, так как он был укреплен толстыми досками. В замороженной зоне тоннель про­ ходили участками длиной 1,5 м. Грунт вынимали вначале в верхней части с временной крепью, а затем в нижней.

Стены тоннеля были заморожены настолько, что в нижней поло­ вине сечения тоннеля временную крепь не применяли. Чтобы под­ держать грунт в замороженном состоянии, холодильную машину пускали в ход в ночное время, за исключением тех случаев, когда были сильные дожди. Температура воздуха, подаваемого в камеру, была — 55° С. После 10— 12 ч работы холодильной машины темпе­ ратура воздуха в камере устанавливалась — 21 4 “ 26° С. При входе в камеру температура повышалась до — 4° С; во время работы она быстро возрастала до ± 0 ° С. После выемки грунта на протяжении 3 м термоизолированную перемычку устанавливали ближе к забою тоннеля. Объем камеры охлаждения составлял 8 0 — 170 м3.

239