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

Опыт работы показал, что для замораживания грунтов было достаточно 12 ч работы холодильной установки, несмотря на сильные дожди, обильно выпавшие в то время.

Бетонную крепь стремились возводить возможно быстрее после выемки грунта, с тем чтобы воспользоваться устойчивостью заморо­ женных стен.

Грунты замораживали на участке общим протяжением 24 м. Д альш е встретили достаточно устойчивые пески, проходка которых не требовала применения замораживания грунтов.

После сооружения тоннеля в окружающих его строениях не было замечено ни осадок, ни трещин. Среднесуточное продвигание тоннеля в зоне замораживания составило 0,3 м. Общее время, затраченное

в замораживаемый грунт через неплотные соединения в заморажи­ вающих колонках.

Замораживание грунтов охлажденным воздухом может найти

с выработками околоствольного двора, при сооружении подземных камер, зумпфов, а также при расширении горных выработок в водо­ носных грунтах.

§ 5. Гидротехнический тоннель

Замораживание грунтов при сооружении гидротехнического тон­ неля. Д ля подвода воды к водохранилищу гидроэлектростанции Онгрин-Леман (Швейцария) сооружали систему гидротехнических тоннелей. Основной подводящий тоннель круглой формы с площадью поперечного сечения 5 —8 м2 уклоном 3% и общей протяженностью 3 ,5 км сооружали в горном хребте Mont сГОг, абсолютная отметка вершины которого 1810 м (рис. 116). Абсолютная отметка устья тоннеля 1250 м. Средняя мощность горных пород, залегающ их над тоннелем, 300 м.

Внутренний диаметр тоннеля 2,5 м, наружный 3,5 м; диаметр тоннеля в проходке 4,1 м.

Горные породы, слагающие хребет: глинистый сланец 1, ангидрит и гипс 2 — водонепроницаемые горные породы; разрушенный доло­ мит 3 и трещиноватый доломит 4. Клиновидное ядро хребта 5 пред­ ставлено трещиноватым водоносным известняком, по обеим сторонам которого залегают названные выше горные породы.

Длина ядра хребта 5 —6 км, ширина 1 км. Ядро хребта пред­ ставляет собой естественный водосборник, емкость которого дости­ гает нескольких миллионов кубометров воды.

2 4 0

При пересечении тоннелем горного хребта водосборник был вскры т на глубине около 100 м ниже зеркала подземной воды. Боль­ шой напор и значительное количество воды, а также геологическое строение хребта, в частности, непосредственно примыкающий к водо­ упорным пластам крутопадающий пласт разрушенного доломита

18Юм

Рис. 116. Поперечный разрез горного хребта Montd’Or. (Стрелкой показано направление тоннеля)

мощностью 5 0 — 60 м, представляли собой сложную задачу для проектирования и сооружения тоннеля.

Доломит можно было изучить только после того, как тоннелем пересекли ангидрит и гипс

появляться в тоннеле спустя 24 ч после прорыва воды. Через не­ которое время поступление воды из забоя прекратилось, но вода начала поступать из кровли выработки на расстоянии 70 м от места прорыва.

Спустя неделю после прорыва воды тоннель на протяжении 300 м был заполнен обломками горной породы, причем на протяжении 100 м был полностью закупорен обломками разрушенного доломита.

Причинами прорыва воды в тоннель являю тся: сложное геологи­ ческое строение хребта и особые тектонические условия.

Экономические расчеты показали, что очистка тоннеля от облом­ ков является нецелесообразной, поэтому предпочли изменить напра­

ных горных пород.

Бурение разведочной скважины с отбором керна осложнялось тем, что гидростатический напор подземной воды достигал 10 кгс/см 2. Вы нуть керны в разрушенных доломитах не удалось — извлекалась только песчано-глинистая смесь с включениями обломков доло­ мита.

' В результате бурения установили: пласт доломита мощностью 5 0 — 60 м содержал в себе карстовые пустоты и полости, заполненные глиной, и был разрушен до такой степени, что представлял собой рыхлую горную массу.

Определение предела текучести по Аттебергу показало, что образцы горной породы весьма гигроскопичны, практически непла­ стичные и вели себя наподобие шлама или мелкого песка.

Попытки выполнить предварительный тампонаж участка с водо­ носными горными породами не увенчались успехом. Стало ясно, что без применения какого-либо другого специального способа водоносный участок пройти тоннелем не представляется возможным. Были рассмотрены следующие специальные способы: осушение водо­ носного участка, щитовой способ сооружения тоннеля и заморажи­ вание грунтов.

242

После тщательного изучения названных способов при сооруже­ нии тоннеля в разрушенном доломите применили способ заморажи­ вания, а в трещиноватом доломите — тампонаж горных пород.

До начала замораживания в лабораторных условиях были опре­ делены пределы прочности замороженного разрушенного доломита. 34 образца доломита в виде цилиндров диаметром 70 мм и высотой

150мм замораживали при температурах — 28, — 18, — 10, — 8 и —4°С

иразрушали с различными скоростями нагрузки: 5, 1 и 0,2 мм/мин.

Полученные при испытании замороженных образцов средние пределы прочностей на сжатие приведены в табл. 9.

При определении прочных размеров толщины стены ледогрунто­ вого ограждения допускаемое напряжение на сжатие грунта, заморо­ ж енной при температуре от — 15 до — 20° С, принимали равным 30 кгс/см 2.

Замораживание грунтов выполняли двумя заходками: длина первой заходки 42 м, второй 52 м.

Тоннель на участке со сложными горно-геологическими усло­ виями сооружали в четыре этапа (рис. 119).

I. Сооружение первой рабочей камеры, бурение заморажива­ ющих скваж ин и образование ледогрунтового ограждения в первой заходке.

I I . Выемка горной породы под защитой ледогрунтового огра­ ждения, возведение водонепроницаемой крепи тоннеля, сооружение второй рабочей камеры, уплотнение крепи на переходе тоннеля из ангидрита в разрушенный доломит, поскольку ангидрит растворим в воде.

I I I . Оттаивание замороженного грунта в первой заходке, образо­ вание ледогрунтового ограждения во второй заходке.

IV . Выемка горной породы и возведение водонепроницаемой крепи во второй заходке. Сооружение третьей рабочей камеры для выполнения тампонажных работ в залегающем дальше трещиноватом доломите, оттаивание ледогрунтового ограждения во второй заходке.

Д ля создания возможности бурения замораживающих скваж ин первой заходки в ангидрите — водонепроницаемой горной породе соорудили первую рабочую камеру наружным диаметром 6,5 м, внутренним 4,7 м и длиной 8,4 м; крепь камеры бетонная.

Перед рабочей камерой на расстоянии 6 м от нее соорудили камеру безопасности с водонепроницаемой перемычкой, оборудован­ ной дверями.

49 замораживающих скваж ин первой заходки расположили по двум окружностям — диаметром 3,9 м — 17 скваж ин и 4,3 м — 32 скваж ины . Замораживающие скважины бурили веерообразно на­ клонными под углом 8° к оси тоннеля (рис. 120).

Благодаря такому расположению замораживающих скважин ледогрунтовое ограждение имело коническую форму с наружным конечным диаметром 14 м. Диаметр замораживающих колонок 84 мм.

Д ля образования в конце первой заходки ледогруптовой пере­ мычки, которая противостояла бы внешнему давлению, в пределах

I I Ангидрип Разрушенный доломит Трещинойатый доломит

Рис. 119. Этапы сооружения тоннеля в нарушенных горных породах:

1 — камера безопасности; 2 — первая рабочая камера; 3 — вторая рабочая камера; 4 — тампонажная камера; 5 — ледогрунтовой конус

сечения тоннеля пробурили четыре замораживающих скважины, расположенных веерообразно относительно оси тоннеля.

Замораживающие колонки в этих скваж инах по мере сооружения тоннеля срезали, а затем включали в рассольную сеть с помощью резиновых шлангов.

Д ля наблюдения за процессом замораживания пробурили одну термическую скваж ину длиной 42 м, в которой разместили на разных расстояниях термометры сопротивления, и одну разгрузочную (ги­ дронаблюдательную), в которой поместили перфорированную трубу

244

для отвода избыточной воды при образовании ледогруитового огра­ ждения. Однако, как показал опыт, надобности в ней не было.

В последующее время на внешней стороне ледогрунтового огра­ ждения дополнительно пробурили три дополнительных термических скважины длиною по 42 м. В каждой скважине (колонке) через определенные интервалы установили термометры сопротивления.

Замораживание грунтов осуществляли замораживающей стан­ цией, состоящей из четырех агрегатов общей холодопроизводитель-

J

Рис. 120. Схема расположения замораживающих скважин:

1 — первая рабочая камера; 2 — вторая рабочая камера; 3 — тампонажная камера: I — II — заходки замораживания

ностью 200 000 ккал/ч при температуре испарения — 20° С. Расход электроэнергии на работу замораживающей станции составлял 125 к В т -ч .

Хладоноситель (раствор хлористого кальция) направляли в за­ мораживающие колонки с температурой — 28° С.

На образование ледогрунтового ограждения затрачено 30 сут. В период сооружения тоннеля холодопроизводительность замора­

0,3 м от замораживающей колонки, были зарегистрированы темпе­

245

времени в наблюдательной скважине, расположенной на расстоянии 1,8 м от замораживающей колонки, были зарегистрированы темпе­ ратуры соответственно —4° С и — 10° С.

Подземные воды содержали в 1 л до 2 г сульфатов и потому были агрессивными по отношению к цементу. По этой причине для бетон­

Рис. 121. Водонепроницаемая крепь тоннеля:

1 — металлическая обечайка; 2 — бетонная крепь; з — патрубок для тампонажа пространства между металлической крепью и замороженной горной породой

мальный предел прочности бетона на сжатие в 28-суточном возрасте составлял 420 кгс/см 2.

Толщина стенки бетонной крепи тоннеля 500 мм.

Высокое гидростатическое давление подземной воды вызвало необходимость применения водонепроницаемой крепи тоннеля. Водо­ непроницаемость тоннеля обеспечивает металлическая крепь, сооруженная за бетонной (рис. 121).

Металлическая крепь представляет собой цилиндр, составленный

четырех сегментов. Внутренний диаметр металлической крепи 3,5 м. Такой крепью тоннель закреплен на протяжении 85 м.

При выемке горной породы в тоннеле металлические обечайки играли роль временной крепи. С э-той целью каждое кольцо было усилено решеткой, составленной из круглого железа. Листы обе­

246

Тампонажный раствор за металлическую крепь нагнетали под небольшим давлением.

горной породы в пределах ледо­

Под защитой ледогруитового ограждения тоннель сооружали заходками длиной 2,8 м на длину двух обечаек.

Замороженную горную породу разрабатывали отбойными молот­ ками; буровзрывные работы не применяли.

Д ля контроля за поведением стен замороженной горной породы до возведения бетонной крепи на стене забоя и поверхности ледо­ грунтового ограждения установили датчики перемещения. Н икаких заметных изменений формы ледогрунтового ограждения датчики не зарегистрировали.

На возведение 40 м водонепроницаемой крепи затрачено 12,5 ме­ сяцев — от начала замораживания до оттаивания замороженных горных пород.

Характерные фазы сооружения тоннеля на сложном участке показаны на рис. 122.

247

ГЛАВА XI

ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКИХ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ ПРИ НЕПОСРЕДСТВЕННОМ ИСПАРЕНИИ ИХ ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ

§ 1. Применение жидкого азота

скислородом, металлами и другими элементами.

Вприроде азот находится в свободном состоянии; в воздухе его содержится 78% по объему и 75,6% по весу.

Рассмотрим температуры испарения (кипения) азота и соответ­ ствующие им давления.

Температура испарения жидкого азота при атмосферном давле­ нии (760мм рт. ст.) — 195,8° С (77,21°). Другие известные холодиль­ ные агрегаты при том же давлении испаряются при температурах: пропан — 42,2° С, фреон-22 — 40,8° С, аммиак — 34° С, фреон-12 — 29,8° С. Преимущества жидкого азота перед другими холодильными агентами с точки зрения температуры замораживания очевидны.

Скрытая теплота парообразования (теплота испарения) жидкого азота в зависимости от температуры испарения и давлений изме­ няется в следующих размерах:

248

температуре -j-15° С образовавшийся из него газ занимает объем 680 л.

но меньше холодопроизводительности пропана и значительно усту ­ пает холодопроизводителыюсти 1 кг аммиака. При этом исполь­ зование жидкого азота будет однократным (с выпуском отработан­ ного азота в воздух), а аммиака многократным (при циркуляции его в замкнутой системе).

Вследствие указанного расход жидкого азота на замораживание

Однако, если принять во внимание небольшую стоимость жидкого азота (стоимость 1 кг жидкого азота равна стоимости 1 к В т -ч элек­ троэнергии), этот фактор не является существенным недостатком

вышением температуры численное значение коэффициента тепло­

удобства пользования диаграммой в знаменателе показаны и значения энтальпии, выраженные в ккал/кг.

К ак и у других холодильных агентов, на диаграмме I — Р для азота имеются левая (жидкости) и правая (пара) пограничные кри­ вые. Между ними находится область насыщенных паров азота.

249