Технология искусственного замораживания грунтов с применением твердых криоагентов в подземном строительстве

ную щель. После того, как будут погашены буродоставочные орты, погашают и рудный штрек, от центра в направлении панельных ортов. Для перемещения самоходного обору-

дования на подэтажи используют спиральный съезд.

Высота подэтажа составит 15 мв. Ширина отбиваемого слоя - 12 м, а его мощность - 2,4 м.

— Коротко об авторах ------------------------------

Савич Игорь Николаевич — доцент, кандидат технических наук, Юров Александр Александрович — аспирант,

Московский государственный горный университет.

------------------------------------------ © М.Н. Шуплик, В.Н. Борисенко,

2004

УДК 69.035.4./622.253.35

М.Н. Шуплик, В.Н. Борисенко

ТЕХНОЛОГИЯ ИСКУССТВЕННОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТВЕРДЫХ КРИОАГЕНТОВ В ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Семинар № 14

ш ш ри строительстве подземных соору-

-Ж_Ж жений и шахт в сложных гидрогеологических условиях широкое распространение получил способ искусственного замораживания грунтов. Наиболее распространенным является «рассольный» способ замораживания грунтов. В последние годы способ искусственного замораживания грунтов находит все большее применение при строительстве городских подземных сооружений.

В городских условиях основной объем замораживания грунтов приходится на глубины до 30 м, в основном 11-20 м от поверхности земли. При замораживании грунтов на таких глубинах неизбежное влияние на процесс формирования ледогрунтового ограждения оказывает теплоприток со стороны земной поверхности, который в летнее время, как показывает практика, может превы-

шать в 5-10 раз теплоприток со стороны незамороженного массива.

Анализ опыта строительства коммунальных тоннелей в Москве показывал, что в 85 % всех случаев в радиусе до 3 м находились или наземные, или подземные коммуникации. Особую сложность при этом вызывает наличие в непосредственной близости от строящихся объектов теплотрасс, канализационных коллекторов и других коммуникаций, имеющих повышенную температуру (локальные источники тепла с температурой до 60 0С).

Специфика городского хозяйства оказывает воздействие на состав подземных вод. Зачастую подземные воды, подлежащие замораживанию, содержат примеси нефтепродуктов, растворы минеральных солей, что резко снижает температуру ледообразования, и на отдельных объектах она составляет - (10-15) 0С.

Технологическая схема замораживания грунтов с применением сухого льда в качестве хладагента: 1 -

изотермическая емкость для хладоносителя; 2 - твердый криоагент; 3 - теплообменный аппарат; 4 - змеевик; 5 -насос; 6 - магистральные трубопроводы; 7 - замораживающие колонки

Жизнедеятельность города влияет и на начальную температуру подземных вод, которая вблизи теплотрасс подземных коммуникаций достигает 20-25 0С.

Все возрастающие объемы замораживания грунтов вблизи зданий, сооружений, под железными и автомобильными дорогами, с одной стороны, высокая стоимость, большая энерго-и материалоемкость этого процесса, с другой, приводят к необходимости решения крупной проблемы, направленной на обоснование и разработку параметров технологии замораживания грунтов в городских условиях, обеспечивающей ресурсосбережение, охрану окружающей среды и повышение техникоэкономических показателей подземного строительства.

Одним из путей достижения поставленной цели является обоснование и разработка принципиально новых мобильных способов замораживания грунтов с применением твердых криоагентов, позволяющих обеспечить ресурсосбережение. Под последним понимается снижение для замораживания заданного объема грунта электроэнергии, воды, труб и требуемого оборудования.

В качестве твердых криоагентов для замораживания грунтов могут быть использованы любые химические вещества, обладающие свойством сублимации, т.е. способностью переходить из твердого состояния в газообразное минуя жидкое, при низких отрицательных температурах. Анализируя современные криоагенты, используемые во всех отраслях техники, можно выделить целый ряд твердых криоагентов, которые могут быть применены для замораживания грунтов. С точки зрения технологии их получения, дефицитности, безопасности, стоимости, можно констатировать, что на сегодняшний день развития техники и технологии наиболее приемлемым для промышленного применения при замораживании грунтов является диоксид углерода С02, называемый иногда «сухой лед».

Анализ закономерностей изменения свойств твердого диоксида углерода, в зависи-

мости от внешних условий и воздействий, позволяет обосновать и предложить ряд технологических схем замораживания грунтов.

Одна из наиболее простых и распространенных технологических схем это схема, при которой твердый криоагент является хладоно-сителем. По этой технологии замораживание грунтов осуществляется через заглушенную в нижней части трубу (в дальнейшем называемой «колонкой»), которая периодически по мере сублимации заполняется твердым диоксидом углерода. За счет притока тепла из окружающих грунтов диоксид углерода сублимирует, и в зависимости от давления в колонке температура сублимации будет находиться в пределах -78,9 - 56,6 0С.

Максимальная глубина замораживания определяется из условия, чтобы в самой нижней части колонки давление не превышало 0,518 МПа (давление тройной точки), которое получается при заполнении колонки на 35^40 м твердым диоксидом углерода. Газ диоксида углерода по мере его накопления поднимается вверх и, пройдя всю колонку по высоте, выбрасывается наружу. Колонка в верхней части должна быть открытой для свободного выхода газообразного диоксида углерода в атмосферу.

По этой технологии построено 8 объектов в г. Москве [1]. Анализ опыта строительства показал, что этот способ имеет ряд преимуществ: не требуется вода, электроэнергия, уменьшается количество труб, сокращаются сроки подготовительного режима и активного замораживания.

Недостатками данной технологии замораживания грунтов является сложность контроля заполнения скважин сухим льдом по глубине, высокая стоимость хладоносителя.

Твердый диоксид углерода при замораживании грунтов может быть использован и в качестве хладагента. Технология замораживания грунтов с применением твердого диоксида углерода в качестве хладагента является комбинацией рассольного способа и способа замораживания грунтов с применением твердых криоагентов в качестве хладоносителя.

На рисунке изображена принципиальная схема технологии искусственного замораживания грунтов с применением твердого диоксида углерода в качестве хладагента.

Как видно из рисунка предлагаемая схема аналогична рассольной схеме замораживания, в которой отсутствует компрессор и конденсатор. Хладоноситель из емкости 1 поступает в теплообменный аппарат 3, в котором охлаждается до заданной температуры. Из теплообменного аппарата 3 хладоноситель попадает в магистральные трубопроводы 6, откуда перераспределяется по замораживающим колонкам 7. Для циркуляции хладоносителя предусмотрен насос 5. Циркулируя в колонках, хладоноситель отдает холод окружающему массиву и нагревается на 3-5 0С. Из замораживающих колонок хладоноситель по трубопроводу поступает в емкость, откуда движется на повторное охлаждение. Примерами хладоносителей, применяемых при низких температурах, могут служить метиленхлорид

1. Шуплик М.Н., Плохих В.А., Никифоров К.П., Киселев В.Н. Перспективы технологии замораживания грунтов в подземном строительстве. Подземное пространство мира № 4, 2001.

(СН2С12), трихлорэтилен С2НС13, этиловый спирт, ацетон, различные фракции перегонки нефти (керосин) и др. Наибольшее распространение в качестве хладоносителя получил водный раствор хлористого кальция СаС12.

К достоинствам способа следует отнести простоту эксплуатации замораживающей станции; компактность; высокие темпы замораживания; относительно невысокую стоимость; незначительные энергозатраты; отсутствие потребности в воде; а к недостаткам - относительно большие сроки проведения подготовительных работ.

Применение данного способа позволяет расширить использование технологии замораживания грунтов с применением твердого диоксида углерода при строительстве подземных сооружений в условиях плотной городской застройки.

Для внедрения технологии замораживания грунтов с применением твердого диоксида углерода необходимо решить ряд проблем связанных с определением ее параметров

В настоящее время над этими и другими вопросами работает коллектив кафедры СПС и Ш МГГУ.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Пименова Т.Ф. Производство и применение «сухого льда». - М.: Легкая промышленность. 1982.

— Коротко об авторах -------------------------------------------

Шуплик М.Н., Борисенко В.Н. — Московский государственный горный университет.