Способ замораживания грунта
METHOD FOR FREEZING SOIL

Изобретение относится к упрочнению грунта, в частности к осушению котлованов замораживанием, и может быть применено при обустройстве ремонтного котлована на трубопроводе в переувлажненных и заболоченных грунтах. Искусственное замораживание грунтов при разработке котлована дает возможность сделать прочное ограждение прямоугольного или кругового очертания из замороженного грунта, которое препятствует проникновению водонасыщенных неустойчивых грунтов или грунтовой воды в сооружаемую выработку. Такое ограждение воспринимает давление грунта, окружающего котлован или выработку, а также гидростатическое давление грунтовых вод. Как правило, для замораживания грунтов используется хладагент.
Известен способ замораживания грунтов при строительстве подземных сооружений, включающий бурение скважин с установкой в них замораживающих колонок, охлаждение хладоносителя посредством холодильной установки и циркуляцию хладоносителя по замораживающим колонкам [Шуплик М.Н., Месхидзе Я.М., Королев И.О. и др. Строительство подземных сооружений: Справочное пособие. М.: Недра, 1990, с. 132-200].
Недостатками этого способа являются значительные затраты энергии на охлаждение хладоносителя и большие сроки замораживания грунтов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является «Способ изолирования зоны подземной выработки от подземных вод» по патенту RU 2211894, МПК E02D 19/14, опубликовано 10.09.2003. Способ изолирования зоны ведения работ - зоны подземной выработки от подземных вод путем создания ледогрунтового ограждения с использованием метода азотного замораживания, включающий бурение скважин с установкой в них замораживающих колонок с жидким хладоносителем, которые соединяют с резервуаром, заполненным криоагентом с обеспечением циркуляции охлажденного жидкого хладоносителя по замораживающим колонкам. Процесс азотного замораживания включает стадию постепенного охлаждения замораживаемой области газообразным азотом. Недостатком такого способа является завышенная трудоемкость и перерасход криоагента из-за того, что по нему сначала устанавливают неопределенное количество замораживающих колонок и затем обеспечивают минимальную потребную толщину ледогрунтового барьера по всему периметру ремонтного котлована, что в связи с неоднородностью грунтов приводит к перерасходу криоагента.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании заявляемого изобретения, и которая не могла быть решена при осуществлении аналогов изобретения, является снижение трудоемкости работ по монтажу замораживающих колонок и оптимизация расхода криоагента для обеспечения минимально потребной толщины ледогрунтового барьера по всему периметру ремонтного котлована.
Для решения этой проблемы предлагается в известном способе изолирования зоны подземной выработки от подземных вод, включающем установку в указанной зоне нескольких зональных замораживающих устройств и создание по периметру ремонтного котлована ледогрунтового ограждения путем азотного замораживания, при этом необходимое число замораживающих устройств определять, исходя из следующего
, где
N - число замораживающих устройств;
k - коэффициент, учитывающий теплофизические параметры грунта;
Р - периметр котлована, м;
Н - длина замораживающих устройств, м;
3
q - стандартный удельный расход хладагента, л/м;
Q - расход жидкого азота, л.
Использование такого способа, учитывающего параметры грунта при определении оптимального числа замораживающих устройств для обеспечения ледогрунтового ограждения планируемого котлована, приводит к снижению трудоемкости подготовительных работ и оптимизации расхода криоагента.
i
На фиг. 1, иллюстрирующей уровень техники, показано продольное сечение известного устройства для зонального замораживания грунтов, для использования которого подходит заявляемый способ. На фиг. 2 схематически представлено образование ледогрунтового барьера длиной L с разным расстоянием между замораживающими колонками x.
2
2
Устройство для зонального азотного замораживания грунтов содержит корпус 1 замораживающей колонки с оголовником 2, центральной питающей трубой 3, обтекателем 4. Центральная питающая труба 3 соединена с распределительными патрубками 8 в уровне основания обтекателя 4 посредством переходника и уплотнительного устройства 10 в виде криогенного испарителя. Распределительные патрубки 8 выполнены с перфорацией, охватывают нижнюю часть обтекателя 4 и могут быть выполнены как вертикальными, так и спиралевидными. В верхней зоне обтекатель 4 снабжен отбойниками, которые могут быть выполнены в виде наклонных лопаток, а также могут быть снабжены по краям зубчатой перфорацией (условно не показано). Устройство устанавливают в корпус 1 замораживающей скважины. Обозначения LN - жидкий азот, GN - газообразный азот.
Как известно проектирование ледогрунтового ограждения основано на предположении, что ледогрунтовое ограждение состоит из касающихся правильных цилиндров с осью – колонкой, длиной равной глубине погружения колонки. Поэтому принята следующая формула расчета расхода хладагента на создание ледогрунтового барьера замкнутой формы
,
где
D - диаметр замороженных цилиндров,
Н - длина замороженных цилиндров,
Р - периметр разрабатываемого котлована,
n - шаг охладительных свай,
3
q - расход хладагента на замораживание 1 м грунта.
Вместе с тем, исходя из непрерывности барьера, величина диаметра замороженных цилиндров D равна шагу n охладительных свай: D=n, а число свай N, образующих периметр котлована Р, связано с шагом n соотношением
.
3
3
Кроме того, известно, что величина удельного расхода хладагента на замораживание 1 м грунта зависит от множества факторов: от вида, структуры его, влажности, температуры и для болот средней полосы колеблется от 600 до 1000 л/м.
3
Возьмем за основу величину 1000 л/м и введем коэффициент k, учитывающий изменение удельной характеристики грунтов в месте использования заявляемого способа.
Сделав соответствующие подстановки в формулу (1) и сократив одинаковые параметры в числителе и знаменателе, получим следующую формулу для определения числа охладительных свай ледогрунтового ограждения планируемого котлована
,
где
k - коэффициент, учитывающий теплофизические параметры грунта;
Р - периметр котлована, м;
Н - длина замораживающих устройств, м;
3
q - стандартный удельный расход хладагента, л/м;
Q - расход жидкого азота, л.
Используя формулу определения числа замораживающих устройств с учетом реальных теплофизических характеристик грунта на разных сторонах планируемого котлована, как в показанном далее примере, можно получить снижение трудоемкости бурения и монтажа на 10-20% и сокращение расхода хладагента на величину до 10%.
3
3
Пример использования способа. Для создания ремонтного котлована квадратной формы 5×5 м, примыкающего одной стороной к краю болота, были определены характеристики грунта по четырем сторонам периметра, которые показали в сравнении с известными данными, что одна из сторон котлована потребует удельного расхода 600 л/м, а три других – стандартного для 1 м грунта с содержанием до 30% воды 1000 л жидкого азота. Подставив численные значения в формулу, получили, что для трех сторон котлована необходимо по 5 замораживающих устройств, а для одной стороны достаточно 3-х замораживающих устройств. Таким образом, число необходимых для обеспечения ледогрунтового ограждения котлована замораживающих устройств сократилось с 20 до 18, то есть трудоемкость бурения и монтажа сократилась на 10%. Так как все охладительные сваи соединены и питались одновременно, экономия расхода жидкого азота также составила 10%. Работы по замораживанию начинаются с бурения скважин и установки в них колонок замораживающих с питающими трубами. Параллельно ведутся работы по сооружению замораживающей станции, жидкий азот используется однократно (газ выпускается в окружающую среду). Жидкий азот, доставленный на стройплощадку, пускается из цистерн сразу в замораживающие колонки. Жидкий азот доставляется в цистернах вместимостью 1200, 3000 и 5000 л и более, смонтированных на автомобилях. Замораживающие колонки при низкотемпературном замораживании соединяются в одну систему последовательно. Жидкий азот поступает в питающую (внутреннюю) трубу первой замораживающей колонки. В кольцевом пространстве колонки происходит испарение жидкого азота, образовавшийся газ поднимается к оголовку колонки, откуда по трубопроводу затем поступает в питающую трубу соседней колонки и т.д. В атмосферу он поступает из последней колонки системы с температурой порядка минус 40°С.
Об образовании ледогрунтового замкнутого ограждения судят по повышению уровня воды в пробуренной специальной гидрогеологической контрольной скважине. Когда на одном из водоносных горизонтов заканчивается образование замкнутого ледогрунтового ограждения и начинается его утолщение, вода внутри замороженного контура попадает под давление утолщающихся стен ограждения, и происходит поднятие в контрольной скважине ее уровня.
После завершения ремонтных работ переходят к оттаиванию грунтов замороженных, которое может осуществляться либо естественным путем, либо искусственно, посредством нагнетания нагретой воды или рассола в колонки.