745

пониженного уровня грунтовых вод. Электроды, состоящие из металлических труб, погружают по периметру объекта с внутренней стороны контура иглофильтров на таком же расстоянии друг от друга, как и иглофильтры. Электроды и иглофильтры устанавливают в шахматном порядке. Расстояние между рядами электродов и анодов (иглофильтров и труб) должно быть около 0,8 м. Глубина погружения электродов должна соответствовать глубине погружения иглофильтров. При этом электроды должны выступать на 0,2–0,4 м над поверхностью земли.

Возможны и другие схемы расположения иглофильтров и анодов. На рис. 2.9, а показано двухрядное расположение, а на рис. 2.9, б — однорядное расположение анодов. Иногда аноды (металлические стержни) располагают в один ряд с иглофильтрами на половинном расстоянии между ними.

Рис. 2.9. Электроосмотическое водопонижение из котлована: 1 — электрический кабель; 2 — источник постоянного тока; 3 — магистральный трубопровод; 4 — всасывающая труба;

5 — перфорированная труба; 6 — анод (металлический стержень); 7 — катодная скважина; 8 — активная зона между рядами анодов; 9 — зона обратного действия; 10 — активная однородная зона

Практика показывает, что наиболее эффективно явление электроосмоса проявляется при напряжении электрического тока на электродах 15–150 В (по правилам безопасности предпочтительно напряжение не более 60 В), токе 10–30 А и плотности тока 0,5–4 А/м2. Расход электроэнергии составляет около 108 МДж на 1 м3 осушаемого грунта.

Рабочие, обслуживающие установки, должны работать в резиновых перчатках и резиновых сапогах или галошах.

Дренажные выработки и горизонтальные скважины следует использовать в скальных и полускальных водоносных грунтах. Дренажные выработки могут быть временными — на период строительства, постоянными — на весь срок эксплуатации сооружений. Дренажные выработки следует устраивать параллельно основной выработке. Горизонтальные скважины устраивают, как правило, из горных выработок для осушения водоносных пластов небольшой мощности.

Работы по водопонижению следует вести на основании разрешения соответствующих органов и ППР, разработанными организацией, выполняющей водопонижеиие.

Система водопонижения должна иметь электроснабжение по отдельным питающим линиям от двух независимых источников с АВР. Подключение иных потребителей к линиям электроснабжения водопонизительных установок недопустимо.

ППР по водопонижению следует разрабатывать на основе достоверной информации о гидрогеологических условиях и геологической документации по каждой скважине понижения и гидронаблюдательным скважинам.

Контролю за технологией выполняемых работ подлежат: режим бурения скважин; отбор и описание грунта при бурении скважин; процесс оборудования скважин фильтрами; соответствие отсыпки проекту; прокачка скважин; установка иглофильтров.

На оборудование скважин фильтром и их прокачку необходимо составлять акты.

До начала работ по водопонижению следует бурить наблюдательные скважины. При осушении нескольких горизонтов наблюдательные скважины устанавливают на каждый горизонт. Для проверки качества работы наблюдательную скважину заполняют водой —

недостаткам — относительно большие сроки проведения подготовительных работ и процесса замораживания (от одного до нескольких месяцев), а также возможность загрязнения окружающей среды случайными попаданиями в нее химически активного холодоносителя.

В климатических районах с отрицательными среднегодовыми температурами применяется упрощенный способ замораживания грунтов с принудительной замкнутой циркуляцией жидкого холодоносителя (рис. 2.13).

2 3

1

4

Рис. 2.13. Упрощенный способ замораживания грунтов с принудительной замкнутой циркуляцией жидкого холодоносителя

При этом способе охлажденный атмосферным воздухом в теплообменнике 1 холодоноситель скапливается в бассейне 2, где дополнительно охлаждается. Из бассейна холодоноситель под напором, создаваемым насосом 3, поступает в замораживающие колонки 4. По выходе из колонок холодоноситель вновь попадает в теплообменник 1.

Роль теплообменников здесь могут играть градирни различных типов, а также закрытые трубчатые воздушные охладители.

Способ, схематически представленный на рис. 2.13, имеет несомненные преимущества по сравнению со способом, показанным на рис. 2.11, так как для его реализации не требуется применения дополнительного холодильного оборудования, но вместе с тем область применения этого способа ограничивается районами с суровым климатом [44].

При замораживании с принудительно-естественной незамкнутой циркуляцией парожидкого холодоносителя в качестве последнего обычно применяют жидкий азот N2.

В связи с низкой температурой кипения жидкого азота темпы замораживания грунта примерно в 5 раз, а прочность грунта в 3–4 раза выше, чем при замораживании с принудительной замкнутой циркуляцией жидких холодоносителей. Это обеспечивает успех применения жидкого азота при ликвидации аварийных ситуаций, связанных с прорывом водоносного грунта или воды в горную выработку.

Из-за особых условий применения жидкого азота проектирование установок для замораживания грунтов должно осуществляться проектной организацией, имеющей опыт работ с низкотемпературными хладагентами.

При замораживании с принудительно-естественной незамкнутой циркуляцией в качестве холодоносителя может применяться твердый диоксид углерода (СО2), представляющий собой кристаллическое тело белого цвета, обладающее островными структурами.

Таблица 2.1

Некоторые теплофизические свойства холодоносителей

(твердая)

Перед поставкой твердого углерода потребителю его прессуют в брикеты массой от 40 до 120 кг, или гранулируют. Размер гранул может быть различным (от 2 до 5 см).

Диоксид углерода не горит и не поддерживает горения и при нормальных условиях

(давлении 1,01 105 Па и температуре 0 °С) является неактивным соединением. Гранулированный твердый диоксид углерода плотно загружается в колонки и

добавляется в них по мере сублимации последнего. Догрузку рекомендуется производить 1 раз в час, при этом расход диоксида углерода составляет от 5–8 кг/ч на каждый метр колонки в начале замораживания и до 1–2 кг/ч в конце замораживания.

Довольно низкая температура сублимации твердого диоксида углерода (см. табл. 2.1) позволяет сократить сроки замораживания в 3–4 раза по сравнению с традиционным рассольным способом, а относительно невысокая стоимость сухого льда делает его применение весьма эффективным при производстве работ по замораживанию грунтов в аварийных ситуациях.

На рис. 2.14 приведена технологическая схема замораживания грунтов, в которой твердый криоагент выполняет роль замораживающей станции и служит хладагентом для охлаждения холодоносителя. В качестве последнего следует применять труднозамерзающую жидкость (с температурой замерзания ниже температуры сублимации твердого диоксида углерода на 5–10 °С), обладающую малой вязкостью и большой теплоемкостью. При этом на рис. 2.14, а приведена схема, аналогичная рассольной схеме замораживания, в которой отсутствуют компрессор и конденсатор. Замораживание грунтов по предлагаемой схеме осуществляется следующим образом.

Охлаждение холодоносителя обеспечивается в батарее труб 4, которые расположены в теплоизоляционной емкости 3. Емкость заполнена твердым криоагентом 2 (например, «сухим льдом»), который отбирает тепло от холодоносителя. Охлажденный хладагент насосом 5 подается по питающему трубопроводу 8 к питающим трубам замораживающих колонок 6. Холодоноситель, пройдя через колонки, собирается в отводящем трубопроводе 9 и попадает в емкость 1. Затем цикл повторяется. По мере отбора тепла от холодоносителя твердый криоагент сублимирует и в газообразном виде (через верхнее отверстие в емкости 3) попадает в атмосферу. По мере сублимации твердого криоагента последний периодически догружается с таким расчетом, чтобы его уровень был всегда выше батареи труб 4. В результате непрерывной циркуляции охлажденного холодоносителя в колонках формируется ледогрунтовое ограждение проектных размеров.

а)

б)

Рис. 2.14. Технологические схемы замораживания грунтов (а и б) при сублимации твердого криоагента в промежуточном сосуде:

1 — емкость с незамерзающей жидкостью; 2 — твердый криоагент;

3 — емкость для твердого криоагента; 4 — змеевик; 5 — насос; конструкция колонки: 6 — общепринятая; 7 — U- образная; трубопроводы: 8 — питающий;

9 — отводящий

На рис. 2.14, б представлена схема замораживания грунтов с применением твердых криоагентов, аналогичная рассмотренной выше. Отличие состоит лишь в конструкции замораживающей колонки. Для снижения гидравлических потерь и увеличения эффективности теплопередачи предлагается замораживать грунты с помощью U-образной замораживающей колонки 7.

Разработанные технологические схемы замораживания с применением твердого диоксида углерода являются ресурсосберегающими и имеют целый ряд преимуществ по сравнению с рассольными способами. Для них характерны простота реализации технологии, мобильность, отсутствие потребности в электроэнергии и воде, значительная экономия труб, снижение в 2–4 раза времени замораживания, отсутствие потребности в квалифицированной рабочей силе, безопасность ведения работ.

Способ замораживания грунтов универсален. Его успешно применяют при проходке как в трещиноватых, так и в рыхлых водоносных грунтах в условиях фильтрации подземных вод, их высокой минерализации и температуры. Замораживание может вестись практически на любые глубины. С его помощью можно замораживать грунтовые массивы как ограниченной формы, так и на больших площадях.

2.3.3. Технологические схемы замораживания грунтов

Приведенные на рис. 2.10 способы замораживания грунтов на практике могут осуществляться различным образом. Классификация схем осуществления способов замораживания с принудительной циркуляцией холодоносителя представлена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Классификация схем

замораживания грунтов (по М.Н. Шуплику и И.О. Королеву)

Вертикальное расположение замораживающих колонок, смонтированных с поверхности земли, является в настоящее время одним из самых распространенных и применяется при строительстве вертикальных, горизонтальных и наклонных подземных сооружений. В плане вертикальные колонки обычно расположены вдоль горизонтального контура будущей выработки, а при замораживании целиковых массивов грунтов — по многорядной схеме в узлах ромбической сетки.

При строительстве горизонтальных горных выработок часто применяют горизонтальное и наклонное бурение замораживающих скважин из забоя выработки, а также горизонтальное бурение из ствола (котлована).

Однако приведенные схемы имеют ряд недостатков: двухтрубная конструкция вызывает увеличение диаметра скважин, повышает гидравлическое сопротивление колонок, значительно усложняет монтажные работы и увеличивает ее металлоемкость; отсутствие надежных методов контроля отклонений горизонтальных замораживающих колонок от заданного направления приводит к необоснованному завышению коэффициентов запаса при расчетах безопасной толщины ледогрунтового ограждения и не гарантирует его смыкания; в связи с невозможностью при настоящем развитии техники прокладывать горизонтальные колонки на длину более 30 м замораживание грунтов ведется короткими заходками. Во избежание указанных недостатков предложена прямоточная схема горизонтального замораживания грунтов, показанная на рис. 2.16.

Рис. 2.17. Расположение колонок вокруг наклонной выработки:

1 — замораживающие колонки; 2 — выработка; 3 — ледогрунтовое ограждение

Рис. 2.18. Комбинированная схема создания ледогрунтового ограждения:

1 — вертикальные замораживающие скважины; 2 — наклонные замораживающие скважины; 3 — ледогрунтовое ограждение;

4 — наклонная выработка

При зональной схеме замораживания скважины бурят с поверхности, а процесс замораживания осуществляют только в пределах водоносных грунтов (рис. 2.19). Для этого в замораживающих колонках на границе водоносных грунтов устанавливают диафрагмы, которые ограничивают циркуляцию холодоносителя в колонке. Такая конструкция колонок применяется в грунтах, в значительной степени не подлежащих замораживанию. Пример применения зональной схемы замораживания для создания горизонтального ледогрунтового ограждения приведен на рис. 2.20.

Рис. 2.19. Зональная схема замораживания (а) и конструкция колонки (б):

Рис. 2.20. Зональная схема

1 — выработка; 2 — замораживающие

замораживания вокруг

скважины; 3 — ледогрунтовое ограждение;

горизонтальной выработки:

4 — диафрагма; 5 — питающая труба;

1 — ледогрунтовое

6 — отводящая труба;

ограждение;

7 — замораживающая труба

2 — замораживающие колонки

Смысл схемы параллельного и параллельно-последовательного подключения колонок к сети холодоносителя ясен из рис. 2.21 и 2.22. При последовательной схеме все колонки подключаются так, что соединяются между собой питающие и отводящие трубы двух соседних из них, за исключением двух крайних колонок, питающая и отводящая трубы которых подсоединены соответственно к нагнетательному и отводящему магистральным трубопроводам.

Заслуживает внимания опыт применения замораживания напорных артезианских скважин большого диаметра на период ведения проходческих работ в Санкт-Петербурге [Метро и тоннели. № 3. 2003. С. 20–21].

Особенностью таких скважин и их отличием от технологических является то, что обсадные колонны соединяются в основании с неограниченным массивом напорных вод Гдовского горизонта (рис. 2.23). При этом давление грунтовых вод в уровне тоннелей метрополитена измеряется десятками метров водяного столба, и в обсадных колоннах над уровнем водозаборных камер устанавливается многометровый столб воды (см. отметку УПВ, рис. 2.23). В данных условиях ведение проходческих работ и вскрытие обсадной колонны скважины без применения специальных способов неминуемо приведет к прорыву высокогорных грунтовых вод в сооружения метрополитена.

Рис. 2.22. Схема параллельно-

Рис. 2.21. Схема параллельного

последовательного подключения

подключения колонок:

замораживающих колонок:

1–6 — колонки;

1 — групповой распределитель;

А–Б — нагнетательная магистраль;

2 — групповой коллектор;

В–Г — отводящая магистраль

3 — магистральный распределитель;

4 — магистральный коллектор; 5–6 — колонки

Для обустройства подземной водозаборной камеры и установки оборудования необходимо понизить уровень воды в скважине или отсечь Гдовский горизонт от зоны ведения проходческих и монтажных работ.

Однако для реализации технологии водопонижения требуются дорогостоящие погружные насосы большой производительности и системы электроснабжения высокой мощности, причем даже незначительный сбой в работе оборудования неминуемо приведет к затоплению подземной выработки.

Практика последних лет показала, что использование низкотемпературных технологий замораживания позволяет надежно изолировать сечение обсадных колонн от высоконапорных вод Гдовского горизонта.

Технология вскрытия вновь пробуренной обсадной колонны артезианской скважины водозаборной камерой показана на рис. 2.23, а. Перед началом проходческих работ с дневной поверхности (ДП) в обсадную колонну 1 монтируется зональное замораживающее устройство 3, а затем жидким азотом намораживаются герметизирующие ледовая линза 4 и ледогрунтовое ограждение 5. Под защитой линзы и ограждения сооружается водозаборная камера 2 и устанавливается рассечная задвижка 6. После растепления ледовой линзы замораживающее устройство демонтируется из обсадной колонны, задвижка перекрывается, обсадная колонна 7 демонтируется в пределах водозаборной камеры, и в оголовке скважины устанавливается водозаборное оборудование (на рисунке не показано).

Рис. 2.23. Технология вскрытия (а)

исхема реконструкции (б) артезианской скважины

Впроцессе длительной эксплуатации рассечная задвижка и обсадная колонна подвергаются интенсивному коррозионному износу, особенно в зоне контакта с бетонным основанием водозаборной камеры.

Эксплуатация изношенных артезианских скважин без проведения ремонтных мероприятий может привести к разрушению оголовка и прорыву воды в тоннели метрополитена. Бетонирование старых скважин и сооружение новых водозаборных камер и скважин в действующем метрополитене экономически нецелесообразно.

Перед началом работ по реконструкции артезианской скважины обсадная колонна восстанавливается в пределах водозаборной камеры и с дневной поверхности (ДП) осуществляется спуск ремонтной колонны 8 меньшего диаметра с манжетным уплотнением 9. Межтрубное пространство обсадных колонн 1 и 8 заполняется водонепроницаемым цементом 10 до верхнего фланца рассечной задвижки. В ремонтную колонну монтируется замораживающее устройство, и формируются герметизирующие ледовая линза и ледогрунтовое ограждение.

Под защитой ледовой линзы на ремонтную колонну монтируется рассечная задвижка 11 (см. рис. 2.23, б), которая конусным переходом 12 соединяется с обсадной колонной 7 в своде водозаборной камеры 2.

После растепления ледовой линзы замораживающее устройство извлекается, рассечная задвижка перекрывается, а конусный переход и обсадная колонна в пределах водозаборной камеры демонтируются.

Реконструкция завершается восстановлением системы водозаборного оборудования в оголовке скважины.

В2001–2002 гг. в Петербурге совместно с ГУЛ «Гидрогеологическая экспедиция XVI района» была осуществлена реконструкция двух артезианских скважин, выработавших эксплуатационный ресурс.

Входе подготовки оборудования к ведению реконструкции артезианской скважины высказывались опасения по поводу возможности разрушения коррозионных деталей и узлов высокими термическими напряжениями и «льдогидравлическими» ударами. Нежелательных влияний удалось избежать благодаря специально разработанным для данного процесса технологическим режимам захолаживания и зонального замораживания (см. отметку ВГЗ, рис. 2.23).

Правильность расчетов метростроителей была подтверждена комплексом видеокаротажных исследований внутренней поверхности обсадных колонн и трубопроводов, не выявившим повреждений элементов и узлов артезианских скважин.

В процессе азотного замораживания содержание кислорода в атмосфере водозаборной камеры контролировалось двумя портативными газоанализаторами фирмы «ОПТЭК».