книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

Рис. 3.5. Предохранительные устройства при проведении горизонтальной выоаботки под сжатым воздухом

Рис. 3.6. Влияние геологических условий на применимость кессонного спо­ соба* щитовой проходки тоннелей:

горнопроходческих работ вследствие вероятныхвнезапных вы­ пусков грунта в тоннель, сопровождаемых временным усилен­ ным водопритоком и значительным возрастанием давления воздуха из рабочей'зоны кессона.

При любых других пространственных соотношениях наплас­ тования песчано-глинистых грунтов с коэффициёнтами фильт­ рации менее 2 и' более 2 м/сут применение щитового способа проведения тоннеля под сжатым воздухом невозможно (рис. 3 .6 ,///).

Кроме того, при применении сжатого воздуха по трассе тоннеля не должно быть непогашенных разведочных скважин, колодцев и других выработок, которые могут привести к раз­ герметизации рабочей камеры при их вскрытии забоем тон­ неля.

3.4. ТРЕБОВАНИЯ САНИТАРНОГО РЕЖИМА

Во время нахождения людей в зоне сжатого воздуха, осо­ бенно при больших давлениях (более 0,15 МПа), мышцы, кровь и слизистая оболочка человека поглощают из воздуха вместе с кислородом азот, который не усваивается организмом и при резком уменьшении давления начинает выделяться в тканях и сосудах тела в виде пузырьков, что может привести к к е с с о н ­ н о й б о л е з н и . Кессонная болезнь проявляется в резком по­ краснении некоторых участков тела, сильных болях в суста­ вах, голове, ушах и продолжается несколько часов. Вредного влияния сжатого воздуха на организм человека можно избе­ жать при строгом соблюдении условий санитарного режима. В первую очередь при входе в рабочую камеру и выходе из нее переход от одного давления к другому должен осуществ­ ляться постепенно с тем, чтобы процессы поглощения и выде­ ления азота организмом происходили плавно, без выделения пузырьков. Процесс постепенного увеличения давления сжато­

Шлюзование и вышлюзование производят в шлюзовых аппара­ тах (шлюзах). Время шлюзования и вышлюзования в значи­ тельной степени зависит от избыточного давления в рабочей ка­ мере. По мере увеличения давления 'время шлюзования и вышлюзования увеличивается, причем время вышлюзования в больших пределах, чем шлюзование (табл. 3.1).

При работе под сжатым воздухом продолжительность рабо­ чей смены, включая время шлюзования й вышлюзования, огра­

25м3/ч.

Вслучае заболевания кессонной болезнью больных поме­ щают в барокамеры или лечебный шлюз, в которых давление воздуха поднимается до, рабочего. В результате этого газовые

пузырьки сокращаются в объеме, создавая возможность нор­ мальной циркуляции крови. Снижение давления в лечебном шлюзе производится крайне медленно с тем, чтобы не возни­ кали новые пузырьки. Как показала многолетняя практика проходки тоннелей различного назначения под сжатым возду­ хом, при хорошо организованном медицинском и санитарногигиеническом обслуживании, а также при строгом соблюдении правил охраны труда полностью обеспечиваются сохранение здоровья и нормальная трудоспособность горнорабочих.

3.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ

Для успешного ведения работ по проходке ствола под сжа­ тым воздухом необходимо иметь хорошо оборудованную комп­ рессорную станцию. Станция должна включать два типа компрессрров: низкого давления (для поддержания давления в ра­ бочей камере и шлюзовых аппаратах) и высокого давления (для работы отбойных молотков, механизмов и т. д.).

Компрессорную станцию монтируют из нескольких однотип­ ных компрессоров с давлением до 0,4 МПа, которые подают воздух через систему трубопроводов в воздухосборники, а от­ куда в ствол, шлюзовое устройство. Целесообразно компрессо­ ры применять поршневые, а не ротационные. Ротационные при работе загрязняют сжатый воздух значительным количеством мельчайших частиц масла, что вредно для людей, работающих в зоне сжатого воздуха. В качестве компрессоров низкого дав­ ления используют передвижные компрессоры ЗИФ-55, ДК-9М, ПК-Ю с подачей сжатого воздуха 9—10 м3/мин.

Потребность в сжатом воздухе может быть установлена на основании отчетных данных о построенных в аналогичных условиях горных выработках. Для предварительного определе­ ния расхода воздуха могут быть использованы эмпирические формулы, выведенные на основании опытных данных. Труд­ ность теоретического обоснования расхода воздуха объясняет­

отличающихся величиной коэффициента воздухопроницаемости в пределах от 0,5 до 2. Нижний предел соответствует наиболее плотным породам, а верхний — наиболее пористым.

Если имеются сравнительнонебольшие утечки воздуха че­ рез зачеканенные швы обделки и через шлюзовые устройства, то ими можно пренебречь и учитывать только утечки через забой и строительный зазор, зависящие от воздухопроницае­ мости пород. Объем подаваемого в щитовую выработку сжато­ го воздуха (м3/мин), приведенного к нормальному давлению, может быть при этих условиях приближенно определен по фор­ муле

духа, МПа; L — ндибольшее расстояние от забоя до шлюзовой перегородки, м.

Как показывает практика, объем воздуха, подаваемого в рабочую камеру длиной 250 м, колеблется в пределах 400— 300 м3/мин при проведении тоннеля в наиболее водонепрони­ цаемых грунтах; 300— 100 м3/мин — в грунтах средней прони­ цаемости и 100—50 м3/мин — в слабопроницаемых грунтарс.

Подачу компрессоров определяют из условий максимально­ го расхода сжатого воздуха с учетом резерва в пределах 20— 50% при централизованном воздухоснабжении от 'нескольких местных компрессорных станций и до 100% для индивидуаль­ ных установок. Для полной гарантии безопасности и беспере­ бойности горно-строительных работ требуемый резерв комп­ рессоров должен быть обеспечен независимым источником энер­ гопитания.

Обычно компрессорную станцию оборудуют несколькими компрессорами, что обеспечивает возможность замены ' или ре­ монта любого из них, двумя последовательно поставленными

воздухосборниками суммарным объемом К>1,6У(2 (Q -—произ­ водительность компрессорной станции, м3/мин).- Компрессор­ ную станцию необходимо помещать внё зоны загрязнения ат­ мосферного воздуха и возможных осадок поверхности.

На компрессорной станции устанавливают также компрес­ сору высокого давления (до 0,8 М Па). Воздух от таких типов компрессоров через воздухосборник подается в ствол для ра­ боты пневмоинструментов.

4. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

4.1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СПОСОБА

4.1.1.Сущность способа

Способ искусственного замораживания применяют при строительстве подземных сооружений в слабых, неустойчивых водоносных горных породах. Возможно также применение спо­ соба и в устойчивых, но сильно трещиноватых породах с боль­ шой водообильностыо.

Сущность способа заключается в том, что до начала горно­ строительных работ по контуру подземного сооружения' (рис. 4.1) бурят систему скважин через 0,8—2 м, оборудованных замораживающими колонками. Через замораживающие колон­ ки с помощью насосов прокачивают хладоноситель, охлажден­ ный до отрицательных температур (—20-s— 40) °С.

В результате постоянной циркуляции хладоносителя в замо­ раживающих колонках вода, находящаяся в горных породах, замерзает и вокруг каждой колонки постепенно образуются ле­ допородные цилиндры, которые в дальнейшем смыкаются в еди­ ное ледопородное ограждение. Замороженные породы резко из­ меняют свои первоначальные физико-механические свойства (прочность, сцепление и т. д.), что. позволяет по достижении ле­ допородным Ьграждением проектных размеров приступить к горнопроходческим работам. Ледопородное ограждение в этом случае выполняет роль временной водонепроницаемой ограж­ дающей крепи, обеспечивающей безопасные условия произ­ водства горно-строительных' работ.

Ледопоррдное ограждение поддерживают в замороженном состоянии до тех пор; пока не будет закончено строительство подземного сооружения. После возведения сооружения ледопородное ограждение ликвидируется.

Способ искусственного замораживания горных пород в ми­ ровой практике применяют с 1883 г. В б. СССР способ впервые был применен в 1928 г. при проходке одного из стволов Соли­ камского калийного комбината, и с тех пор область его приме­ нения постоянно расширяется. В настоящее бремя способ замо­ раживания водоносных пород является основным при строи­ тельстве подземных сооружений в сложных и весьма сложных горно-геологических условиях. Его применяют во всех случаях, когда другие способы неэффективны или технически их приме­ нить невозможно.

Рис. 4.1. Схема искусственного замораживания горных пород:

труба

Широкое распространение способ искусственного заморажи­ вания водоносных пород получил в горнорудной промышленно­ сти. Ежегодно с помощью способа замораживания проходят около 2,5 км стволов. Применяют этот спосрб и в метрострое­ нии (построено более îpo эскалаторных тоннелей общей глу­ биной свыше 6 км). В гидротехническом строительстве способ замораживания пород нашел применение при разработке кот­ лованов для возведения плотин, зданий электростанций, доков и др. В промышленном строительстве его применяют при воз­ ведении фундаментов под машины и промышленные здания,

при строительстве подземных сооружений для целей водоснаб­ жения, подземных дробильных установок на обогатительных фабриках и т.д. Широкое применение способ замораживания получил при строительстве тоннелей различнЬго назначения в неустойчивых породах, при строительстве подземных емко­ стей для хранения углеводородных газов, при постоянном под­ держании стенок хранилищ в замороженном состоянии.

Следует отметить, что способ замораживания горных пород является одним из ведущих специальных способов и в мировой практике. Большое распространение способ получил в Польше, Канаде, Великобритании, Германии, Румынии, Японии и др.

Широкое распространение искусственное замораживание горных пород получило благодаря тому, что этот способ доволь­ но хорошо развит в техническом отношении. Создано мощное буровое оборудование, высокопроизводительные замораживаю­ щие станции. Способ искусственного замораживания имеет и хорошую научную базу. Проведены теоретические и экспери­ ментальные исследования iio изучению нестационарных процес­ сов теплообмена в массиве горных пород, замораживающих колонках, холодильном оборудовании, накоплены солидные дан­ ные по теплотехническим и механическим .свойствам заморо­ женных пород; разработаны точные и инженерные методы расчета проектирования ледопородных ограждений и холодиль­ ного оборудования. Кроме того, способ замораживания горных пород универсален. Его с успехом применяют при проходке стволов как в трещиноватых, так и в рыхлых водоносных по­ родах в условиях фильтрации подземных вод, их высокой мине­ рализации й температуры. Замораживание может вестись прак­ тически на любые глубины. С его помощью можно Заморажи­ вать массивы горных пород как ограниченной формы, так и на больших площадях.

4.Г.2. Некоторые вопросы теории механики мерзлых пород

Замороженные горные породы являются весьма сложными природными многофазными образованиями, состоящими из твердых минеральных частиц, .вязкопластичных включений льда, жидкой фазы из незамерзшей воды и иногда газообразных компонентов пара и газов. Каждый из вышеназванных компо­ нентов в значительной степени влияет на свойства заморожен­ ных пород- и их поведение в процессе замораживания и оттаи­

стностн Н. А. Цытовичем, которые и положены в основу тео­ рии механики мерзлых пород.

Влияние твердых минеральных частиц на свойства заморо­ женных пород обусловлено их размером, формой и физико-хи­ мической природой их поверхности! Лед является важнейшей' составляющей замороженных пород. Его своеобразные свойст­ ва в большей .мере обусловливают механические свойства замо­ роженных пород. Лед обладает резко выраженной анизотро­ пией свойств: он имеет максимальную вязкопластическую де­ формацию в направлении, перпендикулярном к главной опти­ ческой оси, а в параллельном направлении проявления реоло­ гических свойств во льду настолько малы, что после упругих деформаций наступает хрупкое разрушение. В то же время под нагрузкой лед, даже при весьма малых напряжениях, всегда имеет вяэкопластические деформации (деформации течения),

настолько мал, что область чисто упругих его деформаций не имеет практического значения.

Особым свойством строения льда является подвижность ато­ мов водорода в его кристаллической решетке, которая беспре­ рывно изменяется под влиянием внешних воздействий (измене­ ний отрицательной температуры, давлений и пр.). При. пониже­

ская решетка льда принимает стабильное состояние. С повы­ шением температуры возрастают энергия активизации его мо­ лекул и ускоренная их перегруппировка с ослаблением меж­ молекулярных связей, что существенно сказывается на сниже­ нии прочностных свойств льда.

Из изложенного вытекает, что в природных условиях, где всегда имеют место некоторые изменения термодинамических условий, свойства льда’ могут значительно изменяться, обуслов­

.грунтах может быть в двух состояниях: прочно связанном и рыхло связанном. Прочно связанная вода не замерзает даже при очень низких температурах до —70 “С. Рыхло связанная

Рис. 4.2. График зависимости количе­ ства незамерзшеп воды в горной поро­ де от температуры:

1 — песок: 2 — супесь; 3 — суглинок; 4 — гли­ на; 3 — моитмориллоинтопая глина

вода замерзает при температурах значительно ниже 0°С. В свя­ зи с указанным количество незамерзающей воды в заморожен-^ ных породах уменьшается с понижением отрицательной темпе-'

На рис. 4.2 показана зависимость количества незамерзшей воды (изменение первоначальной влажности- W„ от температуры за­ мораживания i).

Как видно из рис. 4.2, чем более дисперсны породы, тем больше воды остается в иезамерзшем состоянии при данной отрицательной температуре. Это связано с тем, что при увели­ чении дисперсности возрастает удельная поверхность минераль­ ных частиц, а следовательно, породы обладают большей спо-. собностью связывать поровую воду. Таким образом, содержа­ ние незамерзшей воды в замороженных породах и ее измене­ ния под влиянием внешних воздействий во многом определяют физико-механические свойства замороженных пород.

Газообразными компонентами замороженной породы могут явиться пары воды при неполном насыщении замороженной породы водой и льдом. Пары воды в замороженных породах могут играть в отдельных случаях существенную роль, так как они перемещаются от мест с большей устойчивостью (завися­ щей от температуры) к местам с меньшей устойчивостью и в водонасыщенных грунтах могут явиться основной причиной перераспределения влажности в процессе замораживания и от­ таивания горных пород.

Совокупное влияние перечисленных компонентов в значи­ тельной степени изменяет физико-механические свойства замо­ роженных пород в процессе внешних воздействий (изменения температуры, давления и т. д.).

Вышеизложенное легло в основу одного из основных зако­ нов механики мерзлых пород, который гласит: количество, со­ став и свойства незамерзшей воды и льда, содержащихся в за­ мороженных породах, не остаются постоянными, а изменяются

в зависимости от внешних воздействий, находясь в динамиче­ ском равновесии с последними. Этот закон, получивший назва­ ние принципа равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах, устанавливает динамическое равновесие между коли­ чеством незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах и вели­ чиной внешних воздействий: температурой, давлением и пр. Этим#- объясняется повышение прочности замороженных пород при. понижении отрицательной температуры, вызывающем уве­ личение льдистости и повышение прочности льда, уменьшение модуля упругости мерзлых пород при увеличении внешнего давления и значительно большее сопротивление мерзлых пес­ ков, чем мерзлых глин. Кроме того, при понижении температу­

сти от соотношения скорости промерзания и скорости фильтра­ ции заключенной в .порах воды ее миграция может происхо­ дить или к фронту промерзания, или в обратном направлении, чем и объясняется пучение» породы в процессе ее заморажива­ ния. Замороженные породы являются телами, в которых на­ пряжения и деформации, возникнув под действием внешней нагрузки, не остаются постоянными, а с течением времени меняются, обусловливая процессы релаксации (расслабления) напряжений и ползучести (нарастания деформаций во вре­ мени) .

Сопротивление мерзлых пород нагрузке является функцией не только их состава и температуры, но и продолжительности действия нагрузки. Значительное снижение сопротивления мерзлых пород во времени объясняется вязким течением пле­ нок незамерзающей воды, что особенно сказывается в области фазовых переходов, а также пластическими свойствами льда, являющимися следствием подвижности атомов водорода в кри­ сталлической решетке льда. При этом деформации установив­ шегося пластического течения мерзлых пород возникают лишь при определенном состоянии. Скорость пластического течения в известных пределах пропорциональна избытку напряжений.