книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

ледогруитового ограждения, толщину-и температуру которого можно регулировать в процессе производства работ.

Замораживание грунта в этих случаях осуществляют с по­ мощью передвижных станций. Толщина ледогрунтового ограж­ дения определяется расчетом или назначается из конструктив­ ных соображений в пределах 2—2,5 м. Режим работы замо­ раживающей станции и контроль за образованием ледогрунтового ограждения организуется и осуществляется из тех же со­ ображений, что и-при замораживании горных пород при строи­ тельстве стволов шахт. Вышеописанная технологическая схема имеет ряд недостатков: двухтрубная конструкция колонок вы­ зывает увеличение диаметра скважин, повышает гидравличе­ ское сопротивление колонок, значительно усложняет монтаж­ ные работы и увеличивает ее металлоемкость; отсутствие на­ дежных методов контроля отклонений горизонтальных замора­ живающих колонок от заданного направления приводит к не­ обоснованному завышению коэффициентов запаса при расче­ тах безопасной толщины ледогрунтового ограждения и не га­ рантирует его смыкания; в связи с невозможностью при на­ стоящем развитии техники прокладывать горизонтальные ко­ лонки на длину более 30 м замораживание грунтов ведут ко­ роткими заходками (участками). В связи с этим не в полной мере используют хладопроизводительность существующих пе­ редвижных замораживающих станций.

В связи с указанным предложена прямоточная схема го­ ризонтального замораживания грунтов, которая показана на рис. 4.25.

При этой схеме колонки 3 залавливают (бурят) из одного ствола (выработки) 1 в другой 6 (рис. 4.25,а). Две рядом расположенные колонки соединяют с помощью металлических труб или гибких шлангов 4, образуя замораживающую ветвь (рис. 4.25, 6), так, что конец одной колонки служит началом соседней (рис. 4.25,б,-г).

Хладоноситель подводится к замораживающим ветвям ко­ лонок по питающему трубопроводу 7, движется по (/-образной замораживающей колонке и поступает в- отводящий трубопро­ вод 8. Из отводящего трубопровод^ хладоноситель поступает

виспаритель холодильной установки 2, где вновь охлаждается

ипоступает в питающий трубопровод (рис. 4.25, в) .

При 'большой длине участка, подлежащего замораживанию, колонки прокладывают из стволов (котлованов), расположен­ ных на его границе, навстречу друг другу в промежуточный шурф малого сечения 5. В шурфе каждую из колонок соединя­ ют с проложенной ей навстречу с помощью сварки или гиб­ кими шлангами.

Таким образом, длина участка замораживания, обслужи­ ваемая одной передвижной'станцией, увеличивается в 2 раза и

более {при соединении нескольких таких участков в единую ветвь). Сквозной проход замораживающей колонки из одного ствола в другой позволяет полностью отказаться от примене­ ния питающих труб и обеспечить прямоточное движение хладоносителя, что приводит к резкому снижению гидравлическо­ го сопротивления всей замораживающей сети. Это в свою оче­ редь обеспечивает снижение теплопотерь, увеличение тепло­ передачи колонок и значительное уменьшение мощности дви­ гателя насоса для перекачки хладоносителя.

Схема может быть применена при строительстве различных по назначению и размерам подземных сооружений: коллектор­ ных тоннелей и тоннелей метрополитенов, транспортных и пе­ шеходных пересечений на застроенной территории и под дей-

Рис. 4.26. Расположение замораживающих колонок вокруг наклонной вы­ работки

ствующими инженерными коммуникациями, монтажных и де­ монтажных камер для щитов.

При строительстве наклонных выработок способом замора­ живания (рис. 4.26) замораживающиеокважины/бурят наклон­ но, параллельно оси выработки 2 и располагают по контуру. При замораживании пород стремятся, чтобы ядро выработки было непромороженным. В зависимости от проектной толщи­ ны ледопородного ограждения 3 скважины располагают на рас­ стоянии 1,5—2 м от контура выработки в проходке при рас­ стоянии между ними 0,9—1 м. Замораживающие скважины за­ глубляют в водоупорную породу на глубину 4—6 м по накло­ ну или 2—3 м по вертикали.

Рассмотренную схему преимущественно применяют при строительстве наклонных выработок с углом наклона 30° и дли­ ной не более 100 м. По указанной схеме возводят все эскала­ торные тоннели метрополитенов.

Преимуществом этой схемы является минимальный объем буровых работ, создание минимально необходимого объема за­ мороженных пород, что обусловливает и меньшие затраты на производство работ.

Третью схему применяют в особо сложных горно-геологиче­ ских условиях, когда ледогрунтовое ограждение вокруг наклон­ ной выработки создается наклонными и вертикальными сква-- жинами в различных вариантах. При этом над наклонной вы­ работкой образуют ледопородный массив, с боков его ограж­ дают ледопородными стенами, а снизу наклонным опрокину­ тым ледопородным сводом.

Выбор той или иной схемы* замораживания должен бази­ роваться на технико-экономических расчетах. По данным проф. И. Г. Трупака, замораживание грунтов. горизоитальны-

ми колонками с точки зрения стоимости только бурения замо­ раживающих скважин и монтажа колонок целесообразно осу­ ществлять при выполнении условия

па (D + E)Ul<bL (D +Е + 1г)1 (t^).

При этом предельная глубина замораживания вертикаль­ ными скважинами

ncdilj (D Е) __ bl(D + E + l г)

Замораживание грунтов наклЬнными замораживающими колонками с точки зрения бурения и монтажа замораживаю­ щих скважин целесообразно осуществлять при выполнении условия

ризонтальными или наклонными замораживающими скважина­

стояние между рядами вертикальных замораживающих сква­

работки к горизонту, градус; Н — глубина залегания водоупора от поверхности, м; п — число вертикальных замораживающих скважин с переменной глубиной в одном ряду

п= L cos a//2—D! (2/2 sin a) + 1 .

4.4.2Особенности бурения замораживающих скважин

При проведении горизонтальных и наклонных выработок способом замораживания в зависимости от принятой схемы об­ разования ледогрунтового ограждения возникает необходи­ мость в бурении вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин.

Для бурения вертикальных скважин на глубину 100 м в основном применяют станки вращательного действия. При бу-

других неустойчивых породах мощностью до 30 м целесообраз­ но применять способ непосредственного погружения в грунт замораживающих труб с подмывом грунта струей воды анало­ гично погружению свай. При этом может применяться боковой

трубы, располагаемые симметрично относительно заморажива­ ющей колонки. Трубы для подмыва грунта крепят с таким рас­ четом, чтобы их можно было 'вращать вокруг замораживаю­ щей колонки. Длина подмывных труб должна быть больше за­ мораживающих на 0,3—0,5 м. Лучший эффект достигается при погружении замораживающих колонок с боковым подмывом.

Для успешного погружения колонок в песчаные породы во­ ду по трубам подают под давлением от 0,2 до 1,2 МПа с рас­ ходом 300— 1500 л/мин, при погружении в глинистые породы давление принимают равным 0,8—1,5 МПа, а расход воды — 200—800 л/мин. В породах, содержащих гравий и гальку, дав­ ление должно быть повышено до 2 МПа при расходе воды до 3500 л/мин. Основным требованием при погружении замора­ живающих труб является непрерывность подачи воды с необ­ ходимыми параметрами давления и расхода.

При замораживании несвязных водоносных грунтов на глу­ бину 15— 18 м замораживающие колонки могут быть забиты в грунт без бурения скважин. Забивку труб осуществляют грузом массой 150—250 кг с применением копрового оборудования. Замораживающие колонки могут быть погружены в грунт с помощью вибромолота, рспользуемого для погружения свай. Для предотвращения герметичности стыков в качестве замо­ раживающих труб предпочтительно применять безмуфтовые с конической нарезкой соединения трубы.

4.4.3 Особенности горнопроходческих работ

Технология проведения горизонтальных или наклонных вы­ работок под защитой ледопородного ограждения существенно не отличается от обычной, тем более, что устранена необходи­ мость борьбы с притоком воды, но имеются некоторые особен­ ности. В связи с .пониженной температурой воздуха в забое снижается комфортность труда и возникает необходимость в применении утепленной спецодежды для рабочих; возникают перебои в работе машин из-за конденсации влаги в сжатом воздухе и по причине загустевания смазки; при температуре ниже 10—15 °С чаще разрушаются нагруженные детали ма­ шин. Поскольку в геологическом разрезе имеются породы с

различными теплофизическими свойствами (теплоемкостью и теплопроводностью) на отдельных участках выработки, породы оказываются в большей или меньшей степени промороженны­ ми и возрастает трудоемкость ее отбойки, вплоть до необходи­ мости применения буровзрывных работ. Особенно трудно под­ даются разработке замороженные глины, хотя при той же температуре большей прочностью обладают крупнозернистые кварцевые пески.

Замороженные породы способны с течением времени плас­ тически деформироваться, а многие глинистые породы склон­ ны к пучению при замораживании и особенно при последую­ щем обнажении их. В связи с этим предъявляются дополни­ тельные требования к конструкции иостоянной крепи и техно­ логии ее возведения. Кроме того, устанавливается специаль­ ный контроль за состоянием пересекаемых замороженных по­ род.

При проведении наклонных выработок забой разрабатыва­ ют на полное сечение без временного крепления стенок. Обна­ жение стенок выработки осуществляют на ширину двух-трех колец обделки с последующим заполнением пространства меж­ ду обделкой и замороженной породой бетонной смесью или це­ ментным раствором. Если в. сечении забоя имеется большая площадь незамороженных песков, то .осуществляют крепление забоя выработки для предотвращения его осыпания.

Разрушение незамороженных песков внутри контура ледо­ породного ограждения производят, как правило, лопатами; гравелистые породы, мел и мергель отбивают кайлами, отбой­ ными молотками и пневмоломами; глины и суглинки — пнев­ матическими лопатами.

Работы по выемке грунта выполняют в следующей после­ довательности. Сначала вынимают породу из незамороженного ядра, и затем производят разработку замороженных пород от­ бойными молотками и пневмоломами в направлении от центра выработки к периферии.

При проведении горизонтальных и наклонных выработок по замороженным породам щитовым способом горнопроходческие работы выполняются в той же последовательности, как и в обычных условиях. Если в сечение выработки попадают замо­ раживающие колонки, последние отключают от рассольной сети и вырезают по всему сечению выработки.

В случае применения монолитной бетонной крепи укладку бетона в замороженной зоне производят способом, основан­ ным на принципе сохранения и использования тепла, выделяе­ мого цементом в процессе твердения бетона (экзотермическое тепло), и тепла, вводимого в бетонную смесь путем подогрева инертных материалов. Для приготовления бетонной смеси при­ меняют глиноземистый цемент или портландцемент марки не

ниже 400. Сочетание высокомарочных цементов с ускорителя­ ми твердения, подогревом воды и инертных, повышенным рас­ ходом цемента .позволяет получить бетон необходимой проч­ ности.

Оттаивание ледопородних ограждений вокруг горизонталь­ ных и наклонных выработок осуществляется, как правило, естественным способом. Искусственное оттаивание иногда применяют в практике метростроя при строительстве эскала-. торных тоннелей с целью равномерного нагружения крепи и регулирования процесса деформации выработки. К оттаиванию замороженных пород -приступают после проведения и закреп­ ления выработки -постоянной крепью.

Искусственное оттаивание осуществляют так же, как и при строительстве стволов. Контроль за оттаиванием пород осу­ ществляют через одну из замораживающих колонок, отключен­ ной от общей рассольной сети.

При замораживании грунта горизбнтальными колонками замораживающие трубы не извлекаются и остается в грунте после окончания горнопроходческих работ. В этом случае про­ странство внутри колонки заполняют тампонажным раство­ ром. При замораживании грунта вертикально или наклонно расположенными колонками последние по возможности извле-. кают после окончания горнопроходческих работ.

Число подлежащих извлечению колонок и способ их извле­ чения устанавливаются проектом в зависимости: от застрренности площадки, и доступа к колонкам; от степени ожидаемых осадок поверхности и сохранности наземных и подземных со­ оружений при извлечении колонок. Замораживающие трубы из скважин после оттаивания извлекают после демонтажа рас­ сольной системы и удаления из колонок рассола. Для тампо­

приостанавливают 'и заполняют ее раствором. Для уплотнения раствора в скважине его заливают в колонну труб выше уров­ ня поверхности земли. Неподдающиеся извлечению трубы за­ ливают тампонажным раствором.

4.5. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

4.5.1. Замораживание фильтрующих горных пород

Замораживание фильтрующих пород находит широкое при­ менение в практике строительства гидростанций и береговых

рации. В связи с этим при замораживании фильтрующих гор­ ных пород для каждого конкретного случая в зависимости от скорости движения подземных вод, ее температуры должны проводиться специальные расчеты по определению условий смыкания ледопородного ограждения, времени замораживания.

В случае, когда расчеты показывают на невозможность за­ мораживания, или для создания ледопородного ограждения проектных размеров необходим весьма длительный срок за­ мораживания прибегают' к дополнительным мероприятиям, обеспечивающим успех замораживания в приемлемые сроки. К таким мероприятиям относятся: применение каскадного спо­ соба замораживания, создание дополнительной противофилътрационной завесы, особое расположение водопонизительных скважин в области ведения работ по замораживанию горных пород.

Сущность каскадного способа замораживания состоит в том, что замораживающие колонки включают в работу не од­ новременно, а последовательными группами. В первую очерёдь

смежных парах колонок температуры 0°С включают 6 рабрту четыре фланговые колонки 2, осуществляют замораживание до тех пор, пока в других двух парах скважин 3 температура не снизится до 0°С и т. д. Таким образом, ледопородное ограж­ дение нарастает непрерывно в четырех направлениях. После включения в работу очередной пары смежных колонок холод в поддерживающие колонки подают в количестве, достаточном для поддержания постоянной температуры, т. е. на возмеще­ ние потерь теплопритока.

К достоинствам каскадного способа замораживания следу­ ет отнести: более совершенный контроль и регулирование про­ цесса замораживания, точно измеряя температуру пород на различной глубине через скважины, еще не включенные в ра­ боту; формировать работу отдельных скважин; обеспечение свободного выхода воды, во внешнюю толщу пород, в то время как при одновременном включении скважин вода, заключен­ ная внутри замораживаемого кольца, может оказать значи­ тельное давление на ледопородный цилиндр; замораживание

ность процесса замораживания пород и сложность распределе­ ния рассола между колонками.

Для снижения скорости фильтрационного потока в зоне за­ мораживания горных пород, а также для дополнительного охлаждения подземных вод на пути фильтрационного потока