книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

последней колонки системы он удаляется в атмосферу через специальную трубу 2.

В сравнении с рассольным способом замораживание грун­ тов жидким азотом имеет ряд преимуществ: не требует при­ менения специальных машин и установок; применяют прос­ тое, компактное, легко транспортируемое оборудование. Бла­ годаря этому, упрощается организация работ и снижаются производственные затраты; замораживание пород осуществля­ ют без применения рассольной системы и насосов и потерь холода в них; время, затрачиваемое на подготовительные работы, значительно сокращается; низкая температура кипения (испарения) жидкого азота обеспечивает минимальное время

довольно редко. Широкое внедрение в практику заморажива­ ния пород жидким азотом сдерживается не только его сравни­ тельно высокой стоимостью, но и тем, что некоторые вопросы, связанные с технологией замораживания,, еще решены не в пол­ ной мере. В связи с этим надо полагать, что при дальнейшем совершенствовании технологии замораживания грунтов жид­ ким азотом способ найдет применение при ликвидации внезап­ ных прорывов воды или плывуна в проходимые другими спо­ собами горные выработки; выполнении срочных подземных ра­ бот в водонасыщенных породах в практике городского строи­ тельства подземных сооружений небольших размеров.

Развитие химической промышленности, а также достиже­ ния криогенной техники на сегодняшнем этапе позволяют ре­ комендовать принципиально новый способ замораживания по­ род при строительстве подземных,сооружений в неустойчивых водоносных породах.

Предлагаемый способ замораживания основан на отборе тепла из окружающего массива пород через те же колонки, что и при рассольном замораживании, но не с помощью жид­ ких хладоносителей, а с помощью твердых криоагентов, кото­ рые периодически загружают в замораживающую колонку до тех пор, пока не будет создано ледогрунтовое ограждение тре­ буемых размеров.

Твердый криогент благодаря теплу, поступающему из мас­ сива горных пород сублимирует, т. е. переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, при этом в зависи­ мости от типа и свойств твердого криоагента температура суб­ лимации может быть от —50 до —264 °С. По. мере сублимации в колонке интенсивно накапливается газообразный криоагент и благодаря увеличению давления газообразный криоагент под­ нимается по глубине замораживающей колонки на поверх­ ность и уходит в атмосферу, осуществляя тем самым канали­

зацию тепла из массива горных пород. Скорость сублимации твердого криоагеита будет зависеть от теплопритока из окру­ жающей среды.

•Поддерживая заданный уровень криоагента, в колонке со­ здают условия для непрерывного замораживания грунтов до заданных размеров.

Вкачестве твердых криоагентов для замораживания пород

впринципе могут быть использованы любые химические веще­ ства, обладающие свойством сублимации при низких отрица­ тельных температурах.

Анализируя современные криоагенты с точки зрения техно­ логии их получения, дефицитности, безопасности, стоимости, можно констатировать, что на сегодняшний день развития тех­ ники и технологии наиболее приемлемым для промышленного применения при замораживании пород является диоксид угле­ рода С02, называемый иногда «сухим льдом». «Сухой лед»

используют при охлаждении пород через скважцны, пробурен­

связи между молекулами диоксида меняется и он переходит из одного в другое агрегатное состояние. При давлении ниже 0,517 МПа точка тройной фазы диоксида углерода может на­ ходиться только в двух агрегатных состояниях — твердом или газообразном.

При нормальном атмосферном давлении (0,101 МПа) тем­ пература сублимации твердого диоксида углерода составляет

давлениях, превышающих 0,517 МПа, диоксид углерода в за­ висимости от температуры может находиться в любом из трех агрегатных состояний.

Твердый диоксид углерода (твердая углекислота) представ­ ляет собой кристаллическое тело белого цвета, плотность кото­ рого в зависимости от способа получения может колебаться в пределах 1110—1700 кг/м3.

С практической точки зрения наибольший интерес представ­ ляет собой величина удельной теплоты сублимации, т. е. коли­

тепла из окружающей среды газообразным диоксидом углеро­ да до понижения тем-пературы газа до 0°С теплота сублима­ ции (хладопроизводительность) составляет 638 кДж/кг.

Твердый диоксид углерода обладает весьма важным и ин­ тересным с практической точки зрения свойством. Он хорошо

растворяется в труднозамерзающих жидкостях, при этом в от­ дельных жидкостях в зависимости от соотношения количеств смешиваемых веществ температуру смеси можно довести до

— 100 °С.

Твердый диоксид углерода обладает свойством понижения температуры сублимации в зависимости от температуры и ско­ рости окружающего воздуха. Такое свойство является, с одной стороны, положительным и может быть использовано при об­ основании и разработке эффективных технологий заморажива­

Газообразный диоксид углерода не горит и не поддержи­ вает горения. При атмосферном давлении и нормальной темпе­ ратуре он является нёактивным соединением, тяжелее воздуха примерно в 1,5 раза.

Источниками получения углекислого газа, идущего на про­ изводство жидкой углекислоты и твердого диоксида («сухого льда»), являются природная углекислота спиртового брожения, получаемая на спиртовых, пивоваренных и ^лесогидролизиых заводах, углекислота химических производств (газонефтеочис­ тительных заводов, газа при производстве синтетического ам­ миака), метанового и этанового брожения, дымовых газов топ­ лива, углекислоты естественных источников.

Технологический процесс получения «сухого льда» состоит из трех стадий: получение чистого углекислого газа, жидкой углекислоты и «сухого льда».

Наиболее распространенными способами получения «сухого льда» являются: дросселирование жидкой углекислоты до дав­ ления ниже тройной точки и прессование полученного рыхлого снега; медленное испарение жидкой углекислоты, находящей­ ся под давлением 0,7—0,9 МПа, с частичной сублимацией об­ разовавшейся твердой углекислоты и отводом паров через по­ ры блока.

Твердый диоксид углерода («сухой лед») вырабатывают ли­ бо на специальных заводах, либо используют автономные сухоледные установки.

В настоящее время «сухой лед» преимущественно выраба­ тывают на специальных заводах. При этом твердый диоксид углерода выпускают в виде брикетов массой до 120 кг. Потре­ бителям диоксид углерода доставляют в специальных изотер­ мических емкостях.

Технология получения «сухого льда» в основном ориенти­ рована на нужды пищевой промышленности, Которая предъяв­ ляет повышенные требования к его качеству и наличию раз­ личного рода примесей в газах С 02.

При использовании твердого диоксида углерода в практике замораживания пород требования к качеству и наличию при1-

месей могут быть резко уменьшены, что позволяет снизить стоимость производства «сухого льда».

В последнее время получили распространение автономные сухоледные установки, работающие по каскадному циклу, с использованием в качестве исходного сырья жидкого низко­ температурного диоксида углерода. На этих установках полу­ чают твердый диоксид углерода в виде небольших элементов заданных формы и размера массой 10—200 г.

Особый интерес для целей замораживания пород представ­ ляют сухоледные агрегаты, оснащенные грануляторами (таблетерами). Это наиболее простые и компактные устройства, состоящие из изотермической емкости для доставки и хране-

.ния жидкого диоксида углерода, гранулятора и оборудования, реконденсации углекислого газа со служебной холодильной установкой. Элементы «сухого льда» формируют путем прес­ сования снегообразной массы и выдавливания ее через отвер­ стия экструдера.

Масса элементов твердого диоксида углерода задается по­ требителем и может изменяться от 10 до 50 г.

Для хранения и транспортировки мелкофасованного «сухо­ го льда» применяют контейнеры типа сосудов Дьюара вмес­ тимостью 100 кг. Для транспортирования «сухого льда» ис­ пользуют изотермические железнодорожные вагоны. На корот­ кие расстояния «сухой лед» иногда перевозят в открытых гру­ зовых машинах.

Анализ закономерностей изменения свойств твердого диок­ сида углерода в зависимости от внешних условий и воздейст­ вия позволил обосновать и предложить ряд новых технологи­ ческих схем замораживания пород. Наиболее простой является технологическая схема, при которой замораживание пород осу­ ществляют через заглушенные в нижней части трубы (в даль­ нейшем называемые «колонкой» по аналогии с рассольным способом замораживания), которые периодически по мере суб­ лимации заполняют твердым диоксидом углерода. Благодаря притоку тепла из окружающих пород диоксид углерода суб­ лимирует и в зависимости от давления в колонке температура

превышало 0,528 МПа (давление тройной точки). Газ диокси­ да углерода ло мере его накопления поднимается вверх, и прой­ дя всю колонку по высоте, выбрасывается наружу. Колонка в верхней части должна быть открытой для свободного выхода газообразного диоксида углерода в атмосферу. Это требова­ ние вызвано тем, что в результате сублимации 1 кг твердого диоксида углерода образуется 500—800 л газообразного С02, и в случае герметизации колонки может резко .подняться дав­

ление внутри ее, что может привести к разрыву колонки и рез­ кому повышению температуры сублимации.

Для равномерного замораживания пород на заданную вы­ соту уровень диоксида углерода в колонке должен поддержи­ ваться примерно постоянным, равным высоте замораживания.

Оценивая рассматриваемую технологическую схему с по­ зиции эффективности теплообмена, следует .заметить, что в ко­ лонке происходят сложные тепло-массообменные процессы. На участке расположения твердого диоксида углерода для по­ лучения минимально возможных температур замораживания необходимо стремиться к тому, чтобы был плотный контакт между диоксидом углерода и стенкой колонки, что позволяет добиться отвода тепла от породы по законам теплопроводно­ сти. При плотном контакте твердого диоксида углерода со стенкой колонки температура последней будет близка темпера­

ности стенки колонки сформируется паровая прослойка-, кото­ рая может рез!ко ухудшить условия отвода тепла и увеличить перепады между температурой стенки колонки и температурой сублимации диоксида углерода.

Недостатком рассматриваемой схемы является сложность поддержания твердого диоксида углерода на заданной глуби­ не. Непостоянство уровня по глубине может привести к неод­ нородности формирования ледогрунтового ограждения или же непроизводительным потерям холода в верхних слоях масси­ ва, не подлежащих замораживанию.

Вышеперечисленных недостатков лишена схема заморажи­ вания пород, при которой в колонку на глубину замора[живания пород заливают жидкость, температура замерзания кото­ рой должна быть не выше температуры сублимации.' В жид­ кость загружают твердый диоксид углерода. В результате от­ бора тепла отжидкости она охлаждается й в свою очередь от­ бирает тепло от пород, окружающих колонку, что приводит со временем к формированию ледогрунтового ограждения требуе­ мых размеров..В процессе сублимации твердого диоксида угле­ рода выделяется большое количество углекислого газа COj, который, проходя через жидкость, вызывает ее бурное пере­ мешивание (как бы «кипение»).

Интенсивное перемешивание жидкости в замораживающей колонке («кипение») способствует интенсификации процесса теплообмена между жидкостью в колонке и породой. Процесс теплоотдачи в колонке при этом будет аналогичен процессу теплоотдачи при течении Жидкости при турбулентном режиме.

Основными преимуществами рассматриваемой технологии является ее простота реализации, возможность замораживания

пород ограниченной глубины (т. е. можно использовать ее при зональном замораживании пород), равномерность наморажи­ вания ледогрунтового ограждения по глубине, возможность управления процессом создания и поддержания ледогрунтово­ го ограждения во времени.

Используя свойство твердого диоксида углерода понижать температуру сублимации з зависимости от скорости движения воздуха, можно, применять технологическую схему заморажи­ вания пород, основанную на этом свойстве. Цри такой техно­ логии замораживания в колонку опускают трубу диаметром 25 мм, которая в нижнем конце заглушена, а по глубине замо­ раживания перфорирована отверстиями. После установки пер­ форированной трубы в колонку загружают расчетное количест­ во диоксида углерода, а по трубе подают сжатый воздух (же­ лательно предварительно охлажденный для снижения потерь твердого диоксида углерода в колонке). Диаметр отверстий в трубе и количество подаваемого воздуха должны быть подо­ браны так, чтобы скорость воздушной струи обдуваемой части­ цы твердого диоксида углерода была в пределах 0,5—0,7 м/с. Такой режим обеспечивает температуру сублимации диоксида углерода до —110°С, что будет приводить к интенсификации процесса замораживания пород.

Предлагаемая технологическая схема весьма проста в ее реализации, однако с точки зрения ресурсов требует дополни­ тельного количества перфорированных труб, наличия источни­ ков получения сжатого воздуха, что несколько удорожает стоимость замораживания пород, но такое удорожание ком­ пенсируется сокращением сроков замораживания благодаря бо­ лее низким температурам.

Более низких температур замораживания пород можно до­ биться в случае, когда в колонке по мере замораживания по­ род поддерживают вакуумирование. Поддержание в колонке малых давлений приводит к значительному понижению темпе­ ратуры сублимации. Так, при давлении в колонке 0,1 кПа тем­ пература сублимации будет равна —100 °С, а при давлении 0,01 кП а------130 °С.

Учитывая такое свойство твердого диоксида углерода, мо­ жет быть применена технологическая схема замораживания пород, при которой в колонку опускают перфорированную трубу диаметром 25 мм, которая в нижней части' заглушена. С по­ верхности через эту трубу непрерывно откачивается сублими­ рующийся газ в колонке. Колонка в верхней части должна быть герметично закрыта во избежание подсоса воздуха из окружающей среды. В зависимости от величины вакуума в ко­ лонке достигается желаемая температура сублимации «сухого льда», которая может колебаться от —78 до —130 °С.

Несмотря на явные преимущества данной схемы заморажи-

вания по сравнению с рассмотренными выше, техническая ее реализация пока затруднительна в связи со сложностью гер­ метизации устья колонки, которая периодически должна от­ крываться для загрузки колонки твердым диоксидом углерода. Тем не менее предлагаемая схема замораживания пород с при­ менением твердых криоагентов, автоматизации всех процессов может быть реализована в промышленных условиях.

Технология замораживания горных пород твердым диокси­ дом углерода успешно применена на ряде строящихся объек­ тов производственного объединения «Мосинжстрой». При этом расход твердого диоксида углерода с учетом потерь составил 400—600 кг на 1 м3 замороженной .породы. Анализ результа­ тов внедрения показал, что замораживание горных пород с применением твердого диоксида углерода является ресурсо­ сберегающей технологией и имеет целый ряд преимуществ по сравнению с рассольными технологиями: простота реализации технологии; мобильность; отсутствие потребности в электро^ энергии, воде; значительная экономия труб; снижение в 3— 4 раз времени замораживания; отсутствие потребности в ква­ лифицированных рабочих; безопасность работ.

5. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТАМПОНИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

5.1.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

5.1.1.Сущность способа

Сущность способа тампонирования заключается в искусст­ венном заполнении пустот трещин и пор массива горных пород материалом, способным, вступая в химическое взаимодействие с породой или самостоятельно, со временем затвердевать и пре­ пятствовать тем самым движению по ним подземных вод. Для этого в массиве горных пород бурят специальные скважины, через которые нагнетают тампонажный раствор. Давление на­ гнетания принимают в 2—3 раза больше гидростатического давления подземных вод, а также из условия исключения вы­ хода тампонажного раствора на поверхность земли. Тампо­ нажный раствор, распространяясь, на определенное расстояние от скважин заполняет пустоты и трещины в породах, и после затвердевания тампонажного раствора водонепроницаемость массива горных пород в значительной степени уменьшается, что дает возможность возводить подземные сооружения в от­ носительно благоприятных гидрогеологических условиях.

Различают предварительный и последующий тампонаж торе­ ных пород. Предварительный тампонаж горных пород прово­ дят до начала горно-строительных работ. Он направлен на со­ здание благоприятных горно-геологических условий как при строительстве, так и при эксплуатации подземных сооружений. В этих случаях тампонаж горных пород рассматривается как один из специальных способов строительства, который освеща­ ется в настоящем курсе.

Последующий тампонаж горных пород проводят после за­ вершения строительства подземных сооружений с целью со­ здания благоприятных горно-геологических условий поддержа­ ния подземных сооружений на период их эксплуатации.

В зависимости от того, какой материал нагнетают в массив горных пород, различают следующие виды тампонирования;, цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация.

При цементации в массив горных пород нагнетают цемент­ ные растворы, которые, затвердевая, уменьшают трещинова­ тость водоносных пород. Цементацию применяют для сниже­ ния притоков воды или газа при строительстве подземных со­ оружений в трещиноватых водоносных или газоносных поро­ дах; защиты бетонной крепи от действия агрессивных подзем­ ных вод; восстановления разрушенной крепи; укрепления мас­ сива горных пород; возведения противофильтрационных завес.

В настоящее время цементацию горных пород применяют в наибольших объемах. С этой целью до начала горно-строи­ тельных работ в место заложения подземного сооружения че­ рез систему скважин в массив горных пород нагнетают цемент­ ный раствор. После затвердения раствора образуется водоне­ проницаемый массив зацементированной горной породы, внут­ ри которого возводят подземное сооружение при отсутствии или с незначительным притоком воды.

Цементацию целесообразно применять: в крепких трещино­ ватых горных породах с размером трещин не менее 0,1 мм и скорости движения подземных вод менее 600 м/сут; -в гравий­ но-галечных породах с размером зерен более 2 мм при усло­ вии, что поры между зернами свободны от глинистых или пес­ чаных частиц; в крупнозернистых песках при диаметре зерен более 0,8 .мм.

С у щ н о с т ь г л и н и з а ц и и состоит в том, что в горные породы вместо цементного раствора нагнетают водный раствор глины. Достоинство способа глинизации состоит в том, что для тампонирования пород может быть использована дешевая местная глина, а также то, что глина способна противостоять действию агрессивных вод, разрушающих даже специальные цементы. К недостаткам глинизации можно отнести: большой расход тампонажных материалов, малую сопротивляемость

глинистого тампонажного камня внешнему давлению, ненадеж­ ность тампонирования тонкотрещиноватых горных пород. В связи с этим глинизацию целесообразно применять только в карстовых породах или в породах с весьма крупной трещино­ ватостью. В последние годы на базе глинистых растворов с добавлением цемента изготавливают глино-цементные раство­ ры, которые приобретают положительные свойства как цемент­ ных, так и глинистых растворов и в связи с этим глино-цемент­ ные получают более широкое применение в практике.

При битумизации в трещиноватые породы через скважины нагнетают расплавленный битум. Попадая в заполненные во­ дой трещины или пустоты горных пород, горячий битум отвер­ девает и, таким образом, делает массив пород водонепроницае­ мым. Перед началом нагнетания битумную смесь нагревают в специальных котлах до температуры 140—190 °С и в расплав­ ленном виде насосом нагнетают в скважины. При затверде­ нии битума в трещинах происходит уменьшение его в объеме на 8—11%, поэтому нагнетание производят в несколько прие­ мов. Битумизация может применяться при значительных ско­ ростях движения подземных вод и наличии в массиве крупных трещин размерами более 0,6 мм.

Однако способу битумизации присущи крупные недостат­ ки; необходимость тепловой обработки массива горных пород перед нагнетанием битума; производственные неудобства, свя­ занные с использованием горячего битума и подогревом его в процессе нагнетания; высокая пластичность битума в твердом состоянии и способность подвижки тампонажной смеси (биту­ ма с наполнителем) в трещинах породы при давлениии воды более 0,3 МПа. Из-за вышеназванных недостатков способ би­ тумизации не нашел широкого применения в практике строи­ тельства подземных сооружений и носит эпизодический харак­ тер.

Сущность силикатизации основывается на применении неор­ ганических высокомолекулярных соединений силикатных рас­ творов жидкого стекла и их производных, которые при соеди­ нении с коагулянтом образуют гель кремниевой кислоты, це­ ментирующей частицы грунта. В настоящее время различают двухрастворный, однорастворный и способ газовой силикати­ зации.

При двухрастворном способе силикатизаций через перфори­ рованные трубы (инъекторы), погруженные в грунт на задан­ ную глубину, закачивают поочередно растворы силиката нат­ рия и коагулянт — хлористый кальцйй. Образуемый в резуль­ тате смешивания растворов гель кремниевой кислоты придает грунту прочность при сжатии, равную 1,5—5,0 МПа, и водоне­ проницаемость. Двухрастворный способ силикатизации приме­ няют для упрочнения песков с коэффициентом фильтрации 2—