> Техника, страница 47 > Замораживание грунта

Замораживание грунта

Замораживание грунта, искусственное уплотнение грунта для образования перемычки в целях изолирования места работ. 3. г. применяется в горном деле и в подземных строительных работах. Путем замораживания воды, заключающейся в водоносных слоях земли, образуют вокруг проходимой шахты твердую цилиндрическую стенку определенной толщины, препятствующую притоку воды в шахту. 3. г. было предложено Пётшем (Poetscii) в 1886 г. и применено до настоящего времени более чем в 150 шахтах. Принцип способа Пётша заключается в следующем.

Для прохождения грунта вертикальной шахтой, имеющей диаметр D м и глубгну Н м (фигура 1), в проделанные вокруг намеченной шахты буровые скважины закладывают трубы, в которые нагнетают охлажденный до —154—25° рассол; под действием рассола происходит охлаждение и последующее замораживание окружающего буровую скважину грунта (смотрите заштрихованную часть на фигуре 1). Трубы для рассола размещаются по окружности, имеющей диаметр на 3—4 м

Фигура i.

Фигура 2.

м,

больший, чем диам. намеченной шахты; глубина их заложения Щ должна быть на 5— 10 метров более глубины водоносного слоя Н; расстояние между трубами берется обыкновенно 1 метров Циркуляция рассола происходит, как показано на фигуре 2 и 3; из холодильной машины рассол нагнетается через верхнее распределительное трубчатое кольцо А во внутренние трубы а, опускается по ним вниз и по цилиндрич. полости между ними и наружными трубами b поднимается в сборное трубчатое кольцо Б, откуда поступает снова в рефрижераторы для охлаждения и дальнейшей циркуляции. Для соединения труб (фигура 3) применяют нарезные муфты: внутренние М₁—для наружных более широких труб и н а р у ж н ы е М₂—для внутренних труб. Наружи, стальные трубы имеют диаметр d_uравный 1204-130 миллиметров, и толщину стенок 64-7 миллиметров, внутренние (газовые) трубы, в зависимости от глубины шахты,— диаметр d₂, равный 254-50 миллиметров, и толщину стенок 44-7 миллиметров.

Коэффициент теплопередачи труб для предварительных подсчетов принимается равным от 220 до 250 Cal/jvt² в час.

Для успешности замораживания важное значение имеет полная параллельность закладываемых в грунт вертикальных труб, для достижения чего пользуются специальными аппаратами (Гебхарта, Эрлингха-гена и др.); существенную часть их составляет маятник, подвешенный на универсальном шарнире (Кардана). Заключенный в трубу аппарат опускают через каждые 5 м

Фигура 3.

проходки в скважину, и координата соответственной точки ее наносится острием маятника на бумажной ленте, движущейся при помощи часового механизма. В случае обнаружения значительного отклонения скважины от вертикали производят закладку дополнительных труб, обеспечивающих предельное расстояние между ними в 1 м, необходимое для образования достаточного слоя замороженного грунта. Трудности достижения полной вертикальности скважин и, следовательно, рассольных труб ограничивают область применения способа 3. г. глубиной до 250—300 м, хотя имеются шахты, заложенные по способу Пётша на глубину до 540 метров Работы по этому способу затрудняются при значительной скорости течения подземных вод, размывающих в этом случае ледяной массив, а также при содержании в грунтовых водах значительного % солей, понижающих температуру замораживания воды.

Самый процесс 3. г. происходит следующим образом. Сначала охлаждается слой земли, ближайший к рассольным трубам, затем происходит замораживание заключенной в нем воды и, далее, охлаждение ближайшего к первому слоя грунта с постепенным переходом в дальнейшем от t° замерзшего слоя до нормальной ί° неохлажденного грунта. В начале процесса замораживания разность Г опускающегося и возвратного рассола довольно значительна, но постепенно она уменьшается до 2—3°. Скорость опускания рассола допускается до 2 м/ск, а скорость поднимающегося (обратного) рассола равна от 0,12 до 0,15 м/ск.

Для определения расхода холода и потребной мощности холодильных машин необходимо знать: диаметр выемки грунта D, высоту (толщину) водоносного слоя Я, содержание в нем воды W в объёмн. %, уд. в сухого грунта γ, теплоемкость сухого грунта с внешний диаметр замораживающих труб Я₂, внутренний диаметр замораживаемого полого цилиндра Я₃, внешний диаметр замораживаемого полого цилиндра В₄, объём замораживаемого полого цилиндра V, число замораживающих труб п, поверхность каждой F, среднюю темп-ру рассола (_1; среднюю темп-ру грунта ί₂ и время, потребное для замораживания шахты, h (в часах).

Процесс 3. г. слагается из следующих элементов: а) охлаждение цилиндрич. полого тела с наружным диаметром Я₄, внутренним Я₃, высотой Я и объёмом V, слагающееся из охлаждения F— кг воды и (l — ^кг

сухого грунта от темп-ры ί₂ до 0°; б) замораживание V— кг воды ; при 0°; в) переохлаждение от 0° до темп-ры, средней между 0° и темп-рой рассола t_lt то есть до слагающееся из переохлаждения V ^ кг льда и переохлаждения (l— -щ)·!⁷·} кг сухого грунта;

г) охлаждение цилиндрического ядра шахты диаметром Я и высотой Я до средней его темп-ры д) охлаждение внешнего цилин-дрическ. полого слоя, окружающего ледяной массив и имеющего внутренний диаметр Я₄, внешний—Я₅ (обычно на 3—4 метров более диаметра DJ и высоту II, до температуры ;

е) замораживание нижней части внутреннего ядра (составляющее неизбежную потерю холода), в которую поступает наиболее холодный рассол.

По вычисленному из пунктов (а)—(е) расходу холода Q, числу и поверхности труб и теплопередаче их в час при данной разности темп-p определяется h—время, потребное для замораживания, из ур-ия h=Q : Fnity — t₂) k,

где k—коэфф. теплопередачи труб; на практике время замораживания шахт по описываемому способу исчисляется месяцами, достигая в особо трудных случаях 3—4 лет. В выполненных установках мощность машин (обычно аммиачных) варьирует от 100 000 до 3 000 000 Cal в час. После окончания замораживания расход холода сводится лишь к поддержанию термического равновесия в массиве, то есть отнятью от него лишь того количества тепла, к-рое он получает извне, вследствие чего работа машин значительно сокращается. Для извлечения труб после окончания строительных или шахтных работ производится оттаивание труб путем циркуляции подогретого рассола.

В последние годы произведены десятки установок при помощи 3. г. и притом при особо низких 1° (до—50°). Низкие t° дают значительное ускорение хода работ при быстром замораживании, а главное—позволяют производить замораживание при высоком содержании солей в подземных водах; для получения рассола в этих установках применяют исключительно хлористый кальций с прибавлением голя, замерзающий, при крепости в 32,2° Вё, при t° —55° (без голя, при 30° Вё, этот же рассол замерзает уже при t° —39°). Кроме 3. г. при проходке вертикальных шахт, способ 3. г. применен в нескольких случаях для рытья горизонтальных тоннелей (Парижский метрополитен, тоннель в Стокгольме и др.).

Вообще 3. г. в строительстве находит применение в тех случаях, когда приходится опускаться ниже горизонта грунтовых вод в плывучих грунтах; последние при водоотливе натекают в котлован с внешней стороны перемычки, окружающей этот котлован, и тем ослабляют сопротивляемость грунта, что очень опасно там, где на этих грунтах покоятся какие-либо грузные сооружения. Для сильного охлаждения (до —50°) применяются углекислотные машины, причем особо низкие t° в системе достигаются при помощи сильного переохлаждения углекислоты за счет частичного ее испарения в дополнительном переохладителе; при этом схема установок проектируется так, чтобы в начальной стадии процесса 3. г., пока рассол мало охлажден (-20-1—35°) была возможна работа компрессоров в^одну ступень, а затем, по достижении низкой t°, работали компрессоры с двухступенчатым сжатием, что повышает экономичность процесса. _%

На фигуре 4 показана схема такой установки для сильного замораживания. Компрессор а низкого давления нагнетает сжатую угле-

кислоту сначала в промежуточный охладитель Ь, через к-рый циркулирует вода, а затем в компрессор высокого давления с. Работа производится сначала одноступенчатым

Фигура 4.

компрессором до тех пор, пока ί° возвращающегося рассола не будет равна —254—35°. Затем переходят на работу с двухступенчатым сжатием, причем компрессор низкого давления а сжимает газ с 6 до 24 atm. перегревая его при этом до 45°. В охладителе, куда затем поступает газ, t° его падает до 25°, после чего компрессор высокого давления сжимает С0₂ до 60—70 atm; из компрессора высокого давления сжатый газ с повышенной t° направляется в конденсатор d и переохладитель е, где жидкая углекислота снова переохлаждается до 20°” Отсюда она поступает в дополнительный переохладитель f, где за счет испарения части жидкости происходит дальнейшее охлаждение ее до —6°. По выходе из дополнительного переохладителя углекислота поступает в испаритель д, где происходит окончательное ее испарение, сопровождающееся понижением /° до—50°.

Лит.: Эстрин С. Г., Применение холода в горном деле и подземных строительных работах, СПБ, 1914; D 1 а η с о и г t, Tiefkalteverfahren zum Sehachtabteufen, Kattowitz, 1912; Stetelcld R. Die Eis- und Kalteerzeugungsmaschinen, ihr Bau und ihre Verwendung In d. Praxis, 3 Aufl., Stg., 1927; Hirsch M„ Die Kaltemaschine, B., 1924; Bren-necke L. Der Grundbau, Berlin, 1906; E r 1 1 n g-li agon, Die Entwicklung d. Schachtabteufens nach d. Gefrierverfahren in d. letzten zwanzig Jahren, «Z. d. VDI», 1924, 16-, С г о p f, Abteufen v. Bergwerkschach-ten nach d. Gefrierverfahren in neuzeitlich verbes-serten Ausfiihrungen, «Die Bautechnilc», B., 1925, H. 25; P о e t s e h, Das Gefrierverfahren, «Ztschr. f. d. ges. Kalteindustrie», Mch., 1896; loosten H., Das Tiefkalteverfahren beim Sehachtabteufen, «Ztschr. f. Eis- u. Kalteindustrie», Wien, 1927, 6—7. С. Эстрин.