2.3. Замораживание горных пород

Стабилизация и закрепление неустойчивых водоносных грунтов достигается искусственным замораживанием грунтов (ЗГ) т. е. искусственное охлаждение грунтов в природном залегании до отрицательных температур. В результате охлаждения грунта вокруг выработки образуется прочное льдогрунтовое ограждение (перемычка), преграждающее доступ воде или плывунам в выработку. ЗГ применяется при возведении фундаментов зданий и сооружений, строительстве шахт, метрополитенов, противофильтрационных завес, плотин, доков, подземных хранилищ и др. сооружений. Замораживание – наиболее совершенный способ закрепления водонасыщенных грунтов; его можно применять при различных глубинах, сочетаниях грунтов, скоростях движения грунтовых вод и степени их минерализации.

Для создания льдогрунтового ограждения (рис. 3.7) по контуру выработки или котлована бурят скважины, в которые затем опускают замораживающие колонки, а в них – питающие трубы. В колонках циркулирует охлажденный до –20 –40°C на замораживающей станции рассол (раствор соли хлористого кальция). В процессе непрерывного теплообмена с рассолом грунт, окружающий колонку, охлаждается и замерзает, образуя вокруг колонок льдо-грунтовые цилиндры. Постепенно цилиндры увеличиваются в диаметре и соединяются между собой, образуя замкнутое ледопородное ограждение по контуру подземного сооружения (рис. 3.8, a) или массив замороженного грунта (рис. 3.8, б). По выходе из замораживающих колонок рассол направляют через коллектор на замораживающую станцию, где его снова охлаждают при помощи холодильных машин различной производительности.

Рис. 3.7. Образование льдогрунтового ограждения: 1 – за-мораживающая колонка; 2 – пита-тельная трубка; 3 –замороженная зона; 4 – контрольная ск-важина; 5 – фор-шахта; 6 – расп-ределитель; 7 – кол-лектор; 8 – конден-сатор; 9 – замора-живающая станция; 10 – компрессор; 11 – насосы рассольные; 12 – испаритель

Различают следующие основные методы ЗГ: с параллельным или последовательным включением скважин; зональный, локальный (из забоя ствола) и ступенчатый.

Pис. 3.8. Формирование ледопородного ограждения во времени (t₀,..., t₃ - периоды времени): a - кольцевое ограждение; б - массив

К новым методам ЗГ, разработанным в России и получающим распространение в практике строительства подземных сооружений, относятся: методы безрассольного ЗГ, способы замораживания в грунтах с проточной водой, метод горизонтального замораживания и др.

При безрассольном замораживании в замораживающие колонки подается гладоагент (жидкий азот), который непосредственно испаряется в замораживающей колонке при температуре от –60 до –196 °C.

B горно-строит. практике в зависимости от гидрогеологических условий (фильтрации, температуры и минерализации подземных вод) различают обычное ЗГ до t –25 °C и глубокое ЗГ до t –50 °C.

При ЗГ используют различные технологические схемы замораживания: обычную, ступенчатую, зональную и из забоя выработки (рис. 3.9).

Pис. 3.9. Технологические схемы замораживания на примере строительства ствола шахты: a – обычная; б – ступенчатая; в – зональная; г – из забоя выработки; 1 – замораживающая колонна; 2 – ледопородное ограждение; 3 – крепь ствола шахты; 4 – околоствольная камера

Обычная схема ЗГ применяется при наличии нескольких водоносных горизонтов, залегающих неглубоко от поверхности (100–150 м). При большой глубине (200–600 м) целесообразно использовать ступенчатую схему замораживания. При необходимости локального ЗГ на большой глубине может быть применена схема зонального замораживания c поверхности земли или из забоя выработки. Выбор технологической схемы замораживания базируется на предварительном сравнении технико-экономичес-ких показателей каждой схемы.