книги из ГПНТБ / Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве

вписать в массив подушки. В таком случае необходимый запас проч- - пости при раздавливании полусферы всегда будет обеспечен.

Толщину ледогрунтовой подушки можно определять и по урав­ нению (130). В таком случае в знаменателе этого уравнения следует принимать [aép].

Г Л А В А V

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РАССТОЯНИЙ МЕЖДУ ЗАМОРАЖИВАЮЩИМИ СКВАЖИНАМИ

§ 1. Общие положения

Способ искусственного замораживания грунтов до последнего времени применяли на объектах сравнительно небольших размеров в плане или малой линейной протяженности. В самых сложных гидрогеологических условиях он приобрел репутацию наиболее надежного среди других специальных способов. Этот факт послужил причиной того, что в настоящее время способ замораживания при­ меняют на объектах, периметры которых достигают многих сотен и даже тысячи метров. Например, водонепроницаемая перемычка из замороженного грунта на строительстве Устькаменогорской ГЭС на р. Иртыше, — длина этой перемычки 500 м, высота 22 м; водо­ непроницаемая перемычка длиною 1200 м и высотою 20 м на стро­ ительстве Горьковской гидроэлектростанции на р. Волге; постоянно действующая противофильтрационная завеса в теле плотины на р. Мяунджа длиной 860 м и высотой 11,5 м и др.

Ограждение строительных котлованов от грунтовы х вод метал­ лическими шпунтами иногда затрудняется вследствие значительной глубины котлованов, что вызывает необходимость применения состав­ ных шпунтов; забивку шпунтов часто совсем невозможно выполнить из-за наличия в грунтах валунно-гравийных отложений. И скус­ ственное понижение уровня грунтовых вод возможно только в из­ бранных грунтах, т. е. хорошо отдающих воду.

Способ искусственного замораживания дает хорошие результаты в любых грунтах и горных породах; его можно рассматривать как универсальный способ.

Во многих отраслях горной промышленности встречаю тся место­ рождения полезных ископаемых, в кровле и почве которых залегаю т водоносные пласты. Разработка таких месторождений связана со значительными трудностями: для удаления воды требуются крупные водоотливные средства; кроме того, присутствие воды в неустойчивых горных породах резко понижает их устойчивость, а некоторые из них приобретают свойства плывунов. Вследствие трудностей разработки некоторые обводненные месторождения остаются нетронутыми и ожи­ даю т техническинадежных и экономически выгодных методов раз­ работки. В таком же положении находятся некоторые месторождения

120

полезных ископаемых, залегающих вблизи или под руслами рек. Следовательно, вопрос о разработке обводненных месторождений представляет собой серьезную задачу государственного значения.

С увеличением объемов работ соответственно возрастает и общая стоимость замораживания грунтов. Понятно, что даже ничтожное удешевление какой-либо детали процесса на таких объектах, будучи повторенным многократно, может дать ощутительное сбережение затрат.

Кардинальным вопросом в технике замораживания грунтов является вопрос о расстояниях между замораживающими колонками. От расстояния между колонками зависят: стоимость работ, мощность замораживающей станции и время,

единить между собой отдельные

одна от другой.

Из рис. 52 видно, что наименьший замораживаемый объем будет при х х — 0,5 м, а наибольший при т 4 = 3 м. Но, с другой стороны, в первом случае число замораживающих скважин на том же участке необходимо пробурить в 6 раз больше, чем во втором. Число замора­ живающих скважин будет находиться в соотношениях 6 : 3 : 1,5 : 1.

С увеличением расстояния между замораживающими скваж и­ нами число последних, а следовательно, стоимость бурения и монтажа их уменьшаются, но вследствие этого объемы ледогрунтовых цилин­ дров и стоимость образования их увеличиваются. Наоборот, при уменьшении расстояния между скважинами увеличивается первая группа расходов, но уменьшается стоимость замораживания грунтов. Очевидно, в каждом конкретном случае имеется наивыгоднейшее расстояние между скважинами, т. е. такое расстояние, при котором сумма всех расходов по замораживанию грунтов будет наименьшей.

121

Исследованием вопроса о наивыгоднейшем расстоянии между замораживающими скважинами занимался французский инженер Лебретон. Свои исследования он ограничил одним фактором — эконо­ мическим и только для случая замораживания грунтов вокруг вер­ тикальных стволов шахт.

При определении экономически наивыгоднейшего расстояния между скважинами Лебретоном учитывались следующие затраты:

на бурение и монтаж замораживающих скваж ин С А на активное замораживание грунтов С2;

на поддержание ледогрунтовой стены в замороженном состоянии в течение горнопроходческих работ (пассивное замораживание) — С3; другие расходы, включая амортизационные отчисления от сто­ имости оборудования, расходы по монтажу холодильного оборудо­

вания, расходы на эксплуатацию его и пр. — С4; расходы на углубку и крепление ствола — Сь.

На расстояние между замораживающими скважинами, по мнению Лебретона, оказывают влияние только три первые статьи расхода. Остальные расходы не зависят от названного расстояния, за исклю ­ чением С5, которые могут быть большими или меньшими в зависи­ мости от того, будет ли заморожена сердцевина ствола или нет.

Р— длина окружности расположения замораживающих сква­ жин, м;

/— стоимость бурения скважин и монтажа 1 м заморажива­ ющих труб (без стоимости материала последних, так как Лебретон считал, что по окончании работ они могут быть снова использованы).

Необходимое число замораживающих скважин

Стоимость бурения и монтажа замораживающих скважин

Если через N обозначить суточную холодопроизводительность замораживающей станции в ккал/ч, через Ъ — стоимость содер­ жания ее в сутки, то

от грунта для образования цилиндрического ледогрунтового огра­

ждения: •

Q = Ar0- B ,

здесь А м В — канонические коэффициенты (см. уравнение 51).

122

Подставляя вместо Q его значение в уравнение (135), получим:

С2

■4г0Ь

N

Стоимость содержания замораживающей станции в течение пе­

Однако недостатком уравнения (138) является то, что оно при­ менимо только для вертикальных ш ахтных стволов.

По нашему мнению, вопрос об оптимальном расстоянии между замораживающими скважинами при замораживании грунтов вокруг ш ахтных стволов не имеет большого значения потому, что число скваж ин в этом случае вообще невелико. Напротив, при заморажи­ вании участков большой протяженности, когда число замораживающих скважин исчисляется сотнями, выбор оптимального рассто­ яния между замораживающими скважинами имеет важное практи­ ческое значение. Однако для решения этого вопроса формулой Лебретона воспользоваться нельзя.

При решении вопроса об оптимальном расстоянии между замора­ живающими скважинами должны быть учтены технические, эконо­ мические и организационные факторы.

К числу технических факторов относятся: скорость образования ледогрунтового ограждения или время, затрачиваемое на обра­ зование его.

■12а

К техническим должен быть отнесен и гидрогеологический фак­ тор, в частности, вопрос о скоростях движения подземных вод. Большие естественные скорости движения подземных вод можно ожидать на крутых склонах, в карстовых породах, а также под руслами рек, когда последние преграждены временными перемыч­ ками. Но эти случаи являются редкими исключениями, следова­ тельно, они должны рассматриваться каждый раз отдельно.

К экономическим факторам относятся: стоимости буровых и мон­ тажных работ, стоимость образования ледогрунтовых ограждений

икапитальные затраты на приобретение холодильной установки. Под термином «организационные факторы» мы понимаем полное

время, затрачиваемое иа производство работ по замораживанию грунтов; вопросы снабжения работ электроэнергией, водой, мате­ риалами, вопросы транспорта и пр.

Сопоставление между собою результатов, полученных с учетом тех или других факторов, позволит выбрать оптимальное расстояние между замораживающими скважинами.

§ 2. Образование водонепроницаемых ледогрунтовых перемычек

Технические факторы. Рассмотрим вопрос о выборе оптимального расстояния между замораживающими скважинами для наиболее часто встречающегося в практике случая — при образовании ледо­ грунтовых водонепроницаемых перемычек — завес. При большой глубине замораживания участков значительной протяженности обра­ зование ледогрунтовых перемычек в виде подпорных стен было бы работой весьма длительной и неэкономичной, с другой стороны, нет никакой необходимости в том, чтобы ледогрунтовая стена в этих

стену часто можно отнести на достаточное расстояние от бровки котлована вглубь материала с таким расчетом, чтобы между стеной и котлованом находился грунт, создающий пассивный отпор. Б л а ­ годаря пассивному отпору грунта исключается необходимость обра­ зовывать ледогрунтовое ограждение значительной толщины.

Чтобы ледогрунтовая стена была водонепроницаемой, она должна иметь какую-то минимально необходимую толщину на всем своем протяжении. В месте расположения замораживающих колонок при правильном ведении процесса замораживания эта толщина всегда с избытком будет обеспечена при любом расстоянии между скваж и­ нами. Наша забота будет сводиться к тому, чтобы эта минимально необходимая толщина была получена прежде всего в замках, т. е. в местах соединения двух соседних ледогрунтовых цилиндров. Опыт показывает, что ледогрунтовая стена толщиной 10— 15 см является вполне водонепроницаемой.

Условия образования ледогрунтовых цилиндров в горных поро­ дах, содержащих насыщенные растворы хлористых солей, несколько отличны от условий замерзания пресной воды. Отличие заключается

124

в температуре замерзания растворов. Т ак , например, насыщенный раствор хлористого натрия замерзает при температуре — 21,2° С. При применении результатов наших исследований для этого случая нужно принимать не обычные температуры рассола (от —20 до — 25° С), а более низкие.

Д ля определения времени, затрачиваемого на образование ледо­ грунтового цилиндра диаметром d2 = х, воспользуемся уравнением (13). Однако это уравнение при применении его для решения поста­ вленной нами задачи имеет несколько слояшый вид. Д ля упрощения

Расчеты показывают, что с достаточной степенью точности можно ограничиться только первым членом ряда, увеличив постоянный коэффициент на 10% , тогда

Это уравнение позволяет определить время, необходимое на соединение ледогрунтовых цилиндров при расстоянии между замо­ раживающими колонками X.

К числу технических факторов следует также отнести и вопрос об отклонениях замораживающих скважин от заданного направле­ ния. Прежде всего напомним, что мы рассматриваем участки замора­ живания относительно большой протяженности, а такие участки отличаются сравнительно небольшой глубиной замораживания — 15 —50 м. Скважины такой глубины можно пробурить вертикальными без особого труда. Отклонения скваж ин происходят в результате некачественного выполнения буровых работ, неудачного выбора типа буровых станков и др.

Опыт показывает, что при надлежащей организации буровых работ число скважин со значительными отклонениями не превышает

125

чи сло зам о р аж и ваю щ и х с к в а ж и н и стои м ость б у р о вы х р аб от, а т а к ж е

ваю щ и х колон ок и стоим ость о б р азо ван и я л ед о гр у н т о в ы х ц и л и н д р о в .

Д р у ги е р асх о д ы : устр о й ство р ассо л о п р о во д а , га л е р е и , м он таж р а с ­

126

Задача об экономически наивыгоднейшем расстоянии между скважинами сводится к отысканию минимального значения функ­

Из уравнения (142) следует, что основными величинами, опре­ деляющими наивыгоднейшее расстояние между замораживающими скважинами, являю тся: стоимость бурения 1 м скважины, стоимость монтажа 1 м замораживающей колонки и стоимость эксплуатации 1 м замораживающей колонки.

Стоимость бурения 1 м скважины зависит от глубины бурения, диаметра скважины, характера проходимых горных пород и изме­ няется от 5 до 8 руб. — для глубин около 40 м. При увеличении глубины бурения до 100 м стоимость бурения повышается до 10— 20 руб/м.

Стоимость монтажа замораживающих колонок складывается из следующих стоимостей: замораживающих, питающих, соединитель­ ных труб, измерительных приборов (термометров, водомеров), кра­ нов, изготовления башмака и головки замораживающей трубы и за­ работной платы рабочих, занятых на соединении труб между собою, опускании их в скваж ину и испытании соединений. Стоимость мон­ тажа 1 м замораживающей колонки равна 4 руб/м.

127

Стоимость с содержания 1 м замораживающей колонки в месяц слагается из следующих элементов: сх — эксплуатационных рас­ ходов по содержанию замораживающей станции и с2 — расходов, связанных с обслуживанием замораживающих колонок.

Эксплуатационные расходы замораживающей станции состоят из: стоимости электроэнергии, стоимости воды для охлаждения хладагента, стоимости эксплуатационных материалов, стоимости содержания обслуживающего персонала и амортизационных отчис­ лений. Расходы по обслуживанию замораживающих колонок: зара­ ботная плата дежурным слесарям, стоимость эксплуатационных материалов (рассол, замена кранов, термометров и пр.).

При температуре охлаждающего рассола —20° С заморажива­ ющие трубы отнимают от грунта в среднем 250 раб. ккал/(м 2-ч), а с учетом потерь холода (приобретением тепла) в рассольной сети

Средняя стоимость обслуживания одной замораживающей ко­ лонки составляет 6 руб/мес. Стоимость обслуживания 1 м колонки в сутки

где h — высота замораживающей колонки.

Тогда полная стоимость содержания 1 м замораживающей ко­

где сх — стоимость производства 1000 раб. ккал холода.

Средние стоимости с± производства 1000 раб. ккал холода в зави­ симости от стоимости 1 к В т -ч электроэнергии и 1 м3 охлаждающей

128

Необходимо заметить, что с увеличением холодопроизводи­ тельности замораживающей станции стоимость производства 1000 раб. ккал снижается.

Пример. Найти экономически наивыгоднейшие расстояния меж ду замора­

заморажиёающими скВажинами,м

Ри с. 5 3 . Зависимость стоимости работ по замо­ раживанию грунтов от расстояния между замо­ раживающими скваж инами:

1 — полная стоимость замораживания грунтов; 2 — стоимость бурения скважин; з — стоимость монтажа колонок; 4 — стоимость образования ледогрунтовой стены

При указанны х стоимостях электроэнергии и воды стоимость содержания замораживаю щ ей станции и замораживающей колонки составит в сутки

у = 375 000 + 290 9 8 9 = 6 6 5 989 руб.

Характер изменения кривой стоимости работ по замораживанию грунтов в зависимости от расстояния между замораживающими скважинами, а также кривые других стоимостей работ представлены на диаграмме (рис. 53).