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

К ак видно из диаграммы, полные стоимости работ при рассто­ яниях между замораживающими скважинами от 2 до 2,5 м отли­ чаются между собою в пределах нескольких процентов. В таком слу­ чае вопрос окончательно решается исходя из срока, заданного на выполнение работ по замораживанию грунтов. Чем большим будет расстояние между замораживающими скважинами, тем большим будет время, затрачиваемое на замораживание грунтов. Несмотря на то, что стоимости работ при расстоянии между замораживающими скважинами, большем 2 м, близки между собой, все же при сква­ жинах, более удаленных одна от другой, замораживающих труб расходуется меньше, что также является преимуществом больших расстояний.

Теперь определим капитальные затраты на приобретение холо­ дильной установки. Необходимая холодопроизводительность Q за­ мораживающей станции на участке заданных размеров

Q = khN, ккал/ч,

где к — коэффициент теплоотдачи И м замораживающей трубы; при диаметре ее dx = 0,1 м и к = 250 норм, ккал/м -ч.

С учетом потерь холода в рассольной сети холодопроизводитель­ ность замораживающей станции Qc должна быть:

Уравнения (143), (144) позволяют определить необходимую холодопроизводительность замораживающей станции в зависимости от глубины замораживания, длины замораживаемого участка и рас­ стояния между замораживающими скважинами (при одновременном замораживании всего участка).

Обозначим через О стоимость холодильного оборудования, а че­ рез П стоимость зданий замораживающей станции, отнесенные к 1000 норм, ккал/ч холодопроизводительности замораживающей станции. Тогда капитальные затраты К на приобретение холодиль­ ного оборудования и на постройку здания для него могут быть выра­ жены уравнением

<145)

Эти затраты обратно пропорциональны расстоянию между замо­ раживающими скважинами: с увеличением расстояния затраты уменьшаются и наоборот. .

Холодопроизводительность замораживающей станции в зависи­ мости от расстояния между замораживающими скважинами при

130

заданных выше условиях (L = 1500 м и А = 50 м) и одновременном замораживании всего участка изменяется следующим образом:

Организационные факторы. Теперь решим поставленную задачу о наивыгоднейшем расстоянии между замораживающими скваж и­ нами с учетом организационных факторов.

Примем новые обозначения:

t — время, затрачиваемое на бурение одной скважины, сут;

М— число одновременно работающих буровых станков на уча­ стке заданных размеров.

Время Z, затрачиваемое на замораживание грунтов, слагается из величин:

. Z — Z} ~i~Z2 ~г Z3,

где z y — время, затрачиваемое на бурение замораживающих сква­ жин и опускание замораживающих колонок (работа парал­ лельная).

Время, затрачиваемое на постройку здания замораживающей станции, монтаж и опробование ее, на укладку рассолопроводов и водопровода не учитываем, предполагая, что эти работы выпол­ няются одновременно с буровыми работами;

z2 — время, затрачиваемое на монтаж магистральных трубопро­ водов (распределителей, коллекторов, компенсаторов) и присоеди­ нение к ним замораживающих колонок;

z 3 — время, затрачиваемое на образование ледогрунтовой стены или собственно замораживание грунтов.

При заданном количестве буровых станков М время, необходи­ мое на бурение всех замораживающих скваж ин,

Из уравнения (146) следует, что время, затрачиваемое на бурение всех замораживающих скваж ин, прямо пропорционально длине участка и времени, затрачиваемому на бурение одной скважины, но обратно пропорционально расстоянию между скважинами и коли­ честву буровых станков, занятых на буровых работах. Для заданных условий L — величина постоянная, остальные три величины:

t, М , X — переменные, изменяя которые, получим большие или меньшие затраты времени на бурение замораживающих скваж ин.

Время z a, затрачиваемое на образование ледогрунтовой стены, определяется по уравнению (13).

Общее время, затрачиваемое на бурение замораживающих сква­ жин и образование ледогрунтовых цилиндров,

Мх 8 • 24 (<о—^i)

Для определения минимального значения времени, затрачива­ емого на бурение скваж ин и замораживание грунтов, возьмем пер­ вую производную выражения (147):

- ^ - І і г + ^ і О г - б ) .

Приравнивая первую производную нулю, найдем значение х , при котором z будет минимальным:

— л ё іГ + Л ( 1(Ъ:- 6) = 0 > 0ТК УДа — Л ( 1 0 а : - 6 )

и ~ - = 4 (1 0 я 3- 6 ж 2).

Выражение 10а;3 — 6а;2 заменяем близким ему значением 7,5а;3. Тогда

132

Т ак как вторая производная функция положительная, то при найденном значении х время, затрачиваемое на бурение скважины и замораживание грунтов, будет минимальным.

Кроме времени, необходимого на замораживание грунтов, к орга­ низационным факторам относятся также и другие, указанные выше. С достаточной степенью точности для расчетов расход электроэнергии на замораживающую станцию можно принимать в размере 1 к В т -ч

Расход замораживающих и питающих труб на замораживание

где g — масса 1 м замораживающих и питающих труб, кг.

Пример. Определить расстояние между замораживающими скваж инами х 2, при котором время, затрачиваемое на бурение скваж ин и замораж ивание грун ­ тов, в условиях предыдущего примера будет минимальным.

С точки зрения экономической наивыгоднейшее расстояние меж ду замора­

133

Ранее была определена полная стоимость замораж ивания при экономически наивыгоднейшем расстоянии между замораживающими скваж инами х 11Шп. Она составляет 665 989 руб. Таким образом, увеличивая расстояние между

вающей стапции должна быть на 315 0 0 0 раб. ккал/ч или на 787 5 0 0 норм, к к а л /ч

нения приведены затраты времени на замораживание грунтов, сто­ имости работ, холодопроизводительности замораживающих станций и расход труб в заданных выше условиях при расстояниях между замораживающими скважинами 1,0; 1,25; 2,40 и 2,67 м.

134

нами не обеспечивает минимальных сроков выполнения работ. Мини­ мальное значение затрачиваемого времени будет при расстояниях между замораживающими скважинами х = 2 -f- 3 м.

2. При общепринятом расстоянии между замораживающими сква ­

3.Другие показатели: холодопроизводительности заморажива­ ющих станций, расходы электроэнергии, расходы труб при общепринятом расстоянии между скважинами значительно выше, чем при любом из рассмотренных случаев.

4.Приведенные цифры показывают, что общепринятое рассто­ яние между замораживающими скважинами должно быть увеличено.

Но возникает вопрос, какому же расстоянию между заморажи­ вающими скважинами следует отдать предпочтение — полученному исходя из минимальных затрат времени (х 2 = 2,67 м) или получен­ ному исходя из минимальных затрат средств (xL = 2 ,4 м)? Из табл. 20 видно, что все показатели (за исключением у) в первом случае благо­

случае, когда при выборе расстояния между замораживающими скважинами превалируют организационные факторы (недостаток электроэнергии, трудность получения труб и пр.) или когда работы по замораживанию грунтов могут быть проведены задолго до начала основных строительных работ.

§ 3. Образование многорядных ледогрунтовых стен и массивов

Образование подпорных ледогрунтовых стен. При образовании подпорных ледогрунтовых стен высотою свыше 5 м одного ряда замораживающих колонок будет недостаточно: их приходится рас­ полагать в два, три и более рядов.

Задача об определении оптимального расстояния между замора­ живающими скважинами в этом случае сводится к предыдущей. Длина подпорной ледогрунтовой стены L всегда является известной. Подставляя ее в уравнение (148), можно определить расстояние х между замораживающими скважинами, при котором время,

1 3 5

затрачиваемое на бурение скважин и замораживание грунтов, будет минимальным.

Экономически наивыгоднейшее расстояние между заморажива­ ющими скважинами определяют по уравнению (142).

При толщине подпорной ледогрунтовой стены, большей 3 м, замораживающие скважины для образования ее располагают в д ву х, трех и более рядах.

янию между замораживающими скважинами (рис. 54); расстояние между рядами скважин равно х\

2) по вершинам равносторонних треугольников'.

Предполагая, что холод от замораживающих колонок распро­ страняется равномерно во все стороны, к моменту соединения сосед­ них ледогрунтовых цилиндров между ними останется некоторая площадь незамороженной (на чертежах заш трихована). Ч асть этой площади и, заключенная между четырьмя колонками (см. рис. 54), равна разности площади квадрата ABCD, стороны которого равна х> и круга диаметром х, т. е.

1 3 6

На всей площади S, подлежащей замораживанию, число таких квадратов и соответственно замораживающих скважин

N = -

Общая незамороженная площадь

S 0= 0 ,215а;2— = 0,2155,

т. е. при первом способе расположения замораживающих скважин к моменту смыкания ледогрунтовых цилиндров останется незаморо­

женным 21,5% всего массива. Разновидностью первого способа

является расположение заморажива­ ющих скваж ин по стороне и углам квадрата, изображенное на рис. 55. Четные ряды скважин смещены отно­

сительно нечетных на расстояние

полагают на вершинах равносторонних треугольников А В С (рис. 56). В этом случае расстояние между центрами скважин в любом напра­

Центры замораживающих скваж ин в рядах должны быть сме­

щены один относительно другого на величину у , т. е. на половину

расстояния между замораживающими скважинами.

137

Как и в предыдущем случае, определим оставшуюся незаморо­ женной площадь и 2 между отдельными ледогрунтовыми цилиндрами в момент смыкания их.

Незамороженная часть площади определится как разность пло­

= 0,08а:2. Таким образом, при расположении замораживающих

жин по первому способу. Следовательно, наиболее целесообразным будет расположение замораживающих скваж ин по углам равно­ стороннего треугольника.

Тогда ширина полосы грунта, замораживаемая одним рядом скваж ин замораживающих колонок (рис. 57),

Необходимую толщину Е подпорной ледогрунтовой стены опре­ деляют статическим расчетом. Число рядов, необходимое для обра­ зования-такой стены,

т = - В = 0,933а: •

Число замораживающих скваж ин в одном ряду

L п = Т -

Общее число замораживающих скваж ин, необходимое для обра­ зования подпорной ледогрунтовой стены толщиною Е,

к моменту соединения отдельных цилиндров останется незаморо­ женным 8% грунта.

Для одновременного замораживания всей площади понадобилось бы следующее число замораживающих скваж ин:

F '

где F — площадь, замораживаемая одной замораживающей колон­ кой, м2:

F = — 0 ,785т2.

138

Соответственно необходимое число замораживающих скважин

0 ,7 8 5 z 2

Однако такое мероприятие практически неосуществимо вслед­ ствие кривизны ледогрунтовых цилиндров. Необходимое число замораживающих скважин следует определять по уравнению (151), увеличив расчетный срок замораживания грунтов на 10— 15% .

Необходимая холодопроизводительность замораживающей стан­ ции при одновременном замораживании всего массива с учетом потерь холода в рассолопроводах

=100 мм и температуре охлаждающего рассола tx от — 20 до — 25° С средний коэффициент теплоотдачи замораживающей колонки кг —

=100 раб. ккал/ч и к г = 250 норм, ккал/ч.

Тогда

Таким образом, расходы электроэнергии и замораживающих труб обратно пропорциональны квадрату расстояния между замора­ живающими скважинами.

Общепринятым расстоянием между замораживающими скваж и­ нами является расстояние 1— 1,25 м. Н а строительстве М осковского метрополитена это расстояние было увеличено до 1,5 м — при соору­ жении подземных вестибюлей. В последующих работах расстояние между замораживающими скважинами было увеличено до 2 м.

139