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

при сооружении промежуточного подземного вестибюля, располо­ женного впереди забоя наклонного тоннеля. Общая глубина замораживающих скваж ин 450 м.

Замораживающие скважины первоначально (три скважины) бу­ рили станками КА -2м-300. Однако бурение скваж ин такими стан ­ ками было связано с преодолением трудностей: буровой инструмент в скваж ине зажимался грунтом и станок вследствие недостаточной мощности останавливался. Поэтому вместо станка КА -2м -300 при­ меняли буровой станок КА М -500.

До глубины 7 — 8 м скважины бурили с помощью труб диаметром 146 мм, нижним концам которых придавали форму зубчатой ко­ ронки. При дальнейшем бурении эти трубы использовались как обсадные. Грунт, скопившийся в трубах, разбуривали замора­ живающими колонками диаметром 100 мм, нижние концы которых были снабжены буровыми коронками. По окончании бурения ск ва ­ жин в замораживающие колонки опускали питающие трубы диа­ метром 25 мм и после этого из скваж ин извлекали обсадные трубы.

На бурение замораживающих скваж ин и монтаж колонок затра­ тили 60 сут.

Замораживание грунтов было выполнено холодильной установ­ кой холодопроизводительностью 450 000 норм, ккал/ч, смонтиро­ ванной на земной поверхности. Необходимо однако заметить, что в этих условиях была бы вполне достаточной замораживающая станция значительно меньшей мощности.

Охлажденный рассол поступал к пункту замораживания и воз­ вращ ался от него по двум рассолопроводам диаметром 98 мм. Распределитель и коллектор имели такие же диаметры. Заморажи­ вание грунтов было выполнено за 60 сут.

По окончании процесса замораживания разобрали бетонную перемычку, а затем под защитой ледогрунтового свода соорудили оставшуюся часть эскалаторного тоннеля и 8 м горизонтального тоннеля, закрепив их металлическими тюбингами.

2. Наклонные конвейерные тоннели сооружали к камере дробле­ ния руды горнообогатительного комбината. Камера дробления пред­ ставляет собою цилиндр с внутренним диаметром 32,5 м и наружным 34,1 м; высота камеры 34,7 м.

Конвейерные тоннели — две наклонные (под углом 18° к гори­

Руда, поступающая из ш ахты, направляется в камеру дробления для измельчения в дробилках 1-й и 2-й стадии дробления. Измель­ ченная руда поднимается по конвейерам на поверхность земли.

Геологическое строение участка строительства было определено разведочными скважинами и шурфами (рис. 83). От поверхности земли до глубины 4,4 -м залегает слой желтых лёссовидных мало­ влажных суглинков; от 4,4 до 16,8 м — красновато-бурая твердая

200

Р и с. 8 3 . Расположение замораж иваю щ их скваж ин над конвейерными тоннелями

201

глина, в средней части слоя слабоводоносная, от 16,8 до 33,3 м — серая или пестроцветная супесь с прослойками песка и суглинка, с редкими включениями мелкой гальки и щебня, пластичная, а в ниж­ ней части толщи текучая; от 33,3 до 45,1 м — частое переслаивание светло-зеленых супесей, песков, суглинков и глин с редкими вклю ­ чениями щебня и дресвы, текучей консистенции; в переслаиваниях преобладают пески. Д ва последних пласта представляют собою третичные отложения — полтавский и харьковский ярусы палео­ гена. От 45,1 до 54,9 м залегает первичный каолин — в виде супеси, светло-серый, пылеватый. Ниже 54,9 м залегают гранит, выветрелый до состояния щебня и древесины, и частично кварцево-серицито­ хлоритовые сланцы, выветрелые до состояния глины.

В указанных выше отложениях имеются два водоносных гори­ зонта. Первый водоносный горизонт залегает на глубине около И м от поверхности земли. Второй, более мощный водоносный горизонт, заключенный в неустойчивых грунтах полтавско-харьковского яруса, залегает на глубине 32,6 м от поверхности земли; мощность этого горизонта 12— 13 м.

Неблагоприятные геологические и гидро-геологические условия для строительства подземного комплекса вызвали необходимость применения способа искусственного замораживания грунтов.

Участок наклонных конвейерных тоннелей на протяжении 55,5 м от камеры дробления также располагается в водоносных неустой­ чивых грунтах и поэтому сооружался с применением способа замора­ живания. Замораживание грунтов над тоннелями осуществили вертикальными замораживающими скважинами, пробуренными с зем­ ной поверхности. Замораживающие скважины расположили в семи прямолинейных рядах. Расстояния между рядами скваж ин приняли 2,7 м. Расстояния между скважинами в пограничных и среднем рядах приняли 1,5 м, а в рядах, заключенных между пограничными рядами, 2 м. Общее число замораживающих скваж ин 228. Глубины замораживающих скважин изменялись в зависимости от рельефа поверхности земли и положения тоннелей от 38 до 46 м. Во всех случаях основания замораживающих скваж ин располагались на 1,5 м ниже подошвы тоннеля. Общая глубина замораживающих

Замораживающие колонки конвейерных тоннелей в рассольную сеть были включены в четыре распределителя и четыре коллектора диаметром 273 м (рис. 84). Каж дая пара магистральных труб обслу­ живала замораживающие колонки двух соседних рядов. Лиш ь колонки седьмого ряда имели отдельные распределитель и коллектор. Движение рассола в магистральных трубах на этом участке было

202

последовательное: по выходе из первого коллектора рассол поступал во второй распределитель, а по выходе из второго коллектора — в третий распределитель и т. д. Замораживающие колонки в маги­ стральные трубопроводы были включены параллельно.

Для замораживания грунтов смонтировали замораживающую станцию, состоящую из двух рабочих аммиачных агрегатов общей холодопроизводительностью 1,5 млн. норм, ккал/ч и одного резерв­ ного холодопроизводительностыо 400 000 норм, ккал/ч.

Расстояние от замораживающей станции до центра камеры дро­ бления 47 м.

Замораживание грунтов в течение 78 сут осуществляли последо­ вательно: вначале вокруг камеры дробления, затем над 1-м конвейер­ ным тоннелем, а после — над 2-м тоннелем.

Конвейерные тоннели крепили тюбингами.

Г Л А В А IX

з а м о р а ж и в а н и е г р у н т о в п р и с о о р у ж е н и и

ГО РИ ЗО Н ТА Л ЬН Ы Х ГО Р Н Ы Х ВЫ РА БО ТО К

§1. Общие сведения

.Проведение горизонтальных выработок, в том числе сопряжений выработок околоствольного двора с шахтными стволами в водонос­ ных неустойчивых горных породах (суглинки, пески) является одной из наиболее трудных задач в шахтном строительстве. Это объясняется отсутствием совершенных способов проведения выра­ боток в названных условиях.

Развитие индустриализации в нашей стране вызвало необходи­ мость сооружения на небольших глубинах от земной поверхности многих подземных выработок — коллекторов значительной про­ тяженности и различного назначения, промышленных и городских водопроводов, нефтепроводов и газопроводов, теплоцентралей, кана­ лизационных и водосточных коллекторов и других горизонтальных выработок, диаметры которых изменяются от 2 до 5,2 м.

В городских условиях горизонтальные подземные выработки сооружают под улицами, площадями, отдельными зданиями и соору­ жениями, на территориях заводов и цехов, под автомагистралями, железнодорожными путями и шоссейными дорогами.

Сооружение таких выработок в городских условиях открытым способом сопряжено с рядом трудностей: нарушением движения на оживленных транспортных магистралях, разрушением дорого­ стоящих уличных и дорожных покрытий, вскрытием на длительное время проезжей части улицы. Часто оказывается, что сооружение горизонтальных выработок открытым способом в городских усло­ виях или на действующих предприятиях осущ ествлять нельзя.

204

По этим причинам коллекторы стали сооружать подземным способом с применением горнопроходческих щитов.

Согласно исследованиям ЦНИИподземшахтстроя, щитовой способ проходки горизонтальных выработок в зависимости от горно-геоло­ гических условий экономически целесообразно применять с глу­ бины 6 м.

Однако для сооружения горных выработок в водоносных неустой­ чивых горных породах надежных конструкций горнопроходческих

заложения выработок при кессонном способе может быть равной 7— 8 м. В песчаных отложениях она должна быть значительно большей.

В последние годы на смену этим способам пришел способ искус­ ственного замораживания грунтов. При проведении горизонтальных выработок замораживание грунтов можно осуществить следующими способами: с земной поверхности и в подземных условиях.

I. С земной поверхности:

вертикальными замораживающими скважинами (рис. 85); в слу­ чае отсутствия или залегания водоупорных пород на большой глу ­ бине замораживающие скважины средних рядов бурят через будущий тоннель на глубину 3 — 5 м ниже подошвы тоннеля;

наклонными замораживающими скважинами с целью образова­ ния над тоннелем ледогрунтового ограждения в виде шатровой крыши (рис. 86).

Замораживание грунтов вертикальными или наклонными замора­ живающими колонками с земной поверхности, в свою очередь, может иметь две модификации:

205

над сооружаемой выработкой образуется сплошной массив замо­ роженного грунта по всей высоте замораживающих колонок;

частичное (локальное) замораживание грунтов — образование замороженного массива лишь с некоторой глубины заморажива­ ющих колонок с помощью диафрагм и отводящих (обратных) труб.

II . В подземных условиях:

вертикальными или наклонными замораживающими скважинами, пробуренными из штольни, специально пройденной в устойчивых неводоносных горных породах над сооружаемой выработкой (рис. 87);

горизонтальными или слабонаклоцными скважинами, пробурен­ ными из забоя сооружаемой выработки (рис. 88).

Диаметры замораживающих скважин принимают в пределах

нами принимают 1 ,3 —2 м — в контурных рядах и до 2,5 м — в цен­ тральных рядах; расстояния между рядами вертикальных скважин принимают 2 — 2,5 м. Число рядов вертикальных замораживающих скваж ин зависит от диаметра (ширины) проходимой выработки;

206

от него, параллельно продольной оси выработки или под некоторым углом к оси.

Длина горизонтальных скваж ин зависит от протяженности уча­ стка водоносных горных пород. В случае большой протяженности водоносного участка горизонтальные замораживающие скважины бурят заходками длиной 2 0 — 30 м.

Необходимая толщина стены горизонтального ледогрунтового цилиндра определяется расчетом.

Расстояния между горизонтальными замораживающими сква­ жинами при отсутствии движения подземных вод принимают рав­ ными 0 ,8 — 1 м.

Рис. 8 8 . Расположение горизонтальных замораживающ их скваж ин

С помощью горизонтальных замораживающих колонок вокруг будущей выработки образуют горизонтальный ледогрунтовой ци­ линдр, причем ядро выработки стремятся сохранить в незаморожен­ ном состоянии.

При горизонтальном замораживании грунтов отпадает необхо­ димость отвода участка на земной поверхности для буровых и мон­ тажных работ, а также перекладка подземных коммуникаций, так как все работы, связанные с замораживанием грунтов, производятся из подземной выработки.

Выбор того или иного способа замораживания должен быть обоснован технико-экономическими расчетами.

Примем следующие обозначения (рис. 89):

Н— глубина заложения шелыги свода горизонтальной выра­ ботки от земной поверхности, м;

L — длина участка выработки, подлежащего замораживанию, м; D — диаметр сооружаемой выработки в проходке или высота

выработки при трапециевидном сечении ее, м;

Е

с = —------половина толщины стены ледогрунтового ограждения

выработки, м;

I — расстояние между горизонтальными замораживающими скважинами, м;

207

Іг — расстояние между рядами вертикальных замораживающих скваж ин, м;

/ 2 — расстояние между вертикальными замораживающими сква ­ жинами в рядах, м;

h — величина заглубления крайних рядов вертикальных замо­ раживающих скважин ниже подошвы выработки, м;

а— стоимость бурения и монтажа 1 м горизонтальной заморажи­ вающей скваж ины, руб/м;

b — стоимость бурения и монтажа 1 м вертикальной заморажи­ вающей скваж ины, руб/м.

Ри с. 8 9 . Схема к определению числа замораж ива­ ющих скваж ин

Д ля образования горизонтального ледогрунтового цилиндра необ­ ходимо заложить следующее число замораживающих скваж ин:

(181)

Общая длина горизонтальных замораживающих скважин

(182)

Стоимость бурения горизонтальных замораживающих скваж ин

208

Число вертикальных замораживающих скваж ин в одном ряду

(185)

*2

Общее число вертикальных замораживающих скваж ин, необхо­ димое для замораживания участка протяженностью L,

Глубины вертикальных замораживающих скваж ин переменные: от Я до Я + D -j- h. Д ля упрощения расчетов с достаточной сте­ пенью точности среднюю глубину Я х вертикальных замораживающих скваж ин можно принять равной

Замораживание грунтов горизонтальными замораживающими ко­ лонками с точки зрения стоимости бурения замораживающих сква ­ жин и монтажа замораживающих колонок целесообразно осущ ествлять при выполнении следующего условия:

Определим глубину Н заложения выработки от земной поверх­ ности, при которой стоимость бурения и монтажа вертикальных и горизонтальных замораживающих скваж ин будет одинаковой. Произведя сокращения в уравнении (188), найдем

Решив уравнение (189) относительно Я , найдем рациональную (предельную) глубину замораживания вертикальными скважинами