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

Давления азота во всех областях диаграммы представлены гори­ зонтальными линиями, а энтальпии — вертикальными.

Температуры азота на диаграмме изображаются: в области насы­ щенных паров прямыми линиями, параллельными оси абсцисс,

ОдОмнае, кес/т*

Рис. 123. Диаграмма I— Р (энтальпия-давление) для азота: К — критическая точка

в области жидкого азота пунктирными кривыми, близкими к вер­ тикальным линиям; в области перегретых паров кривыми, которые в нижней части диаграммы приближаются к ординатам.

250

= 38,2 кк ал /к г, или на 9,4 ккал/кг меньше, чем при давлении испа­

В промышленности азот получают фракционированной перегон­ кой жидкого воздуха (ректификацией). При этом сначала перего­ няется азот, температура кипения которого при атмосферном давле­

а дымовые газы после выделения из них углекислоты . Хвостовы е газы заводов азотной кислоты, получаемой окислением аммиака воздухом, также богаты азотом: в них содержится до 9 5 — 96% по объему азота и 3 — 4% по объему кислорода.

Обычно жидкий азот является отходом кислородного произ­ водства и может быть получен на большинстве кислородных заводов.

В практике наиболее часто применяют азот, полученный из воз­ ду ха, в котором содержится 1,12% аргона.

От завода-изготовителя к пункту потребления жидкий азот доставляю т в специальных емкостях — тан ках, смонтированных на шасси автомобилей. Емкости танков 1200, 3000 и 5000 л жидкого азота.

Небольшие объемы жидкого азота доставляют к месту потребле­ ния в стандартных металлических сосудах Дьюара емкостью 1 5 — 100 л.

На замораживание 1 м3 грунта с содержанием воды до 30% рас­ ходуется 1000 л жидкого азота (вместе с потерями).

По сравнению с рассольным способом замораживания грунтов аммиачными или фреоновыми холодильными установками заморажи­ вание жидким азотом имеет следующие преимущества:

1. Холод для замораживания грунтов производят без применения на объекте замораживания специальной холодильной установки. Его заменяют баллонами или цистернами с жидким азотом.

Оборудование, необходимое для замораживания грунтов жидким азотом (емкость для хранения жидкого азота, трубопроводы и за ­ порная арматура), простое и компактное, оно легко транспортируется и монтируется, благодаря указанному упрощается организация работ по замораживанию грунтов и снижаются затраты на произ­ водство холода.

2.Замораживание грунтов осущ ествляется без посредника — хладоносителя (рассола) и, следовательно, без применения рассоль­ ных насосов и без потерь холода в них.

3.Время, затрачиваемое на подготовительные работы к замора­

живанию грунтов жидким азотом, значительно сокращ ается.

4. Н изкая температура кипения (испарения) жидкого азота обеспечивает минимальное время, необходимое на замораживание грунта.

252

5.В отличие от рассолов при соприкосновении с замороженным грунтом азот не оттаивает его.

6.При применении жидкого азота имеются широкие возможности регулирования количества холода, подаваемого в замораживающие колонки.

7.Жидкий азот является недорогим, недефицитным, он плохо растворяется в воде; легко транспортируется к требуемому месту потребления.

8.Азот — взрыво- и пожаробезопасный холодильный агент, кото­ рый безопасен и в токсическом отношении.

Время, затрачиваемое на образование ледогрунтовых цилиндров, обратно пропорционально понижению температуры стенки замора­ живающей трубы: с понижением температуры оно уменьшается и наоборот.

Определим затраты времени на образование одиночных ледо­ грунтовых цилиндров по уравнению (12) при переменных диаметрах

К ак следует из приведенных цифр, время, затрачиваемое на обра­ зование ледогрунтовых цилиндров, обратно пропорционально пони­ жению температуры стенки замораживающей трубы: с понижением температуры оно уменьшается и наоборот.

Низкие температуры испарения жидкого азота обеспечивают минимальное время, необходимое на образование ледогрунтовых ограждений: оно в 9,5 раза меньше, чем при рассольном замора­ живании.

На рис. 124 показано распределение температур в главной пло­ скости ледогрунтового ограждения, образованного при испарении жидкого азота, при различных толщинах ограждения и определен­ ных по уравнению (52а).

На той же диаграмме показано распределение температур в ледо­ грунтовом ограждении при рассольном замораживании.

М еханическая прочность замороженного грунта зависит от тем­ пературы понижения его. Благодаря низким, температурам, создаваемым жидким азотом при испарении, прочности заморожен­ ного грунта значительно выше, чем при рассольном замораживании.

253

Возможные области применения жидкого азота при непосред­ ственном испарении его в замораживающих колонках:

1. Большие скорости замораживания грунтов при безрассольном замораживании предотвращают значительные изменения объемов грунтов. Это обеспечивает безопасное производство работ на стро­ ительстве в городских условиях подземных сооружений различного

живающими колонками.

8. При выполнении срочных подземных работ в водонасыщенных грунтах.

9. При ремонтных работах тюбинговой крепи в водоносных грунтах.

Рассмотрим примеры применения жидкого азота для заморажи­ вания грунтов.

Примеры применения жидкого азота

I. Сооружение водосточного коллектора в северном пригороде г . Парижа. Коллектор диаметром 3 м сооружали на глубине 30 м от земной поверхности (рис. 126). Проходимая горная порода — мергель. Над мергелем залегает слой водонепроницаемого песча­ ника, а выше — водоносный песок.

Коллектор сооружали обычным способом. При пересечении коллектором слоя песчаника на расстоянии 70 м от шахтного ствола

255

в забой выработки прорвалась вода с песком. Пройденная часть коллектора была затоплена.

Водоносный участок коллектора затем проходили с применением способа замораживания, разработанного инженерами фирмы «Эрли-

провод газообразного азота

В кровле выработки забили 25 замораживающих стальных труб диаметром 50/60 мм и длиной 1 ,6 — 2 м (рис. 127). В замораживающие трубы ввели питающие трубы диаметром 15/21 мм. Питающие трубы

256

были демонтированы. Боковые замораживающие колонки поддер­ живали пески в замороженном состоянии при температуре —30° С. Расход жидкого азота при этом составлял 300 л/и или на одну замо­ раживающую колонку 12 л/ч.

Водоносный участок коллектора был пройден за 36 ч. Грунт находился в замороженном состоянии в течение 38 ч после прекра­ щения подачи азота в замораживающие колонки.

Судя по размеру выработки и длине замораживающих колонок, замораживание грунтов было осуществлено на протяжении 4 м коллектора. На одну замораживающую колонку приходилась пло­ щадь замораживания 0,4 м2. Среднее расстояние между заморажи­

Расход жидкого азота на образование ледогрунтового ограждения составил 24 981 л. Замораживание грунтов жидким азотом оказалось

Дюкер с внутренним диаметром 3,25 м и наружным 4,25 м для отвода сточных вод сооружали под р. Сеной в мергеле и галечнике, упроч­ ненных инъектированием глиноземистого цемента и силикагеля.

Выходная часть дюкера длиной 25 м имеет уклон в 45° и пере­ секает свер ху вниз наносы, представленные песками и гравием, мергель и галечник. Пески трудно поддавались инъектированию, вследствие чего на этом участке дюкера было применено заморажи­ вание грунтов жидким азотом.

По окружности диаметром 5,8 м пробурили 22 наклонные сква­ жины диаметром 125 мм. Расстояния между замораживающими

скважинами 0,81 м; длина скважин 25 м. В скважины опустили замораживающие трубы наружным диаметром 76,2 мм.

Д ля контроля за процессом замораживания замораживающие колонки были оборудованы медными термопарами, регистрировав­ шими температуры в колонках и температуры газообразного азота при выходе его из колонок.

Замораживание грунтов было выполнено в два приема: вначале в правой, а затем в левой половине цилиндрического ледогрунтового ограждения. Общее время, затраченное на образование наклонного ледогрунтового ограждения толщиною 1 м, составило 6 сут.

Жидкий азот хранили в цистерне емкостью 40 000 л. На образо­ вание ледогрунтового ограждения израсходовали 180 000 л жидкого азота.

В контуре ограждения пройдена наклонная выработка наружным диаметром 4,5 м. В качестве термоизоляции применили деревянную опалубку, покрытую полистиролом толщиною 40 мм. Бетон за опа­ лубку подавали бетонным насосом.

Измерения температур за внешней опалубкой в грунте, поли­ стироле, а также в уложенном бетоне показали, что на твердение бетона присутствие замороженного грунта не повлияло.

При сооружении дюкера грунт, поддерживали в замороженном состоянии путем периодической подачи в замораживающие колонки жидкого азота.

На сооружение наклонного тоннеля затратили 10 сут. За этот срок было 13 подач жидкого азота с уменьшением каждый раз коли­

258

чества подаваемого жидкого азота. Общий расход жидкого азота составил 410 000 л или 900 л на 1 м3 замороженного грунта.

IV . Проходка вспомогательного ствола Лондонского главного почтамта. Вспомогательный ствол с внутренним диаметром 4,57 м

сыпной грунт и линзы песчаных и гравелистых отложений р. Темзы. Эти отложения залегают на лондонских водонепроницаемых глинах. Слои песка и гравия мощностью 1,5 м в основании отложений водо­ носные. В целях предохранения собора от осадок откачка подземных вод в окрестно­ стях собора была запрещена с 1935 г.

Попытки закрепления грунтов химическим способом здесь не привели к желаемым результатам.

Ш ахтный ствол был пройден обычным способом через насыпной (культурный) слой до глубины 8,5 м, закреплен тюбин­ говой крепью и остановлен на расстоянии 1,22 м от уровня грунтовых вод (рис. 130).

медных обычные трубы из мягкой стали; соединения труб осуще­ ствляли свинцовыми муфтами на резьбе. Соединительные трубы между магистральными и замораживающими трубами представляли собой гофрированные резино-тканевые шланги.

Три замораживающие колонки последовательно объединялись в общий распределитель. Жидкий азот поступал в замораживающие колонки из запасной емкости.

Расход жидкого азота контролировали размером выходного отвер­ стия задвижки по температурам поступающего азота, который имел минимальную температуру —7 3 ° С.

Ледогрунтовое ограждение вокруг шахтного ствола было обра­ зовано за 2,5 сут. На предварительное замораживание грунтов было израсходовано 25 000 л жидкого азота.

Проходка и крепление ствола через песчаные и гравелистые грунты и лондонские глины были выполнены в течение 3 сут. Замо­ роженный грунт разрабатывали отбойными молотками. На пассивное