Изкуствено замразяване на почви

Изкуственото замразяване на почвите при изграждането на метрото се използва при потъване на шахти, ескалаторни тунели, дестилационни тунели, изграждане на станции по затворен метод, разработване на ями за подземни конструкции, издигнати по открит начин.

Изкуственото замразяване на почвите позволява да се създаде солидна кръгла или правоъгълна ограда от замръзнала почва, предотвратявайки проникването на подземни води или наситени с вода нестабилни почви в мината. Такава ограда възприема натиска на околната почва или изкоп, както и хидростатичния напор на подземните води.

Замразяване на почвата по метода на саламура.За замразяване на почвата обикновено се използва така нареченият хладилен агент (хладилен агент). Обикновено като хладилен агент се използва охладен воден разтвор на калциев хлорид (саламура), който има способността да остава течен при ниски температури. Такава саламура, охладена в станцията за замразяване, се подава през тръбна система към колоните за замразяване, спуснати в пробитите кладенци.

Ориз. 83. Инсталация за замръзване на почви: а - схема на циркулация на разтвора; б - схема на хладилната станция; c - дизайн на колоната за замразяване; 1 - резервоар за саламура; 2 - тръбопровод за връщане на саламура; 3 - термометър; 4 - водомер; 5 - манометър; 6 - колекторен пръстен; 7 - изходяща тръба; 5 - замразяващи колони; 9 - захранваща тръба; 10 - кран; 11 - разпределителен тръбопровод за солен разтвор; 12 - директен тръбопровод за саламура; 13 - помпа; 14 - кондензатор; 15 - компресор за амоняк; 16 - изпарител; 17 - контролен клапан; 18 - глава на колоната за замразяване

За да създадете ограда от ледена земя, предварителнокладенци се пробиват през цялата дебелина на водоносните хоризонти, задълбочавайки краищата им с 2-5 m във водоустойчива почва (глини, плътни безводни шисти, мергели). Разстоянието между тези кладенци се определя от проекта въз основа на това, че радиусът на ледено-земния цилиндър, замръзнал около кладенеца, е 1,25–1,5 m.

В случаите, когато не е възможно задълбочаването на контурните замразяващи кладенци във водопровода, почвената маса се замразява по целия участък на изработката, която ще се изгражда, за което се пробиват замразяващи кладенци вътре в контурните кладенци.

В пробитите кладенци се спускат замразяващи тръби - колони с плътно заварен долен край (дъно) (фиг. 83). В колоните, които не достигат дъното им с 40-50 см, се спускат тръби с по-малък диаметър с отворен долен край - захранващи тръби.

Колоните за замразяване са свързани чрез специални глави в обща система, разположена на повърхността, състояща се от разпределителна тръба, през която разтвор на калциев хлорид (солен разтвор), охладен в станцията за замразяване, се подава към захранващите тръби и колекторна тръба, която източва саламурата от колоните към същата станция.

В станцията за замразяване са монтирани помпено-компресорни агрегати и устройства, които осигуряват работата на цялата система за замразяване. Студената солена вода се изпомпва в разпределителя с помпи, откъдето се разпръсква равномерно през захранващите тръби на замразяващите колони. След като достигне дъното на колоната, солевият разтвор, чието налягане се поддържа от помпи в станцията, се издига нагоре по пръстеновидното пространство между захранващата тръба и колоната за замразяване, измивайки вътрешните й стени. В този случай се получава топлообмен: саламурата отнема топлината от почвата около колоната и понижава температурата й, което постепенно води до замръзване на почвата.След това от колоната през главата саламурата постъпва в колектора, а от него - в станцията за замразяване, където отново се охлажда.

В хладилната станция са монтирани две системи от машини и механизми. Първата система (амоняк) е предназначена за охлаждане на саламура с амоняк и включва компресор, кондензатор и изпарител, свързани с тръбопроводи. Втората система (саламура) е предназначена да осигури циркулация на солен разтвор и включва резервоар за солен разтвор, помпа, тръбопроводи, разпределител, колектор и колони за замразяване.

Саламурата се охлажда по следния начин. Компресорът компресира течните амонячни пари, засмукани от изпарителя, до налягане от 0,8-1,2 MPa и амонячните пари се нагряват. Сгъстените амонячни пари влизат в кондензатора през тръбопровод, състоящ се от тръби, постоянно измити със студена вода, където амонячните пари се охлаждат, превръщайки се в течност. Течният амоняк влиза в изпарителя. Изпарителните секции са в резервоар, пълен със солен разтвор - воден разтвор на калциев хлорид, замръзващ при температура - 34°C. Изпарявайки се, течният амоняк отнема от саламурата значително количество топлина, необходима за изпаряване, докато саламурата се охлажда до температура от -20 ... -26? След това, с помощта на центробежна помпа, охладеният солен разтвор се изпомпва в разпределителя, от който влиза в колоните за замразяване и, предавайки част от студа на земята, се връща обратно през колектора към изпарителя за повторно охлаждане. След това цикълът се повтаря.

Постепенно около всяка колона се оформя масив от замръзнала цилиндрична почва. При по-нататъшно замразяване обемът на замръзналите цилиндри се увеличава и те се замразяват заедно в непрекъснат пръстеновиден масив (фиг. 84).

Времето, необходимо за образуване на замразена маса,зависи от хидрогеоложките условия, броя на замразяващите колони, температурата на циркулиращия солен разтвор и проектната дебелина на замръзналата маса. Очакваното време за създаване на замразен контур с разстояние между кладенците 1,25 m варира от 40 до 60 дни при денонощна работа на станцията за замразяване. Този процес се нарича активно замразяване. За поддържане на масива в замръзнало състояние хладилната станция работи по режим, определен в проекта (на една или две смени) през цялото време на преминаване в замръзналата зона - това е периодът на поддържане на замръзване.

Ориз. 84. Последователността на образуване на ледено-земната пръстеновидна маса около вала: а - началният период; b - средата на процеса; c - край на замръзване

За образуването на затворена ледено-земна бариера се съди по покачването на нивото на водата в специално пробит контролен хидрогеоложки сондаж. Когато образуването на затворена бариера лед-земя на един от водоносните хоризонти приключи и започне нейното удебеляване, водата вътре в замръзналия контур изпитва натиск от удебеляващите се стени на бариерата и нивото на водата в контролния кладенец се повишава.

Работата по замразяване започва с пробиване на кладенци и инсталиране на замразяващи колони с захранващи тръби в тях. В същото време се работи по изграждането на станция за замразяване, инсталирането на оборудване и тръбопроводи за солен разтвор по такъв начин, че до края на сондажите да е възможно да се тества и пусне цялата система в експлоатация.

Производството на минни и строителни работи в замръзналата зона има редица характеристики. Работата трябва да се извършва при внимателно наблюдение на състоянието на бариерата лед-земя и режима на работа на станцията за замразяване.за поддържане на размерите на бариерата лед-земя и нейната температура.

По време на открита работа изкопаването на почвата от ямата по време на положителни температури на въздуха трябва да се извършва със защита на стените на бариерата лед-земя от действието на валежите и слънчевата светлина.

При изкопаване на почвата чрез сондиране и взривяване трябва да се вземат предпазни мерки за предотвратяване на деформация на бариерата лед-почва и повреда на замръзващите колони.

След приключване на тунелните операции и изграждането на постоянна облицовка, структурите започват да размразяват замръзналите почви, което може да се случи естествено или да се извърши изкуствено чрез инжектиране на загрята саламура или вода в кладенците.

Нискотемпературно замразяване с течен азот.През последните години в практиката на метростроителството се използва нов хладилен агент за изкуствено замразяване на почви - течен азот, който е безцветна течност, чиято температура на изпарение е много ниска (при атмосферно налягане е равна на -195,8 ° C).

Течният азот се получава в специални инсталации чрез втечняване на атмосферния въздух при ниски температури и след това разделянето му на течен азот и кислород, които имат различни температури на изпарение. Течният азот се транспортира в специални контейнери (цистерни).

За разлика от други промишлени хладилни агенти (амоняк, фреон), които могат да се използват само в затворена система на хладилен агрегат, течният азот се използва еднократно (изпаряващият се газ се отделя в околната среда).

Методът на нискотемпературно замразяване с течен азот има редица предимства в сравнение с конвенционалното (саламура) замразяване. При замразяване с течен азот не са необходими хладилни станции и мрежитръбопроводи. Доставеният на строителната площадка течен азот от резервоарите веднага се освобождава в колоните за замразяване. Степента на замръзване се увеличава, което е особено важно при висока степен на филтрация на подземните води, както и при навлизане на термални и минерализирани води.

При нискотемпературно замразяване колоните за замразяване са свързани последователно в една система. Течният азот влиза във вътрешната (захранваща) тръба на първата колона за замразяване. В пръстеновидното пространство на колоната течният азот се изпарява и се издига в газообразно състояние до главата на колоната, откъдето след това се влива през тръбопровода в захранващата тръба на съседната колона и т.н. (фиг. 85). От последната колона на системата тя навлиза в атмосферата при температура около -40?

Ориз. 85. Схема на нискотемпературно (азотно) замразяване: 1 - входна тръба; 2 - тръба за отстраняване на изпарения азот; 3 - стоманена глава на колоната за замразяване

Използването на технология за нискотемпературно замразяване е ефективно за елиминиране на пробиви на вода и плаващи пясъци в минните изработки, както и при извършване на спешна работа във водоносни хоризонти.

Изкуственото замразяване е универсално средство за стабилизиране на почвите и позволяване на операции във водоносни хоризонти. В същото време има редица недостатъци. Издигането на наводнени почви поради увеличаването на обема им по време на замръзване и валежите по време на размразяване може да доведе до деформации на повърхностните конструкции, под които се извършват операции по замразяване, особено ако се извършват на малка дълбочина. Подготвителната работа е сложна, а самият процес на замразяване е дълъг, цената на такава работа е доста висока.

Комбинираното използване на замразяване и обезводняване ви позволява да дренирате почвата в ямата,ограден от затворена водоустойчива стена от ледена земя.