книги / Строительство подземных сооружений в городах

Энергоснабжение грунтопрокалывающих установок и применяемого оборудования осуществляют от городской электросети или передвижных электростанций мощностью не менее 30 кВт.

Более совершенная грунтопрокалывающая установка создана СКБ Мосстроя. Она предназначена для прокола грунта трубами диаметром 200 - 400 мм на длину до 45 м.

Установка (рис. 3.17.) состоит из следующих основных узлов: направляющей рамы, технологической тележки и устройства для обеспечения заданного направления при проколе в виде подготовленной головной секции трубы.

Направляющая рама представляет собой сварную конструкцию с двумя продольными трубчатыми штангами, по образующим которых на расстоянии 1000 мм (ход штока гидродомкрата) друг от друга установлены упорные кулаки. В поперечном направлении рама усилена металлическими распорками.

На верхней части рамы смонтирована подвижная технологическая тележка с насосной станцией и гидродомкратом. Гидродомкрат размещен вдоль центральной оси направляющей рамы, в передней части он снабжен нажимной пятой с кольцевыми выступами под различные диаметры прокладываемых труб, а в задней — подвижным упором, который при работе фиксируется на кулаках рамы.

Такое конструктивное решение обеспечивает работу установки по принципу «шагающих домкратов».

Головную секцию изготавливают из трубы, используемой для прокола. Она должна быть оснащена конусным наконечником и иметь длину не менее 3 м.

Для восприятия реактивных усилий, возникающих при проколе, установку снабжают инвентарной металлической упорной плитой.

Техническая характеристика установки СКБ Мосстроя:
Условный диаметр труб, мм...................................................................	200-400
Длина прокола, м .......................................................................................	20-45
Скорость прокладки, м/смену..........................................................................		25
Ход штока гидродомкрата, м м .....................................................................		1000
Максимальное напорное усилие, т ...............................................................		170
Скорость перемещения штока гидродомкрата, м/мин.................................		0,5
Тип насоса...................................................................................................	Н-401Е
Число насосов......................................................................................................		2
Производительность насоса, л/мин................................................................		18
Мощность привода, кВт.................................................................................		22,5
Вместимость масляного бака, л.....................................................................		200
Номинальное давление, кгс/см2 ............................................................		210
Наибольшая масса элемента установки (рамы), т............................................		2
Габаритные размеры, мм:
Длина...............................................................................................................		8800
ширина............................................................................................................		1600
высота.............................................................................................................		2200
Масса, т........................................................................................................	4	.......8

101

Принцип «шагающих домкратов» использован также в грунтопрокалывающей установке ГПУ-600, разработанной Львовским политехническим университетом (Украина). Ее основное отличие от установки СКВ Мосстроя заключается в том, что она оснащена двумя гидродомкратами, развивающими напорное усилие до 300 т. Это позволяет осуществлять прокол грунта трубами диаметром от 100 до 600 мм на длину до 80 м.

В настоящее время освоен выпуск модернизированной грунтопрокалывающей установки ГПУ-600А. Она более легкая, имеет небольшие габариты и требует меньших объемов земляных работ при устройстве рабочих котлованов, что очень важно при прокладке трубопроводов-футляров в стесненных городских условиях. Для прокладки трубопроводов диаметром до 300 мм создана установка ГПУВ-300 с механическим приводом.

При статическом проколе грунтопрокалывающую установку и направляющую раму монтируют в рабочем котловане (камере). Размеры рабочего котлована принимают в зависимости от грунтовых условий, диаметра прокладываемой трубы, глубины ее заложения, назначения прокладки и конструкции направляющей рамы.

С учетом этого длина рабочего котлована составляет 10 - 13 м, а ширина 2,2 - 2,4 м. Минимальная длина приемного котлована по месту выхода прокладываемой трубы должна быть не менее 1 - 1,5 м, а ширина — 2,2—2,4 м для выполнения сварочных работ по соединению рабочей трубы с уже проложенной.

К другому типу грунтопрокалывающих установок принадлежат машины и механизмы динамического ударно-импульсного воздействия на грунт. К ним относят пневмопробойники, пневмо- и гидромолоты, позволяющие выполнять работы не только по прокладке трубопроводов-футляров и образованию скважин, но в зависимости от геологических условий по извлечению старых труб из грунта или разрушению их с одновременной заменой новыми, затягиванию асбоцементных или пластмассовых труб в скважины, формованию асбоцементных труб в грунте, забиванию в грунт труб, микросвай, нагелей и др.

Минимальная глубина заложения прокладываемых трубопроводов или скважин от поверхности земли во избежание выпучивания грунта или аварийного выхода пневмопробойника на поверхность должна составлять:

- 0,5 - 1,2 м для скважин диаметром от 60 до 130 мм;

-1,2- 2,0 м для скважин диаметром от 130 до 250 мм;

-2,0 - 2,5 м для скважин диаметром от 350 до 400 мм.

Взимних условиях глубина заложения должна быть больше глубины промерзания грунта на два-три диаметра скважины.

Применение пневмопробойников невозможно в мерзлых грунтах, при наличии твердых включений размером более 250 мм, корней деревьев, остатков строительных конструкций и других препятствий. В грунтах с пустотами, размеры которых превышают 700 мм, пневмопробойниками можно осуществлять только забивку стальных и протягивание асбоцементных труб.

При пересечении существующих подземных коммуникаций с прокладываемой трубой (скважиной) расстояние между ними должно составлять не менее трех диаметров последней. При этом необходимо учитывать возможные отклонения пневмопробойника от проектного направления, которые на протяжении 20 м, как правило не превышают по вертикали 0,2 - 0,3 м, а по горизонтали — 0,05 - 0,1 м.

При параллельной прокладке нескольких труб (скважин) расстояние между их осями должно быть не менее трех диаметров трубы (скважины).

102

Пневмопробойник (рис. 3.18) представляет собой самодвижушуюся пневмоударную машину. Боек, размещенный в корпусе, совершая под действием сжатого воздуха возвратно-поступательные движения, наносит удар по переднему торцу корпуса, продвигая его в грунт. Обратному перемещению корпуса препятствуют силы трения, возникающие между его наружной поверхностью и грунтом. Благодаря осевой симметрии и значительной длине пневмопробойник во время продвижения в грунте сохраняет заданное направление. Реверсивное устройство позволяет изменять направление ударов, а следовательно, и направление движения пневмопробойника, т.е. возвращать его к устью скважины.

7 2

з

4

5 6 7

8

Рис. 3.18. Схема пневмопробойника:

1 — корпус; 2 — наковальня; 3 — боек; 4 — патрубок; 5 — амортизатор; 6 — задняя гайка; 7 — клапан; 8 — воздухоподводящий шланг; 9 — гайка.

Промышленность выпускает несколько марок пневмопробойников СО-144, ИП-4605, ИП-4603, СО-134, СО-186, диаметрами соответственно 70,95, 130,150 и 240 мм, а также пневмо- и гидромолоты М-130А, М-200, СП-71 и др. Некоторые из них оснащены удлинителем (СО-134), расширителями (СО-144, ИП-4605, ИП-4603, СО134) и переходными втулками (СО-134 и М-130А).

Удлинитель применяют для повышения точности прокладки труб (скважин), в первую очередь в слабых и неоднородных грунтах. Расширитель используют для увеличения диаметра скважин путем повторных проходов, а переходные втулки — для присоединения пневмопробойни-ков к прокладываемой трубе.

Кроме этого, в комплект входят хвостовые насадки для протаскивания труб непосредственно в скважину, образуемую пневмопробойником. Работа пневмопробойника осуществляется за счет импульсных ударов, наносимых бойком непосредственно по переднему торцу его корпуса (наковальне). Энергия удара в зависимости от марки пневмопробойника составляет 60-300 Дж. В пневмо- и гидромолотах удары передаются не корпусу, а специальной головной насадке с энергией 1300 — 2000 Дж.

Пневмопробойники и пневмомолоты приводятся в действие от передвижных компрессоров ЗИФ-55, ДК-9, ПР-10, ПВ-10 и др. На рис. 3.19 приведена схема стартового устройства для запуска пневмопробойников.

Для прокладки трубопроводов, образования скважин или других работ пневмопробойник запускают в грунт из входного приямка к приемному.

103

Рис. 3.19. Схема стартового устройства для запуска пневмопробойников:

1 — рычаг; 2 — прижим; 3 — пневмопробойник;

4 — регулировочный винт;

5 — направляющая призма; 6 — основание;

7 — костыль величины хода бойка, что очень важно при прокладке труб (скважин) в изменяющихся грунтовых условиях.

104

Лекция 4. Строительство подземных сооружений в сложных гидрогеологических условиях

Строительство подземных сооружений часто осложняются при наличии воды в разрабатываемых грунтах. В скальных грунтах, известняках, песчаниках, гранитах и других устойчивых грунтах воду отводят от забоя по дренажным канавам или откачивают с помощью насосов. Для обеспечения беспрепятственного отвода воды в таких условиях проходку стремятся вести на подъем. Однако бывают случаи, когда большие притоки воды, особенно напорной, сильно затрудняют и замедляют разработку грунта. Большие трудности проявляются при проходке стволов или наклонных тоннелей, где отвод воды от забоя по уклону невозможен, а устройство зумпфов (колодцев) для откачки воды насосами затруднено.

При насыщении водой илистых, песчаных, песчано-глинистых грунтов забой становится неустойчивым, происходит вынос водоносного грунта из-под крепления забоя в выработку. Насыщенный водой грунт как бы «плывет» из забоя и закрепить его бывает очень трудно, а иногда невозможно.

Для преодоления участков со сложными гидрогеологическими условиями необходимо обеспечить стабилизацию грунта в забое или исключить попадание воды в подземную выработку или котлован, т. е. создать такие условия, при которых проходку выработки или разработку котлована можно было бы вести обычными способами: щитовым, сплошного забоя, уступным, поярусной разработкой котлованов

и др. Применение специальных		способов	на период	производства работ
по возведению	постоянной крепи	выработки	позволяет	изменить	физико­
механические	свойства грунтов,	в которых	проходят выработки,		повысить

их прочность и устойчивость, устранить приток воды (частично или полностью). К числу таких специальных способов относятся следующие.

Искусственное замораживание грунтов. При этом способе воду из грунта не удаляют, а замораживают ее вместе с грунтом с помощью специальных устройств

— замораживающих колонок. В результате замораживания при постепенном отборе тепла от грунта создается ледогрунтовый массив, имеющий большую механическую прочность и полностью водонепроницаемый.

Искусственное замораживание применяют при проходке выработок,

возведении	тоннельной обделки и ее гидроизоляции.			После окончания	этих работ
происходит	оттаивание	грунтов	и восстановление	их естественного	состояния
с последующей передачей		горного	и гидростатического давления на возведенную

постоянную обделку.

Водопонижение. Этот способ состоит в осушении грунтов, в которых строится тоннель или другой объект, или снятии напора в водоносных грунтах путем откачки воды из них через специально устраиваемые для этих целей водопонижающие скважины, в которых устанавливают водооткачивающие средства. Эффективность способа зависит оттого, насколько быстро грунт может отдавать воду. Степень водоотдачи грунта характеризуется коэффициентом фильтрации, представляющим собой среднюю скорость движения воды по скелету грунта под действием собственного веса, выраженную в метрах в сутки. Например, крупнозернистый песок имеет коэффициент фильтрации 1 5 -2 5 м/сут, мелкозернистый-1 - 5 м/сут, илистые грунты — 0,1 - 0,3 м/сут. Наилучшего осушения можно добиться в песчаных грунтах, имеющих наибольший коэффициент фильтрации.

105

Закрепление грунтов. Этот способ основан на нагнетании в грунт специальных растворов, которые, проникая в поры грунта, придают ему прочность

иводонепроницаемость. Для закрепления грунтов применяют различные способы: цементацию (нагнетание цементного раствора), глинизацию (нагнетание тампонажного глинистого раствора с различными добавками), химическое закрепление — силикатизацию (двухрастворная — последовательное нагнетание раствора жидкого стекла, а затем раствора хлористого кальция, однорастворная — нагнетание гелеобразующей смеси, приготовленной непосредственно перед нагнетанием путем смешивания раствора жидкого стекла и кислотных отвердителей), смолизацию — нагнетание растворов смол с отвердителями.

Кспециальным способам закрепления грунтов относятся также битумизация

итермическое закрепление, но эти методы применимы при небольших объемах грунтов, подлежащих закреплению, поэтому в метростроении они не применяются.

Способ закрепления грунтов выбирают при составлении проекта на основании данных инженерно-геологических изысканий, характеристик грунтов и технико­ экономического анализа (см. таблицу).

Кессонный способ. Сущность этого способа заключается в том, что в огражденное замкнутое пространство, называемое рабочей зоной, где выполняются работы по возведению сооружения, нагнетают сжатый воздух, который отжимает воду из грунта, что позволяет разрабатывать грунт и устанавливать временное и постоянное крепление в практически сухом забое. При этом давление сжатого воздуха в нижней части рабочей зоны для полного отжатия воды должно быть равно или несколько

меньше гидростатического напора воды.
Совмещенные специальные способы работ. Эти	способы основаны
на применении в конкретных условиях строительства	одновременно двух

специальных способов, которые в определенной последовательности или параллельно

создают	технологию,	позволяющую	вести	строительство	в сложных
гидрогеологических условиях.
Примерные области применения различных способов закрепления грунтов
Способ				Коэффициент
закрепления		Вид грунта
				фильтрации, м/сут
грунтов

Цементация и глинизация

Силикатизация:

двухрастворная

однорастворная

Смолизация

Трещиноватые скальные грунты, известняки, песчаники, гр.авелистые грунты, крупнозернистые пески

Песчаные, песчано-глинистые грунты То же

Песчаные, илистые, песчано-глинистые грунты

80 - 500

2 -8 0

0,5 - 50

0,5 - 80

Примером такого совмещения двух методов является проходка тоннелей под сжатым воздухом с одновременным водопонижением: в этом случае применение водопонижения позволяет уменьшить гидррстатический напор, что дает возможность вести проходку тоннеля кессонным способом при более низком давлении в рабочей зоне.

Совмещенное применение замораживания и водопонижения позволяет осушить грунт в котловане, огражденном замкнутой водонепроницаемой ледогрунтовой стеной.

106

Для создания ледогрунтового ограждения предварительно по контуру будущей выработки через всю толщу водоносных грунтов бурят скважины, заглубляя концы их на 1 - 2 м в водоупорный грунт (глины, плотные безводные сланцы, мергели). Расстояние между этими скважинами и радиусы намораживаемого вокруг скважины ледогрунтового цилиндра определяются проектом и обычно составляют 1,1 - 1,5 и

2.5- 5,0 м соответственно.

Вслучаях, когда не представляется возможным заглубить контурные замораживающие скважины в водоупор, грунтовой массив замораживают по всему

сечению сооружаемой выработки, для чего замораживающие скважины бурят

ивнутри контурных скважин.

Впробуренные скважины опускают замораживающие трубы — колонки

снаглухо заваренным нижним концом (дном). В колонки, не доходя до дна их на 1,0 —

1.5м, опускают трубы меньшего диаметра с открытым нижним концом — питающие трубы.

Замораживающие		колонки		через	специальные	оголовки	соединяют
в расположенную	на поверхности			общую	систему,	состоящую	из трубы-
распределителя,	по которой		к питающим		трубам подается охлажденный
на замораживающей станции			рассол, из трубы-коллектора			- отводящей рассол
из колонок к той же станции.
На замораживающей		станции		монтируют насосно-компрессорные			агрегаты

и устройства, предназначенные для обеспечения работы всей системы замораживания. Холодный рассол насосами нагнетается в распределитель, откуда он равномерно расходится по питающим трубам замораживающих колонок. Достигнув дна колонки, рассол, давление которого поддерживается насосами на станции, поднимается вверх по кольцевому пространству между питающей трубой и замораживающей колонкой, омывая ее внутренние стенки. При этом происходит теплообмен: рассол отнимает тепло у грунта, окружающего колонку, и понижает его температуру, что постепенно приводит к замораживанию грунта. Затем из колонки через оголовок рассол поступает в коллектор, а из него — на замораживающую станцию, где вновь охлаждается.

На замораживающей станции монтируют две системы машин и механизмов. Первая система (например, аммиачная) предназначена для охлаждения рассола аммиаком и включает компрессор, конденсатор и испаритель, соединенные трубопроводами. Вторая система (рассольная) предназначена для обеспечения циркуляции рассола и включает рассольный бак, насос, трубопроводы, распределитель, коллектор и замораживающие колонки.

Охлаждение рассола происходит следующим образом. Компрессор сжимает засасываемые из испарителя пары жидкого аммиака до давления 0,8 - 1,2 МПа, при этом происходит нагрев паров аммиака. Сжатые пары аммиака поступают по трубопроводу в конденсатор, состоящий из труб, постоянно омываемых холодной водой, где пары аммиака охлаждаются, превращаясь в жидкость. Жидкий аммиак поступает в испаритель. Секции испарителя находятся в баке, заполненном рассолом, замерзающим при температуре — 45 55градусов С. Испаряясь, жидкий аммиак отнимает от рассола значительное количество тепла, необходимое для

108

парообразования, при этом рассол охлаждается до заданной проектом температуры. Затем с помощью центробежного насоса охлаждаемый рассол нагнетается в распределитель, из которого поступает в замораживающие колонки, и, отдавая часть холода грунту, возвращается обратно по коллектору в испаритель для повторного охлаждения. Далее цикл повторяется.

Постепенно вокруг каждой колонки образуется массив замороженного грунта цилиндрической формы. При дальнейшем замораживании объем замороженных

цилиндров увеличивается, и они	смерзаются между собой	в сплошной кольцевой
массив (рис. 4.2.).
Время, необходимое для	образования замороженного массива, зависит
от гидрогеологических условий,	числа замораживающих	колонок, температуры

циркулирующего рассола, проектной толщины замороженного массива. Ориентировочный срок для создания замороженного контура при расстоянии между скважинами 1,25 м колеблется в пределах от 40 до 60 суток при круглосуточной работе замораживающей станции. Этот процесс называют активным замораживанием. Чтобы массив поддерживался в замороженном состоянии, замораживающая станция в течение всего времени лроходки в замороженной зоне работает по режиму, определяемому в проекте (в одну или две смены),— это период поддержания замораживания.

Рис. 4.2. Последовательность образования ледогрунтового кольцевого массива вокруг ствола шахты:

а— начальный период; б — середина процесса;

в— конец замораживания.

Об образовании замкнутого ледогрунтового ограждения судят по поднятию уровня воды в специально пробуренной контрольной гидрогеологической скважине. Когда образование замкнутого ледогрунтового ограждения на одном из водоносных горизонтов заканчивается и начинается его утолщение, вода внутри замороженного контура испытывает давление утолщающихся стен ограждения, и уровень воды в контрольной скважине поднимается.

Также контроль осуществляется по изменению температуры отслеживаемой на водоносных горизонтах в термических скважинах; с использованием ультразвукового контроля. Для этого бурят дополнительные скважины, отстоящие от замораживающих на определенном расстоянии. Температура выносится на пульт оператора ЭВМ и

109

отслеживается в реальном режиме времени, с помощью специальных компьютерных программ. Ультразвуковой контроль осуществляется специальными станциями. Для этого в замораживающие скважины поочередно опускается специальный снаряд. Другой снаряд опускается в скважину ультразвукового контроля ледопородного цилиндра (УКЛЦ), пробуренную за пределами расчетной толщины создаваемого ледопородного ограждения. По разнице времени пробегания звуковой волны до начала замораживания и по окончании расчетного периода определяется сплошность

и толщина целиндра.
Работы	по проведению	замораживания	начинают	с бурения скважин
и установки в них замораживающих колонок с питающими				трубами. Параллельно
ведут работы	по строительству	замораживающей	станции, монтажу оборудования

и рассолопроводов с таким расчетом, чтобы к окончанию бурения скважин можно было провести испытания и ввести всю систему в работу.

Производство горнопроходческих и строительных работ в замороженной зоне имеет ряд особенностей. Работы следует вести при тщательном контроле за состоянием ледогрунтового ограждения и режимом работы замораживающей станции для сохранения размеров ледогрунтового ограждения и его температуры.

При открытых работах выемку грунта из котлована в период положительных температур воздуха необходимо вести с защитой стенок ледогрунтового ограждения от действия атмосферных осадков и солнечных лучей.

При разработке грунта буровзрывным способом необходимо соблюдать меры

предосторожности,		не допускать		деформации		ледогрунтового	ограждения
и повреждения замораживающих колонок.
После	окончания		проходческих		работ и возведения постоянной			обделки
сооружения	приступают		к оттаиванию		замороженных грунтов, которое			может

происходить естественным путем или выполняется искусственно путем нагнетания в скважины нагретого рассола.

4.1.2.Низкотемпературное замораживание с использованием жидкого азота

Впрактике для искусственного замораживания грунтов стали применять новый хладаноситель — жидкий азот, представляющий собой бесцветную жидкость,

температура	испарения которой	очень низка (при атмосферном давлении она
равна-195,8° С).
Получают жидкий азот на специальных заводах путем сжижения атмосферного
воздуха при	низких температурах	и последующего разделения его на жидкий азот

и кислород, имеющие разные температуры испарения. Жидкий азот транспортируют

вспециальных емкостях (танках).

Вотличие от других промышленных хладагентов (аммиака, фреона), которые можно использовать только в замкнутой системе холодильной установки, жидкий азот используют однократно (испаряющийся газ выпускают в окружающую среду).

110