Способ замораживания грунта Российский патент 2022 года по МПК E02D3/115 E21D1/12 

Изобретение относится к упрочнению грунта, в частности к осушению котлованов замораживанием, и может быть применено при обустройстве ремонтного котлована на трубопроводе в переувлажненных и заболоченных грунтах. Искусственное замораживание грунтов при разработке котлована дает возможность сделать прочное ограждение прямоугольного или кругового очертания из замороженного грунта, которое препятствует проникновению водонасыщенных неустойчивых грунтов или грунтовой воды в сооружаемую выработку. Такое ограждение воспринимает давление грунта, окружающего котлован или выработку, а также гидростатическое давление грунтовых вод. Как правило, для замораживания грунтов используется хладагент.

Известен способ замораживания грунтов при строительстве подземных сооружений, включающий бурение скважин с установкой в них замораживающих колонок, охлаждение хладоносителя посредством холодильной установки и циркуляцию хладоносителя по замораживающим колонкам [Шуплик М.Н., Месхидзе Я.М., Королев И.О. и др. Строительство подземных сооружений: Справочное пособие. М.: Недра, 1990, с. 132-200].

Недостатками этого способа являются значительные затраты энергии на охлаждение хладоносителя и большие сроки замораживания грунтов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является «Способ изолирования зоны подземной выработки от подземных вод» по патенту RU 2211894, МПК E02D 19/14, опубликовано 10.09.2003. Способ изолирования зоны ведения работ - зоны подземной выработки от подземных вод путем создания ледогрунтового ограждения с использованием метода азотного замораживания, включающий бурение скважин с установкой в них замораживающих колонок с жидким хладоносителем, которые соединяют с резервуаром, заполненным криоагентом с обеспечением циркуляции охлажденного жидкого хладоносителя по замораживающим колонкам. Процесс азотного замораживания включает стадию постепенного охлаждения замораживаемой области газообразным азотом. Недостатком такого способа является завышенная трудоемкость и перерасход криоагента из-за того, что по нему сначала устанавливают неопределенное количество замораживающих колонок и затем обеспечивают минимальную потребную толщину ледогрунтового барьера по всему периметру ремонтного котлована, что в связи с неоднородностью грунтов приводит к перерасходу криоагента.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании заявляемого изобретения, и которая не могла быть решена при осуществлении аналогов изобретения, является снижение трудоемкости работ по монтажу замораживающих колонок и оптимизация расхода криоагента для обеспечения минимально потребной толщины ледогрунтового барьера по всему периметру ремонтного котлована.

Для решения этой проблемы предлагается в известном способе изолирования зоны подземной выработки от подземных вод, включающем установку в указанной зоне нескольких зональных замораживающих устройств и создание по периметру ремонтного котлована ледогрунтового ограждения путем азотного замораживания, при этом необходимое число замораживающих устройств определять, исходя из следующего

, где

N - число замораживающих устройств;

k - коэффициент, учитывающий теплофизические параметры грунта;

Р - периметр котлована, м;

Н - длина замораживающих устройств, м;

q - стандартный удельный расход хладагента, л/м³;

Q - расход жидкого азота, л.

Использование такого способа, учитывающего параметры грунта при определении оптимального числа замораживающих устройств для обеспечения ледогрунтового ограждения планируемого котлована, приводит к снижению трудоемкости подготовительных работ и оптимизации расхода криоагента.

На фиг. 1, иллюстрирующей уровень техники, показано продольное сечение известного устройства для зонального замораживания грунтов, для использования которого подходит заявляемый способ. На фиг. 2 схематически представлено образование ледогрунтового барьера длиной L с разным расстоянием между замораживающими колонками x_i.

Устройство для зонального азотного замораживания грунтов содержит корпус 1 замораживающей колонки с оголовником 2, центральной питающей трубой 3, обтекателем 4. Центральная питающая труба 3 соединена с распределительными патрубками 8 в уровне основания обтекателя 4 посредством переходника и уплотнительного устройства 10 в виде криогенного испарителя. Распределительные патрубки 8 выполнены с перфорацией, охватывают нижнюю часть обтекателя 4 и могут быть выполнены как вертикальными, так и спиралевидными. В верхней зоне обтекатель 4 снабжен отбойниками, которые могут быть выполнены в виде наклонных лопаток, а также могут быть снабжены по краям зубчатой перфорацией (условно не показано). Устройство устанавливают в корпус 1 замораживающей скважины. Обозначения LN₂ - жидкий азот, GN₂ - газообразный азот.

Как известно проектирование ледогрунтового ограждения основано на предположении, что ледогрунтовое ограждение состоит из касающихся правильных цилиндров с осью – колонкой, длиной равной глубине погружения колонки. Поэтому принята следующая формула расчета расхода хладагента на создание ледогрунтового барьера замкнутой формы

,

где

D - диаметр замороженных цилиндров,

Н - длина замороженных цилиндров,

Р - периметр разрабатываемого котлована,

n - шаг охладительных свай,

q - расход хладагента на замораживание 1 м³ грунта.

Вместе с тем, исходя из непрерывности барьера, величина диаметра замороженных цилиндров D равна шагу n охладительных свай: D=n, а число свай N, образующих периметр котлована Р, связано с шагом n соотношением

.

Кроме того, известно, что величина удельного расхода хладагента на замораживание 1 м³ грунта зависит от множества факторов: от вида, структуры его, влажности, температуры и для болот средней полосы колеблется от 600 до 1000 л/м³.

Возьмем за основу величину 1000 л/м³ и введем коэффициент k, учитывающий изменение удельной характеристики грунтов в месте использования заявляемого способа.

Сделав соответствующие подстановки в формулу (1) и сократив одинаковые параметры в числителе и знаменателе, получим следующую формулу для определения числа охладительных свай ледогрунтового ограждения планируемого котлована

,

где

k - коэффициент, учитывающий теплофизические параметры грунта;

Р - периметр котлована, м;

Н - длина замораживающих устройств, м;

q - стандартный удельный расход хладагента, л/м³;

Q - расход жидкого азота, л.

Используя формулу определения числа замораживающих устройств с учетом реальных теплофизических характеристик грунта на разных сторонах планируемого котлована, как в показанном далее примере, можно получить снижение трудоемкости бурения и монтажа на 10-20% и сокращение расхода хладагента на величину до 10%.

Пример использования способа. Для создания ремонтного котлована квадратной формы 5×5 м, примыкающего одной стороной к краю болота, были определены характеристики грунта по четырем сторонам периметра, которые показали в сравнении с известными данными, что одна из сторон котлована потребует удельного расхода 600 л/м³, а три других – стандартного для 1 м³ грунта с содержанием до 30% воды 1000 л жидкого азота. Подставив численные значения в формулу, получили, что для трех сторон котлована необходимо по 5 замораживающих устройств, а для одной стороны достаточно 3-х замораживающих устройств. Таким образом, число необходимых для обеспечения ледогрунтового ограждения котлована замораживающих устройств сократилось с 20 до 18, то есть трудоемкость бурения и монтажа сократилась на 10%. Так как все охладительные сваи соединены и питались одновременно, экономия расхода жидкого азота также составила 10%. Работы по замораживанию начинаются с бурения скважин и установки в них колонок замораживающих с питающими трубами. Параллельно ведутся работы по сооружению замораживающей станции, жидкий азот используется однократно (газ выпускается в окружающую среду). Жидкий азот, доставленный на стройплощадку, пускается из цистерн сразу в замораживающие колонки. Жидкий азот доставляется в цистернах вместимостью 1200, 3000 и 5000 л и более, смонтированных на автомобилях. Замораживающие колонки при низкотемпературном замораживании соединяются в одну систему последовательно. Жидкий азот поступает в питающую (внутреннюю) трубу первой замораживающей колонки. В кольцевом пространстве колонки происходит испарение жидкого азота, образовавшийся газ поднимается к оголовку колонки, откуда по трубопроводу затем поступает в питающую трубу соседней колонки и т.д. В атмосферу он поступает из последней колонки системы с температурой порядка минус 40°С.

Об образовании ледогрунтового замкнутого ограждения судят по повышению уровня воды в пробуренной специальной гидрогеологической контрольной скважине. Когда на одном из водоносных горизонтов заканчивается образование замкнутого ледогрунтового ограждения и начинается его утолщение, вода внутри замороженного контура попадает под давление утолщающихся стен ограждения, и происходит поднятие в контрольной скважине ее уровня.

После завершения ремонтных работ переходят к оттаиванию грунтов замороженных, которое может осуществляться либо естественным путем, либо искусственно, посредством нагнетания нагретой воды или рассола в колонки.

Изобретение относится к упрочнению грунта, в частности к осушению котлованов замораживанием, и может быть применено при обустройстве ремонтного котлована на трубопроводе в переувлажненных и заболоченных грунтах. Способ замораживания грунта включает установку в указанной зоне зональных замораживающих устройств и создание по периметру ремонтного котлована ледогрунтового ограждения путем азотного замораживания, для чего осуществляют измерение периметра ремонтного котлована, определяют теплофизические характеристики грунта по четырем сторонам ремонтного котлована для установления коэффициента, учитывающего вышеуказанные параметры грунта, замеряют длину замораживающих устройств, определяют расход жидкого азота, при этом необходимое число замораживающих устройств определяют из следующей зависимости

,

где N - число замораживающих устройств; k - коэффициент, учитывающий гидрофизические параметры грунта; Р - периметр котлована, м; Н - длина замораживающих устройств, м; q - стандартный удельный расход хладагента, л/м³; Q - расход жидкого азота, л. Технический результат – снижение трудоемкости работ по монтажу замораживающих колонок и оптимизация расхода криоагента для обеспечения минимально потребной толщины ледогрунтового барьера по всему периметру ремонтного котлована. 2 ил., 1 пр.

Способ замораживания грунта, включающий установку в указанной зоне зональных замораживающих устройств и создание по периметру ремонтного котлована ледогрунтового ограждения путем азотного замораживания, для чего осуществляют измерение периметра ремонтного котлована, определяют теплофизические характеристики грунта по четырем сторонам ремонтного котлована для установления коэффициента, учитывающего вышеуказанные параметры грунта, замеряют длину замораживающих устройств, определяют расход жидкого азота, при этом необходимое число замораживающих устройств определяют из следующей зависимости

, где

N - число замораживающих устройств;

k - коэффициент, учитывающий гидрофизические параметры грунта;

Р - периметр котлована, м;

Н - длина замораживающих устройств, м;

q - стандартный удельный расход хладагента, л/м³;

Q - расход жидкого азота, л.