Замораживание грунтов

ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГРУНТОВ (а. freezing of ground, soil freezing; н. kunstlicher Воdenfrost; ф. соngelation des sols; и. соngelacion del suelo) — искусственное охлаждение грунтов в естественном залегании до отрицательных температур с целью их упрочения и достижения необходимой степени водонепроницаемости.

Замораживание грунтов возможно при различных глубинах, сочетаниях грунтов, скоростях движения грунтовых вод и степени их минерализации. Замораживание грунтов — основной способ при работе в сложных гидрогеологических условиях как при замораживании водоносных рыхлых, так и водоносных трещиноватых пород.

Замораживание грунтов применяют при возведении фундаментов зданий и сооружений, строительстве шахт, тоннелей, метрополитенов, противофильтрационных завес, мостов, плотин, подземных хранилищ и др. Замораживание грунтов ведёт начало от естественного замораживания, известного в мировой горно-строительной практике под названием сибирского способа, описанного А. Шренком в 1837. В России естественное замораживание грунтов применялось в Сибири для проходки шурфов на золото (В. З. Власов, 1893). В этом случае для замораживания водоносных пород использовался атмосферный воздух, имевший естественную отрицательную температуру. Искусственное замораживание грунтов предложено французким учёным Мишо в 1852, однако промышленное использование способа относится к 1883 (рудник "Арчибальд" в Магдебургском округе). В CCCP искусственное замораживание грунтов впервые применено в 1928 при проходке одного из стволов Соликамского калийного комбината.

Для охлаждения грунта используют холодильные установки с системой погружаемых в грунт труб (замораживающих колонок), по которым циркулирует холодоноситель, охлаждённый до -20 -40°С (рассольный способ замораживания), или хладагент, который непосредственно испаряется в замораживающей колонке при температуре от -35 до -196°С (безрассольный способ замораживания). В качестве холодоносителя применяют водные растворы солей (например, хлориды кальция, натрия, лития) или специальные жидкости, которые замерзают при низких температураx, а в качестве хладагента — аммиак, углекислоту, фреон и др. В процессе непрерывного теплообмена холодоносителя (хладагента) с грунтом вокруг каждой трубы образуются ледопородные цилиндры, которые в дальнейшем смыкаются, образуя замкнутое ледопородное ограждение по контуру подземного сооружения (рис. 1, а) или массив замороженного грунта (рис. 1, б).

В горно-строительной практике в зависимости от гидрогеологических условий (фильтрации, температуры и минерализации подземных вод) различают обычное замораживание грунтов до t -25°С и глубокое замораживание грунтов до t -50°С. При замораживании грунтов используют различные технологические схемы замораживания: обычную, ступенчатую, зональную и из забоя выработки (рис. 2).

Обычная схема применяется при наличии нескольких водоносных горизонтов, залегающих неглубоко от поверхности (100-150 м). При большой глубине (200-600 м) целесообразно использовать ступенчатую схему замораживания. При необходимости локального замораживания грунтов на большой глубине может быть применена схема зонального замораживания с поверхности земли или из забоя выработки. Выбор технологической схемы замораживания базируется на предварительном сравнении технико-экономических показателей каждой схемы.

Замораживание грунтов получило распространение благодаря хорошо развитой научно-технической базе. Создано мощное буровое оборудование, высокопроизводительные замораживающие станции, изучены нестационарные процессы теплообмена в массиве горных пород, замораживающих колонках, холодильном оборудовании, разработаны инженерные методы расчёта проектирования ледопородных ограждений и холодильного оборудования. Приоритет в современном развитии способа принадлежит CCCP, где с применением замораживания грунтов проходят в год около 2,5 км шахтных стволов, в метростроении сооружено около 100 эскалаторных тоннелей общей глубиной свыше 5 км, осуществлено замораживание в условиях залегания водоносных пород на глубине до 400-650 м, при температуре среды до +35°С, наличии фильтрации и минерализации подземных вод. Большое распространение способ искусственного замораживания грунтов получил в ПНР (свыше 35% проводимых шахтных стволов). В Великобритании, Франции, Нидерландах с 1945 пройдено по 5-10 стволов средняя глубина до 200 м, в Бельгии замораживание грунтов проводилось на глубине 620 м. В Канаде на калийном руднике осуществлена проходка ствола глубиной 914 м; вокруг ствола диаметром в свету 4,88 м было пробурено 27 замораживающих скважин. Расстояние между скважинами составляло 1,2 м. Для замораживания горных пород применялись низкотемпературные холодильные установки суммарной мощностью до 3,5 МВт.