Замораживание грунтов в подземном строительстве. Трупак Н.Г. 1974

Теги: горные работы при разработке месторождений полезных ископаемых

Похожие

Основы геокриологии. Часть 5. Инженерная геокриология

Инженерная геокриология. Справочное пособие

Механика мёрзлых грунтов

Общая геокриология

Текст

Н. Г. Трупах

ЗАМОРАЖИВАНИЕ

ГРУНТОВ

В ПОДЗЕМНОМ

СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Н. Г. Трупак

ЗАМОРАЖИВАНИЕ
ГРУНТОВ

В ПОДЗЕМНОМ
СТРОИТЕЛЬСТВЕ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НЕДРА» - МОСКВА • 1974
УДК 622.253.3 + 624.138.35 : 69-035.4

Тру пак Н. Г. Замораживание грунтов в подземном
-строительстве. М., «Недра», 1974., 280 с.

В книге обобщен опыт замораживания грунтов при
строительстве подземных сооружений на малых и
средних глубинах при проведении вертикальных,
наклонных и горизонтальных горных выработок.

Изложены теоретические основы процесса заморажи-
вания грунтов, методы определения оптимальных
расстояний между замораживающими скважинами,
расчеты скорости замораживания грунтов при обра-
зовании ледогрунтовых водонепроницаемых пере-
мычек и подпорных стен, методы расчета прочности
цилиндрических ограждений. Рассмотрены способы
применения жидкого азота для скоростного замора-
живания грунтов при температуре до —190° С.

Приведены примеры применения способа заморажи-
вания грунтов при проведении горных выработок
в различных областях строительства с технико-эконо-
мическим обоснованием выбора способа заморажива-
ния. Книга предназначена для инженерно-технических
работников, осуществляющих проектирование и стро-
ительство подземных сооружений в водонасыщенных
грунтах, а также может быть полезной для студентов
горных и строительных вузов.

Таблиц 32, иллюстраций 136, список литературы —
35 назв.

0373—641

043(01)-74

373—74

Искусственное замораживание грунтов является универсальным
специальным способом сооружения подземных выработок в водо-
насыщенных грунтах. Его применяют во всех случаях, когда другие
способы не эффективны или технически их применить невозможно

Замораживание широко применяют в горнорудной промышлен-
ности СССР. В настоящее время ежегодно у нас в стране с помощью
замораживания сооружают 2,5 км стволов. Применяют этот способ
и в метростроении (сооружено 95 экскаваторных тоннелей общей
глубиной 5 км).

Способ искусственного замораживания грунтов — один из прог-
рессивных и надежных способов ограждения от воды котлованов
при разработке их в грунтах, в том числе в плывунах. Благодаря
этому область применения этого способа с каждым годом расширя-
ется. В промышленном строительстве его применяют при строитель-
стве фундаментов под машины и промышленные здания, при строи-
тельстве подземных сооружений для целей водоснабжения, подземных
дробильных установок на обогатительных фабриках.

В гидротехническом строительстве способ замораживания нашел
применение при разработке котлованов для возведения плотин,
зданий электростанций, доков, при строительстве плотин на вечно
мерзлых грунтах. Строительство подземных канализационных кол-
лекторов и сооружений в городских условиях часто ведут с помощью
искусственного замораживания грунтов.

В последние годы этот способ стали применять при сооружении
подземных емкостей для хранения сжиженных газов при постоянном
поддержании стенок хранилищ в замороженном состоянии.

Несмотря на значительный опыт, накопленный в строительстве
по применению способа замораживания, теоретические основы его
разработаны недостаточно. В настоящей работе автор поставил
задачу восполнить этот пробел хотя бы частично и рассмотреть
с научной точки зрения вопросы, связанные с замораживанием
грунтов на объектах, сооружаемых на малых и средних
глубинах.

В этих условиях способ замораживания имеет особенности по
«равнению с условиями применения его при проходке шахтных
стволов. Объекты отличаются сравнительно небольшой глубиной
заложения, но часто большой протяженностью линии замораживания.
В таких условиях важное значение приобретает вопрос определения
оптимального расстояния между замораживающими скважинами.

Малая глубина замораживающих скважин позволяет применять
более совершенные способы опускания замораживающих колонок —
гидравлический и вибрационный — без бурения скважин. При
небольших объемах и коротких сроках замораживания на некоторых
объектах' целесообразно применять передвижные замораживающие
станции.

Теоретические основы иллюстрируются примерами практического
применения.
Раздел I

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА
ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ

ГЛАВА I

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ, ЗАТРАЧИВАЕМОГО
НА ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГРУНТОВ

§ 1. Образование одиночного ледогрунтового цилиндра

До начала замораживания грунт, окружающий замораживающую
колонку, имеет постоянную естественную температуру tr. После
того как замораживающая колонка получит холод на стенку замо-
раживающей трубы, будет поддерживаться отрицательная темпе-
ратура, вызывающая промерзание грунта. При этом промерзание
грунта происходит при некоторой постоянной температуре t0 (темпе-
ратура замерзания воды). Промерзание грунта связано с изменением
агрегатного состояния воды. Такое изменение состояния воды свя-
зано с выделением скрытой теплоты. При этом изменяются и термо-
физические параметры грунта.

По истечении некоторого времени непосредственно вокруг за-
мораживающей колонки нарастет цилиндрическое кольцо из замо-
роженного грунта, толщина которого с течением времени будет
непрерывно увеличиваться.

В результате циркуляции охлаждающего рассола в заморажи-
вающей колонке вокруг последней образуется температурное поле.

Зона грунта с отрицательной температурой, в которой вода
обращена в лед, называется зоной льда, или ледяной зо-
ной. В пределах ледяной зоны температура грунта будет изменяться
в следующем порядке: непосредственно у колонки будет находиться
грунт, температура которого на 3—5° С выше температуры рассола,
движущегося в кольцевом пространстве замораживающей колонки;
по мере удаления от колонки температура замороженного грунта
будет постепенно повышаться. Внешняя боковая поверхность ледо-
грунтового цилиндра будет иметь постоянную температуру — темпе-
ратуру замерзания воды £0, часто равную 0° С (рис. 1).

Изотермы в ледяной зоне в плане будут представлять собой
концентрические окружности, описанные вокруг оси заморажива-
ющей колонки. С течением времени* изотермы ледяной зоны
будут непрерывно изменять свое положение вследствие того, что
границы зоны будут расширяться. При постоянной температуре
охлаждающего рассола в замораживающей колонке расстояния
между изотермами в ледяной зоне будут увеличиваться по мере
нарастания ледогрунтового цилиндра.

Рис. 1. Распределение температур в грунте при
его замораживании в зонах:

а — диаграмма; б — план: 1 — ледяной; 2 — охлажден-
ной; 3 — с нормальной (естественной) температурой

Образование ледогрунтового цилиндра будет связано с пониже-
нием температуры горной породы в зонах, смежных с замороженным
грунтом. Наиболее низкую (положительную) температуру будет
иметь охлажденный грунт, примыкающий непосредственно к ледо-
грунтовому цилиндру. По мере удаления от последнего температура
грунта будет постепенно увеличиваться до нормальной (£г), суще-
ствовавшей в породе до начала замораживания. Эта зона назы-
вается зоной охлаждения, или охлажденной
зоной.

И, наконец, на некотором расстоянии от замораживающей ко-
лонки будет находиться зона с нормальной для данного географи-
ческого района температурой. Эту зону мы будем называть зоной
с нормальной температурой, или зоной неох-

лажденного грунта.

В процессе замораживания холод, получаемый замораживающей
колонкой, передается грунту. В грунте холод распределяется сле-

дующим образом: одна часть его (боль-
шая) затрачивается на образование льда,
вследствие чего границы -ледяной зоны
будут все время расширяться; другая,
меньшая часть холода затрачивается на
удаление тепла, притекающего от нор-
мальной к ледяной зоне вследствие раз-
ности температур в этих зонах (земной
теплоприток); еще меньшая часть холода
затрачивается на понижение температуры
замороженного грунта (ниже температуры
замерзания воды) в ледяной зоне.

Рассмотрим вначале частный случай
замораживания грунтов при следующих
условиях: замораживание грунтов осу-
ществляется одиночной замораживающей
колонкой, а пресная вода, подлежащая
замораживанию, находится в спокойном
состоянии. Для упрощения расчета зем-
ной теплоприток учитывать вначале не
будем.

Определим время, необходимое на за-

Рис. 2. Расчетная схема
замораживания одиночной
замораживающей колонкой

мораживание элементарного кольца

грунта толщиной dr, приняв следующие обозначения (рис. 2):
tr — температура охлаждающего рассола в замораживающей ко-
лонке, ° С;

z*i — внутренний радиус замораживающей колонки, м;

г — внутренний радиус какого-либо замораживаемого кольца

грунта, м;

г2 — внешний радиус цилиндра замороженного грунта, м;

X i — теплопроводность замороженного грунта, ккал/(м-ч- ° С);

Х2 — теплопроводность незамороженного грунта, ккал/(м-ч-° С);

Yi — удельный вес замороженного грунта, кгс/м3;

?2 — удельный вес незамороженного грунта, кгс/м3;

— теплоемкость замороженного грунта, ккал/(кг-° С);

^2 — теплоемкость незамороженного грунта, ккал/(кг-° С);

р — теплосодержание грунта, ккал/м3;

— температура замерзания грунта, ° С. -
За время dz граница промерзания передвинется на расстояние
dr. Соответственно в кольце грунта высотой 1 м замерзнет объем
2лг dr. При замерзании этот объем грунта освободит Количество
тепла dqr = 2nrdrp.

Это тепло должно пройти через замороженный грунт к рассолу,
движущемуся в замораживающей колонке.

Количество тепла dq2, приобретаемое 1 м замораживающей
колонки за промежуток времени dz,

_____ 2 л (fo ti)
ад2-~г / -
airi Хх гх

Следовательно,

= dq2
или

п____2л (*о t\) dz

2лрг dr = —г—*-------— .

=V1 1 Xi Г!

Из этого равенства определяем

dz= р,- (—-—f-y-ln — У г dr.
to —h \аЛ Ai ri /

Произведем интегрирование левой части равенства от 0 до z15
а правой — от гх до г2:

( dz — р . ( f г dr + у- f г In —dr У

J (to—ti) I (ХхГ! J Xi J ri I

0 ' Г1 Г1 /

, _ p(4-r!) । p f‘ ln _Ldr

1 2(to-tl) + (<0~ tl)Xl J rl Г! ar'
rt

Выражение r In- Jrh Соответственно ( r In — dr = J ri — можно представить в следующем виде: г In г—г In Tj; i — dr = -^-lnr—ln^ + С. ri 2 4 11 4inr2-4-4inr1+4+4ln^= 2 rx 4
После преобразований получим:

... P(j-rj) > р Г Г2 1П г2 Zj____________J_\] .

1 2(/0— h) г1«1 "Г («о — h)^i L 2 ri \ 4 4 / J ’

_ pCj-j) ( 1________1 \ | jp . г2

1 2(<o —*i) X «/I 2X1 / ' 2(«о—*1)Х1 П

Для упрощения расчетов с достаточной точностью величиной
г? 0,0025 можно пренебречь. Тогда:

z _Pi ( 1___________1 \ I Pi in ra .

1 2(f0-h) Wi 2Xi 2(/0-*i)Xi ri ’

z - рГ* Г X1 1 f In Г 2 1

1 2Oo —h) L =Vi 2 ri J ’

Коэффициент теплопроводности замороженного грунта изменя-
ется от 1,2 до 2,5 ккал/(м-ч °C); в среднем его можно принять
Хг == 2 ккал/(м-ч °C).

Коэффициент теплоперехода a i от рассола к стенке заморажи-
вающей трубы изменяется от 80 до 120 ккал/(м2-ч °C), среднее
значение а1? таким образом, будет 100 ккал/(м2-ч °C). Радиус
замораживающей трубы г± ~ 0,05 м.

Соответственно

xi 2 _ 1

ал 100-0,05 2 *

Следовательно,

Из формулы (1) следует, что время, затрачиваемое на заморажи-
вание грунта (одиночный цилиндр), прямо пропорционально тепло-
содержанию грунта р, квадрату диаметра ледогрунтового цилиндра,
обратно пропорционально коэффициенту теплопроводности замо-
роженного грунта Xi и средней температуре ^рассола, поднимающе-
гося в кольцевом пространстве колонки.

Посмотрим, как будет изменяться время, затрачиваемое на
замораживание грунтов, в зависимости от изменения температуры
рассола, которую обычно принимают равной —20° С. Будем давать
различные значения температуре рассола: —30, —40, —50, —60° С.
Время, необходимое на замораживание грунта при этих температурах
рассола, уменьшится соответственно в 1,5; 2; 2,5 и 3 раза по сравне-
нию со временем, потребным на замораживание грунта при темпе-
ратуре рассола —20° С. Наоборот, при повышении температуры
рассола до —10° С время, необходимое на замораживание, увели-
чится в 2 раза.

Теперь учтем земной теплоприток.
До начала замораживания грунт практически на неограниченном
протяжении в горизонтальном направлении имеет одинаковую
температуру, изменяющуюся лишь с глубиной (геотермический
градиент). Образование ледогрунтового цилиндра связано с изме-
нением температуры грунта в зонах, смежных с замороженным
грунтом, т. е. в зонах охлажденного грунта. Здесь температуры
грунта постепенно повышаются от нуля (на границе ледогрунтового
цилиндра) до нормальной, существовавшей в грунте до начала
замораживания.

Вследствие разности температур в замороженном и незаморожен-
ном грунтах к границам ледогрунтового цилиндра будет непре-
рывно притекать тепло от незамороженного грунта.

Таким образом, после начала замораживания в грунте будет
иметь место взаимодействие температур: на границе ледогрунтового
цилиндра 0° С и нормальной температуры грунта tr. В указанных
условиях необходимо найти уравнение температурного поля. С точки
зрения математической физики поставленную задачу можно сформу-
лировать так:

«Тело, ограниченное с одной стороны (граница ледогрунтового
цилиндра), в момент времени z — 0 во всех точках имеет одну и ту же
температуру tr. Для всех моментов времени z >0 на этой поверх-
ности поддерживается температура, равная нулю».

Для этих условий математической физикой дается следующее
уравнение температурного поля:

V&atz хг

। (3)

где tx—температура грунта на заданном расстоянии от начала
координат, ° С;

tr — превышение температуры над нулевой изотермической
поверхностью (нормальная температура грунта, т. е. темпе-
ратура ее до начала замораживания);

х — расстояние рассматриваемой точки от начала координат, м;
z — время, прошедшее от начала замораживания грунтов, ч;

а2 — температуропроводность незамороженного грунта (для за-
данного грунта величина постоянная):

а -
---- у

2 <?2У2

где Z2 — теплопроводное!ь его, ккал/(м-ч °C);

с2 — теплоемкость, ккал/(кг-°C);

у2 — объемный вес незамороженного грунта, кгс/м3.

Так как тепло движется только в одном направлении, то диф-
ференциальное уравнение теплопроводности в рассматриваемых
условиях будет иметь вид
Проверим, удовлетворяет ли уравнение (3) дифференциальному

уравнению теплопроводности.

Первая производная функция (3) по координате

V ла2г

Вторая производная

д2? _ tr . ~~2а? е“ 4a2z — trX ________е" 4a2z .

дх2 VJia2z ^a2z 2«2 Vла2г3

Если л х обозначить через у, то:

У 4a2z

( 1 х —•
д* &У dz pSi X 2 7 2a2V Z* ’

дТ trx - * •
___—______ 4a2z

2 У na2z3

(5)

(6)

Нетрудно заметить, что при умножении второй производной
по координате (5) на величину а2 мы получим значение (6), т. е.
дифференцйальное уравнение теплопроводности (4) удовлетворяется.

Начало координат системы расположим на границе ледогрун-
тового цилиндра так, чтобы ось ординат совпала с вертикальной
поверхностью цилиндра.

Выражение

V 4a2z xi

",7==- [ е 4a«z dx
Ул J
о

называют функцией Крампа, или интегралом Гаусса, и обозначают
символом G (х). Интеграл Гаусса точно не интегрируется. Поэтому
приводят значения его от — х...... = 0 до = 4 в таблицах.

У4а22 V 4a2z

При х = О G (х) = 0. Это отвечает принятому условию: темпера-
тура на границе ледогрунтового цилиндра 0° С.

При z = 0 верхний предел интеграла Гаусса обращается в беско-
нечность, а значение интеграла будет равно 1, т. е. tx = tr. Из
этого следует, что до начала замораживания температура грунта
при любом значении х (в каждом пункте) будет постоянной и равной
величине tr. \

И, наконец, при = 2,5 значение G (х) близко к единице
/Л

(0,99959). Это означает, что при тацом значении х температура
в охлажденной зоне будет равна нормальной температуре грунта,
т. е. t% —

Определим расстояние х, при котором температура в зоне ох-
лажденного грунта будет неизменной: х = 2,5/4a2z. Коэффициент
температуропроводности а2 для неустойчивого водоносного грунта
изменяется от 0,002 до 0,0024 м2/ч.

Следовательно,

^ = 2,5/4-0,002 ./Г = 2,5/0Ж'«/Г;

х = 0,09 • 2,50 /Г = 0,225 /z, м.

При значении х — 0,225/z температура в зоне охлажденного
грунта будет неизменной.

Чтобы получить температурный градиент в охлажденной зоне,
необходимо продифференцировать (3). Уравнение дифференцируем,
как сложную функцию.

Обозначим выражение через г/, тогда:

У4а2

tr•2 eyi ду •
дх ду дх У"л" &х ’

— _2£г_ £ 4а2z __р> 4a2z

&х V л V ^a2z V ла2г

Если начало координат расположено на границе ледогрунтового
цилиндра, то х = 0 и экспоненциальная функция

е~ 4а*2 = 1.

Соответственно температурный градиент

ЭТ _______

дх V ла2г

При решении задач теплообмена следует помнить, что под вели-
чиной z понимается время, прошедшее от начала процесса замора-
живания, т. е. с того момента, когда в грунте возникла плоскость
с температурой 0° С.

Образование и сохранение замороженного грунта связано с не-
прерывным притоком тепла из охлажденной зоны к границе заморо-
женного грунта вследствие действия разности температур между
ними.

При образовании замороженного грунта теплоприток будет
оказывать влияние на скорость (время) замораживания грунта.
После прекращения подачи холода в замораживающие колонки от
величины теплопритока будет зависеть срок существования ледо-
грунтового цилиндра. Чем больше величина теплопритока, тем
меньше будет этот срок.
Количество тепла dq, поступающего из охлажденной зоны к 1 м2
поверхности ледогрунтового цилиндра,

(8>

где Х2 — коэффициент теплопроводности охлажденного (незамо-
роженного) грунта; для данного грунта Х2 — величина
постоянная, ккал/(м«ч °C);

ат

— — температурный градиент в зоне охлажденного грунта
на границе ледогрунтового цилиндра;

dz — элемент времени.

Температурный градиент в охлажденной зоне определяют по
уравнению (7).

Начало координатной системы расположим на границе заморо-
женного грунта, а теплоприток будем определять при х = 0, т. е.
на границе ледогрунтового цилиндра. При этом условии выражение

х2

е 4a±z — 1,

Подставляя (7) в уравнение (8), получаем

<fy = — % dz.

V Jia2z

Заменяя в этом уравнении температуропроводность ее значением
А<2
а2 ~ и> произведя преобразования, получим

dq=-tr]/'^dz. (9)

Для определения количества тепла7^, поглощенного 1 м2 бо-
ковой поверхности ледогрунтового цилиндра за время z, прошедшее
от начала процесса замораживания, проинтегрируем уравнение (9)
от 0 до zx. Тогда

После преобразований

QT = -1,13« г (10)

Как следует из уравнения (10), количество тепла, притекающего
к ледогрунтовому цилиндру, растет пропорционально корню квад-
ратному из времени, прошедшего от начала замораживания грунтов.

Постоянные величины 1,13^г 2С2?2 в этом уравнении обозначим

ч через А. Тогда

Qv — A Уч •
При замораживании грунтов одиночной замораживающей ко-
лонкой к образуемому ледогрунтовому цилиндру будет непрерывно
притекать тепло от грунта, окружающего цилиндр. Тепло будет
поступать равномерно со всех сторон (рис. 3). Уравнение теплового
баланса для ледогрунтового цилиндра высотой 1 м:

(Zo - ^1)^1

-1-4* in 21
axri гх

= л (r| — r\) р + A j/zj • 2лг2.

Пренебрегая величинами ---- и rf, получаем

Рис. 3. Теплоприток к оди-
ночному ледогрунтовому
цилиндру

—5-р21_ = лг1 р + A J/Zi -2лг2,

2- in 21
Л1 и

откуда

_ лф . ! г2

1 2Л («0 -«!)%! Г1

I Л /zT 2ЛГ2 1 Г2

2л (£0 — *i) М Г1

Согласно уравнению (1),

После преобразований получаем

2 (to — ti) Xj

или

1п-Т-(р + 1^3Л1/P . 1пА),ч. (И)

8(^o—ti) \r r (to — ti)^i di /

Уравнение (11) позволяет определить время, затрачиваемое на
образование одиночного ледогрунтового цилиндра диаметром d2.
Это уравнение можно упростить, выразив второе слагаемое в правой
части уравнения в скобках в виде доли гр от первого слагаемого,

ч1. е. от р :

_____р_____In —

(<о — <i) Xi di

Тогда уравнение (И) будет иметь общий вид:

(l+t)pd| 1- <*2 ,
8(/0-*1)Ь1 <h ’

(12)

Определим значения х|) при следующих условиях: температура
грунта до замораживания tr = +8° С; удельная теплота грунта
14
с2 = 0,22 ккал/кг* °C; коэффициент теплопроводности незаморо-
женного грунта Z2 — 1,5 ккал/(м-ч* °C); коэффициент теплопро-
водности замороженного грунта == 2 ккал/(м-ч °C); удельный
вес грунта у = 1800 кгс/м3; теплосодержание грунта р =
= 30 000 ккал/м3; внутренний диаметр замораживающей колонки
= ОД м.

В уравнении (10) выражение >

А = l,13ir = 1,13-8 /0,22-1,5-1800 = 220.

Коэффициент

. , 99А1/~30000 _____ •____________________

’ К 20-2 . 1/^ = 1.4-220 • 173 jA

* 30000 г d, 30000-63 Г d, ’

или

ф = 0,276 /in-jS- .

Коэффициент ф в зависимости от диаметра ледогрунтового ци-
линдра и при теплосодержании грунта р = 30 000 ккал/м3 имеет
следующие значения:

d2, м ............................ 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

ф.................................. 0,36 0,43 0,47 0,50 0,51 0,53

Среднее значение ф = 0,47.

Коэффициент при теплосодержании грунта р = 25 000 ккал/м3
имеет следующие значения:

d2, м ...................... 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

ф........................... 0,39 0,45 0,49 0,53 0,54 0,55

Среднее значение ф = 0,5.

Расчеты показывают, что коэффициент ф с увеличением диаметра
ледогрунтового цилиндра свыше 3 м увеличивается лишь в малой
степени, так, например, при d2 = 10 м ф = 0,64.

Точно так же расчеты показывают, что этот коэффициент мало
изменяется с изменением коэффициента Л, т. е. термофизических
свойств грунта.

При значении рх, которое отличается от р = 25 000 ккал/м\
приведенные выше коэффициенты должны быть умножены на выра-
жение -~z. Если температура грунта X не будет равна принятой
V pi

выше tr = +8° С, то коэффициент ф необходимо умножить на
выражение —.

§ 2. Образование ледогрунтовых водонепроницаемых перемычек

Чтобы ледогрунтовое ограждение выполнило свое назначение
водонепроницаемой перемычки, достаточно достигнуть соединения
между собой ледогрунтовых цилиндров, образованных вокруг
отдельных замораживающих колонок, и последующего небольшого
утолщения стены в замке. Ледогрунтовая стена толщиною 10—
45 см является уже водонепроницаемой, следовательно, такое утол-
щение в замке будет достаточным.

При образовании ледогрунтовых подпорных стен этого условия
недостаточно. Чтобы ледогрунтовое ограждение обладало доста-
точной прочностью, необходимо еще достигнуть заданной толщины
ледогрунтовой стены и понижения температуры замороженного
грунта. Прочность замороженного грунта прямо пропорциональна
понижению температуры его, следовательно, при более низких
температурах ледогрунтовая стена будет представлять собой более

Рис. 4. Образование ледогрунтовой
водонепроницаемой перемычки

. , надежную конструкцию.

Поэтому при образовании ле-
догрунтовых подпорных стен рас-
стояния между замораживающими
колонками должны быть мень-
шими, чем при образовании
ледогрунтовых водонепроница-
емых ограждений. При меньших
расстояниях между заморажива-
ющими колонками можно достиг-
нуть большего понижения тем-
пературы грунта.

Образование ледогрунтовых
водонепроницаемых перемычек

осуществляют с помощью группы замораживающих колонок, рас-
полагаемых обычно на равных расстояниях одна от другой.

При одновременном действии группы замораживающих колонок
тепло от грунта будет притекать к образуемым ледогрунтовым
цилиндрам с двух сторон (пренебрегая теплопритоками с торцов
ледогрунтового ограждения и к основанию последнего). Направление
потока тепла q будем считать нормальным к плоскости, в которой
расположены замораживающие колонки (рис. 4).

При расстоянии между замораживающими колонками I и высоте
ледогрунтового ограждения 1 м площадь, к которой будет притекать
тепло длр одной замораживающей колонки, Fr = !•/,. а с двух
сторон F2 — 21.

Уравнение теплового баланса для ледогрунтовой стены будет
иметь такой же вид, как и для одиночной замораживающей колонки,
за исключением только второго члена правой части уравнения.
При одиночной замораживающей колонке этот член был равен
A 2лг2, а в рассматриваемом случае А1 z± 21. ,

В этих выражениях разными являются третьи множители, т. е.
площади, к которым притекает тепло. В первом случае площадь
Fx = 2лг2; во втором случае F2 = 2/; в предельном значении 2r2 = I,
следовательно, Fr = 2лг2 = nl.

Отношение площадей -тД = -Ц- = —.

г 1 Л
Такое же отношение будет сохраняться между количеством
тепла, притекающим к одиночному ледогрунтовому цилиндру и к ле-
догрунтовому цилиндру, находящемуся в группе одновременно
действующих колонок, т. е.

-^-=-^ = -^- = 0,64, откуда g2 = 0,64 qv

Теплоприток к ледогрунтовой стене мы условились подсчитывать
в долях ф от величины теплосодержания грунта р.

Обозначая коэффициент теплопритока для одиночного цилиндра
через Ф1 и ф2 — для ледогрунтовой стены, будем иметь ф2 = 0,64 фг
В частном случае прир = 25 000 ккал/м3 — 0,5 и соответственно
ф2 - 0,64-0,5 - 0,32, а (1 +ф) = 1,32.

Рис. 5. Клиновидная часть заморожен-
ного грунта между двумя заморажи-
вающими колонками

Рис. 6. Наращивание заморожен-
ного грунта в замке

Соответственно время, затрачиваемое на образование ледогрун-
тового цилиндра диаметром d2 = I при замораживании грунтов
группой скважин,

1,32р/2 1 d2 «

Z1~ 2-4Go-*i)bi di ’ 4

(13)

Однако чтобы ледогрунтовое ограждение было водонепроницаемым
на всем протяжении, оно должно иметь какую-то минимальную
необходимую толщину в замке, т. е. в месте соединения ледогрун-
товых цилиндров. Другими словами, в замках ледогрунтовая стена
должна получить некоторое утолщение, что связано с дополнитель-
ными затратами времени.

Из рис. 5 можно видеть, что часть грунта в форме криволинейного
клина, заключенная между соседними ледогрунтовыми цилиндрами,
находится в весьма благоприятном положении с точки зрения затрат
времени на замораживание ее. В самом деле, узкая клиновидная
полоса грунта подвергается охлаждающему действию с двух сторон
и, естественно, замораживаться будет весьма интенсивно. В резуль-
тате этого соприкосновения цилиндров немедленно нарастает ледо-
грунтовая стена, как показано на рис. 6.

Установим, какую часть общего объема грунта, замораживаемого
1 м замораживающей колонки, составляют эти клиновидные части
лРи условии, что в замке будет тбдщй^

2 Н. Г. Трупак ; ! 17
равная расстоянию I между замораживающими колонками. Согласно
рис. 7, объем клиновидных частей грунта представляет собой раз-
ность между объемом куба со сторонами I и цилиндра, диаметр
основания которого также равен Z. Высоты в обоих случаях будут
одинаковы и равны единице. Объем куба V\ = I2-1. Объем цилиндра
л/2

V2 = —£-•!, объем клиновидных частей V — — V2 = I2 —

—= 0.215Z2, или отношение V : V2 = 0,215 : 0,785 = 0,27.

Таким образом, стоит увеличить объем замораживаемого грунта
одной колонки на 27%, чтобы в замке получить стену толщиной,
равной расстоянщо между замораживающими колонками I.

Рис. 8. Схема к расчету определения вре-
мени замораживания грунта

Ь— L

| ylk'jJdKq

Рис. 7. Схема к расчету опре-
деления объема замораживания
грунта

Найдем математическую зависимость между толщиной стены
в замке и приращением а радиуса действия замораживающей колонки
после того, как ледогрунтовые цилиндры сомкнутся. Дальнейшее
утолщение стены в замке получится в результате нарастания двух
соседних ледогрунтовых цилиндров, т. е. приращения радиуса
действия колонки. На рис. 8 CD = FC = г2 представляет собой
радиус замораживания, обеспечивающий соединение ледогрунтовых
цилиндров и равный половине расстояния между колонками (г2 =
= ЛС = г3 —. радиус, необходимый для получения в замке
ледогрунтовой стены толщиною А В (£’). В дальнейших рассуждениях
примем следующие обозначения: AD — = Ъ и а — приращение

радиуса действия замораживающей колонки; а = АС — FC — г3 —
— г2. Из &ACD имеем Ь2 + г2 = (г2 + а)2, или Ъ2 = 2г2а + а2,
откуда Ъ = Y2ar2 + а2. Так как Ъ = и 2r2 = Z, то Е =
= 2 ]/aZ + а2.

Если принебречь членом а2 в последнем уравнении, получим,
более простую зависимость Е = 2 ]/а7, а решив это уравнение,
Е* т-г
найдем а = Подсчеты показывают, что последнее уравнение
дает результаты, отличающиеся на 5% от результатов, получаемых
18
при решении более точного уравнения. Внося поправку, окончательно
получим:

£=2,1]/яГ и а=^-. (14)

Толщина стены в замке, м

Рис. 9. График зависимости между
приращением ' а радиуса заморажива-
ния и толщиною Е ледогрунтовой стены
в замке

Предположим, что наивыгоднейшее расстояние между колонками
I = 2,5 м. Необходимо определить величину приращения радиуса
действия замораживающей колонки, с тем чтобы получить в замке
ледогрунтовую стену толщиною 0,5 м. Решая уравнение (14), по-
0 52

лучаем а = '44.2’5 ~ 0,023 м. При том же расстоянии между
замораживающими колонками
ледогрунтовую стену толщиною
1 м в замке можно получить,
давая радиусу приращение а =
= 0,09 м.

Другие значения Е и а, вы-
численные при I = 2,5 м, по-
казаны на диаграмме (рис. 9).
Как видно из диаграммы,
между толщиною стены Е в
замке и приращением а радиуса
действия замораживающей ко-
лонки существует зависимость:
ничтожному увеличению ра-
диуса действия соответствует
весьма значительное увеличе-
ние толщины ледогрунтовой
стены в замке.

Но с увеличением радиуса
действия замораживающих ко-
лонок увеличится и объем
замораживаемого грунта. Объем

грунта, замораживаемого! м колонки к моменту-замыкания оди-
ночных ледогрунтовых цилиндров, V\ = лг| = Чтобы полу-
чить в замке ледогрунтовую стену толщиною Е, 1м колонки
необходимо наморозить объем грунта V2 = лг’. Приращение
объема замораживаемого грунта на 1 м колонки (см. рис. 8).

ДУ = У2_У1 = л(г|_г’).

Но как следует из /\ACD,
2 Я2 . *2

Подставляя значение в формулу приращения объема замора-
живаемого грунта, получаем

AF^A(£2 + Z2__Z2)==^ =0,785£2.

4 4
Таким образом, для получения ледогрунтовой стены толщиною Е
в замке приращение объема замораживаемого грунта ДУ = 0,785£2.

Дополнительное время, затрачиваемое на утолщение ледогрунто-
вой стены в замке,

Z' = я,.1,зу, г- (d! In А - dl In А А (15)

8(*o —\ oi J ' 7

При расстояниях между замораживающими колонками I — 2,5 м
и толщине ледогрунтовой стены в замке Е — 0,5 м г' = 3 сут.

Таким образом, при приращении радиуса действия заморажи-
вающей колонки на 0,023 м в замке будет получена ледогрунтовая
стена толщиною 0,5 м в течение 3 сут или при приращении радиуса
в 0,09 м соответственно стена толщиною 1 м при дополнительной
затрате времени z" = 18 сут.

§ 3. Образование ледогрунтовых подпорных стен

Однорядное замораживание. Этот случай от предыдущего отли-
чается тем, что ледогрунтовая стена должна иметь толщину Е,
определяемую статистическим расчетом. Такую толщину ледогрун-

±О°С

±0°С

Рис. 10. Изотермы в ледогрунтовом
ограждении после соединения одиноч-

товая стена должна иметь в
месте соединения (замка) двух
соседних ледогрунтовых ци-
линдров.

Толщина ледогрунтовой сте-
ны Е в замковой плоскости
определяет срок заморажива-
ния грунтов.

Рассмотрим вначале случай
образования ледогрунтовой под-
порной стены одним рядом за-
мораживающих колонок. До со-
единения ледогрунтовых ци-
линдров между собою расчет
времени на замораживание
грунтов производится по мето-

ных цилиндров ДУ? изложенному выше, так как

распространение холода будет
аналогично распространению его при образовании водонепрони-
цаемых ледогрунтовых стен.

После соединения двух смежных ледогрунтовых цилиндров
и при дальнейшей работе замораживающих колонок холод будет
расходоваться частично на понижение температуры в образованных
ледогрунтовых цилиндрах, а большая часть его будет расходоваться
на приращение ледяной зоны в направлениях, перпендикулярных
линии, соединяющей замораживающие колонки.

Условными границами зон влияния каждой колонки будут
служить перпендикуляры, восстановленные из середины линий,
соединяющих две смежные замораживающие колонки. Теперь изо-
термы вокруг замораживающих колонок будут представлять собой
уже не окружности, а параллельные между собой волнообразные
кривые, гребни которых размещаются против замораживающих
колонок. По мере удаления от замораживающих колонок изотермы

будут выпрямляться
(рис. 10).

Холод будет распро-
страняться в основном в
двух диаметрально проти-
воположных направле-
ниях. Грунт будет намора-
живаться не в виде коль-
цевых слоев, как это было
до соединения одиночных
ледогрунтовых цилинд-
ров, а двумя кривыми

Z -н

Рис. 11. Распространение холода от замора-
живающих колонок после соединения соседних
ледогрунтовых цилиндров

полосами, длины которых
ограничены расстоянием I между замораживающими колонками;
равным дйаметру d2 одиночного ледогрунтового цилиндра (рис. 11).

С течением времени криволинейные полосы будут стремиться
выпрямиться. В предельном значении длина одной полосы S будет
равна расстоянию между замораживающими колонками, т. е. S = I,
а с обеих сторон колон-
ки 2S. В начале же сов-
местного действия колонок
длина одной криволиней-
« л1

нои полосы была — =

= = i,57z. Таким

образом, длина одной кри-
волинейной полосы будет
изменяться от 1,57 до Z.

Пусть заданы необхо-
димая толщина Е подпор-
ной ледогрунтовой стены
и расстояние между замо-
раживающими колонками I

(рис. 12). Найдем зависимость между длиной криволинейной полосы
и этими величинами. Длина дуги

Рпс. 12. Схема к расчету ледогрунтовой под-
порной стены

S = АВ = рад,

где г — расстояние от центра О замораживающей колонки до гра-
ницы ледогрунтовой стены (радиус замораживания); 0 — централь-
ный угол, рад.

Как известно, наряду с практическим градусным (градусы,
мин) измерением углов в теоретических расчетах применяют
и радианное измерение углов. Угол, выраженный в градусах,
обозначают через [Г, а в радианах — через р.

При радианном измерении величина центрального угла р для
произвольной окружности измеряется отношением длины дуги 5,
на которую этот угол опирается, к длине радиуса г этой окружности:

Длина дуги, выраженная через радианы,
5 = рг.

Длина той же дуги, выраженная через градусы,

5 ПГ 180 ‘

Соответственно

откуда

₽ = ч1’₽0==0’01745₽0рад-

Таким образом, зависимость между углами и радианами
0 = _2_0о = 0,017450° и 0» = -^ 0 = 57° 3'0.

Соответственно:

1 рад = = 57° 17' 44",8;

1 град = = 0,0174533 рад.

lot/

Длина окружности

50 = • 360 = 2л = 6,2831 рад.

loU

Величина прямого угла
90 л 4 ггу
57°,3 ““ ~2~ “ 1,57 раД*

При любом радиусе замораживания г длина хорды А В будет
величиной постоянной и равной I — расстоянию между замора-
живающими колонками.

Из /\J)AO имеем

но так как О А = г и DA
следовательно,

sin ₽° = ,

откуда (обратная круговая функция)

= arcsin и Р° = 2 arcsin .

Соответственно длина дуги

S = АВ =гР° -0,01745=0,0349гarcsin. (16)

В этом уравнении величина
постоянной. Конечный радиус
от толщины Е ледогрунтовой
стены в замке и расстояния
I между замораживающими ко-
лонками. Между указанными ве-
личинами имеется следующая
зависимость. Из ДАОС имеем

AO = r-|/£2 + Z2 (17)

и соответственно

Е = /4г2-Z2.

I для заданных условий является
замораживания г будет зависеть

Рис. 13. Изменение длины дуги в зави-
симости от толщины ледогрунтовой
стены

Подставив полученное значение г из уравнения (17) в уравнение
(16), получаем

S = 0,01745 /£2 + Z2 arcsin , 1 .

Значения 5, вычисленные при переменных значениях Е и I = 1 м,
представлены на диаграмме (рис. 13). Как видно из диаграммы^
уже при толщине стены в замке Е = 3 м длина дуги приближается
к своему предельному значению, т. е. I (S = 1,0081).

Определим время, необходимое на замораживание одной кри-
волинейной полосы толщиной dr (см. рис. 12). За время dz граница
ледяной зоны передвинется на расстояние dr и образуется полоса
замороженного грунта. Элементарная площадка dE ~ dS dr. Общая
площадь полосы F = jj* dr dS, но так как dS = г dp (см. рис. 12)г
где р — угол в радианах, то F = \\rdrdfi.

ft9 R2

Центральный угол р ° изменяется от — до + .

£л и
Интегрируя в этих пределах, получаем

j dP° = Р° = 2 arcsin .

Соответственно центральный угол

р = 0,017450° = 0,01745 • 2 arcsin -±- , рад.

Коэффициент 0,01745 обозначим через к, тогда

6 = 2к arcsin .

. 2г

Площадь двух криволинейных полос

F2 = 2 • 2к j г arcsin dr. (18)

Конечной целью замораживания грунтов является образование
ледогрунтовой подпорной стены заданной толщины Е в замке.
Этой толщине соответствует радиус замораживания

г3 = у/я2+г2.

Проинтегрируем уравнение (18) в пределах от г2 до
ного радиуса замораживания):

F2 = 2к i г arcsin dr = 4к
1 2г

г3 (до конеч-

I
2г2

IV
4г2

г2 . I г2

— arcsin— - -

или

Г> / 7 г2 •

F2 = 4 \к — arcsin —-

2 I 2 2г

После преобразований получаем

F2 = 2к (r| arcsin —1---r2 arcsin i

\ ^-г3 ^г2

4-4

Гз

Но I = 2г2, следовательно, у = 1 и

(19)

4/4-4^ /4-4=4-

Подставляя значения этих величин в уравнение

F2 = 2к ( ri arcsin ~-r2 arcsin —|-

2 \ 3 2г3 2 2г2 1 4

(19), получаем
Таким образом,

F2 — 0,035 arcsin-^------т\ arcsin 4“0>5 El,

При высоте замораживаемых полос 1 м объем их будет F21.

При замораживании этот объем грунта отдает тепла dg2 = F2p.
Уравнение теплового баланса:

2л Gp-h) Z2

Ini
П

= ^2р-

Ы1Г! 1 Xi

Пренебрегая величиной , получаем

z2 —

= 2(t РЛ'Н.....1п тТ0,035 (г»arcsin "27--r* arcsin IT-) + о,5£7~|, ч.

— н) ЛЛ1 ri L \ 2r3 zr2 / J

(20)

Земной теплоприток по-прежнему будем учитывать в долях от
теплосодержания р. Коэффициент ф2 = 0,32, соответственно 1 +
4" ф2 — 1,32.

Общее время, затрачиваемое на образование подпорной ледо-
грунтовой стены заданной толщины Е в замке с учетом земного
теплопритока, слагается из величин zx (12) и z2 (20):

+ z - Г ^32Р/2 In 1 I t32p In ГзЪс

1+2 L8Oo-*i)bi <*1 + 2n(z0-h)^i 1 riJ*

X p),035 (r3 arcsin----r2 arcsin +0,5E/J, ч.

(21>

В частном случае при Е = 0, г3 = ]/0 + г2 =г2 и выражение
г2 arcsin ----г2 arcsin 7^- обратится в нуль. Соответственно

обратится в нуль и третье слагаемое уравнения (21), а все уравнение
примет вид уравнения (13).

Уравнение (21) является точным, но сложным для расчетов.
Поэтому его необходимо упростить, пренебрегая некоторыми его
членами, при этом не снижая заметно точности расчета.

Заметим, что 2r2 = I = d2. Соответственно выражение

2 . I лг2 л/2

r2 arcsin — примет вид или — , так как
2г2 2 о

I I л

arcsin -— = arcsin — = — .
2r2 I 2

Выражение 0,035 (г2 arcsin -----после подстановки соот~

ветствующих значений Z, г2 и г3 равно —^0,02. Ввиду его небольшого
значения им при определении срока замораживания можно пре-
небречь.
Тогда расчетная формула (21) примет вид:

t32p/2 i 1,32р0,5£7 ] d3

8(^о — ^1)^1 ^1 2л (Zo— ^1)^1 di ’

или

l,32pZ
(*o —*h)

[|1п±+0,08Е1пА].

После преобразований окончательно получим

04 IpZ

(*о —*1)

[1,6Z In — +Е In

ч.

(22)

На рис. 14 представлена диаграмма изменения времени, за-

трачиваемого на замораживание грунтов и определенного по уравне-
нию (22). На оси абсцисс диаграммы нанесены значения толщины

Толщина Е ледогрунтовой стены в замке, м

Рис. 14. Затраты времени на образование
ледогрунтовой подпорной стены перемен-
ной толщины Е в зависимости от расстоя-
ния I- (м) между замораживающими колон-
ками:

Е подпорной ледогрунтовой
стены в замке, а на оси орди-
нат — время z, затрачива-
емое на замораживание грун-
тов. При расчетах времени,
затрачиваемого на заморажи-
вание грунтов, были при-
няты следующие условия:
р = 30 000 ккал/м3; dr —
= 0,1 м; Zi == 2 ккал/(м-
• ч*°С); tQ = ±0° С, t1 -
= —20° С. Расстояния между
замораживающими колон-
ками принимают от 0,5 до 3 м.

Отрезки, отсекаемые кри-
выми на оси ординат, пред-
ставляют собою время, за-
трачиваемое на образование

j_ 0,5; 2-1; 3 — 1,5; 4-2; 5-2,5; 5-3 ЛбДОГрунТОВЫХ ЦИЛИНДРОВ ДО
соединения их между собою

(JE = 0) при переменных расстояниях между замораживающими

колонками.

Этой диаграммой можно воспользоваться для определения вре-
мени z, затрачиваемого на замораживание грунтов при других
значениях р и hi. Так, например, если в новых условиях значение
теплосодержания породы будет рп то для времени z' необходимо
значения времени диаграммы умножить на коэффициент При
изменении значения тот же результат необходимо разделить, на
коэффициент .

Двухрядное замораживание. При необходимости образования
ледогрунтовой подпорной стены большой толщины (более 3—4 м)
замораживающие скважины целесообразно располагать в два, три
и более рядов на равных расстояниях рядов один от другого. В соот-
ветствии с этим ледогрунтовую стену, образуемую одним рядом,
можно рассматривать как ледогрунтовую водонепроницаемую пе-

ремычку.

При образовании ледогрун-
товой стены двумя рядами
замораживающих колонок тепло
от незамороженного грунта
к образуемым ледогрунтовым
цилиндрам будет притекать
только с внешних сторон ледо-
грунтовой стены (рис. 15).
Тепло, заключенное в грунте
между рядами I и II замора-
живающих колонок, учиты-
вается теплосодержанием грун-
та р. Как и в предыдущем слу-
чае, теплопритоком снизу —
к основанию ледогрунтовой
стены, а также с двух торцов
ее пренебрегаем.

Площадь, к которой будет

Рис. 15. Теплоприток к двухрядной ле-
догрунтовой стене

притекать тепло к ледогрунтовой

стене на высоте 1 м, для каждого ряда будет F = 11, т. е. в 2 раза
меньше, чем при образовании
однорядной водонепроница-
емой ледогрунтовой стены.
Соответственно коэффициент

= > = ^=0,16.

Время, затрачиваемое на .
образование однорядной ле-
догрунтовой стены,

_ 146PZ2 I

3 8(*o-*i)M ’

♦ IIIIIIIIHill Hill IIIIIIII

Рис. 16. Трехрядное замораживание грун-
тов

(23)

Эта формула будет общей
для обоих рядов в том слу-
чае, если расстояния между
замораживающими колон-
ками в обоих рядах будет
равными. В противном слу-

чае расчет времени, затрачиваемого на образование ледогрунтовой
стены, производится для каждого ряда'отдельно — в зависимости
от расстояния между замораживающими колонками.

При многорядном замораживании грунтов к средним рядам замо-
раживающих колонок тепло извне не будет притекать. Оно будет
«перехватываться» крайними рядами / и III замораживающих
колонок (рис. 16). Следовательно, коэффициент, учитывающий тепло-
приток для внутренних рядов, ф4 = 0. Расчетной формулой для опре-
деления времени, затрачиваемого на замораживание грунтов внут-
ренними рядами, будет уравнение (2), не учитывающее земного
теплопритока.

Расчет времени на образование ледогрунтовых цилиндров в край-
них рядах определяется по уравнению (23) для двухрядной си-
стемы.

Таким образом, общей расчетной формулой для определения
времени, затрачиваемого на замораживание грунтов для всех слу-
чаев (за исключением образования однорядной подпорной стены),
будет уравнение (12). Переменным будет лишь коэффициент ф,
учитывающий земной теплоприток.

§ 4. Образование ледогрунтовых ограждений цилиндрической
формы

Рис. 17. Образование цилиндрического
ледогрунтового ограждения

При сооружении шахтных стволов замораживающие колонки
располагают по окружности, а ледогрунтовое ограждение образуют
в виде полого цилиндра (рис. 17).

Необходимую толщину стены Е цилиндрического ледогрунтового
ограждения определяют статистическими расчетами. Диаметр ок-
ружности, на которой рас-
полагают замораживающие
колонки,

Z)g = Dq “I” Е 4”

где D 0 — диаметр ствола в
проходке;

т — допустимое откло-
нение заморажива-
ющей скважины от
заданного направ-
ления.

Земное тепло к образу-
емому цилиндрическому огра-

ждению будет притекать с внешней и внутренней сторон ограждения.
С внешней стороны ограждения земной теплоприток с течением вре-
мени хотя и будет уменьшаться, но всегда имеет определенное зна-
чение. В пределах ограждения источником тепла будут ограниченные
запасы его, заключенные в грунте, подлежащем выемке. Поэтому
величина теплопритока с внутренней стороны ограждения будет
непрерывно уменьшаться, пока не прекратится совсем. К моменту
образования ледогрунтового ограждения толщиною Е грунт, заклю-
ченный в пределах ограждения, может охладиться от нормальной
температуры до ±0° С.
Количество тепла, заключенного в пределах ледогрунтового
ограждения высотой 1 м,

где q' — количество тепла, отнимаемого от 1 м3 грунта, при ее
охлаждении от температуры tr до ±0° С.

Диаметр шахтного ствола в проходке D 0 изменяется от 5 до 9 м.
Соответственно объем грунта, подлежащий выемке и приходящийся
на 1 м ледогрунтового ограждения, находится в пределах 20 —
60 м3. Если, например, в грунте содержится 30% воды, то при
охлаждении 1 м3 грунта от tr до ±0° С от него будет отниматься
около q' = 5000 ккал тепла, а всего — 5000 X (20 — 60) =
- 100 000 4- 300 000 ккал.

Вокруг шахтного ствола располагают от 25 до 30 замораживающих
колонок. Следовательно, к одной колонке за весь период активного
замораживания грунтов может поступить от 4000 до 10 000 ккал
тепла.

При расстояниях между замораживающими колонками I = 1 м
и толщине ледогрунтового ограждения Е — 3 м участок колонки
высотой 1 м будет замораживать 3 м3 грунта. При принятом выше
содержании воды в грунте теплосодержание 1 м3 грунта будет
р = 33 000 ккал/м3 или на 1 м колонки 33 000-3 = 99 000 ккал.

Величина теплопритока к внутренней поверхности ледогрунто-
вого ограждения, отнесенная к количеству тепла, отнимаемому
от 1 м3 грунта, при его замораживании будет составлять фк =
= — = (4000 4- 10 000) : 99 000 = 0,04 4- 0,10 или в среднем фк =
-0,07.

Таким образом, теплоприток к внешней поверхности ледогрун-
тового ограждения будет в 2 раза меньше теплопритока при обра-
зовании ледогрунтовых водонепроницаемых перемычек. Соответ-
ственно коэффициент, учитывающий теплоприток к внешней поверх-
ности ледогрунтового ограждения, ф3 — у — — 0,16. Тепло-

приток к внешней поверхности ледогрунтового ограждения будет
в 0,16 : 0,07 — 2,3 раза больше теплопритока к внутренней поверх-
ности ограждения.

Общий коэффициент, учитывающий теплоприток при образовании
ледогрунтового кольца, ф — фк + Фз = 0,07 + 0,16 — 0,23 и (1 +
+ ф) - 1,23.

Расчетным уравнением для определения времени, затрачиваемого
на образование цилиндрического ледогрунтового ограждения, будет
уравнение (12) с поправочным коэффициентом гр — 1,23.

Более точный метод предложен французским инженером Леб-
ретоном.

В последующих выводах Лебретона (Lebreton) приняты сле-
дующие обозначения:

h — высота замораживающей колонки, м;
г о — радиус замороженного грунта у устья замораживающей

колонки, м;

г — радиус замороженного грунта на некоторой глубине, м;

— внешний радиус замораживающей колонки, м;

©! — температура прямого рассола, ° С;

02 — температура обратного рассола, ° С;

X — теплопроводность грунта, ккал/(м-ч-° С);

g — вес рассола, проходящего через завораживающую колонку

в единицу времени, кг;

с — теплоемкость рассола, ккал/(кг-° С);

и — температура изотермической поверхности, ° С.

Пусть имеется замораживающая колонка глубиною h с внешним

радиусом г± (рис. 18). В колонку поступает охлаждающий рассол с тем-

пературой 0Х, а выходит из нее
с температурой 02. В результате
циркуляции охлаждающего рас-
сола через некоторый промежуток

Рис. 19. Изотермы вокруг
замораживающих колонок:

1 — ледяная зона; 2 — зона
охлажденного грунта; 3 — грунт
с нормальной естественной тем-
пературой

Рис. 18. Схема
к расчету за-
мораживания
по Лебретону

времени вокруг колонки будет образован слой из замороженного
грунта. Предполагается, что теплопередача от грунта к охлажда-
ющему рассолу происходит в горизонтальном направлении, а холод
распространяется от замораживающих колонок симметрично, т. е.
изотермы вокруг замораживающих колонок представляют собою
окружности (рис. 19). Строго говоря, такое допущение является
несколько условным: физические, в частности тепловые свойства
грунтов, не являются постоянными, а изменяются, правда, не слиш-
ком резко — в зависимости от водосодержания их, теплопроводности
и др. Однако, рассматривая вопрос с точки зрения практической,
с таким допущением можно согласиться. .

z Через некоторый промежуток времени после начала циркуляции
охлаждающего рассола вокруг замораживающих колонок темпера-
турные условия изменятся.

Непосредственно у замораживающих колонок находится грунт
с отрицательной температурой (на рис. 19 зона ABCD). В ледогруп-
товом ограждении имеется несколько изотермических зон, парал-
лельных между собой и отличающихся одна от другой на один градус.
Температуры этих зон постепенно повышаются от температуры
охлаждающего рассола в замораживающей колонке до нуля — на
границе ледогрунтовой стены. К ледяной зоне примыкает грунт,
температура которого постепенно поднимается от нулевой до нор-
мальной — охлажденная зона (EACF и BGHD на рис. 19). Ив этой
зоне имеется несколько изотерм, параллельных между собою и отли-
чающихся одна от другой на один градус. И, наконец, на некотором
расстоянии от замораживающей колонки будет находиться грунт
с нормальной для данной местности температурой.

Исходя из условий, что в грунте установился определенный
тепловой режим, найдем зависимость между радиусом распростране-
ния холода у устья замораживающей колонки и другими параметрами.
Рассмотрим изотерму грунта с радиусом г, расположенную в гори-
зонтальной плоскости, на глубине у от устья замораживающей
колонки.

Определим количество тепла, протекающего через элемент
изотермической поверхности с температурой и. В рассматриваемом
случае эта поверхность представляет собою цилиндр радиусом г,
высотой dy и заключена между плоскостью у и бесконечно близкой
соседней плоскостью у + dy (см. рис. 18).

Согласно закону Фурье, количество тепла, проходящего через
какую-либо поверхность за промежуток времени dz, может быть
выражено уравнением

2лг dy\ dz.

Это количество теплоты должно быть равно количеству тепла,
выносимому рассолом из замораживающей колонки, т. е. eg dQ dz.
Здесь d© представляет собою разность температур рассола между
пунктами у и у + dy. Согласно сказанному выше, 2nrZ = eg .

Закон изменения температуры охлаждающего рассола © в зави-
симости от глубины замораживания неизвестен. Но так как разность
температур между прямым и обратным рассолами всегда невелика,
то без особой погрешности можно допустить, что этот закон выра-
жается линейным уравнением и принят

0=02-®^Ly. (24)

Здесь 0 обозначает абсолютную величину ниже 0° С.
Дифференцируя уравнение (24), получаем:

d& 62—$1

—у—=-----Ч—i и

ay h

2ЯЛ^-Се^ = се^. (25)

Но выражение cg(@1 — 02) представляет собою количество тепла,
выносимого охлаждающим рассолом из замораживающей колонки
в единицу времени. Обозначим его через Q. Решая уравнение (25)
относительно du, получаем

du = ® ,

2 л Лл г
откуда

+ (26)

При г = гг температура грунта и — —0 (температуре охлажда-
ющего рассола). Следовательно,

-0=^яг1"'->+с' <27)

Вычитая уравнение (27)^из уравнения (26), получаем

= — • (28)

1 2ллЛ ' 7

Граница ледяной зоны (и = 0) для какой-либо горизонтальной
плоскости может быть определена из уравнения

0=-?—In — . (29)

2лХЛ гх ' 7

Соответственно температура охлаждающего рассола у устья
замораживающей колонки

02 = -4-1п-^, (30)

2 2лАЛ rx v 7

или

In 2лие2

Решив уравнение (31) относительно г0, найдем зависимость между
радиусом распространения холода г0 у устья замораживающей
колонки, высотой колонки h, температурой обратного охлаждающего
рассола 02, теплопроводностью X замораживаемого грунта и коли-
чеством тепла Q, отданного грунтом рассолу:

r0 = rie Q , или r0 = riexp cg2(ex-^) • (32)

При определении количества тепла, которое необходимо отнять
от грунта, чтобы образовать ледогрунтовое ограждение заданной
толщины стены, Лебретон ограждение рассматривает как цилин-
дрическое тело, образованное вокруг ствола. При этом в вертикаль-

ной плоскости границами ледогрунтового ограждения служат кри-

вые, форма которых определяется выведен-
ным выше уравнением (32). При пересечении
ледогрунтового ограждения вертикальной
плоскостью получим площадь, которую обо-
значим через 5, а периметр окружности
(точнее многоугольника) расположения за-
мораживающих колонок через Р, тогда объем
замороженного грунта в ледяной зоне Уо =
= PS. Однако величина S неизвестна, по-
этому ее необходимо подсчитать. Элементар-
ная площадь (рис. 20):

dS — 2rdy и S = 2^rdy. (33)
о

Приравнивая уравнения (24) и (29) между
собою, получаем

Q з г
2^h П ri

h у

Рис. 20. Изотермы в ци-

(34) линдрическом ледогрун-
товом ограждении

Далее, вычитая

из уравнения (34) уравнение (30), получаем

= ---In—"1 = --^ In — ,

h * 2пмъ L ri ri J 2лХА

откуда

In у- = в1л вг 2л^-
го V

Подставим вместо Q его значение:

81 — 82

Cg (81—82)

2луХ,

откуда радиус ледяной'зоны на глубине у

г = roe eg ,
Обозначая выражение через а, окончательно получаем
г=гое“’. (35)

Соответственно уравнение (33) примет вид:

h h

So = 2jrdi/ = 2roj e^dy,
о о

3 н. г. Трупам

33
или

<5о = 1 ea4S = (eaft -1).

Объем ледяной зоны

^о = ^(евЛ-1).

(36)

(37)

Объем, ограниченный любой изотермической поверхностью (поло-
жительной или отрицательной), можно определить, воспользовав-
шись уравнением (28):

——In —

2лАЛ ?! *

(38)

Здесь и обозначает температуру со своим знаком, а 0 представляет
абсолютную величину.

Вычтя из уравнения (38) уравнение (30), получим

и+ 0-0 2==_£-1п-^—-4-1п-!а.

2 2лАЛ ri 2лАЛ

Произведя преобразования и обозначив выражение 2яХ через а',
находим

а'и + 0_@ . 2л^ = 1п/и.
2 Q го

Из уравнения (24) имеем

0-02=®1^-у.

Подставим значение 0 — 02 в (39):

2лАЛ

но

Следовательно,

/ 1 01 — 02
au+ \ У

Q Q —S-.

1 2 eg

а'и + —
eg

2лХ
у—

1п-^-,
r0

2лАЛ Й

—=а-

1п-^,
Го

(39)

или

а'и ay = In .

Из последнего уравнения можно определить величину ги (рассто-
яние изотермической зоны с температурой и от замораживающей
колонки):

ru = rQeafu+ay = rQeayeafu.

(40)

Соответственно площадь продольного (осевого) сечения объема
грунта, ограниченного изотермической поверхностью tu.

Su = Soea’u

(41)
и объем

Уи=70е«'«. (42)

Уравнение (42) для определения объема Vu может быть применено
для изотермических поверхностей грунта с температурами ниже
±0° С (и < 0). Для грунтов с температурами выше 0° С (и >0)
в выражениях для а и аЛ коэффициент теплопроводности X надо
заменить X i — коэффициентом теплопроводности незамороженного
грунта. Тогда вместо а и а' будем иметь соответственно oi и
Лебретон принимает а = <хi иа' = а^, однако погрешность от этой
замены невелика.

Для образования цилиндрического ледогрунтового ограждения
от грунта необходимо отнять тепло, заключенное в ледяной и охла-
жденной зонах. В охлажденной зоне температура грунта будет по-
нижена до 1, 2, . . ., (fr — 1)° С, где tr — нормальная температура
грунта.

Если т представляет собою количество килограммов воды, содер-
жащейся в 1 м3 грунта, то при замерзании этот объем выделит
79 ккал тепла (79 — скрытая теплота плавления льда). Охлажденные
зоны грунта на рис. 19 представлены площадями AEFC и GBDH.
1 м3 фунта, содержащий т кг воды и т' кг твердых частиц с удель-
ной теплоемкостью, при охлаждении на 1° С отдает количество тепла

ц = щ + т'с. (43)

Но с того момента, как грунт промерзнет, теплоемкость воды (льда)
будет уже не 1, а только 0,5 и

р' — 0,5тп + т'с. (44)

Общее количество тепла, отнимаемое от охлажденной зоны,
можно найти, приняв, что каждый изотермический слой теряет 1° С
по сравнению с температурой соседнего слоя. Например, внешний
охлажденный слой с tr = — 1° С будет представлен площадью ABDC^
соседний охлажденный слой с tr = —2° С представлен площадью
AlBlD1Cv следующий слой с tr = —3° С площадью AnBnDllCll
и т. д. (рис. 20).

Если принять, что каждый слой имеет свою температуру, умень-
шенную на 1° С, то общее количество тепла может быть подсчитано
в предположении, что каждый из слоев теряет 1° С, 2° С, 3° С и т. д.
Так, например, слой с tr — —1° С и объемом Vr при охлаждении
на 1° С отдаст тепло в количестве pFi, слой с tr = —2° С в количе-
стве ||F2’ слой с tr = —3° С — и т. д. Сумма этих количеств
тепла будет представлять собою общее количество тепла, отданного
охлажденным грунтом охлаждающему рассолу.

Если VQ — объем замороженного грунта, то скрытая теплота
плавления льда, заключенного в нем, 79тпЙ0.

Тепло, отданное ледяной и охлажденной зонами, можно вычис-
лить следующим путем.
В охлажденной зоне объем грунта Vit_lv будучи охлажденным
на 1° С, выделяет количество тепла цУ(г.1р а объем Va_2v уже
охлажденный на 1° С, теряет только 1° С и выделяет количество
тепла {A

В ледяной зоне объем Fo выделяет тепло в количестве ц'У0,
объем У-р в количестве F-Oi в количестве ц'У_о.

Общее количество тепла, заключенное в ледяной и охлажденной
зонах:

' 2X=H(^-i + ^-2 + . . • +к1 + У0) + н'(^-1+^-г+... +У0).

Объем Vf.! = Vu = Уое:'“.

Подставляя значения V/_i, У/_2 и ДР- в предыдущее уравне-
ние, получаем:

2pF = 70{[ea'“-1)4-e“'<,-1!,+ . . . +еа' + 1]И4-

+ [е"®' + е-®“' + . - - + е’ва'] р*.

Это выражение состоит из двух геометрических прогрессий. Произ-
ведя сложение прогрессий, получаем

V Т7 Т7 Г ea'* —1 . ,, е“а'--е("е“1)а'1 //сч

— Н ea' — i “ЬН 1 —е-а' • (45)

По преобразовании уравнения (45)

(46)

Прибавляя к этому выражению количество скрытой теплоты,
отнимаемой в ледяной зоне (79тп70), а также подставляя в (46)
вместо р. и ц' их значения, получаем

2o6 = F0 |jxea'* — ре“а'в + 0,5Ап + Ап*с — т— т'с\ + 79mVQ.

Или по преобразовании

По формуле (37),

Уо = -^(еа,1-1)

Подставляя это значение Уо в (47), получаем

Из уравнения
имеем

откуда

(? = (0^-02) eg
0,-02=-^-,

1 2 eg

0 =0

1 2 eg

С другой стороны, согласно уравнению (30),

02= —<L-ln^.

2 2ллЛ ri

Следовательно,

01=_£_1п12-+_2_.

1 2ЛЛЛ 7*! 1 eg

Умножая обе части уравнения (48) на а' == 2л% получаем

Подставим значение a'©i в выражение е’а 0 :

. е-а'в, = 2Хе-^Г-,

Го

2лХ
но ----= а,

поэтому

e-a'6i == П ^ah
го

Примем обозначения:

(еаЛ - (79т + ~Se°D ’

в = (eaft - 1) г1е-“Л.

а ' ' еа — 1 1

Тогда количество тепла

<? = 2об = ^0 — В-

Сравним общепринятый метод расчета и метод Лебретона.

(48)

(49)

(50)

(51)

Пример. Геология в районе ствола: верхний покровный слой насыпной
(культурный) мощностью до 1 м. Ниже, от 1 до 15 м залегают четвертичные
светлоокрашенные (желтого и серого цветов) пески различной крупности, пре-
имущественно мелко- и среднезернистые. В основании четвертичных песков
в пределах 14—-16 м залегают темноокрашенные суглинки. Горизонт 10—12 м
характеризуется скоплением большого количества гальки и крупных валунов,
изверженных горных пород. Четвертичным пескам на глубине 16—22 м
подстилает толща юрских темных тонкозернистых суглинков. На глубине от 22
до 28 м залегает плотная юрская глина, а ниже известняки каменноугольного
возраста. Уровень грунтовых вод расположен на глубине 5,5 м. Температура
воды и грунтов +8° С. Водоупорным слоем является юрская глина. Заморажи-
ванию подлежали пески мощностью 3 м естественной влажности с содержанием
воды 5% по объему, водоносные пески и суглинки мощностью 17 м с содержа-
нием воды 30%, юрская глина мощностью 5 м с содержанием воды 18%.

Диаметр ствола 5 м в свету, крепь — железобетон толщиною 0,4 м. Глу-
бина замораживания h = 25 м. Диаметр окружности замораживающих сква-
жин 7,5 м. Расчетная толщина стены ледогрунтового ограждения 1 м. Число
замораживающих скважин — 24.

Решение по общепринятому методу. Кольцевая площадь ледогрунтового
ограждения

F=nD. 1=3,14-7,5-1 ^24 м2.

Объем песков • естественной влажности, подлежащих замораживанию,
3=24-3=72 м2.

Объем песков и суглинков, насыщенных водою,

У2 =£• 17 = 24 • 17 = 408 м2.

Объем юрских глин

Г3 = £. 5=24-5 = 120 м2.

Количество воды (по объему), содержащееся в отдельных породах:

= 72 • 0,05 =3,6 м3;

v; =4 08 -0,30 =122 м3;

у;= 120 -0,18= 22 м3.

Общее количество воды, подлежащее замораживанию, , t

^о = 3,6 +122+ 22= 147,6 м3 ^150.

Количество твердых составные частиц грунта, подлежащих охлаждению:

V 1 —V 1 = 72 —3,6 = 68,4 м3;

Ж2 = У2-Г; = 408-122=286 m3;

W3 = F3 - V ; = 120 - 22 = 98 м3.

Всего 452 м3.

В дальнейших расчетах принимаем следующие обозначения:
у — удельный вес замораживаемого грунта, равный 2 тс/м3;

с — удельная теплота: для грунтов с = 0,2, для воды с = 1,0, для льда с —
= 0,5 ккал/кг °C;

tr — температура грунта и грунтовых вод, равная +8° С.

£2 — средняя температура замороженного грунта, равная —10° С.

Количество тепла, отнимаемого от воды для охлаждения ее от +8 до 0° С,

Qi =150 -1000 • 1 (0—8) = 1 200000 ккал.

Скрытая теплота льдообразования

q2 — 150• 1000 • 79= И 850000 ккал.

Количество тепла, отнимаемого от воды при охлаждении ее от 0° С до — 109 С,
q3= 150 • 1000 • 0,5 (-10-0)= 750 000 ккал.
На охлаждение грунтов от +8 до —10° G необходимо:

Q4 = 452 • 2000 • 0,8 (-10- 8) =3 254 400 ккал.

Общее количество отнимаемого тепла

Q с = Qi + 9г +'9з + 94 = 17 054 400 ккал.

Расход холода на охлаждение смежных зон принимаем 20% от подсчитан-
ного выше количества. Тогда общее количество тепла, отнимаемого от грунтов;

Q=Qc-1,2=17054400-1,2=20500000 ккал.

Решение по методу Лебретона. Периметр окружности замораживающих
скважин Р = 7,5 • 3,1416 = 23, 56 м. Высота замораживающей колонки h = 25 м.
Коэффициент теплопроводности замороженного грунта =1,8 ккал/м «ч °C.
Удельная теплота рассола при t = —20° С с = 0,65 ккал/кг °C. Начальная
температура грунта tr — 4-8° С. Разность температур прямого и обратного
охлаждающих рассолов — t2 = 1,5° С. Внешний радиус замораживающей
трубы т*! = 0,056 м. Половина расстояния между замораживающими скважи-
нами г0 = 0,5 м.

Количество охлаждающего рассола, проходящего через замораживающую
колонку.

W 40

g = “лГ == *1270 = 2110 кг/ч>

где W — количество рассола, циркулирующего в рассольной системе, м3/ч;
1270 — удельный вес рассола, кгс/м3.

Вычислим коэффициент

„ = = 2-3,14-1,8

eg 0,65-2110 °’00824*

Радиус ледогрунтового цилиндра вокруг замораживающей колонки на глу-
бине 25 м

г = гоеаЛ= О,5е0’00824*25 = 0,6144 м.

Площадь продольного сечения ледогрунтового ограждения

<?о = ^-(еаА-1)= п2^’5 (е°>2ов —1) =!21,2 (1,2288-1) =27,7 м2.

Объем замороженного грунта на глубине 25 м

Ро =50Р = 27,73 • 23,56= 653,3 м3.

Сопоставляя этот объем с объемом, подсчитанным по общепринятому ме-
тоду, нетрудно видеть, что полученные результаты близки между собой (600
и 653 м3).

Определение объемов замороженного грунта по отдельным пластам:

1. Пески естественной влажности, hr = 3 м.

Площадь продольного сечения ледогрунтового ограждения

(е“Л — 1 )= 121,2 (е0’00824'3 — 1) = 3,078 м2.

’ Объем замороженных песков

^ = 5^=3,078-23,56 = 72,52 м3.
2. Пески и суглинки, насыщенные водой, h2 == 17 м.

Площадь продольного сечения ледогрунтового ограждения
.$;= 121,2 (е°'00824,17-1) = 18,17 м2. .

Объем замороженных суглинков и песков

= 18,17 -23,56=428,5 м». -

3. Юрская глина, h3 — 5 м.

Площадь продольного сечения ледогрунтового ограждения

S’" =121,2 (е0,00824’5 —1)= 5,12 м2.

Объем замороженной глины

VJ"= 5,12-23,56 = 120,6 м3.

Количество тепла, передаваемого одной замораживающей колонкой,
Q = cg(ti — ^) = 0>65 • 2110-1,5=2100 ккал/ч.

Коэффициент aj от песков

а! =2лХ А «2 -3,14 • 1,8 = 0,0168.

Выше было принято, что 1 м3 песков естественной влажности содержит 5%
воды по объему, что составляет = 50 кг на 1 м3.

Объем твердых частиц песка = 1 — 0,05 = 0,95 м3. Вес в 1 м3 песка
т' = у = 0,95*2000 = 1900 кг.

Величина щ = тп1 + т'с = 50 + 1900* 0,2 = 430 ккал/м3.

Первый член уравнения (51)
\ т/ , це0^1 —0,5^\

Аго = го (79и + еОС,_1— J . (52)

Согласно уравнению (37),

^0=^-(еал-1).

Для песков естественной влажности Vq = 72,5 м3. После подстановки
в уравнение (52) вместо буквенных числовых значений получим

А!Г0 = 72,5 I 79,50 + • -goi62^1i / = 2 380 755 ккал•

Величина р/ для песков с естественной влажностью
ц' =0,5/п’4-тп1С = 0,5 • 50+1900 • 0,2 = 405 ккал/м3.

Второй член уравнения (51):

В’ = —- Г!е“аЛ;

го еа—1 1

В' =-т+ —+г+ 0,056е_°>0088’3 = 101 248 ккал.

0,5 е<ьо1б —1

Количество тепла, отдаваемое пескам естественной влажности,
<?1 = Л1Г0 - В' = 2 380 755 -101248 = 2 279 507 ккал.
Масса воды, заключенной в песках и суглинках, насыщенных водой при
30%-ном содержании ее, т2 = 300 кг.’ Вес твердых частиц

т2 = 0,7 • 2000 = 1400 кг/м3;

|12 = т2 + 300+1400 • 0,2 = 580 ккал/м3;

ря = 0,5^2 + ^2С = 0,5 • 300 +1400 • 0,2 -= 430 ккал/м3.

Коэффициент

aj = 2яХ А = 2. з,14 • 1,8 = 0,0915;

член

.428,5 ( = 14845470 ™«»;

член

Вг = ~ёо;Ьй?-1 0,056е-°-00821-17 = 159 573 ккал.

Количество тепла, огдаваемое суглинками и песками,
@2 = 14 845 470 ккал —159 573 ккал = 14 685 897 ккал.

Вес воды, заключенной в юрской глине при 18%-ном ее содержании, т3 =
= 180 кг, вес твердых частиц т3 = 0,82’2000 = 1640 кг.

р3 = 0,5тп3 + т 'с = 180+1640 • 0,2= 508 кка л/м3;

pj = 0,5m3 + тJc = 0,5 * 180 +1640 • 0,2 = 418 ккал/м3.

Коэффициент.

а, = 2 • 3,14-1,8 JL-0.027.

Член
(клол0,027 ’8_____________________л г . лол \

79 -180+ • J = 4102812 ккал.

Член

В3 = ~7^Г 0,056е“°’00824'6= 173 810 ккал.

* Количество тепла, отдаваемое юрской глиной,

<?з = л3го-В3 = 4102 812 —173 810 = 3 929 002 ккал.

Общее количество тепла, отдаваемое замораживаемыми грунтами,

<2 = <2х+<?2 + <?з = 2 279 507 +14 685 897 + 3 929 002 = 20 900 000 ккал.

Сравнивая этот результат с подсчетом по упрощенным формулам
(20 500 000 ккал), видно, что эти результаты очень близки между собою.

Подсчеты объемов замороженного грунта по отдельным пластам,
естественно, дают более точные результаты. По методу Лебретона,
общий объем составляет 622 м3, а по общепринятому 600 м3.

Из уравнения (45) видно, что первый член правой части уравне-
ea (/-1)

ния Vop ——- выражает собою количество тепла, отнимаемого от
грунтов в охлажденной зоне. Произведения р^_2 и т. д.

представляют частные количества тепла отдельных изотермических
зон. Холод, расходуемый на удаление этого тепла, по существу
является потерей, ибо затрата его не увеличивает прочности ледо-
грунтового ограждения, что является конечной целью заморажи-
вания грунтов. Необходимо также заметить, что эта потеря является
неизбежной в любом случае замораживания грунтов, так как в про-
тивном случае нарушилось бы тепловое равновесие.

Уравнение (45) позволяет более точно определить эту потерю холода. Под-
считаем ее для отдельных пластов грунта. В табл. 1 приведены величины, вычи-
сленные в предыдущих расчетах.

Таблица 1

Параметры Пески естественной влажности Суглинки Глина
Объем замороженных грунтов, м3 ... 78,5 428,5 120,6
Коэффициент р 430 580 508
Коэффициент а' 0,0162 0,0915 0,027
Начальная температура tr +8° С +8° С 4-8° С

Тепло, отдаваемое охлажденными песками,
(е0.0162-8_Л
91=72,5-430 е0,6162_1 =272781 ккал.

Тепло, отдаваемое охлажденными суглинками,

/е0,0915-8 _ Л \

q2 =428,5 • 580 > Г = 1 074 375 ккал.

Тепло, отдаваемое охлажденными юрскими глинами,

(е0,027-8—Л

<2з = 120,6 • 508 v -п 7"" = 475 283 ккал.
0" j _

Общее количество тепла, отнимаемого от охлажденных зон,

<2 = <21 + <?2 + Сз = 272 781 +1 074 375 + 475 283 1 822 439 ккал,

что составляет около 10% от общего тепла, отдаваемого грунтом.

Передача тепла от грунта к рассолу, движущемуся в заморажи-
вающих колонках, ограничена величиной боковой поверхности
замораживающих труб* Установлено, что 1 м2 боковой поверхности
замораживающей трубы при температуре рассола —20 — 25° С
может передать в среднем к = 225 4“ 250 ккал/ч.

Боковая поверхность замораживающих труб

S = ndNh, м2,

где d — внешний диаметр замораживающей трубы, м; N — число
замораживающих колонок: h — глубина (длина) замораживающей
трубы, м. - . '
Количество тепла, которое могут отнять замораживающие трубы
грунта (холодопроизводительность замораживающей станции нетто),

kS, ккал/ч.

Общую холодопроизводительность (брутто) Q6 замораживающей
станции определяют как сумму холодопроизводительности замора-
живающей станции нетто Qn и потерь холода в рассольной сети
и завораживающей станции /?2:

<?6 = <?h + #2, ккал/ч.

Потери холода Н2 в рассольной сети и замораживающей станции
принимают равными 20—25% от холодопроизводительности замора-
живающей станции нетто, т. е.

Я2 = (0,2-т- 0,25) (?н.

Время, необходимое на образование цилиндрического ледогрун-
тового ограждения вокруг шахтного ствола, определяют по
уравнению

сут’

или

2= «?«-«,) 24

Теплопередающая способность замораживающих труб в рас-
сматриваемых условиях

Qn - 3,14 • 0,112 • 24 • 25 == 47 665 ккал/ч.

Время, необходимое на образование ледогрунтового ограждения,

ГЛАВА II

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР

В ЛЕДОГРУНТОВОМ ОГРАЖДЕНИИ

Замораживание грунтов обычно осуществляют группой замора-
живающих колонок, расположенных на равных расстояниях одна
от другой. В этом случае процесс образования ледогрунтовых цилин-
дров до соединения их между собой мало чем будет отличаться от
процесса образования одиночных ледогрунтовых цилиндров.

В течение всего времени замораживания диаметры ледогрунтовых
цилиндров будут увеличиваться, пока не соединятся между собой.
В соответствии с этим будут изменяться и температурные поля
в пределах ледогрунтовых цилиндров. Изотермы ледяной зоны
будут непрерывно перемещаться в сторону охлажденной зоны. *
По мере нарастания ледогрунтовых цилиндров расстояния между
изотермами ледяной зоны будут увеличиваться. Однако температуры
стенок замораживающих труб (при неизменном режиме заморажи-
вания) и на границах ледогрунтовых цилиндров останутся постоян-
ными. В этот период изотермы в плане будут представлять собой
концентрические окружности, описанные вокруг осей заморажи-
вающих колонок..

Наконец, наступит момент, когда ледогрунтовые цилиндры сосед-
них замораживающих колонок сомкнутся, т. е. нулевые изоте'рмы
их встретятся.

Рис. 21. Изотермы в ледогрунтовом ограждении

После соединения смежных одиночных ледогрунтовых цилиндров
образуется сплошная ледогрунтовая стена, пограничные поверх-
ности которой будут иметь нулевые температуры. В стене ледогрун-
тового ограждения можно отметить три характерные вертикальные
плоскости, в каждой из которых температуры замороженного грунта
будут изменяться по собственному закону (рис. 21).

1. Плоскость I — I, проходящую через вертикальную ось замо-
раживающей колонки и перпендикулярную линии расположения
замораживающих колонок, называют главной.

2. Плоскость II — II, также перпендикулярную линии располо-
жения замораживающих колонок и проведенную на половинном
расстоянии между замораживающими колонками, называют зам-
ковой.

3. Плоскость III — III, проходящую через вертикальные оси
двух соседних замораживающих колонок, называют осевой, или
аксиальной.

§ 1. Распределение температур в главной плоскости

На рис. 22 показано распределение температур в главной пло-
скости в замороженном песке в различные периоды замораживания.
Как видно из рисунка, температурьгв главной плоскости изменяются
44
по логарифмическому закону. Температуры измерены при лабора-
торных исследованиях на гидроинтеграторе.

Естественная температура песка +24° С; температура охлажда-
ющего рассола —30° С. Диаметр ствола 6,5 м в свету и 7,6 м в про-
ходке. Проектная толщина стрны цилиндрического ледогрунтового
ограждения Е = 5 м.

Закон распределения температур в главной плоскости будет
такой же, как и в одиночном ледогрунтовом цилиндре, и выражается
уравнением

t-------(52а)

InA-

где t — температура замороженного грунта в рассматриваемом
пункте, °C;

tc — температура наружной поверхности стенки заморажива-
ющей трубы, °C;

d3 — диаметр ледогрунтового цилиндра, который он будет иметь,
при образовании ледогрунтовой стены толщиною Е
в замке, М.

Рис. 22. Распределение температур в глав-
ной плоскости в замороженном песке при
продолжительности замораживания, сут:

1 — 5,2; 2 — 19,3; 3 — 52,8; 4 — 107,8; 5 — 174,3;

6 — 374

Рис. 23. График зависимости
между толщиною ледогрунтовой
стены в замке и диаметром ци-
линдра

Как следует из уравнения (52а), линия температур в ледяной
зоне представляет собой логарифмическую кривую. Распределение
температур в ледогрунтовом ограждении не зависит от термофизи-
ческих свойств замороженного грунта.

Уравнение (52а) позволяет по заданной изотерме с температу-
. о d о

рои t определить расстояние этой изотермы а = ~ от осевой пло-
скости, где d — переменный диаметр в ледогрунтовом цилиндре,
равный 2 ч.
Решив уравнение (52а) относительно d, получим

но

ln4- = lnd3-lnd.
d 3

Следовательно, а

In d = In da—^ln#.
tc «1

Обозначив выражение In d3 — через В, получим d = ев .

Гс ®1

Соответственно

а=4=4еВ- <53>

Между толщиной Е ледогрунтовой стены в замке и диаметром
ледогрунтового цилиндра имеется следующая зависимость (рис. 23):

или Ъ = + (54)

где I — расстояние между замораживающими колонками.

При Е = 0 d3 = I = d2.

§ 2. Распределение температур в замковой плоскости

Замковая плоскость II — II (см. рис. 21) является границей
распространения холода от двух соседних замораживающих колонок.
Здесь изотермы встречаются. Таким образом, замковая плоскость
представляет собой геометрическое место точек, отстоящих на оди-
наковых расстояниях от осей замораживающих колонок. Следова-
тельно, любая точка на замковой плоскости должна удовлетворять
уравнению (53).

На рис. 24 показано распределение температур в замковой пло-
скости в замороженном песке через 200 сут после начала заморажи-
вания, когда была образована ледогрунтовая стена толщиной 5 м.

Определим зависимость между расстоянием b какой-либо изо-
термы, находящейся в замковой плоскости, от осевой плоскости
(линии III — III) и температурой замороженного грунта t (рис. 25).
Для решения поставленной задачи переменный диаметр d в числи-
теле уравнения (52а) выразим через величину Ъ.

Из треугольника ACD (см. рис. 25)

AD = УАСг + СО2.

Но AD = 4- (d — диаметр заданной изотермы); CD = 4; АС =
= ъ.
Подставив эти значения, получим

или

d=/4&2 + Z2.

Диаметр ледогрунтового цилиндра d3 при образовании ледо-
грунтовой стены в замке толщиной Е определяется по уравне-
нию (54).

Рис. 25. Схема к определению
температуры замороженного
грунта в замковой плоскости

Рис. 24. Распределение температур в зам-
ковой плоскости в замороженном песке
при продолжительности замораживания
200 сут

Заменяя в уравнении (54) величину d3 = 2г равной ей величиной,

получаем

tc 1П —у -'?-==-
У 4&2-Н2

(55)

Это уравнение позволяет определить температуру ледогрунтовой
стены в замковой плоскости в зависимости от расстояния b заданной
изотермы от осевой плоскости. На рис. 26 показано распределение
температур в замковой йлоскости, вычисленных по формуле (55}
для следующих условий: I = 1 м, Е = 3 м, tQ = —20° С, = 0,1 м.

В частном случае при й - 0 уравнение (55) примет вид:

*с1п-у-
При таком значении Ъ одноименные изотермы двух соседних
ледогрунтовых цилиндров встречаются между собой в осевой пло-
скости.

При b = т. е. на границе ледогрунтового ограждения урав-
нение (55) примет вид:

In л_±_

. , Vez+&

* — J

ln#
“1

Но так как VE* + Z2 = ds, то числитель

вид: In = 0. Соответственно t = 0° С, что
«3

выражения примет
соответствует дей-

Расстояния от осеВой плоскости, м

Рис. 26. График распределения температур замо-
роженного грунта в замковой плоскости
ствительности, так как на границе ледогрунтового ограждения
температура замороженного грунта равна нулю.
Уравнение (55) позволяет решить и обратную задачу: по заданной
изотерме t определить расстояние ее Ъ от линии замораживающих
колонок (от осевой плоскости). Решая уравнение (55) относительно fe,
получим

1п---4>-----.-=2- In #.

у 4fc2_|_/2 tc di

Обозначив выражение 1п~ через М> получим

*с

^3 __ qM

+ 1._Л

Соответственно

& = —1/ — Z2

° 2 I/ е2М L ’
Рассматривая диаграмму (рис. 26), нетрудно заметить, что закон
распределения температур в замковой плоскости приближенно можно
заменить уравнением прямой линии в прямоугольных координатах.

«с In у

Эта прямая отсекает на оси ординат отрезок tu = -------3—, а на оси

«1

* Е

абсцисс отрезок — .

Температура представляет собой температуру в точке пере-
сечения замковой и осевой плоскостей. Другими словами, она должна
одновременно удовлетворять уравнениям для определения темпера-
тур как в замковой, так и в осевой плоскостях.

Следует также заметить, что температура будет самой низкой
среди других температур в замковой плоскости.

Приближенное уравнение прямой распределения температур
в замковой плоскости будет иметь вид:

<=<«(‘-4)

<с In А
in А
®1

2Ь

(56)

При значении Ъ = (граница ограждения) значение t обра-
щается в нуль. При Ъ = 0 или Е = 0 уравнение (56) обращается
в уравнение (52):

_ с?.

Zcln-j2-
' = 'ц = —: 37-
1Л4

В приведенных выше рассуждениях не учитывалось влияние
соседней замораживающей колонки (интерференции) на формирова-
ние температурного поля в замковой плоскости. Этот пробел по-
пытался восполнить Б. В. Бахолдин, применив аналитическое реше-
ние И. А. Парного об интерференции идеальных скважин на основа-
нии принципа аналогии между тепловыми и гидравлическими
процессами. При этом были сделаны следующие допущения: заморо-
женный грунт является однородным и изотропным; нестационарный
(неустойчивый) тепловой режим в ледогрунтовом ограждении рас-
сматривается как последовательная смена стационарного состояния
(принцип Л. С. Лейбензона); волнообразные поверхности на грани-
цах ограждения заменяются плоскостями.

3 результате исследований Б. В. Бахолдиным получено уравне-
ние для определения температуры в ограждении в точке

4 Н. Г. Трупак

49
пересечения замковой и осевой плоскостей. Это уравнение имеет
вид:

лгз—у In 4

л. 4. " /СГ7\

где г[ — внешний радиус замораживающей трубы.

Для проверки полученной формулы Б. В. Бахолдин выполнил
экспериментальные исследования в специальном лотке для замора-
живания грунтов. Как он утверждает, значения, получаемые по
формуле (57), совпадают с экспериментальными данными.

Об этих экспериментальных исследованиях необходимо отметить
следующее. Полученные результаты не могут быть убедительными
по той причине, что исследования проводились в замораживающих
колонках очень малой высоты (1— 2 м). При такой высоте колонки
температура охлаждающего рассола в кольцевом пространстве за-
мораживающей колонки будет мало отличаться от температуры
рассола, поступающего в колонку.

При большой высоте замораживающей колонки температура
охлаждающего рассола в кольцевом пространстве колонки, а следо-
вательно температура стенки замораживающей трубы, будут отлич-
ными от температур при малой высоте колонки.

§ 3. Средние температуры замороженного грунта
в ледогрунтовом ограждении

Среднюю температуру замороженного грунта в ледогрунтовом
ограждении необходимо знать в двух случаях: при определении
прочных размеров ограждения (от степени понижения температуры
зависит прочность замороженного грунта, а от последнего — раз-
меры ограждения) и при определении теплосодержания заморажи-
ваемого грунта, от которого зависит продолжительность замора-
живания, а в конечном результате — стоимость образования
ледогрунтового ограждения.

Среднюю температуру замороженного грунта необходимо знать
в двух характерных плоскостях — главной и замковой.

Средняя температура замороженного грунта в главной плоскости.
Температуры замороженного грунта в главной плоскости опреде-
ляют по уравнению (52а). Для определения средней интегральной
температуры замороженного грунта в этой плоскости необходимо
найти определенный интеграл уравнения (52а) от г1 (внешнего радиуса
замораживающей трубы) до г3 — конечного радиуса замораживания,
и затем разделить его на выражение г3 — гх.

Определенный интеграл

Гз г3

Г t dr = [ —— In — dr,

A .mA r

Г1
или

[ ———(lnr3—lnr) =——— ( lnr3dr — [ Inrdr .

J In — In 2k J J

Г1 ln Г1 1П ri Ln n J

Заметим, что

j In r dr = r (In r — 1) + C,

т%е C — постоянная интегрирования.

f (Inr3-Inr)dr = -^r (lnr3(r3—rj—|r(lnr-l)|^| =
ln7? ln-7?

== {(r3 In r3—7-i In r3) — [r3 (In r3 — 1)—rj (In rt — 1)]} =

In-^-

Г1

= (r3 - rx In r3 + rx In 7-j — 7-j).

Соответственно средняя интегральная температура заморожен-
ного грунта в главной плоскости

«ср =----------— (г3 — гг In г3 + Г! In —rj. (58)

(ГЗ-Г1)1П-Й_

Как следует из уравнения (58), средняя интегральная темпера-
тура замороженного грунта в главной плоскости зависит от двух
основных факторов: температуры стенки замораживающей трубы tc
и наружного радиуса ледогрунтового цилиндра г3.При температуре
стенки замораживающей трубы tc = —20° С и радиусе заморажи-
вающей трубы гг = 0,05 м средние температуры замороженного
грунта £ср будут равны:

г3, м ...................................... 1,5 1 0,5

*ср, °C ...........................-5,4 -6 -7,5

Таким образом, при одной и той же температуре стенки замора-
живающей трубы средние температуры замороженного грунта будут
тем ниже, чем меньше радиус цилиндра замороженного грунта.

Для упрощения расчетов уравнение (58) можно преобразовать.
Второй и третий члены, заключенные в скобках, можно объединить,
т. е.

1п т*! — гг 1п г3 = 1п — .
Затем уравнение (58) можно представить в следующем виде:

^з —Г1

^ср —

Гх In —
г3

(59)

(Гз — п) In (r3 — rj) In

Логарифмические выражения в числителе и знаменателе второго
слагаемого этого уравнения можно разложить:

(60)

^Ср

1) 1п^- —1пгх—1пг3 и 2) 1п-“- = 1пг3—In/x
или

1п77 = ~(1пг1—lnr»)'

Оба этих выражения сокращаются, но знак перед вторым слага-
емым должен быть изменен с плюса на минус.

Тогда уравнение (59) примет окончательный вид:

1_______Г1

In Ll гз-г1

П
или

*ср = *с(т--Ц--------— V (60а)

СР С\1пг3 — 1пг1 Г3 — Г! / ' '

Как следует из уравнений (60) и (60а), средняя интегральная
температура замороженного грунта в главной плоскости зависит
от двух основных факторов: температуры стенки замораживающей
трубы /с и радиуса ледогрунтового цилиндра г3 (при гг и tc = const).

С увеличением радиуса замораживания г3 абсолютное значение
средней интегральной температуры замороженного грунта в главной
плоскости уменьшается и, наоборот, с уменьшением радиуса г3
абсолютное значение средней температуры замороженного грунта
будет увеличиваться.

Средняя интегральная температура замороженного грунта в глав-
ной плоскости не может быть больше половины температуры стенки
замораживающей трубы, т. е. средняя интегральная температура
приближается к своему максимальному значению при г3 = гх. При
таком значении г3 из уравнения (60) найдем, что £ср = оо, т. е.
неопределенность.

Для вычисления неопределенностей такого рода применяют пра-
вило Лопиталя. Вычисления предельного значения средней темпе-
ратуры замороженных грунтов по этому правилу, которые мы из-за
их сложности опускаем, показывают, что lim tc? ~ .

На рис. 27 приведена диаграмма изменения средней интегральной
температуры замороженного грунта £ср в главной плоскости, вы-
численной по уравнению (60) для радиусов замороженного грунта
от г3 = 0,06 до г3 = 1,5 м; внешний радиус замораживающей трубы
гг = 0,05 м, а температура стенки замораживающей трубы tc =
= —20° С. Из диаграммы видно, что при толщине кольца заморо-
женного грунта только в 1 см (г3 = 0,06 м) средняя температура
замороженного грунта £ср = —9,6° С. Даже при такой толщине
кольца средняя температура замороженного грунта

= —10° С, т. е. не достигает половины температуры стенок замора-
живающей трубы:

г3, м...................... 0,5 1 1,5

*ср, °C.................... —6,4 -5,6 -5,3

Рис. 27. , График измене-
ния средних интегральных
температур £ср заморожен-
ного грунта в главной
плоскости в зависимости
от радиусов ледогрунтовых
цилиндров и температуры
стенки tc замораживающей
трубы:

1 — tc = —20° С; 2 — Г =
• = —40° С; 3 — = —60° С.

На той же диаграмме приведены средние температуры заморо-
женного грунта в главной плоскости при температурах стенки
замораживающей трубы —40 и —60° С.

Из диаграммы видно, что значения средней интегральной темпе-
ратуры замороженного грунта понижаются прямо пропорционально
понижению температуры стенки ^замораживающей трубы, а сле-
довательно понижению температуры охлаждающего рассола tu

С понижением температуры tL охлаждающего рассола в замора-
живающей колонке радиус распространения холода г3 и соответ-
ственно толщина стенки ледогрунтового ограждения за один и тот же
промежуток времени будут увеличиваться прямо пропорционально
температуре охлаждающего рассола tt. Или при одной и той же
толщине стенки ледогрунтового ограждения прочность ее будет тем
выше, чем более низкую температуру будет иметь охлажденный
рассол.

Следовательно, для получения ледогрунтового ограждения тре-
буемой прочности при меньшей толщине его на больших глубинах
необходимо применять охлаждающий рассол с более низкой темпе-
ратурой, чем при проходке шахтных стволов малой и средней
глубины.

Средние температуры замороженного грунта в главной плоскости
определялись М. Е. Степановой. При решении задачи температурное
поле ледогрунтового ограждения рассматривалось как стационарное,
а распределение температур в ограждении подчиняется уравнению
Лапласа:

d*t I ^2t

, (61)

Граничные условия: на границе ограждения £ = ±0°С; у по-
верхности замораживающей трубы t = tCT.

Для решения уравнения (61) был применен метод конечных
разностей. Задача решалась на электронно-вычислительной машине
«Урал-2». Замороженный грунт рассматривался как изотропное
тело. На основании этих расчетов предложено уравнение для опре-
деления средней температуры ограждения в главной плоскости

• «ср. гл = «ст (0,42 + 0,06-^--0,15-^4-0,334- + 0,01ЛЕ), (62)

где I — расстояние между замораживающими колонками, м;

— диаметр замораживающей трубы, м;

R — радиус окружности расположения замораживающих коло-
нок, м;

— толщина ледогрунтового ограждения во внешнюю сторону
от окружности расположения замораживающих колойок, м;
hE — толщина ограждения во внутреннюю сторону от кольца
колонок, м.

Уравнение (62) справедливо для следующих пределов изменения
независимых параметров:

О^^Г^0-16: 0,15^-4^0-60;

0,06^-4^0-24; 1,00^-4 45.

Необходимо заметить, что результаты, получаемые при решении
уравнения (62), оказываются завышенными, так как уравнение
Лапласа решалось приближенным методом.

Средняя температура замороженного грунта в замковой плоскости
имеет важное значение: участки ограждения в замковой плоскости
являются наиболее ответственными звеньями ледогрунтового огра-
ждения. Следовательно, расчет толщины стены ледогрунтового
ограждения необходимо вести на этих участках. С другой стороны,
прочность замороженного грунта зависит от температуры, до которой
он охлажден. Поэтому чем точнее будут определены значения средних
температур в замковой плоскости, тем надежнее будет ледогрунтовое
ограждение.

Распределение температур замороженного -грунта в замковой
плоскости изменяется согласно уравнению (55), а температура грунта
в точке пересечения осевой и замковой плоскостей оцредёляется
по уравнению (52а).
Как показано было выше, с достаточной для практических целей
точностью изменения температур замороженного грунта в замковой
плоскости можно принять по линейному закону [уравнение (56)].

Средняя температура замороженного грунта в замковой пло-
скости определится как полусумма температур tQ = 0° С — на гра-
нице ограждения и £ц, определяемой по уравнению (56)

_ '«‘"т

2 -21ПЛ

“1

(63)

Температуры замороженного грунта в замковой плоскости опре-
делял Б. В. Бахолдин. Распределение температур в этой плоскости
он также принимал по линейному закону. В соответствии с этим
средняя температура замороженного грунта в замковой плоскости
равна половине температуры в осевой плоскости, определяемой
по уравнению (57), т. е.

«ср. 3 = 4- <64>'

Для определения средней температуры замороженного грунта
в замковой плоскости М. Е. Степанова предложила уравнение

«ср. 3 = «ст (о,40 4- 0,09 - 0,26 +0,42 ± +0,03 . (65)

Уравнение (65) справедливо для следующих пределов изменения
независимых параметров:

0,06 ==: 0,24.

ГЛАВА III

ПРОЧНОСТИ ЗАМОРОЖЕННЫХ ГРУНТОВ

§ 1. Образование замороженного грунта

Замораживание кварцевого песка, насыщенного водой, по ,Крек-
леру (Krekler) происходит следующим образом. Охлаждаясь
от первоначальной положительной температуры до +4О С, песчинки
кварца, а также находящиеся между ними частицы воды сокра-
щаются в объеме, причем вода сокращается сильнее кварца. Суще-
ственного изменения в структуре грунта не происходит. Однако
вода вследствие большого сокращения своего объема уже не будет
заполнять все пустоты (если не будет притока ее извне). Подчиняясь
силе сцепления, вода держится еще на песчинках.

При охлаждении от +4° С до ±0° С частицы кварца продолжают
все больше и больше сокращаться в объеме, в то время как вода
начинает расширяться, заполнять пустоты и даже отчасти стекать
(подъем воды в контрольной скважине).

При замерзании (температура около ±0° С) выделяется скрытая
теплота воды. Этот процесс протекает в течение длительного вре-
мени. Происходящее в это время превращение воды в лед связано
с увеличением объема льда, между тем как песчинки кварца остаются
без. изменений. Лед, все больше расширяясь, будет оказывать давле-
ние на кварц и вдавливаться в промежутки между песчинками. Бла-
годаря этому уменьшится поверхность соприкосновения между
отдельными песчинками, а следовательно и трение между ними.
Внутреннее трение между песчинками исчезло бы совершенно, если
бы лед вдавился в промежутки настолько, что отдельные песчинки
перестали бы соприкасаться между собой. Но такое явление может
произойти лишь при избытке воды. В таком случае прочность замо-
роженного грунта определялась бы прочностью льда.

При охлаждении кварцевого песка ниже ±0° С кварц и лед
сокращаются в объеме. Плотйость каждого из этих тел увеличи-
вается, причем плотность льда — в гораздо большей степени, чем
кварца: коэффициент объемного расширения (сужения) кварца
0,000042, льда 0,000113. Благодаря этому песчинки кварца снова
приближаются друг к другу, трение увеличивается, и прочность
замерзшего песка возрастает.

Чем сильнее охлаждается кварц, тем больше сближаются его
частицы, а, следовательно тем большими становятся трение между
частицами и его прочность в замороженном состоянии. Уменьшение
объема льда по сравнению с уменьшением объема твердого тела
будет значительным, но не дойдет до такой степени, что наступит
разрыхление всего состава грунта, что может быть при малом содер-
жании воды в грунте.

Содержание воды в грунте, близкое к состоянию насыщенности,
т. е. когда все поры грунта заполнены водой, — наиболее благо-
приятное условие для прочности замороженного грунта. Однако
вследствие высоких теплоемкости, скрытой теплоты и относительно
высокой теплопроводности вода замерзает медленно. Присутствие
гравия и валунов в грунте способствует ускорению замерзания.

В отношении замерзания глина занимает промежуточное место
между чистой водой и песком.

Скальные горные породы, содержащие воду большей частью
в узких трещинах, замерзают быстрее, чем неустойчивые водонасы-
щенные грунты. Исключением из этого являются карстовые изве-
стняки, ангидриты и гипсы, содержащие иногда значительное коли-
чество воды в пустотах (карстах), являющихся аккумуляторами воды.

Замороженные грунты состоят из твердых частиц, льда и не-
замерзшей связанной (пленочной) воды. Такое состояние заморо-
женного грунта определяет его физико-механические свойства.
В замороженном грунте лед играет роль цементирующего вещества.

Лед состоит из кристаллов и обладает большой способностью
изменять свою форму, не теряя связи между отдельными кристал-
56
лами. Высокогорные ледники движутся в долинах подобно рекам,
причем лед полностью приспосабливается к форме долины. Такое
поведение льда объясняется его пластическими свойствами.

Лед способен переносить сравнительно быстрые деформации.
Трещины в ледниках наблюдаются только в резких изгибах долины.
В таких местах лед разбивается трещинами и разрывается на отдель-
ные куски. Однако, если затем куски льда будут лежать продолжи-
тельное время рядом, не подвергаясь деформациям, они снова смер-
заются. Под давлением куски льда смерзаются быстрее.

Таким образом, лед не является абсолютно твердым телом. Даже
при малом давлении он проявляет свойства пластичности, т. е.
изменяет форму или течет, не превращаясь в жидкость. Куски льда,
замороженного до температуры —20° С, пропускали через штангу
под давлением 20 кгс/см2. Лед проходил через штангу без признаков
таяния его.

При некотором определенном давлении кристаллы льда могут
двигаться один относительно другого, не отделяясь друг от друга,
а лишь несколько смещаясь. •

Силы сцепления льда с твердыми частицами грунта значительно
больше внутренних сил сцепления отдельных кристаллов льда
между собою.

Если, например, на камне образовались наросты льда, то раз-
ломать лед легче, чем отделить его от камня. На камне останется
тонкая пленка льда, на отделение которой от камня необходимо
затратить значительно большие усилия^ чем для отделения кусков
льда от общей массы его.

Этим фактом отчасти можно объяснить значительное увеличение
прочности замороженного, неустойчивого в естественном состоянии
грунта. Однако при этом поры между отдельными твердыми части-
цами не должны быть чрезмерно большими. Идеальной величиной
пор в этом случае была бы такая, при которой в промежутках между
твердыми частицами образовался только один кристалл, который
во всех направлениях связывался бы с твердыми частицами грунта.
Этому условию отчасти удовлетворяют грунты, состоящие из тонко-
зернистого материала и насыщенные водой, например песок.

Температура кристаллов льда является одним из важных факто-
ров прочности замороженного грунта.

При переохлаждении воды лед образуется неравномерно, проис-
ходит внезапный переход сравнительно больших количеств воды
в лед. После этого льдообразование на некоторое время прерывается.
Образовавшийся таким способом лед имеет тонкокристаллическую
структуру и поэтому имеет большую прочность, чем лед, полученный
при температуре ч- 0° С.

§ 2. Прочности замороженных грунтов

Первые лабораторные опыты по исследованию предела прочности
замороженных грунтов на сжатие были произведены в 1887 г. фран-
цузским инженером Альби (Alby). Опыты проводились как с чистыми
Грунт Составные части, г Предел прочности на сжатие (кгс/см2) при температуре, °C
песок глина вода -14 -15 -17
Насыщенный водой песок 1000 — 165 131 — 150
Песок 1000 200 138-144
1000 — 50 43-48 — —
Глинистый 1000 500 500 74 104
песок 1000 333 333 — — 109-113
1000 200 2000 — 84-104 118-122
1000 125 125 — 93-104 118-122
1000 100 100 — 104 122-130
1000 50 50 .— 84-104 —
Глина — 1000 1000 78 84-100
Песчаная 1000 2000 2000 94
глина 1000 1000 2000 — — 104

песками и глиной, так и с их смесями. Результаты опытов сведены
в табл. 2.

В этих опытах песок оказывался насыщенным при содержании
166* частей воды на 1000 частей песка. При большем содержании
воды наблюдалось перенасыщение песка.

Максимального предела прочности на сжатие замороженный
песок достигал в состоянии насыщения (175—200 кгс/см2) при темпе-
ратуре —25° С. С уменьшением содержания воды пределы прочности
на сжатие замороженного песка уменьшались.

Предел прочности на сжатие чистого льда составлял 20 кгс/см2.
При этом при раздавливании он имеет стеклообразный излом.

Было установлено, что сопротивление на сжатие замороженного
грунта прямо пропорционально содержанию воды в нем — до пре-
дела насыщения грунта водой.

Смеси, содержавшие воду и глину по весу больше, чем песка,
имели пределы прочности примерно такие же, как и предел прочности
чистой глины, так как зерна песка тонули в грязеобразной массе,
не изменяя условий ее сопротивления. Предел прочности на сжатие
этих грязеобразных масс равнялся около 2/3 предела прочности
на сжатие замороженного песка. Сопротивление смеси возрастало
по мере увеличения в ней песка.
Предел прочности замороженного грунта на сжатие ас является
функцией температуры и других факторов. В общем виде эту зависи-
мость можно представить следующим уравнением:

ас — —otf2 -|~ С >

где t — температура замораживания грунта ниже нуля, °C;

а, р и С — коэффициенты.

На основании своих исследований Альби предложил следующую
формулу для определения предела прочности на сжатие заморожен-
ного, насыщенного водой песка:

ос = — 0,153tf2 4 1U + 20, кгс/см2,
где ас — предел прочности на сжатие на-
сыщенного водой песка, кгс/см2;

t — абсолютная величина темпера-
туры замораживания, °C.

.Кривая прочности замороженного во-
доносного песка, определенной по приве-
денной формуле, представлена на рис. 28.

Нами предлагается более простая, но
достаточно точная формула (прямая АБ)
ас = 8t + 20, кгс/см2.

Прочность замороженных грунтов
изучают на образцах их, создавая задан-
ное напряженное состояние. Испытания
наиболее часто выполняют на образцах
цилиндрическойилипризматическойформы
в условиях одноосного сжатия, растяже-
ния, среза и изгиба а также в условиях
сложного (трехосного) напряженного со-
стояния.

Z7 ~5 -10 -15 -20 -25
Температура, °C

Рис. 28. График зависимо-
сти предела прочности на
сжатие замороженного
песка от температуры

При испытаниях замороженных грунтов необходимо иметь в виду,
что результаты испытаний будут тем ближе к истине, чем большими
будут размеры испытуемого образца. Это объясняется тем, что тела
с большими размерами медленнее теряют свой холод. Рассуждая
таким образом, можно предположить дальше, что действительная

Таблица 3

Грунт Предел прочности на сжатие (кгс/см8) при температуре замораживания, °C Грунт Предел прочности на сжатие (кгс/см2) при температуре замораживания, °C
-25 | -15 -25 | -15
Песок, насыщенный Чистая глина . . 72
водой 200 138 Чистый лед . . . — 18
Песчаная глина — 90
прочность ледогрунтового ограждения должна быть выше, чем это
может быть определено испытанием образцов.

Более поздние исследования пределов прочности на сжатие
разных замороженных грунтов были проведены Церингером; резуль-
таты этих исследований приведены в табл. 3.

Результаты определения пределов прочности на сжатие для
грунтов одного из портов представлены в табл. 4.

Таблица 4

Грунт Составные части, г Предел прочности на сжатие (кгс/см2) при температуре замораживания, °C
вода песок -20 1 -16 | -10
Остроугольный песок водонасыщенный . . . 165 1000 141 133 87
насыщенный на 3/4 124 1000 136 106 77
насыщенный на 1/2 . . 83 1000 109 62 52
Мелкий песок, поднятый земле- черпалкой 165 1000 185 163 142

Помещение, в котором проводили испытания грунтов, охла-
ждали до —16° С.

Пределы прочности на сжатие замороженного песка в зависи-
мости от содержания воды в нем и крупности зерен песка были
определены Крек лером (табл. 5).

Таблица 5

Грунт г 0 Гредел прочности на сжатие (кгс/см2) при температуре замораживания, °C
1 -10 | -15 1 ~25 —47
Чистый лед 18 37
Насыщенная водой чистая глина — 55 72 95 —
Насыщенный водой мелкий песок — 87 133 152 190
Насыщенный водой чистый кварцевый песок . Насыщенный водой средний и мелкозернистый 20 120 — 200 —
песок — — 138 200 —
На 3/4 насыщенный водой мелкий песок . . . — 77 106 147 —
На !/2 насыщенный водой мелкий песок . . . — 52 62 120 —
1 кг песка крупностью 0,8 мм и 200 г воды — — 77 — —
1 кг песка той же крупности и 150 г воды — — 17 — —
1 кг песка той же крупности и 100 г воды — — 17 — —
Мелкий песок, насыщенный соляным раствором — — 124 — 188

Интересные опыты по определению пределов прочности на сжатие
замороженных глин были проведены Грюном. Для своих опытов
он изготовил из глины три кубика размерами 7x7x7 см. Два
кубика подвергались охлаждению при температуре —8° С в течение
3 недель. Третий кубик лежал в течение этого же промежутка вре-
мени в помещении с комнатной температурой и поэтому потерял
60
влагу. Затем кубики подвергались раздавливанию. Пределы проч-
ности на сжатие замороженных кубиков оказались 37 и 38 кгс/см2,
незамороженного 42 кгс/см2. Эти опыты показывают, что сопроти-
вление сжатию замороженной глины на 10% меньше по сравнению
с глиной, потерявшей влагу.

Предел прочности на сжатие незамороженной глины изменяется
в зависимости от содержания воды. Так, например, глина с удельным
весом сухого вещества 2,93 имела следующие пределы прочности
на сжатие:

Влажность, % ..........3 14 12,3 14,6 23,2 26,9

Пределы прочности на сжа-

тие, кгс/см2...........37,8 30,8 40,0 32,0 6,2 1,86

Таким образом, в результате замораживания прочность глины
при высоком содержании влаги значительно увеличивается и при-
ближается к прочности незамороженной глины влажностью 3—15%.

На основании своих исследований Вальбрекер (Walbrecker)
предложил следующую формулу для определения пределов прочности
на сжатие замороженных грунтов:

сгс = а0, кгс/см2,

где а — постоянный коэффициент прочности грунта;

0 — температура охлаждения, °C.

Постоянный коэффициент прочности грунта (кгс/см2) для разных
грунтов равен следующим величинам:

Лед .............................................

Бурый уголь, насыщенный водой....................

Чистая глина, насыщенная водой '.................

Чистый песок с размерами зерен, мм:
0,8.............................................

0,5........................................

0,2........................................

50% песка с размерами зерен 0,8 мм +50% глины . .
Мелкозернистый плывун ...........................

Песок ..........................................

Крупные валуны...................................

Гравий ..........................................

Песчаный гравий......................... . . . .

0.7-0,8
1

1,5

1,9

2,3

2,5

2,6

2,7

3,4

4,2

4,8

Малые коэффициенты прочности а для льда, бурого угля и чистой
воды привели Вальбрекера к мысли, что понижение температуры
грунта не окажет существенного значения на увеличение сопроти-
вления их сжатию. Следует также отметить, что прочность других
замороженных грунтов, вычисленная по формуле Вальбрекера,
резко отличается от прочности замороженных грунтов, полученных
в результате опытов всех других исследователей.

В СССР прочность замороженных грунтов определялась в лабо-
ратории чл.-корр. Н. А. Цытовича. Образцы грунтов, применяв-
шихся для испытания на сжатие, замораживали при заданной тем-
пературе и затем выдерживали их при этой температуре в течение
нескольких часов до испытаний. Предел прочности на сжатие опре-
деляли на кубиках замороженного грунта с ребрами 5 см. Результаты >
испытаний (средние арифметические из трех отдельных определений)
сведены в табл. 6 и 7.

Таблица 6

Грунт Температура образца, °C Весовая влажность, % Предел прочности на сжатие, кгс/см2 Грунт Температура образца, °C Весовая влажность, % Предел прочности на сжатие, кгс/см2
Песок -9,0 16,8 . 127 Глина -8,2 54,6 45
-3,4 17,2 67 -3,4 53,7 23
—2,9 17,0 64 -1,5 54,0 13
-0,5 18,1 9 -0,5 55,2 9
Пылеватый —10,3 27,1 ' 128
песок -5,1 28,2 78
—1,8 30,0 36
-0,5 27,6 9

Таблица 7

Грунт - Температу- ра, °C Весовая влажность, % Предел прочности на сжатие, кгс/см2 Грунт Температу- ра, °C Весовая влажность, % Предел прочности на сжатие, кгс/см2
Глинистый -0,6 -5,1 —10,6 -15,3 -5,0 -4,6 11,5 11,7 11,0 11,1 21,2 25,8 14,3 56,3 78,8 96,9 44,0 40,8 Супесчаный 1 1 .1 1 1 СЛ СЛ 4Х ЬЭ^'^'сл CD 6,0 9,3 11,0 11,7 20,8 9,1 48,0 55,5 56,3 39,5

-4,8 30,6 36,5 Пылевато- -4,7 30,1 30,2
-4,6 34,9 33,7 илистый -5,0 36,5 27,4
-4,9 49,5 31,0 -4,6 42,1 26,4
-4,9 ’ 58,2 26,1

Приведенные в таблицах данные показывают, что наибольшей
прочностью обладают замороженные песчаные грунты, наимень-
шей — глины. Промежуточные значения между ними занимают
супесчаные и суглинистые грунты.

Пределы прочности на сжатие льда составляют 10 кгс/см2 при
температуре —15° С и 37 кгс/см2 при температуре —47° С.

Пределы прочности на сжатие замороженных песков и глин
определяли в лаборатории кафедры «Строительство подземных соору-
жений и шахт» Московского горного института.
Грунт Пористость, % Весовая влажность, % Ct ct
Песок средней крупности 38 10,0 11,2 17,1
16,7 21,9 21,5
22,5 37,6 21,6
Пылеватый песок 42 8,1 5,1 2.3
15,0 8,6 3,3
23,0 11,5 5,2
Глина 40 8,0 5,9 2,0
14,7 10,2 3,1
24,0 15,7 3,5

На основании этих исследований предложены уравнения для
определения пределов прочности на сжатие ас замороженных

Температура, °C

Рис. 29. График зависимости предела проч-
ности при одноосном сжатии замороженных
грунтов от температуры:

1 — насыщенный водой песок; 2 — глинистый песок;
3 — глина

грунтов:
для песков средней

крупности

ас = + С2 кгс/см2;

для пылеватых песков
и глин

ac = Cl + C2t, кгс/см2,
где Сг и С2 — коэффици-
енты, принимаемые в за-
висимости от пористости
и влажности грунта со-
гласно данным табл. 8;
t — температура замора-
живания грунтов, °C.

На рис. 29 показано изменение предела прочности на одноосное
сжатие замороженных грунтов.

Пределы прочности на сжатие замороженного и разрушенного
до измельчения доломита определяли при сооружении гидротехни-
ческого тоннеля в горах Швейцарии. 34 образца доломита в виде
цилиндров диаметром 70 мм и высотой 150 мм замораживали при
температурах —28, —18, —10, —8 и —4° С и разрушали с различ-
ными скоростями нагрузки: 5; 1 и 0,2 мм/мин.

Полученный при испытании замороженных образцов средний
предел прочности на сжатие приведен в табл. 9.

При определении прочных размеров толщины стены ледогрунто-
вого ограждения допускаемое напряжение на сжатие грунта, заморо-
женного при температуре от 15 до 20° С, принимали равным
30 кгс/см2.
Температура, °C Предел прочности на сжатие (кгс/см2) при скорости нагрузки, мм/мин Температура, °C Предел прочности на сжатие (кгс/см2) при скорости нагрузки, мм/мин
5 ‘ 1 0,2 5 ‘ 1 0,2
-28 99 От —7 до —8 51 21 10
От —17 до —18 80 53 20 От —4 до —5 41 —>. 9
-13 62 45 12

Пределы прочности замороженных грунтов на растяжение. Со-
гласно опытам, ледяной стержень при испытании на растяжение
под действием нагрузки 1 кгс/см2 в течение 7 дней растягивался
на 0,022 своей длины. Температура льда была близкой к нулю.

Было также установлено, что при нагрузке 1,5 кгс/см2 удлинение
образца льда достигало 0,0633 мм. Стержень разрывался при на-
грузке 2,5 кгс/см2, растягиваясь на V5000 своей длины. Предел проч-
ности на растяжение льда составлял 7—8 кгс/см2.

Результаты исследований сопротивления замороженных грунтов
на растяжение при температурах от —11 до —15° С приведены
в табл. 10.

Таблица 10

Составные части грунта, г Предел прочности на растяже- ние, кгс/см2 Составные части грунта, г Предел прочности на растяже- ние, кгс/см2
песок глина вода песок глина. вода
1000 200 32-43 1000 10
1000 — 165 25-34 1000 500 500 16-19
1000 — 100 22-28 — 1000 1000 11,5-13
1000 — 50 3,5

Песок, насыщенный водой, при температуре около —12° С ока-
зывал сопротивление растяжению до 40 кгс/см2, при избытке воды —
до 30 кгс/см2; при уменьшении содержания воды ниже состояния
насыщения, например до 2/3, или 100 г на 1 кг песка, сопротивление
растяжению изменилось в отношении 3 : 2 или в количественном
выражении снижалось до 25 кгс/см2. Смесь из 1 кг песка и 50 г
(около х/з) воды оказывала очень слабое сопротивление: из восьми
проб большая часть разрушалась уже в момент укрепления их в при-
боре. Смесь глины с равным весом воды при температуре от —11
до —15° С имела пределы прочности на растяжение 11—13 кгс/см2.
Брикет из непрозрачного льда при той же температуре имел пре-
дел прочности на растяжение 10 кгс/см2. По другим исследованиям
предел прочности на растяжение такого льда составляет 10—
19,5 кгс/см2.
Результаты опытов по определению сопротивления замороженных
грунтов на растяжение приведены в табл. 11.

Таблица И

Грунт Составные части грунта, г Предел прочности на растяжение (кгс/см2) при температуре замораживания, °C
вода | песок —20 -16 -10
Илистый 39 - 33 22
Остроугольный песок, насыщен-
ный водой:
полностью 165 1000 52 39 20
на 3/4 124 1000 23 22 15
на Vs 83 1000 33 16 7

Смесь, состоящая из равных частей воды и глины, имеет почти
такое же сопротивление растяжению, как и лед. Присутствие песка
в смеси повышает прочность замороженного грунта. Сопротивление
разрыву чистой жирной глины равно половине сопротивления насы-
щенного водой песка.

Предел прочности на растяжение незамороженной глины, по
данным Терцаги, составляет в среднем 0,12 кгс/см2. Таким образом,
холод увеличивает сопротивление растяжению глины почти в 100 раз.

Сопротивление растяжению замороженных грунтов по аналогии
с предыдущим зависит от температуры замораживания (с пониже-
нием температуры ее сопротивление увеличивается), гранулометри-
ческого состава (пески имеют большее сопротивление, чем,
например, илистый грунт); с увеличением содержания воды в песке
(до определенного предела) прочность его также увеличивается.

Пределы прочности на растяжение замороженных грунтов
составляют х/з—их сопротивлений сжатию.

Как показано было выше, сопротивления разрыву замороженной
горной породы значительно меньше сопротивлений их сжатию.
Этот факт объясняется тем, что при сжатии замороженной горной
породы твердые частицы породы сближаются между собой и вклю-
чаются в работу — происходит упрочнение материала.

Наоборот, при растяжении замороженных горных пород внешняя
нагрузка воспринимается только силами молекулярного притяжения
между частицами породы, льдом и пленочной водой, т. е. силами,
сопротивляющимися сдвигу.

Предел прочности льда на изгиб определялся проф. Скраутаевым.
Испытанию подвергались призмы с поперечными размерами 15 X
X 15 см и длиной 120 см при расстоянии между точками опоры
100 см. Призмы были изготовлены из чистого льда, а также из смесей
воды, песка и гравия. С целью выяснения влияния дерева как рабо-
чей арматуры проводили также опыты с замороженным грунтом,
армированным деревом. Результаты этих испытаний приведены
в табл. 12.

5 Н. Г. Трупак

65
Состав смеси Содержание воды, % Предел прочности на изгиб ди, кгс/см2 Разруша- ющее усилие Примечание
Р , кгс/см2
Вода 100 18,4 235 Сопротивление на сжатие (Ус = 46 кгс/см2
Вода + песок 21 26,6 570 ас = 122 кгс/см2
То же 30 38,5 870 (Ус = 158 кгс/см2
Вода + песок + деревянная арматура при поперечном сечении ее, см2: 30 Разрушение про- исходило за счет
2,36 — Р = 1000 растяжения ниж-
1,92 — Р = 1020 них волокон и
2,06 — Р = 1110 выдергивания арматуры
Вода + песок + деревянная арматура при поперечном сечении ее, см:2 20 — —
2,76 — Р = 1410
3,59 : . — Р = 1420
2,61 — Р = 1490

Как и в предыдущих случаях, лед обладает наименьшим сопро-
тивлением изгибу (аи = 18,4 кгс/см2). Сопротивление изгибу грунта
повышается пропорционально содержанию воды в нем: при 21%
аи = 26,6 кгс/см2, при 30% аи = 88,5 кгс/см2. «Ледобетон».(вода <
+ песок + гравий) обладает еще более высоким сопротивлением,
достигающим 47 кгс/см2. Добавление к грунтам деревянной арматуры
увеличивает их прочность.

Изучением предела прочности замороженных грунтов на сдвиг
занимался М. Л. Шейков. Исследованию подвергались глинистый
и супесчаный грунты со следующими характеристиками. Удельные
веса соответственно 2,72 и 2,65 тс/м3, полные влагоемкости (т. е.
влажности при насыщенности водой) — 43,8 и 25,7%. Механический
состав глинистого грунта: частиц класса <0,005 мм 36,4% , от 0,01
до 0,005 мм 49,8%, более крупных — от 0,01 до 0,25 мм 13,8%.
Механический состав супесчаного грунта: фракций >0,25 мм 39,8%,
от 0,25 до 0,05 мм 28,7% , <0,05 мм 31,5% • Объемный вес грунтов
при изготовлении образцов: глинистого — 1,7-тс/м3, супесчаного —
2,04 тс/м3. Результаты определений пределов прочности заморожен-
ных грунтов на сдвиг при различных температурах и влажности
приведены в табл. 13.
Грунт Темпера- тура, °C Влаж- ность, % Предел прочности на сдвиг, кгс/см2 Грунт Темпера- тура, °C Влаж- ность, % Предел прочности ' на сдвиг, кгс/см2
Глини- -0,4 45,5 3,7 Супес- —0,4 18,4 4,9
стый —1,8 50,6 17,2 чаный -0,9 17,8 10,6
-3,0 49,8 20,9 -3,1 19,1 21,8
-4,9 44,0 24,3 —6,7 19,0 44,2
-6,3 42,0 28,5 —8,5 16,2 47,5
—6,8 45,9 33,5 — -9,3 19,0 48,5
—2,0 22,9 7,6 -2,0 23,3 11,3
-2,0 46,2 13,8 -2,0 13,2 11,2
-2,0 33,1 11,6 -1,8 16,6 12,1
-4,5 54,4 27,0 —4,7 25,1 25,1
—4,0 46,8 19,4 -4,4 20,3 21,2
—4,9 30,7 18,2 -4,0 16,4 19,2
-0,2 50,5 1,8 —4,5 14,1 15,7
-0,2 29,8 2,8
Илистый -1,5 35,1 9,0
-2,0 30,7 12,2
-2,0 23,2 9,2
-1,8 21,8 9,2

В зависимости от температуры лед имеет следующие пределы
прочности на сдвиг

Температура, 9С . . О —0,4 —2,9 —4,4 —6,1 —10,1

Предел прочности

на сдвиг, кгс/см2 9,9 11,0 27,4 32,5 38,5 56,2

Предел прочности замороженных грунтов на сдвиг при кручении
при более низких температурах, установленный Н. А. Цытовичем,
приведен в табл. 14 и показан на рис. 30.

Таблица 14

1 Грунт Температура образца, °C Скорость возраста- ния нагрузки, кгс/см*/мин Предел прочности на сдвиг при кручении, _ кгс/см*
Песок -11 —10,5 -2,6 1,4-1,5 1,4—1,5 -15 47,6 47,7 24,4
Пылеватый -9,5 —6,0 -2,9 1,4-1,5 1,4—1,5 1,4—1,5 39,7 27,7 16,5
Глина —10 -5 -1,9 I-»» к* 1 1 1 l-* Ь* h* сл’сл'сл 18,4 11,4 . 6,8
Пределы прочности замороженных грунтов на срезывание соста-
вляют 20—30% от пределов прочности замороженных грунтов на

одноосное сжатие.

Сопротивление срезыванию незамороженной песчаной глины,
по Терцаги, составляет 0,152 кгс/см2, желтой глины с удельным
весом 2,7 и пористостью 0,32 0,286 кгс/см2. Сопоставляя эти цифры

Рис. 30. График зависимости предела
прочности на сдвиг при кручении замо-
роженных грунтов от температуры:

с данными приведенной выше
таблицы, заключаем, что проч-
ность замороженной глины уве-
личивается в 20—100 раз по
сравнению с незамороженной.

Модуль Юнга и коэффициент
Пуассона. Модули Юнга Е и
коэффициенты Пуассона р. для
различных замороженных грун-
тов при температурах от ±0
до —10° С при нагрузках от
2,5 кгс/см2 определены Н. А. Цы-
товичем и Н. С. Вологдиной.
Зависимость между модулем
Юнга и температурой замора-
живания может быть выражена
общим уравнением

£ = a4-pf,

1 — замороженный песок; 2 — замороженный

пылеватый грунт; з — замороженная глина где а и [$ — постоянные коэф-
фициенты для данного грунта;

t — абсолютное значение температуры замораживания, СС.

Уравнения модулей Юнга, а также полученные значения его
в зависимости от температуры замораживания сведены в табл. 15.
Модули Юнга для льда (для температур до —3° С) могут быть вы-
числены по формуле Крейгера:

Е == ДО4 (5,0 + 0,1£), кгс/см2.

Таблица 15

Грунт Влаж- ность, % E=a+$t, кгс/см2 Е (кгс/см1) при температуре, °C
-7 1 | -4 1 - -1
Песок 22 Е = 10* (0,5 + 2,18i) 92 200 26 800
Супесь 23 Е = 104 (0,6. + 0,80г) 62 000 38 000 14 000
15,7 Е = 10* (0,05 + 0,750 — — —
Пылевато- 26 Е = 104 (0,5 + ОДП) 12 700 9 400 6100
илистый 28,5 Е = 104 (0,15 + 0,360 — — —
Глина 29 Е = 10* (1,1 + 0,240 27 800 20 600 13 400
33,3 Е = 10* (1,1 + 0,200 — — —
Грунт

Влажность,
%

Коэффициент

Пуассона ц

Глина ...........................

Пылевато-илистый грунт...........

Супесчаный грунт.................

Лед .............................

0,4—0,5
0,3-0,4
0,2—0,4
0,3—:0,5

В своих опытах Цытович получил модуль
сколько выше, чем модуль, вычисленный по

Так, например, при тем-
пературе —3° С по фор-
муле Крейгера Е =
— 53 000 кгс/см2, а по
опытам Цытовича Е =
= 59 000 кгс/см2.

Коэффициенты Пуас-
сона [л замороженных
грунтов при температурах
от —1 до —3° С по данным
тех же исследователей при-
ведены в табл. 16.

В лабораторных усло-
виях были выполнены

Юнга для льда не-
формуле Крейгера.

Рис. 31. График зависимости предела проч-
ности на сжатие иловатой глины от темпе-
ратуры

экспериментальные работы
по определению пределов
прочности на однооснбе
сжатие замороженной

глины в диапазоне температур от 0 до —170° С. Результаты иссле-
дований показаны на диаграмме (рис. 31). Из диаграммы видно,

что при понижении тем-

пературы глины ниже
±0° С прочность ее пла-
номерно повышается и
своего максимального зна-
чения (ас = 450 кгс/см2)
достигает при температуре
—70-^-—80° С. При даль-
нейшем понижении темпе-
ратуры предел прочности
на сжатие замороженной
глины остается постоянным.

Рис. 32. График зависимости
предела прочности на растяже-
ние замороженных глины (7)
и ила (2) от температуры
На рис. 32 показано изменение предела прочности на растяжение
замороженных глин и ила в диапазоне температур от 0 до —200° С.
Как и в предыдущем случае, значительное увеличение предела

Температура, °C

Рис. 33. График зависимости модуля
упругости замороженной илистой глины
от температуры

прочности на растяжение
обоих замороженных грун-
тов наблюдается лишь в зоне
изменения температур от 0
до —80° С и при температуре
—70 4- —80° С составляет
около 45 кгс/см2. При даль-
нейшем понижении темпе-
ратуры пределы на растя-
жение замороженных глин
и ила почти не изменяются.

При рассольном замора-
живании (температура охла-
ждающего рассола —11 4-
4----15° С) смесь глины с рав-

ным весом воды имеет предел прочности на растяжение 11 —
13 кгс/см2.

На диаграмме (рис. 33) показано изменение модуля упругости
замороженной илистой глины (в зависимости от температуры от 0
до —70° С). Из диаграммы видно, что модуль упругости с понижением
температуры от ±0° С равномерно повышается и при температуре
—70° С достигает 32 500 кгс/см2.

§ 3. Факторы, влияющие на прочность замороженных грунтов

1. Температура замораживания. С понижением температуры проч-
ность замороженных грунтов, как правило, увеличивается. При этом
для водоносных песков кривая прочности возрастает весьма быстро,
для других грунтов (глина, суглинки) и льда эта кривая более
пологая.

Исследованиями Московского горного института установлено,
что при понижении температуры замораживания с t = —4° С до
tr = —14° С пределы прочности на сжатие песков средней крупности
с пористостью 38% при влажности 23% повышались с 70
до 130 кгс/см2, а пылеватых песков — с 23 до 70 кгс/см2, т. е. в 2—
3 раза.

При замораживании глины до —15° С предел прочности на сжа-
тие ее составляет 100 кгс/см2, а при замораживании ее до —75° С
предел прочности на сжатие повышается до 450 кгс/см2.

Исследования показывают, что металл с мелкозернистой струк-
рой имеет большую прочность, чем металл с крупнозернистой
структурой. Распространяя эти результаты на замороженный грунт,
следует предположить, что при мелкозернистом льде в грунте проч-
ность последнего будет выше прочности грунта с крупнозернистым
льдом. С другой стороны, опыты замораживания грунтов показы-
70
вают, что наименьшие размеры кристаллов льда получаются при
ускоренном протекании процесса замораживания (при глубоком
охлаждении). Особо важное значение при этом имеет «период кри-
сталлообразования», который должен завершаться возможно бы-
стрее. Другими словами, для получения наибольшей прочности
замороженного грунта необходимо замораживать воду, заключенную
в них, возможно быстрее, а этого можно достигнуть при более низ-
ких температурах охлаждающего рассола.

Таким образом, одним из главнейших факторов, влияющим
на прочность замороженных грунтов, является температура замо-
раживания. С понижением температуры прочность замороженных
грунтов увеличивается.

2. Минералогический и гранулометрический состав грунта.

На прочность замороженного грунта оказывает влияние минерало-
гический и гранулометрический состав грунтов. Песчаные и граве-
листые частицы сами по себе обладают высокой прочностью, пре-
вышающей прочность замороженного грунта. Этого нельзя сказать
о пылевато-илистых и глинистых частицах. Прочность заморожен?
ного грунта тем выше, чем крупней частицы, составляющие
грунт.

Зернистые грунты, будучи замороженными, приобретают проч-
ность благодаря тому, что лед, заполняющий промежутки между
отдельными зернами грунта, является цементирующим материалом.
Следовательно, прочность замороженного грунта будет зависеть
от прочности образовавшегося льда. В замороженном грунте лед
может находиться в различных формах: в виде отдельных прослой-
ков, линз или в виде тонких пластинок переменной толщины, обра-
зовавшихся между отдельными зернами грунта в большей или
меньшей степени равномерно. Строение льда зависит от способа
образования его и может быть сплошным, игольчатым, слоистым,
зернистым и чешуйчатым.

Пределы прочности льда .на сжатие, растяжение и сдвиг нахо-
дятся в зависимости от многих факторов: строения льда, температуры
и скорости замораживания его, а также от скорости возрастания
внешней нагрузки. Цементирующее действие льда в замороженном
грунте проявляется в виде сил смерзания (сцепления) кристаллов
льда с зернами грунта.

Под действием внешних сил лед испытывает пластические де-
формации. Величина деформаций льда прямо пропорциональна
нагрузке, времени действия последней и обратно пропорциональна
коэффициенту вязкости льда (коэффициенту внутреннего трения).

Коэффициентом вязкости называют полную силу сопротивления
льда при установившемся движении, отнесенную к единице поверх-
ности сдвигаемого слоя и к единице угловой скорости сдвига. Чем
выше коэффициент вязкости льда, тем большей прочностью обладает
замороженный грунт. С понижением температуры замораживания
коэффициент вязкости льда повышается. Соответственно величина
относительных деформаций льда уменьшается.
Как общее правило, можно отметить, что замороженные грунты,
обладающие большим коэффициентом теплопроводности, имеют и бо-
лее высокую прочность.

3. Содержание воды в грунте. С увеличением содержания воды .
в грунте прочность замороженного грунта увеличивается. Вода,
превращенная в лед, играет роль цементирующего вещества. Однако
это положение правильно ’только до известного предела — до пол-
ного насыщения грунта водой. За этим пределом грунт будет пред-
ставлять собой уже материал с преобладанием в нем воды. Так как
прочность льда относительно невелика, то при дальнейшем увели-
чении содержания воды прочность замороженного грунта будет
уменьшаться.

Рис. 34. График зависимости предела прочности на
сжатие замороженного песка (1) и глины (2) от влаж-
ности

На рис. 34 приведен график зависимости предела прочности
па сжатие замороженных образцов песка и глины от содержания
в них воды по данным лаборатории грунтов Ленинградского инсти-
тута инженеров коммунального строительства. Из графика видно,
что предел прочности на сжатие образца песка сгс = 135 кгс/см2
достигает своего максимального значения при 19,2% содержания
воды.

С увеличением содержания воды в глине прочность заморожен-
ного грунта растет и достигает своего максимума — 50 кгс/см2 при
содержании воды 13,68% . При дальнейшем увеличении воды предел
прочности на сжатие глины снижается. Так, при 20%-ном содержа-
нии воды ос = 45 кгс/см2, при 30%-ном Ос = 32 кгс/см2, при 35%-ном
о с — 30 кгс/см2. Опыты, проведенные Церингером, подтверждают
сказанное.

Согласно данным исследований в Московском горном институте,
при увеличении влажности с 10 до 25% пределы прочности на сжатие
песков средней крупности, замороженных при температуре —15° С,
увеличивались с 60 до 120 кгс/см2.

Повышение прочности песка с увеличением содержания воды
в нем до предела насыщения может быть объяснено тем, что погло-
щение воды песком связано с уменьшением объема песка, хотя и не-
значительным по величине, но поддающимся измерению. Отдельные
зерна песка в этом случае сближаются между собой. Прочность замо-
роженного песка возрастает благодаря увеличению трения между
частицами песка.

При одной и той же температуре замораживания прочность
замороженного грунта будет большей для песков и меньшей для
глинистых грунтов. Раньше причину различной прочности заморо-
женного песка и глины объясняли различным водосодержанием их,
считая, что глина содержит воды меньше, чем песок. На самом же
деле влажность глины бывает не меньше влажности песка — она
достигает 30—40%. Жирные глины содержат влаги еще больше.

В замороженном грунте всегда содержится некоторое количество
незамерзшей воды. При этом оно не остается постоянным, а изме-
няется, следуя за изменениями температуры замораживания и давле-
ния. Этот новый принцип механики замороженных грунтов открыт
чл.-корр. Н. А. Цытовичем. Он позволяет объяснить изменения
физико-механических свойств замороженных грунтов в зависимости
от ряда факторов, и в первую очередь от температуры заморажива-
ния. Количество незамерзшей в грунте воды с понижением темпе-
ратуры уменьшается; большее количество воды переходит в лед.
Соответственно будут увеличиваться и прочность замороженного
грунта и модуль Юнга. Количество незамерзшей воды в грунте
увеличивается с уменьшением диаметра зерен, составляющих грунт.
Другими словами, чем дисперснее будет грунт, тем меньшей проч-
ностью он будет обладать в замороженном состоянии.

Наибольшей прочностью обладают замороженные гравийные
грунты и крупнозернистые пески. Эти грунты содержат мало или
совсем не содержат пленочной связанной воды. Меньшей прочностью
обладают супеси, суглинки и грунты, в которых содержится пленоч-
ная вода в большем количестве.

Максимальное количество воды, которое способны удерживать
частицы грунта в виде пленочной воды, называют молекулярной
влагоемкостью грунта или максимальной пленочной влажностью.

В табл. 17 приведены значения молекулярной влагоемкости,
определенные проф. А. Ф. Лебедевым.

Таблица 17

Грунт Размеры фракций, мм Молекулярная влагоемкость, %
Песок
крупнозернистый 1,0-0,5 1,57
среднезернистый 0,5—0,25 1,60
мелкозернистый 0,25-0,10 2,73
Песчаная пыль 0,10-0,05 4,75
Ил 0,05-0,005 10,18
Глина 0,005-0,001 44,85
Неполным замерзанием пленочной воды объясняется и малая
прочность замороженной глины. При обычных температурах замора-
живания (от —20 до —25° С) не вся пленочная вода превращается
в кристаллы льда.

Как показано было выше, замороженная глина достигает макси-
мального значения предела прочности как при сжатии, так и при
растяжении при температурах от —70 до —80° С. Это объясняется
тем, что прц таких температурах замерзает вся связанная (пленоч-
ная) вода, заключенная в глине.

Молекулы связанной воды, притягиваемые поверхностями ча-
стиц грунта, испытывают со стороны последних молекулярное при-
тяжение с силой, равной 10 000 кгс/см2. С другой стороны, при
повышении внешнего давления на 1 кгс/см2 температура замерзания
воды, заключенной в* грунте, понижается на —0,0075° С. Следова-
тельно, температура замерзания связанной воды tCB = —0,0075 X
X 10 000 = -75° С.

Количество пленочной воды, содержащейся в буром угле и торфе,
не определялось. Однако можно предположить, что эти грунты обла-
дают малой прочностью и плохо замерзают вследствие значительного
содержания в них пленочной воды и малой теплопроводности их.

4. Присутствие раствора хлористых солей в воде понижает проч-
ность замороженного грунта. Мелкий песок, насыщенный раствором
хлористого натрия NaCl, при t = —15° С имеет прочность ос =
= 124 кгс/см2; прочностью в 188 кгс/см2 он обладает при t = —45° С;
как следует из приведенных выше данных, такая же прочнозть
песков без раствора NaCl достигалась при t — —20° С.

§ 4. Изменение прочности замороженного грунта вокруг
замораживающих колонок

Как показано было выше, прочность замороженного грунта зави-
сит от температуры, до которой охлажден грунт, а также от петро-
графического состава его: для замороженных песков она будет выше,
а для глин — ниже; суглинки и супеси занимают промежуточное
положение.

В отличие от других конструкций ледогрунтовая стена будет
иметь неодинаковую прочность во всех местах ее.

Наибольшую прочность ледогрунтовая стена будет иметь непо-
средственно у замораживающей колонки, где грунт охлажден до
наиболее низкой температуры. По мере удаления от замораживающей
колонки температура грунта будет повышаться, а прочность грунта
уменьшаться. Наименьшую прочность грунт будет иметь на границе
ледогрунтовой стены, где температура его t = ±0° С.

Для определения прочности ледогрунтовой стены надо знать
закон изменения ее в зависимости от температуры понижения, т. е.
а — / (0- Однако такие зависимости еще не имеют математического
выражения за исключением уравнения Альби и приближенного,
предложенного нами:

су = 8^ + 20, кгс/см2.
В главе II было показано, что температуры в ледогрунтовой
стене изменяются по различным законам — в зависимости от рас-
сматриваемого направления.

Закон изменения температур в главной плоскости (уравнение 52а)

Подставляя в уравнение прочности (66) замороженного грунта
это значение £, получим

8*с In —

в =-----------[-20, кгс/см2. (67)

In 2k

Уравнение (67) позволяет определить предел прочности заморо-
женного грунта в главной плоскости на любом заданном расстоянии

Рис. 35. График зависимости
предела прочности заморожен-
ного песка в главной плоско-
сти ледогрунтового огражде-
ния от расстояния до замора-
живающей колонки

Расстояния от оси замораживающей колонки, м

от замораживающей колонки. На рис. 35 показаны изменения пре-
делов прочности в главной плоскости при следующих условиях:
толщина ледогрунтовой стены Е = 2г3 — 3 м; температура стенки
замораживающей трубы tc = —20° С; расстояние между заморажи-
вающими колонками I = 1 м. На оси ординат диаграммы отложены
йределы прочности замороженного грунта, а на оси абсцисс — рас-
стояния от оси замораживающей колонки.

Уравнение (67) позволяет решить и обратную задачу — опре-
делить расстояние гот замораживающей колонки, на котором будет
находиться замороженный грунт с заданной прочностью о3.
Решим уравнение относительно г:

In = Стз~20 In = А, или — = еА,

Г 8tc Г1 Г1

откуда

Для определения средней прочности ледогрунтовой стены в глав-
ной плоскости необходимо ^зять определенный интеграл от гг до г3
уравнения (67) и затем разделить на разность г3 — гх:

Гз Гз

Г1 rt

Согласно уравнению (58), интеграл первого слагаемого

----8<с г Оз—гх 1п^з + Gin g —g).
(G-G)ln^-

Интеграл второго слагаемого

J = 20(rs—g).

Средняя прочность ледогрунтовой стены в главной плоскости

оср =-----—------(г3 — rx In г3 + т\ In гх — гх) + 20, кгс/см2. (69

(г3-гх)1п-Й-

Или, согласно уравнению (66),

<Jcp = 8tc(—-----гз21 ) + 20, кгс/см2. (70)

\ П 1

При температуре стенки замораживающей трубы /с = —20° С,
радиусе замораживающей колонки гх = 0,05 м и г3 = 1,5 м средняя
прочность ледогрунтовой стены в главной плоскости будет

аср==62 кгс/см2.

Эту же величину можно получить и другим путем. На рис. 27
была определена средняя температура замороженного грунта в глав-
ной плоскости при Е — 3 м, tc = —20° С, £ср = —5,3° С. Под-
ставляя в уравнение (66) прочности замороженного грунта значение
этой температуры, получим

а'р = 8*5,3 + 20 = 62,4 кгс/см2.
При расчетах прочных размеров стены ледогрунтового огражде-
ния необходимо знать прочность замороженного грунта в наиболее
ответственном месте стены ограждения — в замковой плоскости.

Уравнение (55) температурной кривой в замковой плоскости:

tc In
-------

+ oC

Где ь — расстояние от линии расположения замораживающих коло-
нок от осевой плоскости;

I — расстояние между замораживающими колонками.

Расстояния от аксиальной плоскости, м

Рис. 36. График зависимо-
сти предела прочности за-
мороженного песка в замко-
вой плоскости ледогрунто-
вого ограждения от рас-
стояния до аксиальной
плоскости

Подставляя в уравнение (66) прочности замороженного грунта
значение этой температуры, получим

8£с In
а3 =---------

' d$
/4&2-Н2

in Ф-
di

-[-20, кгс/см2.

(71)

На рис. 36 показано изменение прочности замороженного грунта
в замковой плоскости при tc = —20° С, I = 1 м, Е = 3 м, dx =
= 0,1 м.

В § 3 (глава II) была определена средняя температура заморо-
женного грунта в замковой плоскости [уравнение (63)]:

/с1п4-

*ср« 3 = <г3 ’ °C»

1 21п~~

где / — расстояние между замораживающими колонками, м.

Подставляя это значение температуры в уравнение прочности
замороженного песка, получим

<*ср. 3 =--J---Н20, кгс/см2.

1п-^-

«1
При tc = —20° С, Е = 3 м, / = 1 м и = 0,1 м средняя проч-
ность замороженного грунта в замковой плоскости составит аср 3 =
= 26 кгс/см2, при tc = —40° С Оср.з = 52 кгс/см2, а при tc =
= —60° С Оср. з ~ 78 кгс/см2.

§ 5. О реологических свойствах замороженных грунтов

В последние годы советскими учеными С. С. Вяловым,
В. Г. Гмошинским и другими установлено, что замороженные грунты
обладают еще одним свойством — ползучестью. Под ползучестью
понимают способность замороженного грунта снижать свою проч-
ность (внутреннее сопротивление) под действием постоянной, но
длительно действующей нагрузки; при этом деформации грунта
с течением времени увеличиваются. Явление ползучести предста-
вляет одну из разновидностей пластического течения.

В связи с указанным поведением замороженных грунтов стали
различать два вида прочности их — мгновенную амг и длитель-
ную одл. Под мгновенной прочностью понимают прочность (временное
сопротивление) замороженного грунта при его разрушении в испы-
тательном прессе под давлением быстроприложенной нагрузки.

Длительную прочность замороженной горной породы опре-
деляют экспериментальным путем при различных нагрузках, соста-
вляющих лишь 50—80% мгновенной прочности в течение продолжи-
тельного времени (до 1000 ч). Длительная прочность замороженного
грунта снижается с увеличением времени действия внешней на-
грузки.

Чтобы излишне не увеличивать размеры конструкции (ледогрун-
тового ограждения) или, наоборот, не принимать ее опасно тонкой,
продолжительность испытаний замороженного грунта на длительную
прочность должна соответствовать продолжительности работы ледо-
грунтового ограждения под внешним давлением.

При проходке шахтных стволов способом замораживания при-
меняют две основные схемы: параллельную, при которой постоянную
крепь, например тюбинги, возводят по мере проходки ствола, и по-
следовательную, наиболее часто применяемую, при которой вначале
вынимают горную породу в пределах шахтного ствола — участками
(заходками) высотой 25—30 м, а затем на этих участках возводят
постоянную крепь.

В первом случае обнаженная стена ледогрунтового ограждения
должна воспринимать на себя горное давление в течение сравни-
тельно короткого промежутка времени, необходимого на проходку
участка ствола и возведение одного кольца тюбингов, — в течение
8-15 ч.

Во втором случае стена ледогрунтового ограждения должна
сопротивляться горному давлению в течение времени, необходимого
на проходку ствола и возведение тюбинговой крепи на участке ствола
высотой 25 м, — в течение 15—20 сут, или 360—480 ч. Следова-
тельно, для практических целей необходимо знать длительную
прочность замороженной горной породы за срок от 20 до 500 ч.
На рис. 37 показано изменение длительной прочности адл при
испытании на одноосное сжатие грунтов, замороженных при темпе-
ратуре —8° С. Как следует из графика, прочность замороженного
грунта адл через 6 ч составляет лишь 50—65% мгновенной проч-
ности амг, при этом прочность глинистых грунтов снижается в боль-
шей мере, чем песчаных.

Исследования показывают, что длительная прочность заморожен-
ных грунтов через 720 ч после начала испытаний составляет только
35—50% от мгновенной прочности. Следовательно, за указанный

промежуток времени мгно-
венная прочность заморожен-
ного грунта снижается в 2—
3 раза, т. е. амг = (2 4- 3) одл.

Если принять еще коэф-
фициент запаса прочности
п = 1,2 4- 1,3, тогда расчет-
ное допускаемое напряжение
на сжатие

^1 = ^4’

Нетрудно заметить, что
знаменатель дроби соответ-
ствует коэффициенту запаса
прочности = 3 4- 5, при-

0 1 2 3 4 5 6

Время, ч

Рис. 37. Кривые длительной прочности
0с. дл при одноосном сжатии грунтов, за-

нимаемому в прочностных мороженных при температуре —8° С:
расчетах ледогрунтового 1 — песок средней крупности; 2 — песок пылева-
ограждения без какого-либо тый; 3 ~ глина

теоретического обоснования.

Таким образом, исследования ползучести замороженных грунтов
подтвердили 4 правильность принимаемого коэффициента запаса при
расчетах ограждений на основе мгновенной прочности замороженных

грунтов.

Отношение предела мгновенной прочности амг замороженного
грунта на одноосное сжатие к длительной прочности его (за заданный

промежуток времени) —- — Кр называют коэффициентом рас-
Пдл

слабления замороженного грунта. Коэффициент расслабления замо-

роженного грунта повышается с увеличением времени действия
внешней нагрузки. Так,’ например, у замороженной глины коэффи-
циент расслабления через один месяц составляет _^р = 1,5, а через
3 месяца К'р = 3.

Для определения пределов длительной прочности замороженных
грунтов при температурах замораживания от —5 до —20° С и при
действии на грунт нагрузки в течение 24 ч М. Ю. Либерман пред-
ложил общее уравнение в виде квадратного трехчлена:

$сж (0 —+ bt Ct?.

{12)

79
Для замороженных глин это уравнение имеет вид:

осж = 183 +0,67г2, тс/м2. (73)

Для замороженных песков

осж = 43 — 36,9г - 0,25г2, тс/м2, (74)

а при действии нагрузки на замороженный песок в течение 12 ч

асж == 40—45г — 0,61г2, тс/м2. (75)

Рис. 38. Аппроксимация кривой
температур

Примем обозначения:

гс — температура стенки замораживающей трубы, °C;

— внутренний радиус цилиндрического ледогрунтового огра-
ждения, м;

/?н — наружный радиус его, м;

Я = ЯН-ЛВ;

/?о — радиус окружности расположения замораживающих коло-
нок, м;

г — переменный радиус ледогрунтового ограждения, м.

Среднеинтегральная длительная прочность на сжатие асж сР
замороженного грунта в ледогрунтовом ограждении определится
из уравнения ‘

°сж. ср — "д' J ^СЖ (Г) ^Г* (76)

В целях упрощения определения
температуры замороженного грунта
в стене ограждения М. Ю. Либерман
предложил способ приближенного
интегрирования, заменив логариф-
мические кривые температур в стене
ледогрунтового ограждения прямыми
линиями (рис. 38). Тогда темпера-
тура г замороженного грунта в лю-
бой точке внутренней части стены

ограждения (при 2?в г < 7?0) определится из подобия треугольни-
ков аес и bdc:

Дифференцируя уравнение (77), найдем

dr = dt -\ Дв

(78)

Соответственно температура замороженного грунта во внешней
части ледогрунтового ограждения (при 7?0 /?н) определится

из подобия треугольников aei и fgi:

t = tc

Rh — Г
Rh — Ro
После дифференцирования уравнения (79) получим

dr^dt

Rr — Др

(80)

Произведя в уравнении (76) замену переменной г на t и, разбив
интервал интегрирования на два участка, соответствующих двум
выражениям для t, получим

После подстановки уравнения (72) в уравнение (80а) и интегри-
рования последнего с учетом, что Е = RH — RB, найдем уравнение
среднеинтегрального предела длительной прочности сжатию заморо-
женного грунта в зависимости от температуры замораживания:

(Тсж.ср = а + у«с + ТС/М2. (81)

Принимая числовые коэффициенты а = 183, с = 0,67 из урав-
нения (73), найдем среднеинтегральную длительную прочность
замороженной глины за 24 ч:

асж ср = 183+ 0,22^, тс/м2

Для замороженного песка уравнения (74) и (75) при а = 40,
= 43; b = 45, Ьг — 36 имеют вид:

при z— 12ч осж ср = 40 —22,5^с —0,2^2, тс/м2;

при = 24ч сгсж> ср — 43 — 18,5£с — 0,08^, тс/м2

При температуре стенки замораживающей трубы tc — —20° С
среднеинтегральные длительные пределы прочности замороженного
песка будут равны:

при я=12ч 0Сж. ср = 410 тс/м2;

при Zj = 244 асж Ср = 381 тс/м2.

Как видно из приведенных выше данных, длительная прочность
замороженного песка при действии нагрузки в течение 24 ч на 8%
меньше длительной прочности при действии нагрузки в течение 12 ч.

6 Н. Г. Трупак
ГЛАВА IV

РАСЧЕТЫ ПРОЧНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЛЕДОГРУНТОВЫХ
ОГРАЖДЕНИЙ

§ 1. Общие положения

Как и в каждом инженерном сооружении, необходимая толщина
стены ледогрунтового ограждения, образуемого вокруг шахтного
ствола, должна быть определена расчетом.

Эффективность работ по замораживанию грунтов, особенно на
больших глубинах, зависит в первую очередь от правильно принятой
толщины стены ледогрунтового ограждения. Толщина стены должна
быть такой, чтобы ограждение было достаточно прочным и надежным;
прорывы подземной воды или неустойчивых водоносных грунтов
в проходимый шахтный ствол должны быть исключены.

При этом стоимость образования ледогрунтового ограждения
должна быть минимальной. При большой глубине замораживания
и большом диаметре ледогрунтового ограждения излишнее увеличе-
ние толщины стены последнего приводит к значительному увеличе-
нию объема работ по замораживанию грунтов, а следовательно, и к по-
вышению стоимости этих работ.

С другой стороны, не следует стремиться к образованию чрез-
мерно тонкой стены ограждения. Более толстые ледогрунтовые огра-
ждения имеют преимущество в том отношении, что прочности их
сохраняются более длительное время в случае непредвиденного пре-
кращения циркуляции охлаждающего рассола в одной или в не-
скольких замораживающих колонках, а также в случае вынужденной
остановки замораживающей станции на продолжительное время.

Ледогрунтовое ограждение имеет назначение принять на себя
внешнюю нагрузку — горное и гидростатическое давления. Стена
ограждения должна быть способной воспринять на себя с достаточ-
ным запасом прочности указанные выше давления при наибольшей
возможной нагрузке. Наибольшую нагрузку ледогрунтовое огра-
ждение будет испытывать в тот период, когда грунт в пределах
ограждения будет вынут, а обнаженное ледогрунтовое ограждение ~
не будет закреплено постоянной крепью.

Все известные методы расчетов толщины стен ледогрунтовых
ограждений основаны на предположении, что ледогрунтовое огра-
ждение имеет правильную цилиндрическую форму по всей высоте
его. Такое предположение основано на том факте, что заморажива-
ющие колонки обычно располагают вокруг шахтного ствола по
окружности. Поэтому полагают, что ледогрунтовое ограждение будет
представлять собою правильный толстостенный цилиндр из заморо-
женного грунта.

Между тем цилиндрическую форму ледогрунтовое ограждение
будет иметь лишь в идеальном случае — при малой глубине замора-
живания. Наиболёе часто оно имеет форму неправильного ци-
линдра. Вследствие этого и давление на него будет неравно-
мерным.

На форму ледогрунтового ограждения оказывает влияние взаим-
ное положение замораживающих колонок. Если замораживающие
скважины не отклоняются от вертикального положения, тогда ледо-

грунтовое ограждение будет иметь правильную цилиндрическую

форму. Однако в большинстве

случаев они отклоняются от вер-
тикального направления. Вслед-
ствие этого изменяются положе-
ния их в пространстве. Тогда
ледогрунтовое ограждение обра-
зуется неправильной цилиндриче-
ской формы (рис. 39). Пробурить
же глубокие замораживающие
скважины совершенно вертикаль-
ными очень трудно и дорого.

Образование ледогрунтового
ограждения неправильной цилин-
дрической формы происходит и
по другим причинам: вследствие
неодинаковых термофизических
свойств грунтов (теплопровод-
ность, теплоемкость, температуро-
проводность); из-за переменной
по глубине температуры грунтов;
вследствие, неодинакового по глу-
бине влагосодержания, а следо-
вательно, теплосодержания замо-
раживаемых грунтов.

На форму ледогрунтового
ограждения оказывают влияние и
возможные потоки подземной
воды, а также присутствие в грун-
тах воды с растворенными в ней
хлористыми солями.

Распределение температур во-
круг замораживающей колонки

Рис. 39. Ледогрунтовое ограждение
вокруг шахтного ствола

по высоте последней на разных глубинах будет также неодинаковым.
Это объясняется неоднородностью пластов грунтов, пересекаемых
замораживающей колонкой и переменными температурами охлажде-
ния рассола, поднимающегося в замораживающей колонке.

Наиболее интенсивно и равномерно холод распространяется
в крепких магматических или метаморфических горных породах,
в гравийно-галечниковых отложениях и в крупнозернистых песках.
За один и тот же промежуток времени работы замораживающих
колонок ледогрунтовое ограждение в таких горных породах будет
0,50м

14,ОМ

ГраВий

51,20м\

Глины

200,Мм\

226,70м\

Суглинки

Пески

Рис. 40. Схема образования ледо-
грунтового ограждения вокруг
шахтного ствола в разных грунтах

всегда толще ограждения, образованного в других пластах горных
пород.

В гравийно-галечниковых отложениях ледогрунтовое ограждение
выдвигается вперед по отношению к частям ограждения, образован-
ного в других пластах' горных пород. Менее интенсивно холод рас-
пространяется в средне- и мелкозернистых песках и супесях.

В плотных суглинках и гли-
нах, а также в меловых туфах
холод распространяется примерно
в 1,5-—2 раза медленнее, чем в гра-
вийно-галечниковых отложениях.
Особенно плохо поддаются замо-
раживанию бурые угли, даже
насыщенные водой, вследствие
того, что они состоят из органи-
ческого малотеплопроводного ма-
териала и содержат в себе связан-
ную пленочную воду.

В грунтах, обладающих высо-
кой замерзаемостью, ледогрунто-
вое ограждение .будет выдвигаться
несколько вперед, а в грунтах
со слабой замерзаемостью оно
будет несколько отставать в своем
продвижении. Вследствие нерав-
номерной скорости распростране-
ния холода ледогрунтовое ограж-
дение будет образовываться не-
правильной формы. Оно будет
иметь выступающие горизонталь-
ные ребра, часть из которых может
быть значительной (рис. 40).

Даже в однородных грунтах
ледогрунтовое ограждение будет
иметь неодинаковую толщину
по высоте./ Теплообмен протекает
рассолом и замораживаемым грун-
обратным рассолами. Рассол, под-

нимающийся в кольцевом пространстве замораживающей колонки,
на разных участках своего пути будет иметь неодинаковую темпе-
ратуру. Вследствие этого от грунта на разных участках будут отни-
маться разные количества тепла; соответственно ледогрунтовое
ограждение будет образовываться неодинаковой по высоте толщины.
В результате совместного действия указанных выше факторов
геометрическая форма ограждения оказывается как бы сильно де-
формированной (см. рис. 39). А при такой форме ограждения в нем
могут возникать не только сжимающие, но и изгибающие или растя-
гивающие напряжения, возможно даже моменты кручения. Этим

^Крепкие

не только между охлаждающим
том, но также между прямым и
объясняется и сравнительно большой коэффициент запаса прочности,,
принимаемый при расчетах толщины стен ледогрунтовых огра-
ждений.

Замороженный грунт обладает сравнительно высокими пределами
прочности на сжатие, но примерно в 5—7 раз меньшими пределами
прочности на растяжение и изгиб. Поэтому при образовании ледо-
грунтовых ограждений необходимо стремиться к тому, чтобы в мате-
риале ограждения могли возникнуть только сжимающие напряжения.

В расчетах прочности ледогрунтовое ограждение рассматривают
как правильный толстостенный цилиндр, пренебрегая изменениями
толщины его по высоте. Такое допущение, конечно, значительно
упрощает расчеты.

Далее в расчетах прочности предполагают, что замораживанию
подвергаются грунты, находящиеся в неизменном естественном
состоянии в течение неопределенно длительного времени. На самом
же деле при бурении замораживающих скважин грунты, особенно
неустойчивые, нарушаются. В грунтах иногда образуются пустоты,
заполненные водой. Вследствие этого грунты по крайней Мере
вблизи замораживающих колонок обогащаются водой, а сопротив-
ляемость внешним нагрузкам такого замороженного грунта сни-
жается.

Замороженный грунт не имеет такого однородного состава, как,
например, металлы. Лед и частицы горной породы обладают различ-
ными физико-механическими свойствами. По этой причине материал
ледогрунтового ограждения не является однородным. Более тогог
физико-механические свойства замороженного грунта в натуре
отличаются, иногда резко, от свойств его, наблюдаемых в лабора-
торных условиях.

Предел прочности ос материала ледогрунтового ограждения в раз-
ных направлениях по радиусам от замораживающей колонки неоди-
наков. Он зависит от температуры замораживания грунтов..

Наиболее низкие температуры замороженный грунт имеет вблизи
замораживающих Колонок. По направлению от колонок к внешней
и внутренней границам ледогрунтового ограждения температуры
грунтов будут повышаться по логарифмическому закону. На внешней
границе ограждения температура замороженного грунта с пресной
водой всегда будет близкой к 0° С.

Па внутренней границе ограждения температура замороженного^
грунта может быть иной. Если ледогрунтовое ограждение будет
образовано с толщиной стены, точно соответствующей расчетной,
тогда на внутренней границе ограждения температура заморожен-
ного грунта будет близкой к ±0° С. При такой температуре прочность
грунта будет наименьшей.

Однако в практике благодаря более длительному (по сравнению
с проектным) сроку замораживания весь грунт в пределах ствола-
часто оказывается полностью замороженным. В таком случае после
выемки грунта при проходке ствола на внутренней границе ледо-
грунтового ограждения температура замороженного грунта будет
более низкой чем ±0° С, например от —5 до —7° С. Соответственно

здесь повысится и прочность замороженного грунта.

Если температура охлаждающего рассола в замораживающих
колонках в период обнажения ледогрунтового ограждения будет
постоянной, то прочность замороженного грунта будет зависеть

только от расстояния рассматриваемого слоя ограждения до замора-
живающей колонки.

Прочность замороженного грунта будет тем выше, чем ниже

будет температура его охлаждения. В

Рис. 41. Изменение прочности материала
Ор ...» оЛ1в стене ледогрунтового ограж-
дения в главной плоскости

соответствии с этим прочности
его будут меньшими у тех
слоев грунта, которые нахо-
дятся на большем расстоянии
от замораживающих коло-
нок, и большими у слоев,
расположенных ближе к ко-
лонкам.

В вертикальном разрезе
стену ледогрунтового ограж-
дения можно рассматривать
как сложное тело, состоящее
из большого числа связан-
ных между собой вертикаль-
ных слоев замороженного
грунта различной прочно-
сти. При этом прочность
слоев а1? . . ., по направ-
лению от замораживающей
колонки к границам ограж-
дения уменьшается по лога-
рифмическому закону (в глав-
ной плоскости), а толщина
слоев с той или иной проч-

ностью в том же направлении

Таким образом, ледогрунтовое

увеличивается (рис. 41).

ограждение представляет собой

анизотропное тело, т. е. тело, физические свойства которого зависят

ют места положения рассматриваемого участка ограждения по отно-
шению к замораживающей колонке. Однако для упрощения расчетов
прочности ледогрунтового ограждения замороженный грунт рас-
сматривают как однородный (изотропный) материал с некоторой
средней интегральной температурой по всей толщине стены ледо-
грунтового ограждения. Этой температуре соответствует средняя

прочность замороженного грунта.

При расчетах толщины стены ледогрунтового ограждения необ-
ходимо помнить, что прочностные и деформационные характеристики
замороженного грунта зависят от многих факторов: от вида, структуры
его, влажности, температуры и времени, в течение которого внешняя
нагрузка воздействует на замороженный грунт. Названные характери-
стики должны определяться путем экспериментальных исследований.
Толщина стены ледогрунтового ограждения зависит от времени,,
затрачиваемого на образование его, а также от вида заморажива-
емого грунта. Способность грунтов к замораживанию обусловли-
вается водосодержанием, теплопроводностью и теплоемкостью их.

В несвязных грунтах лед играет такую же роль, как цементный
раствор в Летоне. В крупных горных породах лед только заполняет
собой трещины, а внешнее давление на ограждение воспринимает
на себя горная порода. Поэтому толщина стены ограждения в креп-
ких горных породах без крупных трещин и пустот может быть мень-
шей, чем в неустойчивых водоносных грунтах.

Из сказанного выше следует: расчету необходимой толщины
стены ледогрунтового ограждения должно предшествовать тщатель-
ное исследование природы замораживаемых грунтов и реологиче-
ских свойств их в замороженном состоянии. Необходимо также
учитывать переслаивание грунтов.

Среди грунтов, подвергающихся замораживанию, особое место
занимают некоторые глины и суглинки. Они содержат связанную
воду и благодаря этому замерзают при температуре более низкой
чем —25° С — наиболее часто применяемой при замораживании
грунтов.

Такие грунты иногда вспучиваются и стремятся переместиться
в пройденную часть шахтного ствола, оказывая большое давление
на временную, а иногда и на постоянную крепи. Кроме того, из-за
вспучивания в ледогрунтовом ограждении возникают большие сре-
зывающие силы, способные нарушить герметичность и даже проч-
ность замораживающих труб. Надежных методов расчета прочности
ледогрунтовых ограждений в таких грунтах пока не предложено,
но в практике с явлением вспучивания необходимо считаться.

В пластичных грунтах толщина стены ледогрунтового ограждения
в значительной мере зависит от величины допускаемого смещения
ледогрунтовой стены, а последнее, в свою очередь, от гибкости замо-
раживающих труб, следовательно, применение труб повышенной
гибкости позволит увеличить допустимые деформации стены ледо-
грунтового ограждения, а значит уменьшить толщину этой стены.

В расчетах ледогрунтовое ограждение рассматривают как изо-
лированно стоящий в подвижной среде цилиндр, стенки которого
не связаны с окружающим его грунтом, не считая сил трения. Поло-
жение улучшается, если водоносные неустойчивые грунты пере-
межаются с крепкими горными породами, с которыми ледогрунтовое
ограждение связывает сцепление.

В расчетах прочности ледогрунтового ограждения полагают, что
оно на внешней поверхности воспринимает на себя горизонтальное
давление от статической радиально направленной, равномерно рас-
пределенной нагрузки /7Н, представляющей собой суммарное гидро-
статическое и горное давление окружающих грунтов. Динамическая
нагрузка на ограждение отсутствует. Кроме того, каждое поперечное
сечение ограждения испытывает вертикальное давление сг2 от веса
расположенной выше части ледогрунтового ограждения.
Необходимо, однако, заметить, что если принять во внимание
отклонения замораживающих колонок от вертикального положения,
вследствие чего наружная поверхность ледогрунтового ограждения
теряет цилиндрическую форму, предположение о равномерном рас-
пределении внешнего давления на ограждение не является досто-
верным.

Наиболее неблагоприятным для работы стены ледогрунтового
ограждения будет тот случай, когда ограждение должно нести весь
собственный вес (пренебрегая силами трения между ледогрунтовым
ограждением и грунтом). Если принять объемный вес замороженного
грунта у = 1,8 тс/м3, то напряжение, испытываемое материалом
ограждения от собственного веса на глубине, Н = 500 м составит

о2 = 1,8*500 = 900 т/м2 = 90 кгс/см2.

На той же глубине горизонтальное горное давление в неустой-
чивых водоносных грунтах составляет 60 кгс/см2.

В строительной механике показано, что при толщине Е, большей
0,1 его внутреннего радиуса RB, материал в такой стене находится
в трехосном (объемном) напряженном состоянии. Толщина стены
цилиндрического ,ледогрунтового ограждения всегда больше 0,1
внутреннего радиуса ограждения, следовательно, стена ограждения
находится в объемном напряженном состоянии.

В расчетах прочности ледогрунтовое ограждение рассматривают

Е 1

как толстостенный цилиндр, т. е. такой цилиндр, в котором — >£q-

При определении необходимой толщины стены ледогрунтового
ограждения применяют две основные расчетные схемы, зависящие
ют технологической схемы проходки и крепления ствола:

1. Если высота h незакрепленного постоянной крепью участка
(заходки) значительно больше диаметра шахтного ствола в про-
ходке DH (когда проходку и крепление ствола осуществляют после-
довательно заходками высотой h = 25 4- 30 м), тогда ледогрунтовое
ограждение рассматривают как толстостенный цилиндр неограни-
ченной (бесконечно большой) высоты. С уменьшением высоты за-
ходки h уменьшается и необходимая толщина стены ледогрунтового
ограждения.

2. При высоте заходки h±, меньшей или равной диаметру ствола
в проходке, — при параллельной схеме проходки стволов — ледо-
грунтовое ограждение рассматривают как толстостенный цилиндр,
защемленный в верхнем торце — при незамороженном ядре ствола —
и защемленный в обоих торцах — при замороженном ядре ствола.
Минимальная высота заходки hx будет равна высоте одного кольца
тюбинговой крепи.

Вполне понятно, что толщина стены ледогрунтового ограждения,
определенная по второй схеме, всегда оказывается меньше толщины,
полученной по первой схеме расчета.

Однако точный расчет или оценка несущей способности кон-
струкции с учетом жесткого защемления ее торцов до настоящего
88
времени ие разработан ввиду больших математических трудностей.
Вследствие этого в теории расчетов для решения таких задач пред-
ложен экспериментальный принцип теории предельного равновесия.

Из изложенного выше становится понятным, насколько сложным
является точный расчет толщины стены ледогрунтового ограждения.
В разное время были предложены многие методы и формулы для
определения толщины стены ледогрунтового ограждения. В одних
методах материал ледогрунтового ограждения рассматривают как
жесткоупругий, в других — как упругопластичный, в третьих —
как вязкопластичный материал.

Методы расчета жесткоупругого ледогрунтового сгражденгя
основаны на теории упругости — первой теории прочности, или
теории наибольших нормальных напряжений (допускаемых напря-
жений). Согласно этой теории, разрушение материала наступает,
когда наибольшее главное нормальное напряжение достигает пре-
дела прочности на. сжатие ос. Работа конструкции будет безопасной,
если наибольшее главное нормальное напряжение не будет пре-
вышать допускаемого напряжения [ос], являющегося лишь частью
предела прочности материала ас.

На этой теории основаны расчеты Иостена (loosten), Лямэ —
Годолина, Галянки (Galanka) и Вальбрекера (Walbrecker).

§ 2. Методы расчетов толщин стен ледогрунтовых ограждений,,
состоящих из жесткоупругого материала

Метод Иостена (loosten). В расчетах по этому методу ледогрун-

товое ограждение рассматривают как жесткоупругое цилиндри-

ческое тело, стоящее изо-
лированно в подвижной
среде. Ограждение под-
вергается действию равно-
мерно распределенной
внешней нагрузки. Тол-
щина стены ограждения
должна быть такой, чтобы
она могла оказывать со-
противление внешней на-
грузке даже в момент
своего наибольшего ослаб-
ления, в частности, когда

шахтный ствол еще не за- рис 42. Силы, действующие на полуцилиндр*
креплен постоянной водо- ледогрунтового ограждения

непроницаемой крепью.

Ввиду симметричности распределения внешней нагрузки (горного
давления) будем рассматривать полуцилиндр ограждения высотой
1 м (рис. 42). На полуцилиндре ограждения действуют горное давле-
Р

ние -s- и внутренние напряжения, возникающие в крепи под деи-

ствием горного давления.
Угол, составленный элементарной силой Р с осью г/, обозначим
через ф. Элементарную силу разложим на параллельную оси у
(Р cos ф) и перпендикулярную ей Р sin ф. На ледогрунтовое огра-
ждение давление будут оказывать первые составляющие. Вторые
составляющие в виде симметричного расположения их относительно
оси у уравновесятся такими же силами, расположенными справа
от оси у.

Давление горных пород, приходящееся на бесконечно малый
участок ледогрунтового цилиндра Ra йф, равно pnRn йф. Соответ-
ственно первая составляющая этого давления равна рн/?н^ф X
X cos ф. Общее давление Р, приходящееся на ледогрунтовой полу-
цилиндр, будет найдено из уравнения

7Г
т

f Pn^aCOS ф d(p,
о

соответственно

~2~ *2~

Р = 2 j pHRH cos ф dq> = 2рн7?н j созфйф.
о о

откуда

Р = 2/>н/?н | sin ф |7 = 2рн sin = 2рн7?н.

В данном случае

2RH = D1 + 2E,
следовательно,

P = pH(Di + 2E).

Этому давлению должен сопротивляться замороженный грунт.

Общее сопротивление замороженного грунта внешнему давлению
в полуцилиндре 2Na = 2 [сгс] 2£-1 (высота полуцилиндра принята
равной 1м). [ас] — допускаемое напряжение на сжатие заморожен-
ного грунта.

Исходя из условия равновесия сил,

Р-Рн(^1 + 2£) = 2 [<тс]£,
откуда pnDi + 2Ери = 2 [<тс] Е,
или РнВу — 2Е ([<тс] ри),
откуда Е= см. (82) 2([<Тс] —Рн)’ ' '

До последнего времени эту формулу часто применяли при расче-
тах толщины стены ледогрунтового ограждения.
Метод Лямэ — Гадолина. В 1852—1854 ггж французским инже-
нером Лямэ (Lanie) и русским академиком В. А. Гадолиным были
предложены аналогичные методы расчета прочности орудийных
стволов. Англичане этот метод называют методом Dwelshauwers-Dery.

В последующее время этот метод
расчета стали применять для рас-
чета прочности любой конструкции
цилиндрической формы с диамет-
рами, значительно большими, чем
диаметры орудийных стволов. Он
нашел широкое применение и при
определении толщины стен ледогрун-
товых ограждений.

Метод расчета Лямэ — Гадолина
основан на цервой теории проч-
ности — по допускаемым напряже-
ниям; материал конструкции жестко-
упругий. Толстостенный цилиндр
(ледогрунтовое ограждение) рассма-
тривается как полый толстостенный
цилиндр неограниченной (бесконечно
большой) длины (высоты), подвер-
гающийся действию равномерно
распределенного внешнего давления
Рн (Рис. 43).

Обозначим вертикальную ось ци-
линдра через z, а перпендикуляр-
ную ей ось — через г.

Вырежем в стене цилиндра малый
элемент abed двумя радиальными
(меридиональными) сечениями ob и
ос и двумя сечениями ad и Ъс, явля-
ющимися концентрическими поверх-
ностями цилиндра и имеющими ра-
диусы кривизны г и г + dr.

В результате действия внешних
равномерно распределенных сил рн
на стену цилиндра в последней воз-

никнут внутренние напряжения. Нормальные (перпендикулярные
площадкам) напряжения, действующие в радиальном направлении,
называют радиальными, их (обозначают через ar. Нормальные
напряжения, действующие по касательной к поверхности цилиндра,
называют тангенциальными и обозначают через или ое.

Каждое горизонтальное поперечное сечение цилиндра испытывает
вертикальное давление yh от веса расположенной выше части ци-
линдра высотой h. При равномерном распределении по поперечному
сечению вертикальное давление вызовет в ледогрунтовой стене
цилиндра внутренние вертикальные напряжения a2 = yh.
Внутренние напряжения в ледогрунтовой стене цилиндра распре-
деляются симметрично относительно оси цилиндра. Так как каждая
меридиональная плоскость оЬ или ос представляет плоскость сим-
метрии как в отношении формы, так и в отношении внешних
сил, то в этих плоскостях касательные напряжения т действовать

не могут.

Вначале решим задачу в общем виде. Обозначим наружный радиус
ледогрунтового ограждения через 7?н, внутренний радиус его через 7?в,

Рис. 44. Внутренние напряжения
и (jr в стене цилиндра

а расстояние произвольной точки
в стене ограждения от оси ствола
через г (см. рис. 43). Толстостенный
цилиндр (ледогрунтовое ограждение)
рассматривается как упругое изо-
тропное тело неограниченной длины
(высоты), подверженное действию
равномерно распределенных ради-
ально направленных внутренних рв
и наружных рн давлений, причем
силы рв и ря отнесены к единице
поверхности цилиндра.

В таком случае деформации в
стене будут симметричны относи-
тельно оси ствола и по граням эле-
мента стены abed, вырезанного из
стены двумя радиальными и двумя
концентрическими цилиндрическими
сечениями.

По грани be, отстоящей от центра
ствола на расстоянии г + dr, ради-
альные напряжения "будут равны
(рис. 44)

ог + dr.
r dr

Для установления зависимости между напряжениями <5t и сгг
необходимо все силы, действующие на элемент abed, спроектировать
на направление среднего радиуса тп элемента.

Для соблюдения условия равновесия элемента abed необходимо,
чтобы

<V d<p + 2at dr sin dr'j (r + dr) d(p = 0.

Можно принять, что
dtp dtp
Sin 2 Г’

Тогда уравнение равновесия элемента abed будет
orr d(p + ot dr d(p - о/ d(p - -^7" drrdq — or drdq> — dr dr = 0,
или

ot drdq> — (5r drdq — r drdtp — drdrdq = 0,

Пренебрегая последним членом уравнения и произведя сокраще-
ние, получим

.<т,-<тг-г^ = О. ' (83)

Уравнение (83) называют дифференциальным уравнением равно-
весия.

Уравнение (83) содержит два неизвестных напряжения — (Jt
и аг. Чтобы его можно было решить, необходимо иметь еще одно
уравнение. Для этой цели надо при-
нять во внимание деформацию стены.
Обозначим через и радиальное переме-
щение какой-либо точки, находящейся
на расстоянии г от центра ствола шахты.
Радиальное перемещение точки, нахо-
дящейся на расстоянии г + dr от центра
ствола (рис. 45), равно

। du j
u+-=- dr.
dr

(84)

Относительное удлинение элемента
abed в радиальном направлении

45. Схема деформаций

Рис.

в ледогрунтовом ограждении

r dr

(85)

Помимо радиального удлинения, элемент стены a bed получит
удлинение 8/ в направлении действия напряжения Величина
относительного удлинения окружности равна величине относитель-
ного удлинения радиуса, поэтому

(86)

С другой стороны, абсолютное удлинение AZ какого-либо тела
при одноосном растяжении определяется по закону Гука:

л / Р1

“ FEo '

(87)

Если I — длина растягиваемого тела, EQ — модуль упругости,
а давление, приходящееся на единицу площади поперечного сечения
тела, т. е. у обозначим через д, то

Соответственно относительное удлинение тела

р __Л*_«_

г~ 1 ~ Ео '

(88)
Опыт показывает, что продольное растяжение тела всегда сопро-
вождается поперечным сокращением его. Это сокращение предста-
вляет собой часть продольного удлинения и противоположно ему
по знаку, т. е.

-|L= откуда et= — -1е,= -±.(89)
Су* ГП/ ГП, HL

где — — постоянная величина (пуассоново отношение).

Знак минус в формуле (89) показывает, что 8/ представляет собой
относительное сжатие. В рассматриваемом нами случае элемент
стены abed находится в двухосном напряженном состоянии или,
другими словами, подвергается одновременному растяжению по
двум взаимно перпендикулярным направлениям — силами и ог
(см. рис. 44). При таком действии сил относительное удлинение,,
вызываемое одними силами, будет уменьшаться вследствие действия
перпендикулярных им сил, которые вызовут некоторое расширение
тела в действующем ими направлении.

Для этого случая уравнения относительных удлинений будут

иметь вид:

__ ог______1_' Gr______.

Eq ГП Eq г ’

_ О'/______1_ Gf___ du

r~— Eq m Eq dr '

(90)

(91)

Уравнения (90) и (91) называют уравнениями линейных деформа-
ций. Они позволяют выразить тангенциальное и радиальное напря-
жения через относительные удлинения. Решая эти уравнения отно-
сительно <3t и получим:

(93)

Заменим в уравнениях (92) и (93) значения 8/ и 8гиз (90) и (91):

<т, = —\-(—+— (94)

r 1 \ г * т dr / ’ ' '

Е°. (-^+—•—). (95)

1 . 1 \ dr 1 т г ) v '

Дифференцируя уравнение (94), получаем

(du
-------г — и

d2u 1 dr

dr2 ’ т r2
Подставим полученные значения az, аг и в (83) (дифферен-
циальное уравнение равновесия):

После преобразований уравнение (96) примет вид:

d2u . 1 du и

dr% 'г dr r2

Уравнение (97) имеет общий интеграл

и = Лг + 4’

(98)

где А и В — постоянные интегрирования. Чтобы определить по-
стоянные интегрирования, нужно обратиться к уравнениям (94)
в (95). Подставляя в них вместо и его значение из уравнения (98),
будем иметь:

- (99>

<««>

Согласно принятому обозначению, рв и рн представляют собой
внутренние и наружные давления на ограждение. Очевидно, при
г = RB (см. рис. 43)

— Рю

а при г = RB

ar^RB= —рв-

Подставляя в уравнения (99) и (100) вместо г, Ra и RB соответ-
ствующие им значения и а также решая это уравнение
относительно А и В, получаем:

_ РвРв Л&Рн .

eq • '

14- —

=_____т (Рв —Рн) двдн

Ео ' ’
При этих значениях А и В уравнения (99) и (100) будут иметь вид:

----- RbPb ^нРн I (Рв P*)RIR& .___________/ллоч
‘_________________________________________+ гЧЯ*н~Я§) ’ (1 }

— ^вРв Д&Рн (Рв Ph)*S*& (104Л

r~ R^-R* г2(7?2-7?2) • >

Теперь рассмотрим два частных случая.

1-й случай. Имеется только внутреннее давление рв, наружное
давление отсутствует, т. е. рп = 0. Такой случай может иметь место,
например, при устройстве водоводов (тоннелей). При этом условии
уравнения (103) и (104) примут вид:

+ ' <105>

<‘06>

Из этих уравнений видно, что (Jt величина всегда положительная,
следовательно, напряжения будут растягивающие. Наоборот, ради-
альные напряжения/ аг будут всегда отрицательными, поэтому они
являются напряжениями сжимающими.

Наибольшее значение тангенциальные напряжения принимают
на внутренней поверхности цилиндрической стены, т. е. при г —Вв,
а наименьшее — на наружной поверхности, т. е. при г = 7?н. Их
величины будут:

п _ Рв (Ri

и/тах— Д2- о

С увеличением наружного радиуса 7?н тангенциальные напря-
жения приближаются к предельному значению, равному внутрен-
нему давлению рв, другими словами, наибольшие тангенциальные
напряжения всегда больше внутреннего давления.

Радиальные напряжения а, приобретают максимальное значение
при г = Нъ, т. е. на внутренней поверхности ограждения, причем
armax = —Рв- На наружной поверхности при г = Rn радиальные
напряжения аг — 0.

Таким образом, тангенциальные и радиальные напряжения ог
при жесткоупругом материале крепи и внутреннем давлении рп
приобретают максимальные значения на внутренней поверхности
ограждения.

2-й случай. Внутреннее давление в цилиндре отсутствует, т. е.
ръ = 0. Этот случай имеет место при расчетах толщины стены ледо-
грунтового ограждения. Внутренние напряжения в ограждении
возникают только от действия внешнего давления рн.

При рв = 0 уравнения (ЮЗ) и (104) примут вид:

(W8)

-Д§) .

(107)

/min Л?.— ’
Оба напряжения имеют знак минус, следовательно, являются
сжимающими напряжениями.

Далее из уравнений (108) и (109) следует, что тангенциальные
напряжения всегда больше радиальных напряжений аг. При этом:
тангенциальные напряжения возрастают по направлению от внешней
к внутренней поверхности ледогрунтового ограждения.

Наибольшие тангенциальные напряжения, а следовательно, и наи-
большая разность главных нормальных напряжений — аг, будут
размещаться на внутренней поверхности ограждения при г = RB.
Максимальное тангенциальное напряжение

(У — (ПСА

°/тах— Я2—Д2 ’

По абсолютной величине тангенциальные напряжения всегда
будут больше внешнего давления рн.

Как следует из уравнения (110), при Ян, достаточно большем
внутреннего радиуса 7?в, тангенциальное напряжение ofmax стре-
мится к своему предельному значению, равному — 2рн, который
будет в 2 раза больше внешнего давления, действующего на ледо-
грунтовое ограждение.

На наружной поверхности ледогрунтового ограждения, т. е.
при г = RH тангенциальные напряжения az, согласно уравнению
(108), будут меньше тангенциальных напряжений, возникающих
на внутренней поверхности ледогрунтового ограждения. Действи-
тельно, подставляя в уравнение (108) вместо г его значение г — 7?н,
найдем

/- \ __ _ Рн^Н / А ] _ Рн (В& "Ь *§) /А А 4\

(a/)r=BH— R2 _Д2 + Д2 ) Д2_Д2 ’

МВ' М ' МВ

Что касается радиальных напряжений аг, то на внутренней
поверхности ледогрунтового ограждения, т. е. при г = RB, согласно
уравнению (109), сгг=яв = 0. В этом нетрудно убедиться после
подстановки в уравнение (109) значения г = RB. В самом деле:

Cf — _____ (л _

r~RB Я2—/?2 I/

Максимальное значение радиальное напряжение будет иметь на
внешней поверхности ледогрунтового ограждения, т. е. при г = RH.
После подстановки этого значения г в уравнение (109) получим

k^r/max Л&-Д2

*2н

Распределение тангенциальных (Jt и радиальных аг напряжений
в стене жесткоупругого ледогрунтового ограждения показано на
рис. 46. Как видно из рисунка, тангенциальные напряжения воз-
растают от внешней к внутренней поверхности ледогрунтового
ограждения, где они достигают своего максимального значения

7 Н. Г. Трупац 97
Рис. 46. Изменение значений радиаль-
ных вг и тангенциальных напряже-
ний в жесткоупругом ледогрунтовом
ограждении

н наибольшего значения по' сравнению с радиальными напряже-
ниями ог. Другими словами, тангенциальные напряжения всегда
больше радиальных напряжений о2.

Теперь необходимо доказать, что тангенциальные напряжения
являются наибольшими из всех напряжений о^, ог и о2, действу-
ющих в ледогрунтовом ограж-
дении.

Г оризонтал ьное внешнее

давление на стену ледогрунто-
вого ограждения на глубине

С другой стороны, величина
yz = о2 (вертикальному напря-
жению), следовательно, рв =
Так как коэффициент го-
ризонтального распора А всегда
меньше единицы, то очевидно,
что сгг >рв, а потому о2 >
> &гтпах ~ Рн‘

Далее at max = —2рн > аг
(о2 не может быть вдвое больше
наружного давления). Таким образом, из всех действующих в стене
ледогрунтового ограждения нормальных напряжений наибольшим
является тангенциальное напряжение а наименьшим — радиаль-
ное напряжение ог, т. е. >ог.

Сумма тангенциального и радиального ог нормальных напря-
жений величина постоянная:

az + ^r =

2Ph^h
Д2—

const.

(112)

В самом деле, при г = 7?в, сгг ^ 0 уравнения (108) и (112) стано-
вятся тождественными уравнению (110). При г = RVl, <jr = —рв,
„ _ _ Рн(Д§+В1)

Из сказанного следует, что необходимую толщину стены ледо-
грунтового ограждения следует рассчитывать по наибольшему тан-
генциальному напряжению о^. Так как наибольшие тангенциальные
напряжения располагаются на внутренней поверхности ледогрунто-
вого ограждения, то эти места ограждения являются и наиболее
опасными. При этом необходимо иметь в виду, что на внутренней
и внешней поверхностях ледогрунтового ограждения замороженный
грунт имеет наименьшую прочность, так как он в этих местах охла-
жден до температуры, близкой к + 0°aJ.

Чтобы прочность ледогрунтового ограждения была надежной,
величина наибольшего тангенциального напряжения О/ тах не должна
98
превышать допускаемого среднего для всей стены напряжения [ос1
на сжатие материала ледогрунтового ограждения, т. е.

max KL

Заменяя в уравнении (НО) О/ на [ос], получаем

<“3>

Знак минус в формуле (ИЗ) отсутствует, потому что напряжения
имеют одинаковый знак.

В формуле (ИЗ) значение 7?н заменим равнозначным ему Ян =
= Лв + Е.

Тогда

Гг.. 2рн (Яв+#)2
1 cJ (Яв+Я)2-*! ’

Решая последнее уравнение относительно Е\ найдем основное
уравнение метода расчета:

£=я-(Кта^-‘)- <ш>

Допускаемые напряжения на сжатие [ос] принимают при 3—
5-кратном запасе прочности, т. е.

1&<=1 = -зТ5--

Эту же задачу можно решить иначе. Полагая, что внутренний
радиус Яв ледогрунтового ограждения (радиус шахтного ствола
в проходке) задан, решим уравнение (113) относительно 7?н — наруж-
ного радиуса ледогрунтового ограждения:

Лв9 (115)

Г [<Тс]

Необходимая толщина стены ледогрунтового ограждения опре-
делится из разности

Е = Ян Ев.

Метод Галянка — Худека. В методе, предложенном польским
проф. Галянкой (I. Galanka) й инж. Худеком (М. Chudek), ледо-
грунтовое ограждение рассматривается как конструкция, состо-
ящая из жесткоупругого материала, подвергнутая равномерно рас-
пределенному радиальному давлению рн.

Однако при этом проф. Галянка отмечает, что вследствие откло-
нений замораживающих колонок от вертикального положения пред-
положение о равномерном распределении по поверхности ограждения
внешнего давления рн не является достоверным.
Поэтому необходимо всегда считаться с некоторой неравномер-
ностью давления, что полностью согласуется с принимаемым коэф-
фициентом запаса при определении допускаемого напряжения
замороженной горной породы.

Ледогрунтовое ограждение находится в трехосном (простран-
ственном) напряженном состоянии. В ограждении возникают сле-
дующие внутренние напряжения: радиальные сжимающие аг, тан-
генциальные сжимающие и продольные (вертикальные) а2, парал-
лельные оси ствола и являющиеся результатом действия горного
давления, сил трения между стеной ледогрунтового ограждения
и окружающей ее незамороженной горной породой, а также от соб-
ственного веса ограждения.

Толщина стены ограждения должна быть такой, чтобы возника-
ющие в ней результирующие максимальные напряжения были меньше
допускаемых.

По уравнению (109), радиальное напряжение
п __ -^нРн (л ^в \
Г Д2— V г2 ) •

По уравнению (108), тангенциальное напряжение

z Rl-Rl V+ п )

Значение продольного напряжения а2 как в упругом, так и в пла-
стическом состоянии толстостенного ограждения принимается

ГГ = __ ^нРн

2 R&-RZ 4

В основу расчета прочности по методу проф. Галянки — Худека
положена энергетическая теория прочности или условие Грубера —
Мизеса. Согласно этой теории, опасное состояние материала насту-
пает, когда z в материале накапливается удельная потенциальная
энергия изменения формы, достигающая некоторого предельного
значения.

Приведенное или расчетное напряжение апр не должно превышать
допускаемого напряжения замороженного грунта.

Уравнение прочности имеет вид:

<*пр=+ О? + О*—Ога( — агаг—ataz ==s [ а?]. (115а)

Подставив в уравнение (115а) значения ar, и а2 из уравне-
ний (108) и (109) и произведя преобразования, найдем

r^i-зГ днд8р Т

1 с* L (R&-J •

Максимальное напряжение в материале ледогрунтового огра-
ждения имеет место на границе внутренней поверхности, т. е. при
г = R*.
В этом случае

к|-яГ®ЯГ/’|/3'

Заменяя выражение Rh — R3 = Е, окончательно получим

Ге]
[tfcl — Р /3

(116)

Как утверждает проф. Галянка, в практике ПНР формула (116)
принята для расчета толщины стен ледогрунтовых ограждений,

а также для расчета стен
постоянной крепи и яв-
ляется для всех случаев
достаточной, характеризу-
ющей крепь от дефор-
маций.

Эмпирическая формула
Вальбрекера. Приведем
вначале анализ формулы
(82) Иостена, данный Валь-
брекером (Walbrecker).
Изменение толщины стены
ледогрунтового огражде-
ния Е в зависимости от
величины горного давле-
ниярн по формуле Иостена
показано на диаграмме
(рис. 47). На оси ординат

Рис. 47. Изменение толщины стены ледогрун-
тового ограждения по формуле Иостена

отложены давления /?н, а

на оси абсцисс соответствующие им толщины Е стены ледогрунто-

вого ограждения.

Как видно из диаграммы, применение формулы Иостена ограни-
чивается глубиной, определяемой, вероятно, соотношением ра =
= ^1. При больших значениях рл толщина ледогрунтового огра-
ждения будет стремиться к бесконечности, а при рн = [ас] Е = оо
(кривая АС). Тогда при i = 1,7 и [ос] = 70 кгс/см2 (700 тс/м2)
предельная глубина Я, до которой можно применять формулу
Постена, определится из уравнения рн =-- Hi = Цр т/м2, откуда

700

2-1,7

206 м.

Для точного исследования полученной кривой переместим начало
координат из точки А в точку В — центр обеих кривых. При пере-
мещении начала координат последние будут иметь новые значения:
Рп = х + l^cl и Е = У — если новые оси координат обозначим
через х и у.
Уравнение (82) Иостена представим в следующем виде:

D.1pn + 2EpH = 2Е [<ус] . (117)

После введения новых значений координат уравнение (117)
примет вид:

Z>1 + [ос]) 4-2 (у- (х + (<ГС1) = 2 (у[<ГС1.

После преобразований этого уравнения получим

2xy = —D1 [<тс],
откуда

Правая часть уравнения является величиной постоянной, следо-
вательно, произведение ху = const. Это уравнение представляет
собою равнобокую гиперболу, у которой асимптомы являются осями
координат. При этом х = рп — [сгс1 и у = Е-\- у .

В самом деле, подставляя значения х и у в уравнение равно-
бокой гиперболы, получаем-

(Рн- [<ТС]) (Я + 4) = —’
или

РиЕ + Рн 4— [<тс] Е - [<ус] .

Произведя преобразования, получим уравнение

т? = -Рн-^1

“ 2 [Ос]-Рн ’

тождественное уравнению (82).

Гиперболический характер этого уравнения объясняет, почему
оно дает результаты, неприемлемые на средних и больших глубинах
замораживания. Толщина ледогрунтового ограждения Е резко
увеличивается даже при небольшом увеличении внешнего давления.
Вследствие этого уравнение (82) на указанных глубинах непригодно
для практических целей.

Далее, анализируя расчетные формулы Иостена и Лямэ, Валь-
брекер пришел к выводу, что при выводе их ускользал от внимания
следующий факт.

В то время как члены формул, определяющие по совокупности
толщину стены ограждения (горизонтальное- давление на ледогрун-
товое ограждение и допускаемое напряжение на сжатие заморожен-
ного грунта), выражаются в кгс/см2 или в тс/м2, т. е. относятся к пло-
щадям, и таким образом являются величинами второго порядка,
а толщина ледогрунтового ограждения является линейной величи-
ной, или величиной первого порядка. Поэтому толщина стены огра-
ждения не может изменяться в одинаковой мере с ее независимыми.
Для проверки формул в этом направлении примем простейшие
соотношения и остающееся постоянным допускаемое напряжение
сжатию замороженного грунта, а также будем рассматривать знаме-
натель как постоянную величину в уравнении

Р = ^1-Рн

2[ОС]-Рн 9
тогда получаем

Е = хН.

Произведение в правой части уравнения представляет собой вес
в килограммах, который давит на единицу площади, длина стороны
которой Е. Если Н удваивается, то Е по формуле Е = х2Н также
увеличится вдвое. Площадь 2Е2, таким образом, увеличится в 4 раза,
тогда как фактически она должна только удвоиться, если давление
на единицу остается то же самое.

Отсюда — при увеличении давления увеличивается в одинаковой
мере нагруженная поверхность, т. е. сопротивляющееся поперечное
сечение ледогрунтового ограждения, а толщина ограждения Е только
как значение корня.

Далее между толщиною ограждения Е и ее независимыми Валь-
брекер устанавливает следующие соотношения:

или

E2 = fi, или Е =

E2 = f-^-r, или £, = /1/-Дг.

J [<Тс] 1 Г [Ос]

Следовательно, толщина ледогрунтового ограждения при соот-
ветствующем диаметре Dr ствола шахты в свету и при принятых
обозначениях будет

или

E = R*V 10[Цс] .

Величина -^-=рн. Тогда

Е =

Расчеты по формуле (118)
давлении рн на ограждение
конечной:
при
Рн=0 ..................

£=0................

Г [Ос] ' '

показывают, что при любом конечном
толщина стены Е также оказывается

—2“ [ос] 2 [Ос] 4 [Ос] оо
0,708Яв Яв 1,4Яв 2Дв оо
Изменение толщины Е стены ледогрунтового ограждения в зави-

симости от внешнего давления, определенное по формуле Вальбре-

Рис. 48. Изменение толщины
стены ледогрунтового ограж-
дения по формуле Вальбрекера

кера, показано на диаграмме (рис. 48).

Если обе части уравнения (118)
возвести во вторую степень, получим

г*2_ _ 2 п

” [<Тс] “ 2 [Ос] Рп'

Обозначая
найдем

выражение

2 [ос]

через

С,

Е2 = 2рпС.

Это выражение представляет собой
параболу, уравнение которой у2 =
= 2рпх или

Рн-

Параметр этой параболы

_Л1_

2 [ос]

а не-

зависимое переменное ри.

Очевидно, с увеличением внутреннего радиуса шахтного ствола
увеличивается и параметр и, наоборот, параметр параболы умень-
шается вместе с уменьшением допускаемого напряжения на сжатие
замороженного грунта. Поэтому толщину стены ледогрунтового
ограждения можно легко определить при любой глубине, которой

соответствует давление ри.

Для сравнения с результатами расчетов по другим формулам
Вальбрекер определил толщины стены ледогрунтовых ограждений
по предложенной им формуле при следующих условиях: глубина
замораживания Н = 315 м, гидростатический коэффициент i = 1,7,
диаметр шахтного ствола в свету Dr = 6,8 м, допускаемые напря-
жения на сжатие замороженной горной породы [ос] изменяются
от 10 до 150 кгс/см2.

Результаты расчетов следующие:

Допускаемые
напряжения
на сжатие
[ос], кгс/см2

Необходимая
толщина
ограждения
Е, м

7,9

5,57
4,54
3.94
3,53

3,21
2,98
2,78

Допускаемые
напряжения
на сжатие
[ос], кгс/см2

90
100
НО
120
130
140
150

Необходимая
толщина
ограждения
Е, м

2,63
2,49
2,37
2,27

2,18
2,11
2,04

По мнению Вальбрекера,. предложенная им формула дает вполне
удовлетворительные результаты. Как он отмечает, при проходке
ствола шахты способом замораживания толщина стены ледогрунто-
вого ограждения на глубине 315 м была равна 3 м. Как следует
из данных приведенной выше таблицы, такая толщина соответствует
допускаемому напряжению на сжатие замороженной горной породы
[ос] = 70 кгс/см2. При толщине стены ледогрунтового ограждения
3 м горнопроходческие работы в стволе осложнениями не нару-
шались.

§ 3. Анализ расчетных формул

Формула Иостена (82) проста для расчетов. Однако область при-
менения ее ограничена. Переменной величиной в этой формуле
является горное давление рп. Разделив числитель и знаменатель
правой части формулы на величину рн, получим

р______2)1____

Как следует из этого уравнения, толщина стены ледогрунтового
ограждения в устье ствола равна нулю. С увеличением глубины
замораживания и соответственно давления рп толщина стены ледо-
грунтового ограждения будет увеличиваться от нуля вначале мед-
ленно, а затем настолько быстро, что уже при значении /?н = [ос]
она становится бесконечно большой величиной. В самом деле, если
допускаемое напряжение [ос] на сжатие замороженного грунта будет
равно горному давлению рн, дробь в знаменателе будет равна еди-
нице; весь знаменатель приобретет значение нуля, а все выра-
жение — необходимая толщина ледогрунтового ограждения — будет
бесконечно большой величиной, т. е. Е = оо.

Толщина Е стены ледогрунтового ограждения при других значе-
ниях горного давления:

рн=0 0,5 [ос] 0,66 [ос] 0,75 [огс] [Ос] 1,33 [ос] 2 [ос] 3 [ос] оо
Е=0 0,5Z)i Di 22)i оо -22)r —D1 Q,lDr -0,52)i

Изменение толщины Е стены ледогрунтового ограждения в зави-
симости от величины горного давления /?н показано на диаграмме
(см. рис. 47). На оси ординат диаграммы отложены величины гор-
ного давления /?н, а на оси абсцисс —соответствующие им толщины Е
стены ледогрунтового ограждения.

Как следует из приведенных выше данных, при /?н > [ас] тол-
щина стены ледогрунтового ограждения приобретает отрицательное
(мнимое) значение, абсолютная величина которого равна вначале
бесконечности, а затем планомерно уменьшается, пока, наконец,
ПРИ Рн — 00 она станет равной половине диаметра ствола со знаком
минус.

Предположим, что внутренний диаметр шахтного ствола Dr —
— 8 м = 800 см, глубина замораживания Н — 300 м, угол есте-
ственного трения горных пород <р = 12° (рн = 1,ЗЯ), определим
необходимую толщину стены ледогрунтового ограждения при пере-
менных значениях допускаемого напряжения [ас] в заданных усло-
виях.

Давление горных пород па конечной глубине замораживания
ри = 1,3-300 = 390 тс/м2 = 39 кгс/см2. Решив уравнение (82),
найдем:

[ос], КГС/СМ2 ..... 60 70 80 90 100 110 120

Е, м .............. 7,43 5,03 3,80 3,06 2,56 2,20 1,92

При внешнем давлении р'п = 1,7Н толщина стены ограждения
при соответствующих допускаемых напряжениях будет равна: 22,66;
10,73; 7,04; 5,23; 4,16; 3,46 и 2,96.

Полученные выше значения толщины стены ледогрунтового отра-
жения показывают, какое важное значение в расчетах имеет пра-
вильное определение внешнего давления на ограждение. Так, при
одном и том же допускаемом напряжении на сжатие [ас] = 60 кгс/см2
при давлении ри = 1,ЗЯ толщина стены ледогрунтового ограждения
Е = 7,43 м, а при давлении р» = 1,7Я Ег = 22,66 м, или в 3 раза
больше, чем в первом случае, хотя внешнее давление увеличилось
только на 30%.

Далее при увеличении допускаемого напряжения на сжатие
до 120 кгс/см2, т. е. вдвое, толщина ледогрунтового ограждения
во втором случае уменьшится в 7,7 раза. Отсюда следует, что формулу
Иостена для определения толщины стены ледогрунтового ограждения
на средних и больших глубинах применять не следует.

При принятых выше давлениях рп = 1,ЗН и /?„ = 1,7Н пре-
дельные глубины замораживания определятся из уравнения
[<тс] — ри = 0, т. е. когда толщина стены ограждения Е будет бес-
конечно большой. Решая это уравнение относительно Н, найдем
при [ас] = 60 кгс/см2 = 600 тс/м2 и /?н = 1,ЗЯ; 600 = 1.3Я, откуда
Н = 460 м, а при = 1,7Я Н = 353 м. z

В приведенных выше расчетах толщины стены ледогрунтового
ограждения были приняты сравнительно высокие допускаемые
напряжения на сжатие [ас]. При принятых в настоящее время тем-
пературах замораживания допускаемые напряжения замороженных
грунтов значительно ниже: [ас] = 10, 15, 20, 30^кгс/см2. При таких
допускаемых напряжениях [ас] предельные глубины замораживания,
определенные по формуле Иостена, будут меньше. Например, при
рн = 1,ЗЯ они будут соответственно: Н = 77, 115, 154 и 230 м. При
Рн = i,7H предельные глубины замораживания будут еще меньше:
Н = 59, 88, 112 и 182 м.

Как следует из формулы Лямэ (114), толщина стены Е ледогрун-
тового ограждения увеличивается с увеличением внешнего давле-
ния рн. Внешнее давление станет критическим, когда знаменатель
подкоренной величины этого уравнения обратится в нуль, т. е. при
[ас] — 2/?н = 0 или рп = При таком значении ра толщина
стены ледогрунтового ограждения должна быть бесконечно большой,
106
т. е. Е — оо. При еще большем значении внешнего давления рн
толщина стены приобретает мнимое (отрицательное) значение.

Примем угол внутреннего трения горной породы, оказывающей
давление на ледогрунтовое ограждение <р = 12°, которому соответ-
ствует давление рп = 1,31Я и допускаемые напряжения на сжатие
[ос1 = 20, 40, 60, 80 и 100 кгс/см2 (200, 400 и т. д. т/м2). Знаменатель
подкоренной величины уравнения (114) [ас] — 2рн примет значение
нуля, а следовательно, толщина ледогрунтового ограждения Е — оо
будет при следующих давлениях (глубинах):

[<тс], тс/м2 . . . ....................... 200 400 600 800 1000

Я, и ....................................... 76 153 229 300 380

Если принять давление на ледогрунтовое ограждение рн =
= 1,62Я (ср = 6°), то толщина стены Е ограждения при тех же
значениях допускаемого напряжения [ас] будет достигать беско-
нечно больших величин на следующих глубинах соответственно:
62, 123, 185, 248 и 310 м.

Таким образом, при расчетах по формуле (114) получаются те же
результаты, что и при расчетах по рассмотренной выше формуле
Иостена. Однако при расчетах по формуле (114) предельная глубина
замораживания Н достигается уже при значении допускаемого
напряжения [сгс], меньшем в 2 раза, чем в формуле Иостена.

Этот серьезный недостаток формулы (114) не позволяет при-
менять ее для расчетов даже при средних глубинах замораживания.
Предельную глубину замораживания Н можно было бы увеличить,
если в уравнении (114) вместо допускаемого напряжения [ас] при-
нять предел прочности на сжатие ас замороженной горной породы.

Предположим, что ледогрунтовое ограждение необходимо обра-
зовать вокруг ствола с радиусом 7?н = 4 м и глубиною 300 м. При
гидростатическом коэффициенте i — 1,31 давление на ледогрунтовое
ограждение на конечной глубине составит рн = 1,31*300 =
= 393 т/м2 = 40 кгс/см2. Соответственно 2/?н = 80 кгс/см2.

При таком значении рн и малых величинах предела прочности
на сжатие замороженного грунта ас знаменатель дробного выражения
под корнем уравнения (114) будет иметь отрицательное значение
до того момента, пока ос не достигнет величины 2£н = 80 кгс/см2,
при которой толщина ледогрунтовой стены сразу превращается
в бесконечность.

При увеличении ос, например, до 90, 100,, 120, 140, 160
и 180 кгс/см2 необходимая толщина стены ледогрунтового огра-
ждения, согласно уравнению (114), должна быть соответственно 11;
7,96; 5,92; 5,08; 4,64 и 4,36. Как видно из приведенных цифр, при
малых изменениях предела прочности на сжатие получаются резуль-
таты, сильно отклоняющиеся друг от друга, колебания которых
не находятся в причинной связи.

При пределах прочности на сжатие ос = 90 4- 140 кгс/см2 тол-
щина стены ледогрунтового ограждения должна быть чрезмерно
большой. Лишь при ос = 160 -4- 180 кгс/см2 толщина стены является
умеренной. Однако пределы прочности на сжатие материала ледо-
грунтовой стены в 120—180 кгс/см2 могут быть достигнуты лишь
при средних температурах замороженного грунта 15—20° С. Но при
обычном замораживании грунтов, т. е. при температуре охлажда-
ющего рассола —20° С такие средние температуры недостижимы.
Таким образом, основной вывод о применимости формулы не изме-
няется.

Другое мероприятие, позволяющее увеличить предельную глу-
бину замораживания, это охлаждение горных пород до более низких
температур с целью повышения их прочности. Впрочем, при замора-
живании горных пород на больших глубинах рассол вообще должен
охлаждаться до более низких температур, чем на средних глубинах.

Таким образом, расчеты по методу Лямэ — Гадолина показывают,
что уже на глубинах 200—300 м толщина стены ледогрунтового
ограждения должна быть настолько большой, что применение спо-
соба замораживания на этих глубинах оказывается невозможным.
Между тем опыт показывает, что шахтные стволы проходили с при-
менением способа замораживания на глубинах, значительно боль-
ших, чем те, которые лимитируются формулой Лямэ — Гадолина.
Достаточно назвать ствол шахуы «Хутлен» в Бельгии, где горные
породы замораживали до глубины 637 м и ствол калийной шахты
в Канаде, где замораживание применяли до глубины 914 м.

Опыт также показывает, что ледогрунтовые ограждения с тол-
щиной стены Е = 3 -4- 5 м оказываются достаточно прочными при
проходке шахтных стволов глубиною 300—500 м.

Метод расчета Лямэ — Гадолина в расчетах толстостенных ци-
линдров себя полностью оправдал. Он дает также удовлетворитель-
ные результаты при расчете толщины стен ледогрунтового огражде-
ния на малых и средних глубинах замораживания, а на больших
глубинах замораживания оказывается непригодным. Причину этого
следует искать в свойствах замороженного грунта.

В методе Лямэ — Гадолина условия работы замороженного грунта
рассматриваются только в упругой стадии, тогда как на самом деле
ледогрунтовоеограждение деформируется пластически. Другими
словами, в этом методе не учитываются реологические свойства
замороженных горных пород и пластические деформации, возника-
ющие в стене ледогрунтового ограждения вследствие течения льда,
заключенного между частицами несвязанной горной породы.

Пластические деформации^развиваются во времени, а после уда-
ления внешней нагрузки не восстанавливаются.

Вообще говоря, всякая нагрузка на любое твердое тело вызывает
в нем одновременно и упругие, и пластические деформации. Но
в одних случаях пластические деформации настолько малы, что при
таком напряженном состоянии тело остается практически жестко-
упругим. В других случаях пластические деформации становятся
доминирующими. Твердые тела являются идеально упругими лишь
при весьма малых деформациях. При воздействии более или менее
108
значительных нагрузок в них возникают заметные пластические
деформации.

Пластичностью называют способность твердых тел, деформиру-
емых под действием приложенных к ним внешних сил, получать
и сохранять (частично или полностью) остаточные деформации после
прекращения действия этих сил.

При большом внешнем давлении^ пластичными становятся даже
такие кристаллические материалы, как, например, мрамор. При сжа-
тии куска мрамора в стальном сосуде мрамор принимает форму
этого сосуда. Причина такого поведения мрамора состоит в том,
что в результате действия большого давления кристаллическая
решетка его разрушается, частицы мрамора сдвигаются, переме-
щаются в разных направлениях, молекулярные силы, действующие
между частицами мрамора, теперь не будут способны удерживать их.

В замороженных грунтах пластические деформации обусловли-
ваются и течением льда, заключенного между частицами породы.

При выполнении практических расчетов необходимо знать усло-
вие, при котором исследуемый материал переходит из упругого в пла-
стическое состояние (состояние текучести). Условие, которому
должны отвечать внутренние напряжения в какой-либо точке де-
формируемого материала при объемном напряженном состоянии его,
чтобы в материале появились первые достаточные деформации, в те-
ории пластичности называют условием пластичности.

Из числа известных условий пластичности рассмотрим третью
теорию прочности — теорию наибольших касательных напряжений.
Согласно этой теории, критерием возникновения пластических де-
формаций (состояния текучести материала) является разность между
максимальным и минимальным а3 главными нормальными напря-
жениями. Если эта разность переходит определенную границу, то
в деформируемом теле возникает пластическое состояние.

Если, например, ох >а2>о3, тогда состояние текучести матери-
ала возникнет при условии

^ = tmax, (119)

где ттах — максимальное касательное напряжение, или напряжение
сдвига, возникающее в материале.

Уравнение (119) одновременно выражает и предельное упругое
состояние материала.

Материал теряет равновесие (начинает течь) как только макси-
мальное напряжение ттах сдвига превысит предел текучести т3
материала при сдвиге, т. е. ттах >ts. Если этот предел достигнут,
но не превзойден, равновесие в материале будет еще возможно.

В состоянии текучести материала максимальное касательное
напряжение ттах во всех точках материала будет иметь постоянное
значение, т. е. ттах — const.

Предел текучести ts при сдвиге можно определить по пределу
прочности на сжатие ас. Если провести испытания образца заморо-
женного грунта с равномерным распределением давления по всей
площади образца, то при одноосном сжатии в образце возникнет
только одно главное напряжение сг19 а другие главные нормальные
напряжения о2 и сг:! будут равны нулю. В пределе, когда напряже-
ние (% станет наибольшим из возможных, т. е. о1тах, будет превзой-
ден предел прочности ос на сжатие материала — произойдет раз-
рушение его.

В этом случае максимальное касательное напряжение, согласно
уравнению (119), будет

rs=Tmax = ^ = ^. (120)

Из уравнения (120) следует, что ос = 2xs или rs = 0,5ас. Другими
словами, предел текучести xs материала при сдвиге равен половине
предела его прочности на сжатие.

Рассуждая таким же образом, можно показать, что между пре-
делом текучести на»сдвиг материала и пределом прочности его при
одноосном растяжении ор имеется
зависимость 2xs = ор, или т$ =
= 0,5ор.

Следовательно, условие пре-
дельного состояния равновесия
для материалов на границе теку-
чести, или условие пластичности,
имеет следующий вид:

Рис. 49. Значения разности напря-
жений ot~c>r в стене ледогрунтового
ограждения при жесткоупругом
состоянии замороженного грунта

Выше было установлено, что
тангенциальные напряжения о,
являются наибольшими, а ради-
альные вг — наименьшими из всех
напряжений, возникающих в цилиндрическом ледогрунтовом огра-
ждении. Следовательно, условием пластичности для материала
ледогрунтового ограждения будет выражение

g<7gf или а<~ <Ь = ас. (121)

Изменение значений разности о, — о> в жесткоупругом матери-
але ледогрунтового ограждения показано на диаграмме (рис. 49).

Тангенциальное напряжение 07 достигнет своего максимального
значения, согласно уравнению (108), при г — RB:

«/max- Д2-Д2 *

При том же значении г = RB радиальные напряжения на вну-
тренней поверхности ограждения, согласно уравнению (109), будут
равны нулю.
Следовательно, пластические деформации в ледогрунтовом огра-
ждении могут возникнуть при условии

<rt max - 0 = max = - = *с (122)

При заданных RH и 7?в из уравнения (122) можно определить
внешнее давление при котором в материале ледогрунтового

ограждения возникнут пласти-
ческие деформации.

Приняв в этом уравнении
Pi = Рю найдем

Внутренний радиус ледо-
грунтового ограждения RB (ра-
диус шахтного ствола в про-
ходке) изменяется от 3 до 4 м.
Наружный радиус RH огражде-
ния зависит от принятой тол-
щины Е стены ограждения.

Если принять RB = 4 м,
Е = 4 м, 7?н = 8 м и соответ-
ственно = — = 0,25, то
Лд 8

Рис. 50. Упругопластическое ледогрун-
товое ограждение:

] — зона пластических деформаций; 2 — зона
упругих деформаций (Но — внешний радиус
зоны пластических деформаций)

давление ри при котором

iT материале ограждения возникнет пластическая деформация, будет

равно

Р1 = .£. (1-0,25) = 0,375<JC.

(124)

Ниже приведены давления при которых в материале ледс-
грунтового ограждения начнут возникать пластические деформации
при ос = 100 кгс/см2 = 1000 тс/м2 и переменных отношениях

Ян

Отношение -р— .......... 1,1 1,5 2 2,5 3 4

-*1В

Давление тс/м2 ............ 91 285 375 420 445 469

Так как наибольшее из всех напряжений действует на вну-
тренней поверхности ледогрунтового ограждения, то и пластические
деформации в ограждении возникнут на этой же поверхности
(рис. 50).

Необходимо заметить, что возникновение пластических деформа-
ций на внутренней поверхности ледогрунтового ограждения еще
не означает, что оно потеряло свою несущую способность. Как
показано на рис. 50, наряду с возникновением зоны пластических
деформаций на наружной поверхности может еще оставаться зона
упругих деформаций, т. е. зона, в которой часть материала огражде-
ния будет находиться еще в упругом состоянии.

Но возникновение пластических деформаций в ограждении ука-
жет на то, что часть материала ограждения перестала подчиняться
закону Гука, а следовательно, материал нельзя уже рассматривать
как жесткоупругий — он стал упругопластическим. Вполне по-
нятно, что для расчета прочности конструкции из такого материала
должны быть применены другие методы расчетов.

При увеличении внешнего давления р„ пластическая кольцевая
зона ледогрунтового ограждения будет расширяться, а упругая
кольцевая зона уменьшаться, пока зона пластических деформаций
не достигнет наружной поверхности ограждения. Тогда ограждение
потеряет способность сопротивляться внешним силам и его несущая
способность будет исчерпана. Внешнее горизонтальное давление рн
на ограждение вызовет ничем не ограниченные деформации, огра-
ждение станет «расползаться» и вдвигаться внутрь проходимого
ствола.

Давление рп = р2, при котором все ледогрунтовое ограждение
перейдет в пластическое состояние, называют предельным.

Предельное давление р2 можно определить^ следующим путем.
Напряжения и о> в пластической зоне должны удовлетворять
дифференциальному уравнению равновесия (83) независимо от состою
яния, в котором находится замороженный грунт — в пластическом
или упругом. Поэтому, согласно уравнениям (83) и (121), можно
записать

d(jr

откуда
der = — dr.
г г

По интегрировании этого уравнения получим

ог = ас1пг + С'. (125)

Постоянная величина С определится из условия, что на вну-
тренней поверхности ледогрунтового ограждения (г = 7?в) напряже-
ние вг исчезает, т. е. о> = 0. Подставляя это значение в (125), найдем

0 = С’ + о'с1п 7?в,
откуда

С=—ос 1п/?в.

Соответственно уравнение (125) примет вид:

вг = о’с In г — ас In 7?в,
откуда

аг = ас1п-^-. (126)
или

1 *В

ar = — _ас In —- .
г с г

(127)

Далее, подставляя это значение аг в условие пластичности (119),
получим

ст<_ СТс1п-^-) = ас,
откуда

(Г/ = (Ус —
или

az = oc(l-ln^). (128)

Уравнения (127) и (128) позволяют определить главные нормаль-
ные . радиальные вг и тангенциальные напряжения в зоне пла-
стических деформаций.

Ледогрунтовое ограждение полностью перейдет в пластическое
состояние, когда зона пластических деформаций достигнет наружной
поверхности ограждения, т. е. при г — RH. При этом условии ра-
диальные напряжения вг = —ри. Поэтому уравнение (126) можно
записать в таком виде:

= ~Ра = ~Рг = <*с In -д- ,
откуда

А = -<ТС1П^. (129)

При значениях 7?в — 4 м и Дн = 8 м

р2 = —0,69ос.

При отношениях = 2,5; 3 и 4 давления, при которых все
•“в

ледогрунтовое ограждение перейдет в пластическое состояние, будут
соответственно равны:

Рг = —0,92о’с; р"2 = — 1,1ас; р'^' = — 1,38о’с.

Ниже приведены предельные давления р2, при которых материал
ледогрунтового ограждения полностью перейдет в пластическое
состояние при пределе прочности на сжатие замороженного грунта
яс = Ю00 тс/м2 и переменных значениях :
л в

Г\ 7?н

Отношение ь "

•Пв

Давление р2, т/м2

Отношение ----- .

8 Н. Г. Трупак

1,1 1,5 2 2,5 3 4
95 410 690 920 1100 1380
1,04 1,44 1,84 2,19 2,69 2,94

ИЗ
Пределом прочности на сжатие ос = 100 кгс/см2 = 1000 тс/м2
обладают водоносные пески, замороженные при температуре —10° С.

При таком пределе прочности на сжатие и = 2 пластические
Я в

деформации в ледогрунтовом ограждении возникнут, согласно урав-
нению (124\, при давлении

Р1 = 0,375 • 1000 = 375 тс/м2.

При рг = 1,ЗЯтс/м2 это ссответствует глубине ствола Н = 290 м.

Если же, как это наиболее часто бывает в практике, средняя
интегральная температура в стене ледогруйтового ограждения будет
только —5° С, то предел прочности на сжатие можно принять только
50 кгс/см2, т. е. вдвое меньше принятого раньше. Соответственно
вдвое уменьшится и глубина возникновения пластических деформа-
ций, т. е. с Н = 290 м до Н' — 145 м. На такой же глубине пласти-
ческие деформации возникнут в ледогрунтовом ограждении, состо-
ящем из глины (при t = —10° С). При температуре замораживания
—5° С средний предел прочности на сжатие глины можно принять
Ос = 25 кгс/см2, соответственно понизится глубина с Н' = 145 м
до Н" = 75 м.

При толщине стены ледогрунтового ограждения, меньшей 4 м,
глубина, на которой могут возникнуть пластические деформации,
будет также несколько меньшей.

При значениях 7?в = 4мийн = 8м ледогрунтовое ограждение
перейдет полностью в пластическое состояние, согласно уравнению
(129), при следующих предельных давлениях’и глубинах в зависи-
мости от пределов прочности на сжатие замороженной горной породы
(табл. 18).

Таблица 18

Предел прочности на сжатие замороженного грунта, тс/м2 Предельные
давление р2, тс/м2 глубина, м
1000 690 530
500 345 265
250 172 132

На первый взгляд, представляется возможным отдалить возник-
новение пластических деформаций в ледогрунтовом ограждении
и повысить внешнее давление рг путем увеличения наружного ра-
диуса 7?н ограждения (увеличения толщины стены ледогрунтового
ограждения). Однако такое мероприятие не даст ощутимых резуль-
татов.

Рассмотрим уравнение (123). Примем внутренний диаметр огра-
ждения 7?в = 3 м и будем давать разные значения для 7?н: 7?н = 7 м
Е — 4 м)> R» — 8м (Е = 5 м) и Нн = 10 м (Е — 7 м). Решая
уравнение (123), найдем:

при 7?н = 7 м pY = 0,41а;

при 7?н = 8м р1 = 0,43а;

при 7?н = 10м pi — 0,455а.

Таким образом, при увеличении толщины стены с 4 до 7 м крити-
ческое давление увеличилось с 0,41а до 0,455а, т. е. только на 10%.

В методе Лямэ — Гадолина не учитывается и свойство ползу-
чести, т. е. способность снижать свою прочность (внутреннее сопро-
тивление) под действием постоянной, но длительно действующей
нагрузки, одновременно с этим с течением времени нарастают де-
формации в ограждении.

Другими словами, прочность замороженного грунта является
величиной не постоянной, а уменьшающейся во времени.

С учетом ползучести замороженного грунта пластические де-
формации в ледогрунтовом ограждении возникают на глубинах,
меньших определенных выше, — в замороженных песках 70—100 м,
а в замороженных глинах 40—70 м.

Следовательно, цилиндрическое ледогрунтовое ограждение можно
рассматривать жесткоупругим и рассчитывать по методу Лямэ —
Гадолина лишь на ограниченных глубинах, определяемых пределом
текучести на сдвиг замороженного грунта. На больших глубинах
замороженный грунт необходимо рассматривать как .упругопластич-
ный вязкий материал. Для определения толщины стены ледогрунто-
вого ограждения, состоящего из такого материала, должны при-
меняться другие методы расчета.

В методе расчета Лямэ — Гадолина ледогрунтовое ограждение
рассматривается как свободно стоящий цилиндр бесконечно большой
длины. Это упрощает расчет, но как показано было выше, на средних
и больших глубинах дает преувеличенные и неприемлемые для
практики значения толщины стены ледогрунтового ограждения.

Такое упрощение не отвечает и действительным условиям: ледо-
грунтовое ограждение на средних, а тем более на больших глубинах
никогда не обнажают сразу же на всю высоту. Шахтные стволы
проходят заходками ограниченной высоты—> 20-4-30 м. Следова-
тельно, ледогрунтовое ограждение необходимо рассматривать как
цилиндр ограниченной высоты.

Сопоставляя между собой формулы Лямэ и Галянки, заключаем,
что формула (116) отличается от формулы Лямэ лишь коэффициентом
при вычитаемом в знаменателе подкоренной величины.

В формуле Лямэ этот коэффициент равен 2, а в формуле Галянки
он равен ]/3 = 1,73. Поэтому все рассуждения о возможности при-
менения формулы Лямэ для расчета толщины стены ледогрунтового
ограждения на средних и больших глубинах остаются в силе и для
формулы Галянки, т. е. эта формула применима в тех же условиях,
что и формула Лямэ.

Следует также заметить, что энергетическая теория прочности
применима для пластичных материалов и совсем неприменима для
хрупких материалов. Тюбинговую крепь нельзя отнести к числу
пластичных материалов. Поэтому формула (116) для расчета тол-
щины стены тюбинговой крепи шахтного ствола не является теоре-
тически обоснованной.

Рассмотренные методы расчета имеют следующие недостатки:
ледогрунтовые ограждения принимаются неограниченной высоты;
они неприменимы в тех случаях, когда рабочая высота ограждения
ограничена возведенной постоянной крепью;

замороженные грунты рассматриваются как жесткоупругий ма-
териал, а между тем в ограждениях кроме упругих возникают и пла-
стические деформации;

расчеты основаны на принципе прочности по допускаемым напря-
жениям деформации, возникающие в ограждении во внимание
не принимаются.

Эти методы расчета и расчетные формулы можно применять
при расчете толщины стен малой и средней высоты (до 200 м) ледо-
грунтового ограждения.

Расчеты по формуле (118) Вальбрекера показывают, что при
любом конечном давлении /?н на ограждение толщина стены Е его
также оказывается конечной:

Рн = 0............. • [Ос] 2 [<УС] 4 [Ос] оо

^=0 0,708Яв Rb IARb 2Лв оо

§ 4. Ледогрунтовые-днища \

Замораживание грунтов для проходки стволов шахт дает удо-

влетворительные результаты, если замораживающие скважины до-

Ряс. 51. Схема к расчету
ледогрунтовой подушки

статочно заглублены в водоупорные гор-
ные породы, залегающие ниже водонос-
ных грунтов. Опыт показывает, что водо-
носные грунты в большинстве случаев
залегают непосредственно на водоупорных
горных породах. В таких случаях стволы
шахт будут изолированы от подземных
вод с боков ледогрунтовым ограждением,
а снизу — горной породой.

В таком случае необходимо прове-
рить — достаточно ли надежным является
этот пласт водонепроницаемой горной по-
роды. Требуемую минимальную мощность
его определяют расчетом. Этот слой будем

рассматривать как грунтовую иодушку
(рис. 51).
Примем следующие обозначения:

Z>i — диаметр шахтного ствола в проходке, м;

Du — наружный диаметр ледогрунтового ограждения, м;

Н — давление столба жидкости (вода, рассол) на основание
водоупорного пласта, тс/м2;

Тж — объемный вес жидкости, тс/м3;

Y1 — объемный вес водоупорного грунта, тс/м3;

[оср] —допускаемое напряжение срезывания талого грунта, тс/м2;

lo’cpl — допускаемое напряжение срезыванию замороженного
грунта, тс/м2;

h — толщина подушки, м;

рг — гидростатическое давление на глубине образования
днища, тс/м2.

Гидростатическое давление Н, действующее на основание по-
душки, стремится вдавить подушку в ствол шахты. Этому противо-
действуют собственный вес подушки и сопротивление грунта
срезыванию в плоскости б — б.

Гидростатическое давление жидкости на основание подушки

Вес подушки

Сила сопротивления грунта срезыванию

S^ZMOTcp].

Для равновесия необходимо, чтобы

P^Q+S
или

Hi + [<тСр] ^h.

Откуда
Ъ = 0.25/>1Яуж __ Нуж ,, ол\

0,25Z>1Y1 + [oCp] v , 4 [Qcp] ’ k

Допускаемые напряжения срезыванию [acp] (тс/м2) принимают:

Известняк плотный .............................. 160—240

Песчаник средней крепости....................... 120—200

Известняк пористый . . .......................... 80—120

Сланец песчанистый............................... 60—120

Мергель.......................................... 40—80

Глина............................................. 25—50

В практике встречаются и такие случаи, когда водонепроница-
емые породы под водоносными грунтами отсутствуют или залегают
на большой глубине. Такие случаи могут встретиться при проходке
шахтных стволов при разработке месторождений бурого угля,
а также при проходке стволов специального назначения.

При отсутствии естественного водоупора в стволе шахты должна
быть создана ледогрунтовая водонепроницаемая подушка (днище).
В крепких трещиноватых горных породах водонепроницаемое днище
создают при помощи замораживания или цементации трещиноватых
горных пород. В несвязных горных породах искусственное днище,
как правило, создают с помощью замораживания.

Искусственное днище можно создать периферийными колонками,
предназначенными для образования ледогрунтового ограждения,
увеличивая соответственно общее время замораживания. Однако
такой способ образования днища связан со значительными 'затратами
времени на образование его. Чаще применяют другой способ обра-
зования искусственного днища — при помощи дополнительных за-
мораживающих скважин, пробуренных в пределах шахтного ствола.
Размещение колонок в пределах ствола нежелательно по следу-
ющим причинам. Замораживание грунтов, заключенных в пределах
ствола, затруднит последующую выемку их. Замораживающие трубы,
расположенные в пределах ствола, будут дополнительно понижать
температуру воздуха в стволе. Однако этот способ образования
искусственного днища имеет и более серьезный недостаток. Одно-
временное действие двух источников холода — в пределах шахтного
-ствола и на периферии по кольцу — связано с образованием двух
ледяных зон, которые с течением времени соединятся между собой.
Радиусы распространения холода от источников холода в различных
горных породах будут неодинаковыми. Вследствие этого соединение
ледяных зон произойдет не одновременно по всей высоте. Пласты
горных пород с малым содержанием воды замерзнут первыми. Горные
породы, заключенные между двумя такими пластами, окажутся
зажатыми между ними. При замерзании этих пород силы, вызыва-
емые расширением льда в момент образования последнего, будут
стремиться сдвинуть замороженный пласт горной породы и под-
вергнут замораживающие трубы, зажатые вверху и внизу в заморо-
7кенной породе, таким растягивающим напряжениям, что последние
могут разорвать трубы. Несмотря на эти недостатки, все же бурение
екважины в пределах ствола шахты для образования искусственного
днища часто оказывается неизбежным. При этом, чтобы избежать
замораживания горных пород, расположенных выше днища, при-
нимают зональное замораживание при помощи диафрагм, устанавли-
ваемых в замораживающих трубах выше образуемой подушки.

Подушка рассматривается как круглая толстостенная плита
я опорами по контуру.

Необходимую толщину ледогрунтового днища (подушки) из за-
мороженного грунта определяют статическим расчетом. Наиболее
неблагоприятные условия для работы ледогрунтовой подушки будут
после выемки грунта в забое ствола непосредственно до подушки
(см. рис. 51). Под действием напора воды, направленного снизу
вверх, подушка с одной стороны будет прижиматься к ледогрунтовому
118
ограждению, образованному периферийными колонками по плоско-
стям а — а, а с другой — срезаться по цилиндрической поверх-
ности б — б, диаметр которой равен диаметру шахтного ствола в про-
ходке.

Давлений, передаваемое ледогрунтовым днищем стенкам цилин-
дрического ледогрунтового ограждения,

Р = ^(М + 2Е)рг. (131)

Площадь поперечного сечения цилиндрического ледогрунтового
ограждения:

F = м2.

Нагрузка, приходящаяся на единицу площади цилиндрического
ледогрунтового ограждения,

Р '

При расчетах толщины ледогрунтового днища принимают 3—
5-кратный запас прочности, т. е. '

Дополнительное сопротивление периферийных замораживающих
труб, которые также будут воспринимать сжимающие силы в расче-
тах не учитывают.

Сила, стремящаяся срезать подушку по цилиндрической поверх-
ности б — би сдвинуть ее в ствол шахты

e = -J-£?Z>r. (132)

Площадь подушки, подвергающаяся срезу,

S = rcD^, м2.

Необходимая толщина ледогрунтовой подушки h определится
из уравнения

S [*сР] — ]аСр] “ Qt

откуда

h= ,Л-т.
[а'р]

При [оср] = 10-4-15 кгс/см2 и запасе прочности п
допускаемое напряжение

[<р] = -21*5 =34-5 кгс/см2 = 304-50 тс/м2.

При большой толщине ледогрунтовая подушка будет

не как круглая плита, а как полусфера (купол), которую можно

(133)

= 3^-5

работать
вписать в массив подушки. В таком случае необходимый запас проч-
ности при раздавливании полусферы всегда будет обеспечен.

Толщину ледогрунтовой подушки можно определять и по урав-
нению (130). В таком случае в знаменателе этого уравнения
следует принимать [стер].

ГЛАВА V

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РАССТОЯНИЙ МЕЖДУ
ЗАМОРАЖИВАЮЩИМИ СКВАЖИНАМИ

§ 1. Общие положения

Способ искусственного замораживания грунтов до последнего
времени применяли на объектах сравнительно небольших размеров
в плане или малой линейной протяженности. В самых сложных
гидрогеологических условиях он приобрел репутацию наиболее
надежного среди других специальных способов. Этот факт послужил
причиной того, что в настоящее время способ замораживания при-
меняют на объектах, периметры которых достигают многих сотен
и даже тысячи метров. Например, водонепроницаемая перемычка
из замороженного грунта на строительстве Устькаменогорской ГЭС
на р. Иртыше, — длина этой перемычки 500 м, высота 22 м; водо-
непроницаемая перемычка длиною 1200 м и высотою 20 м на стро-
ительстве Горьковской гидроэлектростанции на р. Волге; постоянно
действующая противофильтрационная завеса в теле плотины на
р. Мяунджа длиной 860 м и высотой 11,5 м и др.

Ограждение строительных котлованов от грунтовых вод метал-
лическими шпунтами иногда затрудняется вследствие значительной
глубины котлованов, что вызывает необходимость применения состав-
ных шпунтов; забивку шпунтов часто совсем невозможно выполнить
из-за наличия в грунтах валунно-гравийных отложений. Искус-
ственное понижение уровня грунтовых вод возможно только в из-
бранных грунтах, т. е. хорошо отдающих воду.

Способ искусственного замораживания дает хорошие результаты
в любых грунтах и горных породах; его можно рассматривать как
универсальный способ.

Во многих отраслях горной промышленности встречаются место-
рождения полезных ископаемых, в кровле и почве которых залегают
водоносные пласты. Разработка таких месторождений связана со
значительными трудностями: для удаления воды требуются крупные
водоотливные средства; кроме того, присутствие воды в неустойчивых
горных породах резко понижает их устойчивость, а некоторые из них
приобретают свойства плывунов. Вследствие трудностей разработки
некоторые обводненные месторождения остаются нетронутыми и ожи-
дают технически надежных и экономически выгодных методов раз-
работки. В таком же положении находятся некоторые месторождения
120
полезных ископаемых, залегающих вблизи или под руслами рек.
Следовательно, вопрос о разработке обводненных месторождений
представляет собой серьезную задачу государственного значения.

С увеличением объемов работ соответственно возрастает и общая
стоимость замораживания грунтов. Понятно, что даже ничтожное
удешевление какой-либо детали процесса на таких объектах, будучи
повторенным многократно, может дать ощутительное сбережение
затрат.

Кардинальным вопросом в технике замораживания грунтов
является вопрос о расстояниях между замораживающими колонками.
От расстояния между колонками зависят: стоимость работ, мощность
замораживающей станции и время,
необходимое на замораживание
грунтов.

Ледогрунтовое ограждение
может иметь двоякое назначение:

1) служить в качестве водо-
непроницаемой перемычки, не
воспринимая на себя давления
грунта и воды; 2) играть роль под-
порной стены, т. е. оно должно
иметь некоторую толщину, опре-
деляемую расчетом.

Рассмотрим первое назначение.
Чтобы получить водонепроница-
емую перемычку, достаточно со-
единить между собой отдельные
цилиндры, образованные вокруг
замораживающих колонок. На
рис. 52 показаны различные спо-
собы образования ледогрунтовой

на учартке длиной L замораживающими колонками, расположен-
ными на расстояниях = 0,5 м, х2 = 1 м, х3 = 2 м и х± = 3 и
одна от другой.

Из рис. 52 видно, что наименьший замораживаемый объем будет
при хг = 0,5 м, а наибольший при х4 = 3 м. Но, с другой стороны»
в первом случае число замораживающих скважин на том же участке
необходимо пробурить в 6 раз больше, чем во втором. Число замора-
живающих скважин будет находиться в соотношениях 6 : 3 : 1,5 : 1.

С увеличением расстояния между замораживающими скважи-
нами число последних, а следовательно, стоимость бурения и монтажа
их уменьшаются, но вследствие этого объемы ледогрунтовых цилин-
дров и стоимость образования их увеличиваются. Наоборот, при
уменьшении расстояния между скважинами увеличивается первая
группа расходов, но уменьшается стоимость замораживания грунтов.
Очевидно, в каждом конкретном случае имеется наивыгоднейшее
расстояние между скважинами, т. е. такое расстояние, при котором
сумма всех расходов по замораживанию грунтов будет наименьшей.

Рис. 52. Образование водонепрони-
цаемых ледогрунтовых перемычек

вооднепроницаемой перемычки
Исследованием вопроса о наивыгоднейшем расстоянии между
замораживающими скважинами занимался французский инженер Ле-
бретон. Свои исследования он ограничил одним фактором — эконо-
мическим и только для случая замораживания грунтов вокруг вер-
тикальных стволов шахт.

При определении экономически наивыго'днейшего расстояния
между скважинами Лебретоном учитывались следующие затраты:
на бурение и монтаж замораживающих скважин
на активное замораживание грунтов С2;

на поддержание ледогрунтовой стены в замороженном состоянии
в течение горнопроходческих работ (пассивное замораживание) — С3;

другие расходы, включая амортизационные отчисления от сто-
имости оборудования, расходы по монтажу холодильного оборудо-
вания, расходы на эксплуатацию его и пр. — С4;

расходы на углубку и крепление ствола — Сб.

На расстояние между замораживающими скважинами, по мнению
Лебретона, оказывают влияние только три первые статьи расхода.
Остальные расходы не зависят от названного расстояния, за исклю-
чением С5, которые могут быть большими или меньшими в зависи-
мости от того, будет ли заморожена сердцевина ствола или нет.
В своих рассуждениях Лебретон принял следующие обозначения:
I = 2г0 — искомое расстояние между замораживающими скважи-
нами, м;

п — необходимое число замораживающих скважин;

h — глубина замораживающих скважин, м;

Р — длина окружности расположения замораживающих сква-
жин, м;

/ — стоимость бурения скважин и монтажа 1 м заморажива-
ющих труб (без стоимости материала последних, так как
Лебретон счйтал, что по окончании рабат они могут быть
снова использованы).

Необходимое число замораживающих скважин

Стоимость бурения и монтажа замораживающих скважин

C1 = nhf = -^L.^. (134)

л0

Если через N обозначить суточную холодопроизводительность
замораживающей станции в ккал/ч, через b — стоимость содер-
жания ее в сутки, то

С2 = -^-Ь, (135).

где Q — количество тепла в ккалориях, которое необходимо отнять
от грунта, для образования цилиндрического ледогрунтового огра-

ждв“"я: Q = Ar.-B,

здесь А и В — канонические коэффициенты (см. уравнение 51).
Подставляя вместо Q его значение в уравнение (135), получим

/ч _ D Ь

^IT-

Стоимость содержания замораживающей станции в течение пе-
риода проходки ствола

где М — суточное продвигание забоя ствола, м.
Общая стоимость замораживания грунтов

с=сх+с2+с3 + С4+с5 = -±++4г+с<+с*

Минимальная стоимость замораживания грунтов будет опре-
делена из уравнения

d (С) п

= 0, или
d Го

Phf 1 । Ab n

2 * rj ’ TV

Решая это уравнение относительно г0, получаем

(136>

Соответственно наивыгоднейшее расстояние между заморажи-
вающими скважинами

Z = 2r0 = 2/-^-. ’ (137)

При этом значении г0 уравнение полной стоимости примет вид:

Ст1а = У^^-^+^-+С. + С,. (138)

Однако недостатком уравнения (138) является то, что оно при-
менимо только для вертикальных шахтных стволов.

Пр нашему мнению, вопрос об оптимальном расстоянии между
замораживающими скважинами при замораживании грунтов вокруг
шахтных стволов не имеет большого значения потому, что число
скважин в этом случае вообще невелико. Напротив, при заморажи-
вании участков большой протяженности, когда число заморажива-
ющих скважин исчисляется сотнями, выбор оптимального рассто-
яния между замораживающими скважинами имеет важное практи-
ческое значение. Однако для решения этого вопроса формулой
Лебретона воспользоваться нельзя.

При решении вопроса об оптимальном расстоянии между замора-
живающими скважинами должны быть учтены технические, эконо-
мические и организационные факторы.

К числу технических факторов относятся: скорость образования
ледогрунтового ограждения или время, затрачиваемое на обра-
зование его.
К техническим должен быть отнесен и гидрогеологический фак-
’тор, в частности, вопрос о скоростях движения подземных вод.
Большие естественные скорости движения подземных вод можно
ожидать на крутых склонах, в карстовых породах, а также под
руслами рек, когда последние преграждены временными перемыч-
ками. Но эти случаи являются редкими исключениями, следова-
тельно, они должны рассматриваться каждый раз отдельно. .

К экономическим факторам относятся: стоимости буровых и мон-
тажных работ, стоимость образования ледогрунтовых ограждений
и капитальные затраты на приобретение холодильной установки.

Под термином «организационные факторы» мы понимаем полное
время, затрачиваемое на производство работ по замораживанию
грунтов; вопросы снабжения работ электроэнергией, водой, мате-
риалами, вопросы транспорта и пр.

Сопоставление между собою результатов, полученных с учетом
тех или других факторов, позволит выбрать оптимальное расстояние
между замораживающими скважинами.

§ 2. Образование водонепроницаемых ледогрунтовых перемычек

Технические факторы. Рассмотрим вопрос о выборе оптимального
расстояния между замораживающими скважинами для наиболее.
часто встречающегося в практике случая — при образовании ледо-
грунтовых водонепроницаемых перемычек — завес. При большой
глубине замораживания участков значительной протяженности обра-
зование ледогрунтовых перемычек в виде подпорных стен было бы
работой весьма длительной и неэкономичной, с другой стороны,
нет никакой необходимости в том, чтобы ледогрунтовая стена в этих
случаях работала как подпорная. Необходимо лишь, чтобы она
не пропускала в котлован или карьер грунтовых вод. Ледогрунтовую
стену часто можно отнести на достаточное расстояние от бровки
котлована вглубь материала с таким расчетом, чтобы между стеной
и котлованом находился грунт, создающий пассивный отпор. Бла-
годаря пассивному отпору грунта исключается необходимость обра-
зовывать ледогрунтовое ограждение значительной толщины.

Чтобы ледогрунтовая стена была водонепроницаемой, она должна
иметь какую-то минимально необходимую толщину на всем своем
протяжении. В месте расположения замораживающих колонок при
правильном ведении процесса замораживания эта толщина всегда
с избытком будет обеспечена при любом расстоянии между скважи-
нами. Наша забота будет сводиться к тому, чтобы эта минимально
необходимая толщина была получена прежде всего в замках, т. е.
в местах соединения двух соседних ледогрунтовых цилиндров. Опыт
показывает, что ледогрунтовая стена толщиной 10—15 см является .
вполне водонепроницаемой.

Условия образования ледогрунтовых цилиндров в горных поро-
дах, содержащих насыщенные растворы хлористых солей, несколько
отличны от условий замерзания пресной воды. Отличие заключается
424
в температуре замерзания растворов. Так, например, насыщенный
раствор хлористого натрия замерзает при температуре —21,2° С.
При применении результатов наших исследований для этого случая
нужно принимать не обычные температуры рассола (от —20
до —25° С), а более низкие.

Для определения времени, затрачиваемого на образование ледо-

грунтового цилиндра диаметром d2 = х, воспользуемся уравнением
(13). Однако это уравнение при применении его для решения поста-

вленной нами задачи имеет несколько сложный вид. Для упрощения
, d2 1 я

выражение 1п-^ = In у- представим в следующем виде:

In — In я — In Л.

dl 1

Функцию In x можно разложить в ряд Маклорена:

1г. — о Г у — 1 г 1 ( 1 \3 । 1 [ * —1 V । “1

L * + 1 + 3 \ #+1 ) + 5 \ а? + 1 / + ‘

Расчеты показывают, что с достаточной степенью точности можно
ограничиться только первым членом ряда, ^увеличив постоянный
коэффициент на 10% , тогда

1пж = 2,2-^=4-. (139)

Подставляя в уравнение (13) вместо In его значение, получаем

z = я Г2’2 -ln di] ’ ч- (14°)

8(^о— L *+1 J ' 7

Это уравнение позволяет определить время, необходимое на
соединение ледогрунтовых цилиндров при расстоянии между замо-
раживающими колонками х.

К числу технических факторов следует также отнести и вопрос
об отклонениях замораживающих скважин от заданного направле-
ния. Прежде всего напомним, что мы рассматриваем участки замора-
живания относительно большой протяженности, а такие участки
отличаются сравнительно небольшой глубиной замораживания —
15—50 м. Скважины такой глубины можно пробурить вертикальными
без особого труда. Отклонения скважин происходят в результате
некачественного выполнения буровых работ, неудачного выбора
типа буровых станков и др.

Опыт показывает, что при надлежащей организации буровых
работ число скважин со значительными отклонениями не превышает
5—10% общего числа их. Отсюда следует, что целесообразно про-
бурить заново 10% скважин, чем уменьшать расстояния между
замораживающими скважинами.

В случае замораживания грунтов на больших глубинах, где
допускаемые отклонения могут достигать значительных величин,
вопрос должен решаться путем сопоставления затрат. С уменьше-
нием оптимального расстояния между скважинами увеличивается
число замораживающих скважин и стоимость буровых работ, а также
время, необходимое на выполнение их. С другой стороны, при уве-
личении расстояния между замораживающими скважинами удли-
нится срок замораживания грунтов и стоимость выполнения его.
Сопоставление результатов позволит правильно выбрать вариант.

Экономические факторы. Теперь перейдем к решению поставлен-
ной нами задачи — определению наивыгоднейшего расстояния между
замораживающими скважинами.

При аналитическом определении экономически наивыгоднейшего
расстояния нами учитываются только переменные расходы, т. е.
расходы, зависящие от расстояния между замораживающими сква-
жинами: стоимость буровых работ, стоимость монтажа заморажи-
вающих колонок и стоимость образования ледогрунтовых цилиндров.
Другие расходы: устройство рассолопровода, галереи, монтаж рас-
сольной сети не учитывается потому, что они при любом расстоянии
между замораживающими скважинами остаются постоянными.

Примем обозначения:

х — искомое расстояние между скважинами, м;

h — глубина замораживающих скважин, м;

L — периметр или длина замораживаемого участка, м;

N — число замораживающих скважин, необходимое для замора-
живания участка заданных размеров (n = —;

а — стоимость бурения 1 м замораживающей скважины, руб.;

b — стоимость монтажа 1 м замораживающих колонок, руб.;

с — стоимость эксплуатации 1 м замораживающей колонки*
руб/сут, включая стоимость производства холода.

При принятых обозначениях стоимость бурения всех заморажи-
вающих скважин

A = ahN = ah —.

Стоимость монтажа замораживающих колонок

B = bhN= bh — .

Оба выражения представляют собою уравнения равнобокой
гиперболы.

Стоимость содержания 1 м замораживающей колонки за время!
образования ледогрунтовой стены

С = л А г = л A . -11 <<].

х х 24 • 8 (tQ — ^1)лх L ^ + 1 J

Полная стоимость работы замораживания грунтов
у = А-\-В+С, или

у = ah — + bh — + —Г -xln <1. (141>

9 х ' х 1 24,- 8 («о — h) М L » + 1 J
Задача об экономически наивыгоднейшем расстоянии между
скважинами сводится к отысканию минимального значения функ-
цли у = f (х).

Первая производная этой функции

dy „к L кк L । 1,32рсЛ£ Г 2,2(2» —1) 2,2(*2 — х) , , "I

_ = _аД _ _ + _____ —--------------Ш dLJ .

Выражение

Г 2,2(2» —1) 2,2 (xz-x) , , I _

L *+l (®+l)2 xJ

4,4»24-2,2»—2,2—2,2»2 4-2,2» j 2,2 (x^-\-2x — 1) л

-------------FW lnrfl = »2+2+i-lnp
Если принять диаметр замораживающей колонки = 0,1 м,
•го In = In 0,1 = —2,3. Далее подсчеты показывают, что для
„ . г-2,2 (#2+ 2# — 1) I о ол

значении х от 1 до 5 результат выражения + 1" мо“

жно принять равным 4.

Тогда

А = -afeA-•
dx х% х% 1 24 -8(^0—*1)

Приравнивая это уравнение нулю, находим значение х, при
котором у будет минимальным:

-(°+Ц^+24-8Й-^- = 0’
откуда

х1тЪ = б/(а^)(<4>~^-1-. . (142)

Из уравнения (142) следует, что основными величинами, опре-
деляющими наивыгоднейшее расстояние между замораживающими
скважинами, являются: стоимость бурения 1 м скважины, стоимость
монтажа 1 м замораживающей колонки и стоимость эксплуатации
1 м замораживающей колонки.

Стоимость бурения 1 м скважины зависит от глубины бурения,
диаметра скважины, характера проходимых горных пород и изме-
няется от 5 до 8 руб. — для глубин около 40 м. При увеличении
глубины бурения до 100 м стоимость бурения повышается до 10—
20 руб/м.

Стоимость монтажа замораживающих колонок складывается из
следующих стоимостей: замораживающих, питающих, соединитель-
ных труб, измерительных приборов (термометров, водомеров), кра-
нов, изготовления башмака и головки замораживающей трубы и за-
работной платы рабочих, занятых на соединении труб между собою,
опускании их в скважину и испытании соединений. Стоимость мон-
тажа 1 м замораживающей колонки равна 4 руб/м.
Стоимость с содержания 1 м замораживающей колонки в месяц
слагается из следующих элементов: — эксплуатационных рас-
ходов по содержанию замораживающей станции и с2 — расходов,
связанных с обслуживанием замораживающих колонок.

Эксплуатационные расходы замораживающей станции состоят
из: стоимости электроэнергии, стоимости воды для охлаждения
хладагента, стоимости эксплуатационных материалов, стоимости
содержания обслуживающего персонала и амортизационных отчис-
лений. Расходы по обслуживанию замораживающих колонок: зара-
ботная плата дежурным слесарям, стоимость эксплуатационных
материалов (рассол, замена кранов, термометров и пр.).

При температуре охлаждающего рассола —20° С заморажива-
ющие трубы отнимают от грунта в среднем 250 раб. ккал/(м2-ч),
а с учетом потерь холода (приобретением тепла) в рассольной сети
250-1,1 = 275 раб. ккал/(м2-ч). Соответственно 1 м заморажива-
ющей трубы отнимает от грунта — 100 раб. ккал/(м-ч) или 100 X
X 24 = 2400 раб. ккал/(м-сут).

Средняя стоимость обслуживания одной замораживающей ко-
лонки составляет 6 руб/мес. Стоимость обслуживайия 1 м колонки
в сутки

6 0,2

С*~ 307г /г ’ Руб”

где h — высота замораживающей колонки.

Тогда полная стоимость содержания 1 м замораживающей ко-
лонки в сутки составит

сп = q + С2 = сх + = 2,4сх + , руб/сут,

где сх — стоимость производства 1000 раб. ккал холода.

Средние стоимости производства 1000 раб. ккал холода в зави-
симости от стоимости 1 кВт-ч электроэнергии и 1 м3 охлаждающей
воды для конденсатора замораживающей станции приведены
в табл. 19.

Таблица 19

Показатели Стоимость 1 кВт-ч электроэнергии,
pyv. ч
0,01 0,02 0,03 | 0,04 0,05
Средняя стоимость сх производства 0,024 * 0,035 0,043 0,053 0,062
1000 раб. ккал, руб 0,027 0,038 0,047 0,056 0,064
Средняя стоимость холода для 1 м замо-
раживающей колонки в сутки (2,4сх), 0,058 0,084 0,103 0,127 0,149
- -
руб 0,065 0,091 0,113 0,134 0,154

* Для числителя стоимость 1 м8 воды 0,04 руб, для знаменателя 0,06 руб.
Необходимо заметить, что с увеличением холодопроизводи-
тельности замораживающей станции стоимость ’ производства
1000 раб. ккал снижается.

Пример. Найти экономически наивыгоднейшие расстояния между замора-
живающими скважинами при следующих условиях. Длина замораживаемого
участка L = 1500 м, глубина замораживания h = 50 м, стоимость бурения 1 м
скважины^ 8 руб., стоимость монтажа 1 м скважины 4 руб., стоимость элект-
роэнергии 0,02чруб/кВт- ч, стоимость 1 м3 воды 0,04 руб., средняя температура
охлаждающего рассола t± = —20° С, теплопроводность замороженного грунта
= 1,8 ккал/(м • ч • °C), теплосодержание грунта р = 30 000 ккал/м3, диаметр
замораживающей трубы = 0,1 м (In 0,1 = —2,3).

Рис. 53. Зависимость стоимости работ по замо-
раживанию грунтов от расстояния между замо-
раживающими скважинами:

1 — полная стоимость замораживания грунтов; 2 —
стоимость бурения скважин; 3 — стоимость монтажа
колонок; 4 — стоимость образования ледогрунтовой
стены

- При указанных стоимостях электроэнёргии и воды стоимость содержания
замораживающей станции и замораживающей колонки составит в сутки

О ?

С= 2,4 • 0,035 + “=• = 0,088 руб.

. 5U

Подставив данные в уравнение (142), получим

Полная стоимость работ по замораживанию грунтов при х = 2,4 м, со-
гласно уравнению (141),

1500 1,32 - 30 000.0,088 - 50-1500 2,2(2,42 - 2,4) , 9/

У =(8 + 4} “2J" 50 +-----192"-20-1,8------------М + 1----+ 2,4~2Д

у= 375 000 + 290 989 = 665 989 руб.

Характер изменения кривой стоимости работ по замораживанию
грунтов в зависимости от расстояния между замораживающими
скважинами, а также кривые других стоимостей работ представлены
на диаграмме (рис. 53).

9 Н. Г. Трупак 129
Как видно из диаграммы, полные стоимости работ при рассто-
яниях между замораживающими скважинами от 2 до 2,5 м отли-
чаются между собою в пределах нескольких процентов. В таком слу-
чае вопрос окончательно решается исходя из срока, заданного на
выполнение работ по замораживанию грунтов. Чем большим будет
расстояние между замораживающими скважинами, тем большим
будет время, затрачиваемое на замораживание грунтов. Несмотря
на то, что стоимости работ при расстоянии между замораживающими
скважинами, большем 2 м, близки между собой, все же при сква-
жинах, более удаленных одна от другой, замораживающих труб
расходуется меньше, что также является преимуществом больших
расстояний.

Теперь определим капитальные затраты на приобретение холо-
дильной установки. Необходимая холодопроизводительность Q за-
мораживающей станции на участке заданных^размеров

Q = khN, ккал/ч,

где к — коэффициент теплоотдачи И м замораживающей трубы; при
диаметре ее = 0,1 м и к = 250 норм, ккал/м-ч.

С учетом потерь холода в рассольной сети холодопроизводитель-
ность замораживающей станции Qc должна быть:

Qc = 250h норм, ккал/ч; (143)

Q'c = lOOfeA^ раб. ккал/ч. (144)

Уравнения (143), (144) позволяют определить необходимую
холодопроизводительность замораживающей станции в зависимости,
от глубины замораживания, длины замораживаемого участка и рас-
стояния между замораживающими скважинами (при одновременном
замораживании всего участка).

Обозначим через О стоимость холодильного оборудования, а че-
рез П стоимость зданий замораживающей станции, отнесенные
к 1000 норм, ккал/ч холодопроизводительности замораживающей
станции. Тогда капитальные затраты К на приобретение холодиль-
ного оборудования и на постройку здания для него могут быть выра-
жены уравнением

ff=<°+ffh®sr^6- <‘45>

Эти затраты обратно пропорциональны расстоянию между замо-
раживающими скважинами: с увеличением расстояния затраты
уменьшаются и наоборот.

Холодопроизводительность замораживающей станции в зависи-
мости от расстояния между замораживающими скважинами при
130
заданных выше условиях (L = 1500 м и h = 50 м) и одновременном
замораживании всего участка изменяется следующим образом:

Расстояние между сква-
. жинами, м 1

X олодопроизво дител ь-

ность станции,
раб, ккал/ч 7 500 000

норм, ккал/ч * * * 18 750 000

2 2,4 3,0 4,0

3 750 000 3125000 2 500 000 1 875 000

9 375 000 7 812 500 6 250 000 4 687 500

Организационные факторы. Теперь решим поставленную задачу
о наивыгоднейшем расстоянии между замораживающими скважи-
нами с учетом организационных факторов.

Примем новые обозначения:

t — время, затрачиваемое на бурение одной скважины, сут;

М — число одновременно работающих буровых станков ла уча-
стке заданных размеров.

Время Z, затрачиваемое на замораживание грунтов, слагается
из величин:

-z = + z2 + 2з,

где — время, затрачиваемое на бурение замораживающих сква-
жин и опускание замораживающих колонок (работа парал-
лельная).

Время, затрачиваемое на постройку здания замораживающей
станции, монтаж и опробование ее, на укладку рассодопроводов
и водопровода не учитываем, предполагая, что эти работы выпол-
няются одновременно с буровыми работами;

z2 — время, затрачиваемое на монтаж магистральных трубопро-
водов (распределителей, коллекторов, компенсаторов) и присоеди-
нение к ним замораживающих колонок;

23 — время, затрачиваемое на образование ледогрунтовой стены
или собственно замораживание грунтов.

При заданном количестве буровых станков М время, необходи-
мое на бурение всех замораживающих скважин,

_ Nt Lt
Z1~ М ~ Mx

Из уравнения (146) следует, что время, затрачиваемое на бурение
всех замораживающих скважин, прямо пропорционально длине
участка и времени, затрачиваемому на бурение одной скважины, но
обратно пропорционально расстоянию между скважинами и коли-
честву буровых станков, занятых на буровых работах. Для заданных
условий L — величина постоянная, остальные три величины:

t, М, х — переменные, изменяя которые, получим большие
или меньшие затраты времени на бурение замораживающих скважин.

Время z3, затрачиваемое на образование ледогрунтовой стены,
определяется по уравнению (13).
Общее время, затрачиваемое на бурение замораживающих сква-
жин и образование ледогрунтовых цилиндров,

г = S.24g.2-<,)».1lnf + Z-<M°5t)- ' (147)

Для определения минимального значения времени, затрачива-
емого на бурение скважин и замораживание груцтов, возьмем пер-
вую производную выражения (147):

dz _ Lt . Г 1,32ра?2 1 х П*

[ 8.24^0—* 1П J *

Выражение з.24’(ео—^i) М обозначим через А.

Тогда производная выражения в квадратных скобках

А • [2х + In х + х—2х In dj.

При d± — 0,1 м In dr = —2,30. Как показано было выше,

In х —

2,2 (а? —1)
а? + 1

Подставляя вместо In dx и In х их значения, получим

А (4,4а?2—4,4а: 4-ж2 4-а: + 4,6а?2 4-4,6ж) А (10а?2 -J- 1,2а?)
а?-|-1 а? + 1

„ 10а?2 + 1,2а?

Выражение ——

заменяем равнозначным ему

выражением

10х — 6. Соответственно

dz
dx

-^г + ^(Юх-6).

Приравнивая первую производную нулю, найдем значение х,
при котором z будет минимальным:

—лЙг+Л(10я-6) = 0, 0ТКУда -Й-"л(10л-6)

И ^-=Л(10ж3-6х2). '

Выражение Юх3 — 6я2 заменяем близким ему значением 7,5х4.
Тогда

^- = 7,5Лж«,
м

откуда

*[ Lt __ Lt 192 (*o —*1)

x— у Ml 5 А У M7,5-l,32p ’

x = 2,67j/~ Lt . (148)
Так как вторая производная функция положительная, то при
найденном значении х время, затрачиваемое на бурение скважины
и замораживание грунтов, будет минимальным.

Кроме времени, необходимого на замораживание грунтов, к орга-
низационным факторам относятся также и другие, указанные выше.
С достаточной степенью точности для расчетов расход электроэнергии
на замораживающую станцию можно принимать в размере 1 кВт-ч
на 1000 раб. кал холода (при температуре испарения хладагента
—25° С) или на 2500 норм, ккал/ч.

Расход электроэнергии на замораживающую станцию

Wp = -~‘ — = 0,1 — h, кВт.ч. (149)

р 1000 х 1 х * х '

Расход замораживающих и питающих труб на замораживание
участка заданной протяженности L = 1500 м:

G = g±h, кг, (150)

где g — масса 1 м замораживающих и питающих труб, кг.

Пример. Определить расстояние между замораживающими скважинами х21
при котором время, затрачиваемое на бурение скважин и замораживание грун-
тов, в условиях предыдущего примера будет минимальным.

Для решения этой задачи необходимо задаться количеством одновременно
занятых буровых станков М на бурение скважин и временем, затрачиваемым
на бурение одной скважины. Пусть М = 15, а производительность бурового
50

станка Р — 6 м/сут. При глубине скважины /i = 50 м - =8,3 сут.

х2 min —2,67

1500 • 8,3 • 20 • 1,8
15-30000

= 2,67

м.

Время, затрачиваемое на бурение скважин и замораживание грунтов при
таком расстоянии, <

1500 -8,3 . 1,32 • 2,б72 • 30 000

22 min 2,67-15 “* 192-20-1,8

о В-7

In = 311 +134 =445 сут.

С точки зрения экономической наивыгоднейшее расстояние между замора-
живающими скважинами #lmin = 2,4 м.

Время, затрачиваемое на бурение скважин и замораживание грунтов при
^imin = 2,4 м и числе буровых станков М — 15,

1500-8,3 ,

Z1 min — n z . 4 с "Г

1,32 • 30 000 • 2,42

_ 192-20-1,8

2 4

In yp = 346 + 105 = 451 сут.

Полная стоимость замораживания грунтов при ar2min — 2,67 м, согласно
уравнению (141), составит

/ol/ч m 1500 . 1,32-30 000-0,088-50-1500
y2 = (8 + 4) 50 w +-192-20-1,8-

. х[2Т^и,+2'"Ч-

у2 =337 200+331 901 = 669101 руб.
Ранее была определена полная стоимость замораживания при экономически
наивыгоднейшем расстоянии между замораживающими скважинами rrlrnin~
Она составляет 665 989 руб. Таким образом, увеличивая расстояние между
замораживающими скважинами с 2,4 м до 2,67 м, стоимость замораживания
грунтов увеличивается на 669 101 руб. — 665 989 руб. = 3112 руб. Но при этом
достигается экономия во времени 451 сут — 445 сут = 6 сут.

Холодопроизводительность замораживающих станций при одновременном
замораживании всего участка, согласно уравнению (144), должны быть:

<21 =Ю0 • 50 = 3 125 000 раб.в ккал/ч

1 ^00
(?2 — 100 • 50 = 2 810 000 раб. ккал/ч.

Таким образом, при я1т|п = 2,4 м холодопроизводительность заморажи-
вающей станции должна быть на 315 000 раб. ккал/ч или на 787 500 норм, ккал/ч
больше, чем при #2min == 2,67 м. *

Расходы электроэнергии на замораживающие станции, согласно уравне-
нию (149):

W1 =ол 'ТГ'50=3125 кВт •4
и

IV2 =0.1 50= 2810 кВт-ч.

2,о7

В первом случае расход электроэнергии на замораживающую станцию
будет больше на 315 кВт-ч.

Расход замораживающих труб при g = 15 кг/м по уравнению (150):

<?i= 15 -у^- 50= 468 750 кг,

С2 = 15 ууу- 5° = 420 000 кг.

Расход замораживающих труб при х2 = 2,67 м будет меньше на 48,7, чем
при хх = 2,4 м.

До последнего времени общепринятым расстоянием между за-
мораживающими скважинами было 1—1,25 м. В табл. 20 для срав-
нения приведены затраты времени на замораживание грунтов, сто-
имости работ, холодопроизводительности замораживающих станций
и расход труб в заданных выше условиях при расстояниях между
замораживающими скважинами 1,0; 1,25; 2,40 и 2,67 м.

Таблица 20

Расстояние между скважинами X, м Время, необхо- димое на замо- раживание грунтов, сут Стоимость работ у, руб. Холодопроизво- дительность заморажива- ющих станций Q, раб. ккал/ч Расход электроэнер- гии W, кВт-ч Расход труб G, т
1,0 842 915 500 7 500 000 7500 1125
1,25 687 787 200 6 000 000 6000 900
2,40 451 665 989 3 125 000 3125 468
2,67 445 669 101 2 810 000 2810 420
Анализируя данные табл. 20, приходим к следующим выводам:

1. Общепринятое расстояние между замораживающими скважи-
нами не обеспечивает минимальных сроков выполнения работ. Мини-
мальное значение затрачиваемого времени будет при расстояниях
между замораживающими скважинами = 2 — 3 м.

2. При общепринятом расстоянии между замораживающими сква-
жинами х = 1,25 м стоимость работ наиболее высокая: на
121 211 руб. больше, чем при экономически наивыгоднейшем рас-
стоянии между скважинами. Эта разность еще больше при
расстояниях х — 1 м.

3. Другие показатели: холодопроизводительности заморажива-
ющих станций, расходы электроэнергии, расходы труб при
общепринятом расстоянии между скважинами значительно выше,
чем при любом из рассмотренных случаев.

4. Приведенные цифры показывают, что общепринятое рассто-
яние между замораживающими скважинами должно быть увеличено.

Но возникает вопрос, какому же расстоянию между заморажи-
вающими скважинами следует отдать предпочтение — полученному
исходя из минимальных затрат времени (я2 = 2,67 м) или получен-
ному исходя из минимальных затрат средств (хк = 2,4 м)? Из табл. 20
видно, что все показатели (за исключением у) в первом случае благо-
приятнее, чем во втором.

Видимо, оптимальным расстоянием между замораживающими

X 2,44-2,67

скважинами будет среднее арифметическое из хг и х2 : х^—---=

= 2,5 м.

Тогда: z4 332 + 115 = 447 сут; у4 = 666 744 руб.; Q± =
= 3 000 000 раб. ккал/ч; = 3000 кВт-ч; С4 = 450 т.

Таким образом, наш выбор следует остановить на расстоянии
х4 — 2,5 м. Большему расстояний между замораживающими сква-
жинами, например х2 — 2,67 м, следует отдать предпочтение в том
случае, когда при выборе расстояния между замораживающими
скважинами превалируют организационные факторы (недостаток
электроэнергии, трудность получения труб и пр.) или когда работы
по замораживанию грунтов могут быть проведены задолго до начала
основных строительных работ.

§ 3. Образование многорядных ледогрунтовых стен и массивов

Образование подпорных ледогрунтовых стен. При образовании
подпорных ледогрунтовых стен высотою свыше 5 м одного ряда
замораживающих колонок будет недостаточно: их приходится рас-
полагать в два, три и более рядов.

Задача об определении оптимального расстояния между замора-
живающими скважинами в этом случае сводится к предыдущей.
Длина подпорной ледогрунтовой стены L всегда является известной.
Подставляя ее в уравнение (148), можно определить расстояние х
между замораживающими скважинами, при котором время,
затрачиваемое на бурение скважин и замораживание грунтовг
будет минимальным.

Экономически наивыгоднейшее расстояние между заморажива-
ющими скважинами определяют по уравнению (142).

При толщине подпорной ледогрунтовой стены, большей З^м^
замораживающие скважины для образования ее располагают в двух^:
трех и более рядах.

Рис. 54. Расположение
замораживающих сква-
жин по углам квадрата

Рис. 55. Расположение
замораживающих сква-
жин по стороне и углам
квадрата

В рядах скважины можно расположить двумя способами:

1) по углам квадрата ABCD, стороны которого равны рассто-
янию между замораживающими скважинами (рис. 54); расстояние
между рядами скважин равно х\

2) по вершинам равносторонних треугольников.

Предполагая, что холод от замораживающих колонок распро-
страняется равномерно во все стороны, к моменту соединения сосед-
них ледогрунтовых цилиндров между ними останется некоторая
площадь незамороженной (на чертежах заштрихована). Часть этой
площади и, заключенная между четырьмя колонками (см. рис. 54)г
равна разности площади квадрата ABCD, стороны которого равна х>
и круга диаметром х, т. е.

u==rc2_ ^^0,215^2.

4
На всей площади S, подлежащей замораживанию, число таких
квадратов и соответственно замораживающих скважин

jv=4-

Общая незамороженная площадь

5о = О,215х24- = 0’2155»

т. е. при первом способе расположения замораживающих скважин

к моменту смыкания ледогрунтовых цилиндров останется незаморо-

раживающих скважин по вер-
шинам равностороннего тре-
угольника

женным 21,5% всего массива.

Разновидностью первого способа
является расположение заморажива-
ющих скважин по стороне и углам
квадрата, изображенное на рис.* 55.
Четные ряды скважин смещены отно-
сительно нечетных на расстояние у.

Рис. 57. Схема к определению расстояний

между замораживающими скважинами

Очевидно, такое смещение центров скважин не может изменить
площадь незамороженной части: она по-прежнему будет составлять
21,5% общей площади замораживания.

При втором способе центры замораживающих скважин рас-
полагают на вершинах равносторонних треугольников АВС (рис. 56).
В этом случае расстояние между центрами скважин в любом напра-
влении будет равно ж, но расстояние I между рядами скважин
меньше х — оно будет равно высоте Ъ равностороннего треуголь-
ника (рис. 57):

I = ъ = 1X /З- = 0,866а: s 0,87а:.

Центры замораживающих скважин в рядах должны быть сме-
щены один относительно другого на величину у, т. е. на половину
расстояния между замораживающими скважинами.
Как и в предыдущем случае, определим оставшуюся незаморо-
женной площадь и2 между отдельными ледогрунтовыми цилиндрами
в момент смыкания их.

Незамороженная часть площади определится как разность пло-
щадей — прямоугольника ABDC, стороны которого равны х
и I = Ь = 0,866я, и F2 — одного полукруга и двух четвертей круга,
т. е. F2 = = 0,785а;2. Площадь прямоугольника fFx = Ъх =

- 0,866а;2.

Незамороженная часть грунта и2 = Fx — F2 — 0,866а;2 — 0,785а;2
= 0,08а;2. Таким образом, при расположении замораживающих
скважин по второму способу незамороженная часть грунта будет
в 0,215а;2 : 0,08а;2 = 2,7 раза меньше, чем при расположении сква-
жин по первому способу. Следовательно, наиболее целесообразным
будет расположение замораживающих скважин по углам'равно-
стороннего треугольника.

Тогда ширина полосы грунта, замораживаемая одним рядом
скважин замораживающих колонок (рис. 57),

В = 0,5х + у = 0,5х + = 0,933ж.

Необходимую толщину Е подпорной ледогрунтовой стены опре-
деляют статическим расчетом. Число рядов, необходимое для обра-
зования такой стены,

В 0,933а? ’

Число замораживающих скважин в одном ряду

Общее число замораживающих скважин, необходимое для обра-
зования подпорной ледогрунтовой стены толщиною Е,

ЛГ=гаи=о^=1’О74-' d51>

Однако при таком расположении замораживающих скважин
к моменту соединения отдельных цилиндров останется незаморо-
женным 8% грунта.

Для одновременного замораживания всей площади понадобилось
бы следующее число замораживающих скважин:

где F — площадь, замораживаемая одной замораживающей колон-
кой, м2:

F = £wi==0,785x2.

4 ,
Соответственно необходимое число замораживающих скважин

TV — s =1 27 S
1 0,785x2 я* *

Однако такое мероприятие практически неосуществимо вслед-
ствие кривизны ледогрунтовых ? цилиндров. Необходимое число
замораживающих скважин следует определять по уравнению (151),
увеличив расчетный срок замораживания грунтов на 10—15%.

Необходимая холодопроизводительность замораживающей стан-
ции при одновременном замораживании всего массива с учетом
потерь холода в рассолопроводах

Q=i,lkhN, ккал/ч,

где к — коэффициент теплоотдачи 1 м замораживающей ко-
лонки, ккал/м-ч.

В частном случае при диаметре замораживающей трубы dx =
= 100 мм и температуре охлаждающего рассола tr от —20 до —25° С
средний коэффициент теплоотдачи замораживающей колонки кг —
= 100 раб. ккал/ч и кг = 250 норм, ккал/ч.

Тогда

<?раб =1,1-1,07 -^h = 118h-^, раб. ккал/ч;

QH — 295h —, норм, ккал/ч.

Произведение Sh представляет собой объем V замораживаемого
массива. Соответственно

(?н = 295-^-, норм, ккал/ч.

Расход электроэнергии на замораживающую станцию

9— 295 , _л 90^ кВт-ч

d 1000 1000 *2 0,2Уб х2 , кот .

Расход замораживающих и питающих труб

G = g^ = gl,07^-/» = l,07^-.Kr

где g — вес 1 м замораживающей и питающих труб, кг.

Таким образом, расходы электроэнергии и замораживающих
труб обратно пропорциональны квадрату расстояния между замора-
живающими скважинами.

Общепринятым расстоянием между замораживающими скважи-
нами является расстояние 1—1,25 м. На строительстве Московского
метрополитена это расстояние было увеличено до 1,5 м — при соору-
жении подземных вестибюлей. В последующих работах расстояние
между замораживающими скважинами было увеличено до 2 м.
Для сравнения приведем примеры расположения заморажива-
ющих скважин, выполненные в СССР и за рубежом в двух случаях
при образовании ледогрунтовых стен.

Перемычки. Ледогрунтовая перемычка в виде арки была образо-
вана на строительстве плотины Гранд-Кули (США). Строительная
площадка пересекалась длинным узким ущельем (каньоном), запол-
ненным илом. Ил находился в движении, образуя оползень, который
непрерывно «выливался» из ущелья. Для борьбы с оползнем был
применен способ искусственного замораживания грунтов. Между
стенами каньона была образована ледогрунтовая арка. Длина арки
30 м, высота 12 м, толщина 6,1 м. Замораживающие скважины здесь
расположили в 8 параллельных рядах при расстоянии между сква-
жинами 0,75 м. Общее число замораживающих скважин 377. Общая
площадь замораживаемого участка 183 м2; замораживаемая пло-
щадь, приходящаяся на одну скважину, 0,5 м2. Объем заморожен-
ного грунта 2200 м3. Если бы здесь замораживающие скважины
расположили на расстоянии 2 м одна от другой, тогда при площади,
замораживаемой одной колонкой (F = 3,14 м2), замораживающих
скважин было бы достаточно только 60, т. е. в 6 раз меньше, чем
было принято на самом деле. Соответственно были бы меньшими
расход замораживающих труб, мощность замораживающей станции
и стоимость работ.

В СССР прямолинейная ледогрунтовая перемычка применялась
на строительстве доков судоремонтного завода. Доки располагаются
в древней долине, образованной в гранитогнейсах и заполненной
рыхлыми образованиями, представленными суглинками, илами со
скоплениями валунов и гальки в основании долины. Головная часть
доков располагается на расстоянии 100 м от берега морского залива.
Общая ширина котлована в головной части доков составляет
160 м.

При принятом порядке разработки котлована земляные и бетон-
ные работы необходимо было защитить от грунтовых и морских вод,
а также от оползания в котлован водоносных грунтов. Ледогрунто-
вая стена была образована тремя рядами вертикальных заморажи-
вающих колонок. Длина линии замораживающих скважин первого
ряда 150 м, второго 136 м и третьего 96 м. Всего было пробурено
216 замораживающих скважин, из которых в первом ряду 100, во
втором 68, в третьем 48. В целях ускорения начала земляных работ
в котлованах доков расстояния между замораживающими скважи-
нами в первом ряду были приняты 1,5 м, а во втором и третьем рядах
2 м. Суммарная глубина скважин 3240 м. Площадь замороженного
грунта 1150 м2.

Площадь, приходящаяся на одну замораживающую скважину,
составляла 5,3 м2 по сравнению с 0,5 м2, или в 10 раз больше, чем
на плотине Гранд-Кули. Если бы расстояния между скважинами
на строительстве доков были приняты такими же, как и на стро-
ительстве плотины, то пришлось бы пробурить 1150 : 0,5 =
— 2300 скважин вместо 216 фактически пробуренных.
Следует также заметить, что замораживание грунтов на стро-
ительстве доков было связано с преодолением трудностей: подземная
вода находилась в движении, будучи связанной с приливами и отли-
вами моря и, кроме того, была засоленной. Тем не менее заморажи-
вание грунтов при принятых расстояниях 2 м дало хорошие
результаты.

Второй пример образования ледогрунтовой перемычки — стро-
ительство одной станции Московского метрополитена. Станция
сооружалась открытым способом, т. е. с разработкой грунта непо-
средственно с поверхности земли. Южная сторона станции была-
расположена параллельно здацию железнодорожного вокзала и на-
ходилась на расстоянии 30 м от нее.

С целью предохранения здания вокзала от осадок и облегчения
производства земляных работ в котловане станции последний огра-
ждали ледогрунтовыми перемычками. Образовано было две пере-
мычки: одна параллельно южной стене станции и зданию вокзала
общей протяженностью 64 м, а другая параллельно северной стене
станции общей протяженностью 125 м. Всего было пробурено 105
скважин, расположенных на расстоянии 2 м одна от другой. Общая
глубина скважин 1785 м.

Замораживание грунтов здесь было затруднено тем, что до начала
его котлован станции был углублен ниже уровня грунтовых вод,
а в процессе замораживания грунтов из котлована непрерывно
откачивали воду. Вследствие этого вода, подлежащая заморажива-
нию, находилась в непрерывном движении. Однако, несмотря на эти
трудности, результаты все же были достигнуты вполне удовлетво-
рительные. После образования ледогрунтовой стены в разрабатыва-
емом котловане было лишь ничтожное количество воды, скопляв-
шейся в результате естественного осушения грунта, заключенного
в пределах ледогрунтовых стен.

Если бы расстояния между замораживающими скважинами были
приняты такими же, как и на плотине Гранд-Кули, т. е. 0,75 м,
то вместо 105 скважин пришлось бы пробурить 252 скважины,
т. е. в 2,5 раза больше.

Образование ледогрунтовых массивов. Рассмотренный выше ме-
тод определения числа замораживающих скважин можно применить
и для случая замораживания массивов, т. е. больших объемов замо-
раживаемого грунта при значительных площадях замораживания.
Массивы из замороженного грунта наиболее часто приходится обра-
зовывать над тоннелями при сооружении последних в водоносных
грунтах. Такие массивы отличаются тем, что имеют значительные
лцнейные протяжения при сравнительно малых поперечных
размерах их.

Образование массива из замороженного грунта было осуще-
ствлено над тоннелем Парижского метрополитена на участке между
станциями с. Мишель и Шателье. Замораживанию был подвергнут
массив грунта с треугольным основанием общей площадью 126 м2.
60 вертикальных замораживающих скважин расположили по двум
концентрическим треугольникам на расстоянии 1,2 м одна от другой.
Объем замороженного грунта 2150 м3. Площадь, приходящаяся
на одну замораживаемую колонку, составила 2 м2.

Если бы здесь расстояние между замораживающими колонками
было принято 2 м, тогда для образования массива достаточно было бы
пробурить только 40 замораживающих скважин.

В СССР массив из замороженного грунта был образован над
тоннелем Московского метрополитена на Каланчевской улице. Длина
тоннеля 70 м, ширина 14 м, общая площадь замораживаемого мас-
сива 980 м2. Расстояние между замораживающими колонками было
принято 2 м. Общее число колонок 395; колонки располагали в 8 ря-
дах по 50 колонок в каждом ряду. Общая глубина замораживающих
колонок 6000 м. Общий объем замороженного грунта 14 000 м3.
Для замораживания грунтов здесь встретились исключительно
неблагоприятные условия: на некоторой глубине протекала под-
земная река «Ольховец» и под замораживаемым массивом проходили
штольни с помощью сжатого воздуха, который затруднял замора-
живание грунтов. Тем не менее работы были выполнены без серьез-
ных осложнений в работе.

Если бы расстояние между замораживающими колонками было
принято таким же, как и на плотине Гранд-Кули, т. е. 0,75 м, то для
замораживания грунтов на этом участке пришлось бы пробурить
2000 скважин, т. е. в 5 раз больше (табл. 21).

Таблица 21

Показатели Расстояния между скважинами, м
0,75 1,2 2,0
Число скважин 2000 870 395
Глубина скважин, м 30 000 13 000 6000
Расход труб, т 450 195 90
X олодопроизводительность замораживаю- щей станции, ккал/ч 3 000 000 1 300 000 600 000
Расход электроэнергии, кВт ч .... 3000 1300 600
Стоимость бурения скважин, руб. . . . 240 000 ’ 104 000 48 000
Стоимость монтажа колонок, руб. . . . 120 000 52 000 24 000
Стоимость замораживания грунтов, руб. 50 000 50 000 50 000
Полная стоимость замораживания грун- тов, руб 410 000 206 000 122 000

§ 4. Анализ расчетных формул

В выведенных выше уравнениях содержатся параметры, опре-
деляющие наивыгоднейшее расстояние между замораживающими
скважинами, в том числе время, затрачиваемое на замораживание
грунтов.

Исследуем, какое влияние оказывает каждый из параметров,
входящий в эти уравнения, на конечный результат: время, затрачи-
142 ' .
ваемое на бурение замораживающих скважин и монтаж рассольных
трубопроводов; стоимость бурения 1 м скважины; стоимость произ-
водства холода; температура охлаждающего рассола и термофизи-
ческие свойства замороженных грунтов.

Буровые работы. Из уравнения (147) видно, что время Z можно
значительно сократить, увеличив число М одновременно работа-
ющих буровых станков. Однако это мероприятие связано с необхо-
димостью увеличения парка буровых машин, а также кадров буровых
рабочих на сравнительно короткий срок. Такое решение вопроса
в большинстве случаев будет нецелесообразным.

Скрытые возможности сокращения времени бурения скважин
следует искать в другом, более важном факторе — в увеличении
производительности буровых станков.

Время, затрачиваемое на бурение одной скважины,

t-=-p> СУТ,

где h — глубина замораживающей скважины;

Р — производительность бурового станка в сутки. С увеличением
производительности буровых станков уменьшается время,
затрачиваемое на бурение замораживающих скважин.

Скорости бурения замораживающих скважин можно увеличить,
применяя буровые станки более совершенных конструкций, и, сле-
довательно, более производительные, а также гидравлический способ
бурения замораживающих скважин и др.

Время, затрачиваемое на бурение и монтаж замораживающих
колонок, можно сократить путем непосредственного опускания
замораживающих труб в грунт, применяя размыв грунта струей
воды, вибропогружение замораживающих труб или забивку труб
тяжелыми отбойными молотками. Эти способы погружения замора-
живающих труб можно применять: при сравнительно небольшой
глубине замораживания грунтов и при условии изменения конструк-
ции соединений отдельных замораживающих труб между собою.
Вместо соединений труб при помощи муфт трубы следует соединять,
ввинчивая одну трубу в другую, подобно соединению колонковых
труб при вращательном способе бурения, или при помощи кони-
ческой нарезки, как это выполняется в специальных заморажива-
ющих трубах.

Предположим, что замораживающие трубы опускают в грунт
с подмывом водой. Будем считать, что с перестановкой станка (мачты)
для опускания труб с одной скважины на другую на опускание
в грунт замораживающей колонки высотою 50 м затрачивается
0,5 сут. Тогда наивыгоднейшее расстояние между замораживающими
скважинами с точки зрения наименьших затрат времени на образо-
вание ледогрунтовой стены

9 А7 1/ 1500-0,5-20-1,8 ,

*3 = 2,67]/ j5/30()00 = 1 м.
Время, необходимое на образование ледогрунтовой стены при
х3 = 1 м, 23 = 50 + 12 = 62 сут.

Стоимость погружения замораживающих труб способом гидра-
влического подмыва можно принять а = 3 руб/м; монтаж
замораживающих колонок по-прежнему составляет b = 4 руб.

Экономически наивыгоднейшее расстояние между заморажива-
ющими скважинами в заданных условиях

_В]/(3 + 4)2(ГТГ_1 п м

Xi 0,088-30000 ,У •

Время, необходимое на 'образование ледогрунтовой стены при
= 1,9 м, z4 = 26 + 48 = 74 сут.

Разница в сроках, необходимых для образования ледогрунтовой
стены, z4 — z3 = 12 сут сравнительно невелика. В этом случае
предпочтение целесообразно отдать экономически наивыгоднейшему
расстоянию между замораживающими скважинами, т. е. = 1,9 м.
При таком расстоянии потребуется меньшая холодопроизводитель-
ность замораживающей станции, меньший расход электроэнергии
и снизится расход замораживающих и питающих труб.

Необходимо заметить, что стоимость бурения замораживающих
скважин оказывает сравнительно ограниченное влияние на экономи-
чески наивыгоднейшее расстояние между замораживающими сква-
жинами. Например, при а — 3 руб/м х± = 1,9 м, а при = 15 руб/м
х\ — 3,06 м. Следовательно, увеличению стоимости бурения сква-
жин на 500% соответствует увеличение экономически наивыгодней-
шего расстояния между замораживающими скважинами только
на 60%.

Время 2", затрачиваемое на монтаж магистральных трубопрово-
дов и присоединение замораживающих колонок, в общем балансе
времени замораживания грунтов занимает небольшое место. Часть
этих работ обычно выполняют одновременно с буровыми работами.
Для сокращения его необходимо в первую очередь правильно орга-
низовать труд на этих работах и заранее заготовить магистральные
трубопроводы (заделать штуцеры, ввернуть краны, заготовить соеди-
нительные трубы и др.).

Стоимость производства холода. В уравнении (142) стоимость
собственно замораживания грунтов с находится в знаменателе дроби
подкоренной величины. Следовательно, с увеличением стоимости с
оптимальное расстояние между замораживающими скважинами
уменьшается.

Стоимости электроэнергии и воды, расходуемых на замора-
живающую станцию в зависимости от холодопроизводительности
последней, составляют: при стоимости электроэнергии 1 кВт-ч
0,01 руб. от 50 до 76%; при стоимости 1 кВт-ч 0,05 руб — от 80
до 92%. При этом меньшие проценты относятся к заморажи-
вающим станциям малой и средней производительности, а большие
проценты — к станциям большой холодопроизводительности —
свыше 1 млн. норм, ккал/ч.
Постоянные расходы — эксплуатационные материалы, содержа-
ние персонала, обслуживающего замораживающую станцию, и амор-
тизационные отчисления — составляют 24—50% в первом случае и
8—20% — во втором.

Рассмотрим два случая замораживания грунтов: при стоимости
1 кВт-ч электроэнергии 0,01 руб. и стоимости 1 м3 воды 0,04 руб.
и при стоимости электроэнергии 0,05 руб. и стоимости 1 м3 воды
0,06 руб.

Стоимость производства 1000 раб. кал холода составит сх =
= 0,024 руб. в первом случае и с'х = 0,064 руб. — во втором. Соот-
ветственно стоимости содержания 1 м замораживающей ко-
лонки в сутки:

сх = 2,4-0,024+ # = 0,062 руб.

с2 = 2,4 *0,064 4-0,004 «=0,158 руб.

С увеличением стоимости 1 м3 воды и 1 кВт-ч электроэнергии
наивыгоднейшие расстояния между замораживающими скважинами
оказываются меньше, чем при более низких стоимостях их.

В самом деле, при одинаковых стоимостях бурения скважин
и монтажа замораживающих колонок, но при сг = 0,062 руб. опти-
мальное расстояние между скважинами х{ = 2,88 м, а при с2 —
= 0,158 руб. оно сокращается почти вдвое, т. е. до х'2 — 1,80 м.
Так как высокая стоимость электроэнергии имеет место в мало-
освоенных или отдаленных районах, то мы получаем несколько
парадоксальный результат: в этих именно условиях необходимо
иметь в 1,6 раза больше мощность замораживающей станции, во
столько же раз большую мощность электростанции и, наконец,
больший расход замораживающих труб, чем в освоенных промышлен-
ных районах.

Так как замораживающая станция является крупным потребите-
лем электроэнергии, а электроэнергия очень дорогая, то возникает
вопрос, не имеется ли (кроме общепринятого для замораживания
грунтов) какого-либо другого способа получения холода, при кото-
ром бы совсем не потребовалось или, по крайней мере, мало рас-
ходовалось электроэнергии.

Этому требованию удовлетворяют холодильные установки абсорб-
ционного типа (рис. 58). В отличие от компрессионного способа,
при котором применение электроэнергии неизбежно, при абсорб-
ционном способе холод получают с помощью тепловой энергии.
Таким образом, применяя абсорбционный способ получения холода,
мы освобождаемся от необходимости иметь электроэнергию, за
исключением небольшого количества ее для привода в движение
рассольного и аммиачного насосов. Но и здесь вместо центробежных
насосов можно применять поршневые и таким образом электроэнер-
гию заменить паром. Работа абсорбционных установок основана

Ю н. Г. Трупак 145
на использовании тепловой энергии, т. е. пара. В отдаленных рай-
онах пар всегда легче получить, чем электроэнергию. Для получения
пара могут быть использованы все виды местных топлив: угольг
торф, дрова и др. Таким образом, для работы абсорбционных холо-
дильных установок нет необходимости оборудовать специальную ч
электростанцию, а для последней дизельную или котельную станции.

Абсорбционные холодильные установки имеют еще одно преиму-
щество — они могут успешнее работать с более высокими температу-
рами охлаждающей воды, чем компрессионные машины. Следова-
тельно, охлаждающая вода может быть неоднократно использована

16 17

Рис. 58. Схема абсорбционной холодильной установки:

1 — генератор; 2 — форгенератор; 3 — сборник слабого аммиачного раствора; 4 — тепло-
обменник; 5 — дроссельный вентиль для водоаммиачного раствора; 6 — абсорбер; 7 — реси-
вер водоаммиачного раствора; 8 — доохладитель; 9 — водоаммиачный насос; 10 — конден-
сатор; 11 — ресивер для жидкого аммиака; 12 — переохладитель; 13 — дроссельный вен-
тиль для жидкого аммиака; 14 — испаритель; 15 — рассольный насос; 16 — основной дефлег-
матор; 17 — вспомогательный дефлегматор:

1 — водоаммиачный раствор; II — аммиак; III — вода; IV — пар; V — рассол

с помощью градирен, в результате чего расход ее сократится. А этот
фактор в районах, бедных водой или с высокой стоимостью ее, имеет
чрезвычайно важное значение. В компрессионных холодильных
машинах, применяемых для замораживания грунтов, температура
отработанной воды обычно близка к температуре атмосферного
воздуха и потому применение градирен — для охлаждения воды —
оказывается в ряде случаев нецелесообразным. Вследствие этого для
охлаждения хладагента все время поступает свежая вода, расход ее
большой, а стоимость, особенно при высокой цене ее — велика.
Следовательно, и с точки зрения расхода воды применение абсорб-
ционных установок более целесообразно.

Температура хладоносителя (рассола). В рассмотренном выше
примере было определено оптимальное расстояние между замора-
живающими скважинами при средней температуре хладоносителя

= —20° С. Расчеты показывают, что при больших расстояниях
между замораживающими скважинами время, затрачиваемое на
образование ледогрунтовой стены при такой температуре хладоноси-
теля, .значительно увеличивается — прямо пропорционально ква-
драту расстояния между замораживающими скважинами.

В уравнениях (142) и (148) температура хладоносителя входит
в числитель подкоренной величины. Следовательно, с понижением
температуры хладоносителя расстояние между замораживающими
скважинами может быть увеличено.

С другой стороны, время, затрачиваемое на замораживание
грунтов, обратно пропорционально температуре хладоносителя. Сле-
довательно, для сокращения времени замораживания грунтов необ-
ходимо возможно больше снижать температуру хладоносителя.
Для замораживания грунтов в настоящее время применяют охла-
ждающий рассол с температурой от —20 до —27° С. Такая темпе-
ратура является предельной для холодильной установки одноступен-
чатого сжатия при применении речной или грунтовой воды для
сжимания холодильного агента. Замораживание грунтов с темпера-
турой хладоносителя ниже —30° С называют глубоким охлаждением.
Для глубокого охлаждения необходимо применение холодильных
установок двух- или многоступенчатого сжатия.

Общая установочная мощность электродвигателей заморажива-
ющей станции при глубоком охлаждении только на 35—40% выше,
чем при одноступенчатой работе холодильных машин. Так, напри-
мер, для аммиачной установки глубокого охлаждения холодопроиз-
водительностью 217 000 раб. ккал/ч установочная мощность элек-
тродвигателя составляет 240 кВт. В тех же условиях для
замораживающей станции обычного замораживания холодопроиз-
водительностью 247 000 ккал/ч установочная мощность электродви-
гателей составляет 176 кВт, т. е. на 36% меньше, чем при глубоком
охлаждении.

Но при глубоком охлаждении время, затрачиваемое на образова-
ние ледогрунтовой стены при одинаковых расстояниях между замора-
живающими скважинами, меньше, чем при обычном замораживании.

Средний коэффициент теплоотдачи замораживающей трубы при
температуре рассола —40° С составляет 500 ккал/ч, а с учетом потерь
холода в рассольной сети в размере 10% 500-1,1 = 550 ккал/м2-ч.
Соответственно 1 м замораживающей трубы передает грунту 550 X
X 0,36 = 200 ккал/ч или 200-24 = 4800 раб. ккал/сут-м.

Стоимость электроэнергии, затрачиваемой на работу заморажи-
вающей станции при обычном охлаждении грунта, составляет 30%
общих расходов при стоимости 1 кВт-ч 0,01 руб. и 72% при сто-
имости 1 кВт-ч 0,05 руб.

При глубоком охлаждении на производство 1000 раб. ккал элек-
троэнергии расходуется на 40% больше, чем при обычном заморажи-
вании. Соответственно, стоимость производства 1000 раб. ккал при
глубоком охлаждении повысится на величину

б/ = с1э*1,4, руб.,
где Cj — стоимость производства 1000 раб. ккал при обычном охла-
ждении;

э — удельные затраты электроэнергии при обычном охлажде-
нии.

Тогда стоимость производства 1000 раб. ккал при глубоком охла-
ждении будет

С,* = £1(1 + э*1,4), руб.

При стоимости 1 кВт-ч 0,01 руб.

Ci = 0,024(1 + 0,3-1,4) = 0,034 руб.

При стоимости 1 кВт-ч 0,05 руб

= 0,062(1 + 0,72-1,4) = 0,124 руб.

Стоимость содержания 1 м замораживающей колонки в сутки
при глубоком охлаждении

„ „ 4800 .0,2 „ , о . 0,2

С = с 1000 +— = с -4’8+—- РУб/м-

Определим экономически наивыгоднейшее расстояние между за-
мораживающими скважинами при температуре хладоносителя
—40° С в условиях рассмотренного выше примера, принимая сто-
имость 1 кВт-ч 0,01 и 0,05 руб.

При стоимости 1 кВт-ч 0,01 руб.

Стоимость содержания 1 м замораживающей колонки

’с5 = 0,034-4,8+ -^- = 0,167, руб/м.

1 .50

Экономически наивыгоднейшее расстояние между заморажива-
ющими скважинами при этом условии

алГ (8 + 4)40-1,8 _9 ,7

5 6 И 0,167 • 30 000 2,47 ’

Время, необходимое на образование ледогрунтовой стены (соб-
ственно замораживание),

1,32-2,472-30 000 . 2,47 _ ™
- 192 -40^1,8 1П "ОТ - СуТ-

Стоимость образования ледогрунтовой стены:

. 1,32-30000-0,167-50-1500 Г„ о (2,472-2,47) , 9 /7 0 Q"1

Уб. =------192-40.1,8-----L2’2 2,474-1 " + 2,47’2,3J ’

1/5 = 451440 руб.

При стоимости 1 кВт-ч 0,05 руб.

Стоимость содержания 1 м замораживающей колонки

с = 0,124» 4,8 + ^- = 0,6 руб/м.
Экономически наивыгоднейшее расстояние между заморажива-
ющими скважинами

г л1/(8+4)40-1,8, о,
° И 0,6-30 000 1,31

Время, необходимое на образование ледогрунтовой стены,

. 1,32.30 000-1,312 .1,31 ,Q _

Z*= 192-40-1,8 1П-ОТ =13 СУТ-

Стоимость образования ледогрунтовой стены:

„ 1,32-30 000-0,6.50-1500 Г9 9 1,312 — 1,31 , 9 9П

Ув~ 192-40-1,8. L ’ 1,31 + 1 + 1,dl ’Z,dJ ’

1/5 = 413 678 руб.

Сопоставим между собою полученные результаты экономически
наивыгоднейшего расстояния между замораживающими скважинами
при одинаковых стоимостях электроэнергии, но при разных темпе-
ратурах охлаждающего рассола (табл. 22);

Таблица 22

Показатели Стоимость электроэнергии, руб/кВт*ч
0,01 1 0,05
Наивыгоднейшее расстояние между скважинами (м) при температуре хладоносителя: —20° С 2,88 1,80
—40° С 2,47 1,31
Время, затрачиваемое на образование ледогрунтовых стен (без бурения скважин) (сут), при температуре хладоносителя: —20° С 160 - 54
-40° С 56 13
Стоимость образования ледогрунтовой стены (руб.) при температуре хладоносителя: -20° С 245 343 321 167
—40° С • 451 440 413 678

Как видно из приведенных цифр, температура охлаждающего
рассола оказывает сравнительно малое влияние на величину эконо-
мически наивыгоднейшего расстояния между заморажива-
ющими скважинами. При понижении температуры в 2 раза наи-
выгоднейшее расстояние между скважинами снижается на 17—40%.

Время, затрачиваемое на образование ледогрунтовых стен при
глубоком охлаждении, в 3—4 раза меньше времени, затрачиваемого
на образование ледогрунтовой стены при температуре охлажда-
ющего рассола —20° С. Однако экономия во времени в связи с по-
нижением температуры хладоносителя частично нейтрализуется
большими затратами времени на бурение большого числа заморажи-
вающих скважин при меньших расстояниях между ними.

Стоимость образования ледогрунтовой стены при глубоком охла-
ждении выше на 80% при дешевой электроэнергии и на 30% — при
дорогой электроэнергии, чем при замораживании грунтов хладо-
носителем с температурой —20° С.

Грунт, замороженный до более низкой температуры, приобретает
и более высокую прочность. Однако при образовании водонепрони-
цаемых ледогрунтовых перемычек этот фактор не имеет существен-
ного значения.

Большой эффект с точки зрения снижения средств и сокращения
времени, затрачиваемого на замораживание грунтов, может дать
одновременное проведение двух мероприятий: применение гидра-
влического или вибрационного способов погружения заморажива-
ющих труб в грунт и глубокое охлаждение хладоносителя.

Применяя глубокое охлаждение и новые способы погружения
замораживающих труб, можно уменьшить время, затрачиваемое
на замораживание грунтов обычным способом. Соответственно
снизится и стоимость замораживания грунтов.

Влияние коэффициента теплопроводности и теплосодержания
грунта. В уравнениях (142), (148) коэффициент теплопроводности
замороженного грунта X i входит в выражение числителя подкорен-
ной величины. Следовательно, с увеличением коэффициента тепло-
проводности грунта наивыгоднейшее расстояние между заморажи-
вающими скважинами увеличивается и, наоборот, с уменьшением
коэффициента теплопроводности оно уменьшается.

При замораживании изверженных скальных горных пород,
коэффициент теплопроводности которых обычно около 2—
3 ккал/(м-ч-°C) и выше коэффициента теплопроводности зернистых
водоносных грунтов, наивыг'однейшее расстояние между заморажи-
вающими скважинами будет несколько больше, чем в зернистых
грунтах. В глинистых грунтах, коэффициент теплопроводности
которых даже в мерзлом состоянии всегда меньше коэффициента
теплопроводности зернистых грунтов, наивыгоднейшее расстояние
между замораживающими скважинами будет меньше, чем в зер-
нистых грунтах.

В том же уравнении величина теплосодержания входит в выра-
жение знаменателя подкоренной «еличины. Следовательно, с увели-
чением теплосодержания наивыгоднейшее расстояние между
скважинами уменьшается и наоборот.

Теплосодержание скальных горных пород всегда меньше* тепло-
содержания зернистых грунтов. Поэтому в скальных горных породах
расстояние между скважинами может быть несколько больше, чем
в зернистых грунтах.

Предположим, что необходимо выполнить замораживание песча-
ников, содержащих 10% воды и обладающих коэффициентом тепло-
проводности X11,8 ккал/(ч-м-°C); теплосодержание песчаника
= 16 000 ккал/м3. Определим экономически наивыгоднейшее рас-
150.
стояние между замораживающими скважинами в песчанике при
прочих равных условиях:

алГ (8 + 4) 20-1,8 о о/

Хп 6 К 0,088-16 000 3,34 м.

Время на образование ледогрунтовой стены в этих условиях

1,32-16 000-3,342 , 3,34

Z” = 192-20-1,8 1П “ОТ = 120 СУТ-

В рассмотренном ранее примере при х — 2,67 м и р =
= 30 000 ккал/м3 время, необходимое на образование ледогрунтовой
стены, составило 134 сут. Следовательно, с уменьшением тепло-
содержания грунта почти вдвое время, затрачиваемое на образова-
ние ледогрунтовой стены, сокращается лишь на 11% при одновремен-
ном увеличении расстояния между замораживающими скважинами
на 20%.

Проведенные выше исследования показывают, что способ искус-
ственного замораживания грунтов имеет большие скрытые возмож-
ности, позволяющие упростить и удешевить его. Это, в свою очередь,
явится стимулом для расширения области применения его.

Исследования показывают, что общепринятые расстояния между
замораживающими колонками 1—1,25 м при образовании водо-
непроницаемых завес не обеспечивают минимальных сроков выпол-
нения работ и минимальной стоимости их. Напротив, при обще-
принятом расстоянии между замораживающими колонками стоимость
работ будет наиболее высокая. Другие показатели: холодопроиз-
водительность замораживающей станции, расход электроэнергии,
расход труб и, наконец, капитальные затраты на приобретение
холодильной установки при общепринятом расстоянии между замо-
раживающими колонками выше, чем при любом большем рассто-
янии. Следовательно, общепринятое расстояние между заморажи-
вающими колонками при образовании водонепроницаемых ледо-
грунтовых завес должно быть увеличено.

Кроме сбережения средств увеличенные расстояния между замо-
раживающими колонками имеют следующие достоинства:

бурение скважин и монтаж замораживающих колонок являются
процессами весьма трудоемкими. Следовательно, чем больше будет
принято расстояние между замораживающими скважинами, тем
в большей мере человеческий труд будет замещаться работой холо-
дильных машин;

значительно уменьшается необходимая холодопроизводитель-
ность замораживающей станции и соответственно капитальные
затраты на приобретение холодильного оборудования.

сокращается в значительной мере объем транспортирования мате-
риалов и оборудования, необходимых для замораживания грунтов.

Последние два преимущества имеют важное значение при произ-
водстве замораживания грунтов в отдаленных неосвоенных районах;
эксплуатация рассольной сети (обслуживание замораживающих
колонок) упрощается и удешевляется благодаря тому, что число
действующих замораживающих колонок сокращается.

Оптимальное расстояние между замораживающими колонками
.должно приниматься на основании сопоставления результатов опре-
деления расстояния с точки зрения наименьших затрат средств,
с одной стороны, и затрат времени на замораживание грунтов —
€ другой.

Опыт и наблюдения показывают, что расстояния между сква-
жинами можно увеличить до 2,5—3 м, а это отвечает наивыгодней-
шему расстоянию между замораживающими колонками.

Конечно, в каждом отдельном случае должны быть учтены особые
условия, например, значительное содержание растворов хлористых
солей в воде, потоки подземных вод с большими скоростями и др.
Эти факторы приводят к уменьшению расстояния между скважинами.
Однако сохраняя найденное расстояние между замораживающими
скважинами, необходимо понизить температуру хладоносителя,
а также путем нагнетания тампонажных растворов в горную породу.

При замораживании грунтов вблцзи технических сооружений
с глубокими фундаментами следует иметь в виду, что в грунте, окру-
жающем фундаменты, можно встретить включения строительных
отбросов. В таких местах расстояние между замораживающими
колонками необходимо назначать 1—1,25 м.

Расстояния между замораживающими колонками должны быть
уменьшены и при замораживании болотистых грунтов большой мощ-
ности, а также грунтов, содержащих в большом количестве продукты
органического происхождения и, наконец, мощйых пластов глин.

§ 5. Определение числа замораживающих колонок при образовании
ледогрунтового днища в стволе шахты

Число центральных замораживающих колонок, необходимых для
образования искусственного днища в основании замораживаемой
зоны, должно определяться следующим способом. Расчетом по урав-
нению (22) определяется время z, необходимое на образование ледо-
грунтового полого цилиндра периферийными замораживающими
колонками. Образование ледогрунтового днища должно быть закон-
чено одновременно с образованием ледогрунтового ограждения,
т. е. выполнено за тот же промежуток времени. Таким образом,
известным является время z, и необходимо определить диаметр
ледогрунтового цилиндра d2, который образуется от центральных
замораживающих колонок за этот промежуток времени.

Для определения необходимого диаметра d2 воспользуемся урав-
нением (1) для одиночного ледогрунтового цилиндра без тепло-
притока извне:

Р^2 1 4'2

Z“ 8 (Zo-h) М 1П di ’ Ч’
откуда

^21п-^- = з 8(<Ор-^

(152>

Это уравнение наиболее удобно решать графическим способом..
л

На рис. 59 показана кривая функции d2ln~ при = 0,1 м..

На оси ординат нанесены значения

dl In ~ , а на оси абсцисс — зна-
чения d2. При известной

решается правая часть

(152). По полученному

значению d2 In на

определяют значение d2

величине z
уравнения
числовому
диаграмме
— диаметр

одиночного ледогрунтового цилин7
дра, который будет образован за
время z.

Площадь поперечного сечения
одиночного ледогрунтового цилиндра

г»_ Л^2

Число центральных заморажи-
вающих колонок, необходимых для
образования ледогрунтового днища
в стволе в заданный срок z,

где 5 — площадь, подлежащая замораживанию центральными
колонками:

О__ м2

О — t , M ,

где Z)3 — внутренний диаметр ледогрунтового ограждения, образу-
емого периферийными замораживающими колонками, м.
Раздел II

ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ

ПО ЗАМОРАЖИВАНИЮ ГРУНТОВ

ГЛАВА VI

БУРЕНИЕ ЗАМОРАЖИВАЮЩИХ СКВАЖИН И ПОГРУЖЕНИЕ
ЗАМОРАЖИВАЮЩИХ КОЛОНОК

§ 1. Бурение вертикальных замораживающих скважин

Время, затрачиваемое на бурение замораживающих скважин,
занимает наибольший удельный вес (до 65%) в общем времени замо-
раживания грунтов. В этих же пределах находится и доля затрат
на бурение замораживающих скважин в общей стоимости работ
по замораживанию грунтов. Поэтому в целях сокращения продол-
жительности подготовительных работ к замораживанию для
бурения замораживающих скважин должны применяться высоко-
производительные буровые станки.

Для бурения вертикальных скважин глубиной до 50 м можно
применять любые станки ударного или вращательного типа.

В гравийно-галечных и валунных отложениях наибольший эффект
.достигается при ударном способе бурения, в плотных грунтах
и скальных породах — при вращательном способе бурения.

В практике однако часто приходится прибегать к комбиниро-
ванному способу бурения: в верхних покровных породах применять
ударный, а в нижних (скального типа) — вращательный способ
бурения.

Комбинированный способ бурения замораживающих скважин
применяли на строительстве дока на берегу морского залива. В осно-
вании пройденных аллювиальных отложений имелись скопления
валунов и гальки слоем мощностью до 7,5 м. В некоторых местах
породы содержали до 20% валунов. Размеры валунов колебались
от 0,3 до 2 м. Петрографический состав валунов близок к коренным
породам долины (гранитогнейсы). Замораживающие скважины бу-
рили на глубину от 4 до 20 м, зависевшую от изменений рельефа
древнеледниковой долины. Непременным условием считалось за-
глубление скважин на 1—2 м в скалу. Первоначально для бурения
скважин был принят вращательный способ станками КАМ-500.
Опыт, однако, показал, что при вращательном способе скорости
бурения чрезмерно замедлялись при встрече буровым наконечником
валунов и крупной гальки: коронка, попадая на валун или крупную
154
гальку, скользила по ним, не производя никакой работы. Кроме
того, валуны служили причиной значительных отклонений скважин
от вертикального направления (до 5—7% от общей глубины). Эти
обстоятельства вызвали необходимость применения комбинирован-
ного способа работ: рыхлые отложения с включениями гальки и ва-
лунов бурили ч ударным способом, а скалу (гранито-гнейсы) раз-
буривали вращательным способом — станками типа КАМ-500
с дробовой коронкой, в результате чего средняя скорость вращатель-
ного бурения 0,7—1,5 м/смену при ударном способе увеличилась
до 3,5—5 м/смену и уменьшились отклонения скважин.

При бурении вертикальных замораживающих скважин враща-
тельным способом применяют следующие режущие инструменты:
в сухих и рыхлых грунтах — зубчатку (фрезы); в слабых водоносных
и сыпучих грунтах — долотья «рыбий хвост» (РХ); в грунтах средней
крепости — трехшарошечное долото.

На время производства буровых и монтажных работ должна
быть отведена специальная площадка для размещения на ней резерв-
ного бурового оборудования, обсадных труб и труб, необходимых
для замораживания. Размеры площадки зависят от объема работ
по замораживанию грунтов.

Вдоль линии замораживающих скважин по обеим сторонам ее
должна быть свободная площадь шириной не менее 5 м, необходимая
для производства буровых работ, а также работ, связанных с соору-
жением галерей.

Бурение замораживающих скважин может быть выполнено npir
помощи буровых вышек или мачт. По окончании бурения одной сква-
жины буровую вышку перемещают на другую. Помимо этого, буро-
вые вышки используют для спуска замораживающих труб
в скважины и для извлечения обсадных труб. Поэтому, чтобы буре-
ние скважин протекало без перебоев, всегда необходимо иметь запас-
ные вышки в размере 20—30% от общего числа буровых
станков.

Бурение замораживающих скважин для образования ледогрун-
товых массивов целесообразно производить с эстакад. Так, например,
при замораживании грунтов над участком туннеля размерами
в плане 70 X 14 м Московского метрополитена по Каланчевской ул,
требовалось пробурить 395 скважин глубиною 13—15 м. До начала
буровых работ по всей длине участка была сооружена деревянная
эстакада высотой, необходимой для производства буровых работ.
В целях экономии лесных материалов ширина эстакады была при-
нята равной половине ширины участка. По окончании буровых
работ на одной половине участка эстакада была передвинута на
Другую половину. На эстакаде был устроен настил, с которого произ-
водились все работы, связанные с бурением.

В чистых (без включений гальки и валунов) песках, илах и дру-
гих неустойчивых грунтах можно применять гидравлический
способ бурения вертикальных замораживающих скважин — раз-
рывом грунта сильной струей воды. При небольшой глубине замора-
живающих скважин (20—30 м) и при отсутствии ответственных
сооружений вблизи участка замораживания в указанных выше грун-
тах этим способом можно достигнуть больших скоростей бурения.
Однако при применении этого способа необходимо учитывать неко-
торое обогащение грунта водой, которое несколько удлинит
время, затрачиваемое на замораживание грунтов.

Гидравлический способ бурения скважин применяли на стро-
ительстве насосной станции районной ТЭЦ. Воду в трубу нагнетали
центробежным насосом с манометрической высотой напора до 50 м.
Подготовительные работы к бурению скважины занимали 1,5—2 ч.
Посадка труб на глубину 9 м без наращивания звеньев занимала
около 1 ч.

В грунтах, не содержащих валунов и гальки, или с малым вклю-
чением последних можно применять способ непосредственного погру-
жения в грунт замораживающих труб с подмывом грунта струей
воды аналогично погружению свай. Подмыв грунта при этом способе
производили через другую трубу, опускаемую внутрь заморажива-
ющей трубы (центральный подмыв), или через трубы, прикрепляемые
снаружи последней (боковой подмыв). В первом случае для про-
пуска струи воды в грунт в башмаке замораживающей трубы должно
быть сделано специальное отверстие, закрываемое при необходи-
мости. При боковом подмыве применяют, по крайней мере, две под-
мывные трубы, располагаемые симметрично относительно заморажи-
вающей трубы. В этом случае подмывные трубы не должны
прикрепляться наглухо к замораживающим трубам, чтобы их можно
было передвигать в любом направлении.

Предпочтение следует отдавать боковому подмыву, так как цен-
тральный подмыв имеет следующие недостатки:

нарушается водонепроницаемость замораживающей трубы в баш-
маке ее, причем восстановить водонепроницаемость замораживающей
трубы по опускании ее довольно трудно;

имеется большая вероятность отклонения скважин от вертикаль-
ного положения;

ограничивается действие струи воды, так как она может выходить
только в одной точке;

исключается возможность регулирования действия струи воды
по высоте замораживающей трубы;

затрудняется очистка выходного отверстия в случае засоре-
ния его.

Для бокового гидравлического подмыва применяют стальные
трубы диаметром 37,5 мм, снабженные на нижнем конце зубчатой
коронкой. Наконечник иногда приваривают к башмаку заморажи-
вающей трубы по ее оси.

Давление промывной воды и скорость струи зависят от характера
проходимого грунта и глубины погружения замораживающей трубы.
Во всяком случае струя воды должна произвести полный размыв
грунта и взвесить частицы его. Количество же воды должно быть
принято таким, чтобы разрушенный грунт непрерывно удалялся
156
из-под трубы на земную поверхность. Опыт показывает, что чистые
пески размываются легко, однако при небольшом давлении воды,
необходимом для погружения трубы, требуется значительный расход
воды из-за трудности взвешивания частиц песка. С увеличением
размеров частиц песка и глубины погружения замораживающих
труб расход воды также увеличивается вследствие потерь воды
в грунте.

Для размыва, взвешивания и подъема песков при погружении
труб напор струи воды изменяется от 2 до 12 кгс/см2, а расход воды
колеблется от 300 до 1500 л/мин. В глинах и плотных илистых грун-
тах, в которых наиболее часто засоряются отверстия для выхода
водяной струи, следует применять более высокие давления, но мень-
ший расход воды, так как в этом случае необходимо выносить легкие
тонкие частицы. Давление воды в таких грунтах принимают 8—
45 кгс/см2, а расход воды 200—800 л/мин. В грунтах, содержащих
гравий и гальку, необходимо повышать давление до 20 кгс/см2,
и расход воды до 3500 л/мин.

Воду в трубы нагнетают поршневыми и центробежными насосами.
Для получения хороших результатов погружения замораживающих
труб необходимо обеспечить основное требование — непрерывность
действия струи воды и достаточный расход ее. Длина подмывных
труб должна быть больше длины замораживающих труб на 0,3—
0,5 м.

Замораживающие трубы с подмывом йх струей воды опускали
на глубину 24 м на одном строительстве СССР в грунтах, состоящих
из песка и ила без примесей гравия и гальки. Скорость опускания
труб составила 2 м/мин при давлении струи воды 10 кгс/см2 и расходе
воды 500 л/мин.

' При применении этого способа необходимо строго следить за тем,
чтобы не было чрезмерно большого выноса грунта и чтобы замора-
живающие трубы не отклонялись от вертикального положения.

Подъем и установку замораживающих труб в вертикальное
положение производят с помощью передвижных кранов с длиной
стрелы до 20 м^

При замораживании грунтов на строительстве плотины Гренд-
Кули (США) замораживающие трубы с внутренним диаметром 75 мм
забивали непосредственно в грунт. Каждую колонку составляли
из двух звеньев труб длиной по 6,3 м каждое. Породы, подлежащие
замораживанию, состояли из тонкого материала — ледникового ила,
образованного в результате размельчения скальных горных пород,
с включениями гальки и валунов.

Замораживающие трубы забивали бабой весом около 150 кг.
На забивку одной трубы затрачивали около 1 ч. Опыт показал, что
трубы с тупым башмаком имели меньшее отклонение от вертикали,
чем трубы с острым башмаком, которые при встрече гравия или
валунов стремились отклониться в сторону. Опыт также показал,
что нарезка в соединениях труб изнашивалась в меньшей степени
при забивке труб тяжелыми бабами, чем при забивке их легкими.
Забивку замораживающих труб следует производить с обяза-
тельным последующим тщательным контролем водонепроницаемости
стыков труб. Впредь до накопления опыта глубину забивки труб
необходимо ограничить до 15—18 м. Следует иметь в виду, что при
забивке труб имеется значительно большая вероятность расстрой-
ства стыков по сравнению с опусканием их способом подмыва или
в пробуренные скважины. При этом способе предпочтительнее при-
менять безмуфтовые с конической нарезкой соединения труб. Внеш-
ние поверхности замораживающих труб, соединенных таким обра-

1500

Рис. 60. Станок вращательного бу-
рения, приспособленный для буре-
ния скважин из подземной выра-
ботки:

1 — буровой станок; 2 — электродвига-
тель; 3 — металлическая рама

сконструирована специальная

зом, не имея выступов, оказывают
меньшее сопротивление их забивке.

В плотные грунты, скальные
породы или гравийно-галечнико-
вые и валунные отложения замо-
раживающие трубы могут быть
опущены только в предварительно
пробуренные скважины.

Для бурения вертикальных
или наклонных замораживающих
скважин из подземных выработок
применяют малогабаритные станки
(рис. ВО) вращательного бурения
и буровые станки КА-2м-300.
Такие станки применяли при бу-
рении замораживающих скважин
из двух штолен сечением 3,0 X
X 2,5 м, пройденных над горизон-
тальными тоннелями метро.

Для уменьшения габаритных
размеров бурового станка была
металлическая рама, на которой

устанавливали приводной мотор. Так как бурить пришлось в стес-
ненных условиях, то были применены короткие отрезки штанг дли-
ной 1,2—1,5 м. Замораживающие трубы также состояли из коротких
отрезков длиной 1,5—2,5 м.

В каждой штольне пробурено по 4 ряда наклонных скважин.
Углы наклона скважин к горизонту изменялись от 70 до 90° при
глубине скважин от 10 до 16 м. Скважины бурили в песчано-граве-

листых отложениях с промывкой глинистым раствором.

Таким способом было пробурено 238 замораживающих скважин
общей глубиною 3200 м. На бурении скважин были заняты четыре
буровых станка. Месячная производительность каждого станка
составила в среднем 150 м.

§ 2. Бурение горизонтальных замораживающих скважин

Для бурения горизонтальных замораживающих скважин в одно-
путевых горных выработках применяют легкие малогабаритные
буровые станки ДС-4 и ГП-1, позволяющие бурить скважины длиной
до 50 м при начальном диаметре 91—112 мм и конечном 73 мм;
ЗИФ-300 с глубиною бурения до 50 м при начальном диаметре 112—
132 мм и конечном 73—89 мм.

До начала бурения горизонтальных скважин в забое проходимой
выработки возводят временную бетонную перемычку. Водоносные
грунты содержат обычно напорную воду и поэтому имеется опасность
прорыва воды и грунта из буримой скважины в проходимую выра-
ботку, вследствие чего скважины бурят через превенторы (шлюзовые
устройства).

Кондукторы скважин — стальные трубы диаметром 121 X
X 103 мм — устанавливают в бетонной крепи ствола или в перемычке
при возведении их. Если горизонтальные скважины предназначены
для образования ледогрунтового ограждения вокруг сопряжения
ствола, то через бетонную крепь шахтного ствола бурят скважины
диаметром 148 мм.

Кон дукторы в скважинах закрепляют с помощью цементного
раствора — при положительной температуре бетона крепи — или
цементно-песчаного раствора на мелкозернистом песке — при заморо-
женном бетоне. Цементный раствор состава 2 : 1 (цемент : вода
по весу) с добавкой 3% хлористого кальция (по весу от веса цемента).

Затем на кондукторе укрепляют патрубок, а к последнему при-
соединяют задвижку, шлюзовую трубу и сальники. Задвижка пред-
назначена для рабочего давления до 25 кгс/см2 и имеет условный
проход 100 мм. Набивка сальников асбестовая или из резиновых
колец.

После монтажа шлюзового устройства производят бурение сква-
жины с промывкой глинистым раствором.

Во избежание выхода воды или плывуна из скважины по каналу
буровой штанги между режущим инструментом и штангой включают
обратный шариковый клапан.

По окончании бурения скважины из нее извлекают колонну
буровых штанг и демонтируют сальник при закрытой задвижке.
Стены скважины в это время удерживаются от обрушения гидроста-
тическим давлением глинистого раствора, который вводят в скважину
через штуцер, предназначенный для отвода из скважины отработан-
ного глинистого раствора. ч

Затем набивают сальник замораживающей трубы и производят
монтаж замораживающих труб диаметром 97 мм. По окончании
монтажа замораживающих труб производят цементацию кольцевого
пространства между кондуктором и замораживающей трубой. Це-
ментный раствор нагнетают через патрубок.

После затвердения цементного раствора в межтрубном простран-
стве демонтируют шлюзовое устройство, укорачивают заморажива-
ющие трубы и в последние вводят питающие трубы, монтируют
головку замораживающей колонки, присоединяют к последней
гибкие шланги для подачи и отвода охлаждающего рассола.

На работах по замораживанию грунтов в Подмосковном угольном
бассейне для бурения горизонтальных замораживающих скважин
применяют буровой станок (рис. 61) ДС-4, предназначенный для
бурения из штрека восстающих дренажных скважин длиной до 30 м.

Станок смонтирован на однорельсовой тележке. Бурение скважин
осуществляют крестообразными коронками диаметрами 75, 108
и 135 мм (тверды породы), бурами типа «рыбий хвост» диаметром
75 и 108 мм (мягкие породы), складывающейся коронкой диаметром
108 мм, колонковой коронкой 75 мм, армированной пластиной твер-
дого сплава ВК-8.

Буровой инструмент вращается электродвигателем АВ-41/1 мощ-
ностью 1,7 кВт с частотой вращения 1420 об/мин. Электродвигатель
встроен с кремний-органической изоляцией. Частота вращения
шпинделя (патрона) 81 об/мин.

Скорость бурения скважин в зависимости от крепости буримых
пород 0,01—1,73 м/мин. Диаметр скважин 75—108—135 мм. Для
крепления стенок скважин применяют трубы 075 мм.

Длина звена бурового става 920 мм. С помощью складывающейся
коронки можно бурить скважину с одновременной обсадкой ее.

Подача буровых труб ручная с ходом 840 мм. Усилие рабочего
на рукоятке подачи при давлении 255 кгс на забой — 12 кгс. Макси-
мальное осевое давление на забой 1000 кгс. Длина бурового става
920 мм.

Вязкие горные породы бурят с промывкой скважины глинистым
раствором. Грязевой насос производительностью 14 л/мин поршневой
с приводом от вращателя.

Перемещение станка, буровых и обсадных труб по выработкам
к удаленной скважине осуществляют на однорельсовой тележке.

Габаритные размеры станка: высота 810 мм, ширина 485 мм,
длина 1925 мм.

Минимальная высота штрека, в котором станок может работать,
1800 мм. Вес станка (без буровых труб инструмента) 133 кг. Станок
обслуживается двумя рабочими.

На бурение горизонтальной замораживающей скважины длиной
24 м станком ДС-4 затрачивается следующее время: установка станка,
подключение и отключение электроэнергии, наладка, промывка
скважины, подготовка к работе — 4 ч 45 мин (20,8%); соединение
штанг и обсадных труб, промывка скважин — 6 ч 48 мин (29%);
бурение и крепление стенок скважины обсадными трубами, гермети-
зация скважины — 10 ч 41 мин (45,6%); другие работы — 1 ч 05 мин
(4,8%). Общее время, затрачиваемое на бурение скважины длиной
24 м, 23,3 ч или на 1 м скважины 58,4 мин.

Институтом горного тела Сибирского отделения Академии наук
СССР разработаны конструкции самодвижущихся пневматических
машин ударного действия, так называемые пневмопробойники. Они
предназначены для бурения (пробивания) горизонтальных, вер-
тикальных и наклонных скважин в грунтах I, II и III категорий.

Пневмопробойник ИП-4603 состоит из корпуса, ударника и воз-
духораспределительного патрубка. Рабочим органом пневмопробой-
ника является его корпус. Корпус пневмопробойника имеет форму
160
11 Н. Г. Трупак
гладкого цилиндра, заостренного спереди. В хвостовой части пневмо-
пробойника имеется патрубок, к которому присоединяют
резино-тканевый шланг, служащий для подвода сжатого воздуха
от компрессора или воздушной магистрали. Выхлоп отработанного
воздуха производится через отверстия, расположенные вокруг
воздухоподводящего патрубка в заднем торце пневмопробойника.

Внутри корпуса помещается свободно движущийся под действием
сжатого воздуха поршень-ударник, совершающий возвратно-посту-
пательное движение. При движении вперед поршень ударяет в перед-
ний внутренний торец корпуса, забивая его в грунт. При этом корпус
движется подобно забиваемой свае, уплотняя грунт впереди и в сто-
роны и оставляя за собой прямолинейную скважину с гладкими
уплотненными стенками.

Принятая воздухораспределительная система пневмопробойника
позволяет осуществлять реверсирование хода, т. е. возврат машины.

Техническая характеристика пневмопробойника следующая:

Диаметр пробиваемой скважины, мм:
без расширителя ..................................... 135

с расширителями ........................... 200, 300

Длина пробиваемой скважины, м................... До 50

Длина пневмопробойника, мм........................ 1500

Масса (без шлангов), кг............................. 80

Номинальное давление сжатого воздуха, кгс*/см2 . . 6

Расход воздуха, м3/мин............................... 3

Диаметр воздухоподводящих шлангов, мм............... 25

Скорость пробивания скважин, м/ч:
в грунтах I категории......................• . . . 40—80

в грунтах II категории...................... 20—40

в грунтах III категории .................... 10—20

Скорость движения пневмопробойника по скважине при обратном
ходе 70—100 м/ч.

Размеры приямков для входа пневмопробойника в грунт и выходе
из грунта равны 0,8 X 1,8 м.

Пневмопробойники способны пробивать кирпичную стену тол-
щиною до 70 см.

Пробитые пневмоударником скважины можно расширять с по-
мощью расширителей большего диаметра, чем корпус, за несколько
проходов.

На территории Новосибирской ТЭЦ с помощью пневмопробой-
ника под восемью действующими железнодорожными путями была
забита в плывуне стальная труба диаметром 100 мм и длиной 46 м.

Если в водоносных грунтах отсутствуют включения крепких
горных пород — крупная галька или валуны, то замораживающие
трубы целесообразно задавливать непосредственно в грунт с по-
мощью домкратов. Способ задавливания замораживающих труб
в песчаных и суглинистых грунтах может полностью заменить буре-
ние горизонтальных замораживающих скважин.
При щитовом способе проведения выработок задавливание замо-
раживающих труб можно выполнить с помощью передвижной уста-
новки (рис. 62). Установка состоит из следующих частей: тележки 1
на колесном ходу; на тележке укреплены два гидравлических дом-
крата 2, соединенных с гидравлической системой щитовых домкра-
тов. С помощью специальных шаблонов гидравлические домкраты,
предназначенные для задавливания труб, можно установить под
заданным углом к продольной оси проходимой выработки.

На тележке смонтировано устройство 3 для распора тележки
в крепь выработки. На другой тележке 4 установлены направляющие
каретки, а на горнопроходческом щите укреплены специальные
направляющие кронштейны 5.

Рис. 62. Установка для задавливания замораживающих
труб в грунт

Задавливание замораживающих труб производят отдельными
патрубками длиною 2—4 м. Общая длина замораживающей трубы
15 м.

Бурение горизонтальных замораживающих скважин или задавли-
вание замораживающих труб непосредственно в грунт в настоящее
время можно считать освоенным на длину до 30 м. Если протяжен-
ность водоносного участка превышает эту длину, то скважины при-
ходится бурить (или задавливать замораживающие трубы) в не-
сколько приемов — заходок.

При сооружении подземных коллекторов в водонасыщенных
грунтах на небольших глубинах была принята следующая организа-
ция работ по замораживанию грунтов.

Горизонтальные замораживающие трубы задавливают («прокалы-
вают») гидравлическими домкратами в грунт из двух шахтных ство-
лов, проходимых на расстоянии 60—70 м один от другого. Замора-
живающие трубы диаметром 100 мм и длиной 25—30 м задавливают
навстречу друг другу из каждого ствола (рис. 63). При малой длине
замораживающей трубы уменьшается и вероятность отклонения
труб от заданного направления.

По мере продвижения в грунт замораживающие трубы наращи-
вают короткими звеньями, соединенными между собой на муфтах
или с помощью электросварки с последующей проверкой гермети-
зации замораживающей трубы путем опрессовки их водой сжатым
воздухом.

Длина звеньев труб должна быть возможно большей, так как
при большой длине звена трубы сокращается число стыков, повы-
шается надежность замораживающей трубы с точки зрения водо-
непроницаемости и возрастает производительность труда про-
ходчиков благодаря тому, что число перерывов в работе по задавли-
ванию замораживающей трубы сокращается. С другой стороны,
большая длина звена трубы вызывает необходимость увеличения
поперечных размеров шахтных стволов, из которых задавливаются
замораживающие трубы.

Рис. 63. Расположение шахтных стволов при соору-
жении подземных коллекторов в водонасыщенных
грунтах:

1,2 — шахтные стволы; 3 — подземный коллектор; 4 — вер-
тикальные замораживающие скважины; 5 — горизонтальные
замораживающие колонки

Длина звена замораживающей трубы принята равной 4 м. Шахт-
ные стволы проходят прямоугольной формы с поперечными раз-
мерами 5 X 5 м или круглые стволы диаметрами 5,5—7,5 м.
Шахтные стволы проходят обычно с применением искусственного
замораживания грунтов. В таком случае задавливанию труб должно
предшествовать бурение шпуров (коротких скважин) через ледо-
грунтовое ограждение ствола с последующим вводом в шпуры
замораживающих труб.

Шпуры диаметром 130—140 мм бурят станками вращательного
бурения. В кольцевых пространствах между стенками шпуров в за-
мороженном грунте и телом замораживающей трубы устраивают
сальники путем заполнения пространств паклей или другой мягкой
набивкой, предупреждающей вынос грунта и воды из шпуров в шахт-
ный ствол.

По окончании задавливания замораживающей трубы кольцевые
пространства тампонируют цементным раствором. Опыт показал,
что выносы грунта и поступления воды в шахтный ствол из кольце-
вого пространства не наблюдались. Этого не происходило
потому, что подземная вода имела сравнительно малый гидростати-
ческий напор, вследствие чего она не могла проникнуть через грунт,
уплотненный вокруг трубы при ее задавливании.
Расположение домкратов в шахтном стволе при задавливании
горизонтальных замораживающих труб показано на рис. 64. Зада-
вливание замораживающих труб начинают с труб, расположенных
у подошвы проходимой выработки, где не требуется устройства
рабочих полков. При задавливании вышерасположенных труб же-

сткие подмосты укрепляют па нижних
трубах, концы которых выходят в ствол
шахты. Рабочие полки переносят вверх,
постепенно поднимаясь до труб, рас-
положенных у свода выработки. Буре-
ние шпуров в замороженном грунте,
образованном вокруг шахтного ствола,
ведут с опережением.

При задавливании заморажива-
ющих труб применяют значительные
осевые усилия на трубы, достигающие
100 тс. Осевые усилия вызывают в за-
давливаемых трубах напряжения про-
дольного изгиба. В соответствии с этим

усилием должны рассчитываться на
устойчивость задавливаемые звенья
труб, а также упорная железобетонная
стенка для домкратов.

Опыт показал, что наибольшая
устойчивость звена трубы обеспечи-
вается в том случае, когда осевое усилие
прилагается не со стороны торца трубы,
а в передней ее части с помощью специ-
ального захвата или хомута. Такой
способ приложения действующей на-
грузки на трубу имеет то преимуще-
ство, что выигрывают габариты домкра-
тной установки благодаря тому, что
она размещается не последовательно
со звеном трубы, а рядом с ним. Это
достигается расположением залавлива-
емых звеньев трубы между двумя па-
раллельными домкратами или специ-

Рис. 64. Расположение гид-
равлических домкратов в шахт-
ном стволе при задавливании
горизонтальных заморажива-
ющих колонок:

1 — положение домкрата при за-
давливании колонок в своде выра-
ботки; 2 — положение домкрата при
задавливании колонок в подошве
выработки; 3 — железобетонная
упорная стена; 4 — тельфер; 5 —

* кран-балка тельфера; 6 — съемный
настил с ограждением; 7 — шахт-
ный ствол

ально сконструированным домкратом,

например полым опрокидным домкратом двустороннего действия,
укрепленным в цапфах на жесткой металлической раме.

Отклонение а горизонтальной замораживающей скважины от
заданного направления не должно превышать 1% от длины L сква-
жины: •— 0,01. Таким образом, при длине замораживающей

скважины 25—30 м отклонение ее не должно превышать 0,25—0,30 м.

При замораживании грунтов вокруг сопряжений шахтных
стволов с выработками околоствольного двора для задавливания
Вертикальный разрез

Рис. 65. Устройство для задавливания замораживающих труб винтовыми домкратами:

1 _ двухвинтовой домкрат; 2 — опорная рама; 3 — опорная плита; 4 — сальник; 5 — задвижка; в — кондуктор; 7 - замораживающая
труба; 8 — крепь шахтного ствола; 9 — подвесной полок
замораживающих труб на работах треста Шахтспецстрой применяют
винтовые домкраты (рис. 65). Устройство для задавливания замора-
живающих труб состоит из следующего оборудования: двухвин-
тового домкрата I, грузоподъемностью 40 т, опорной рамы <2,
составленной из двутавровых балок № 24а, опорной плиты 3 из
листовой стали толщиной 30 мм, сальника 4, шлюзовой задвижки
с проходным отверстием диаметром 100 мм и кондуктора 6.

В качестве замораживающих применяют трубы 7 размером 89 X
X 4,5 мм с ниппельным соединением. Если после задавливания труб
окажется, что соединения их недостаточно герметичны, то внутрь
задавленной колонны труб вводят трубы меньшего диаметра, исполь-
зуя их в качестве замораживающих труб.

Порядок выполнения работ: в крепи 8 шахтного ствола бурят
шпуры диаметром 102 мм, в которых закрепляют кондукторы 6.
Затем на подвесном полке монтируют устройство для задавливания
замораживающих труб.

Если за крепью шахтного ствола замороженный грунт, образо-
ванный вокруг шахтного ствола, еще не растаял, то через него бурят
скважину (до встречи с незамороженным грунтом) буровым станком
КА-2м-300 с применением штанг диаметром 42 мм.

ГЛАВА VII

ПЕРЕДВИЖНЫЕ ЗАМОРАЖИВАЮЩИЕ СТАНЦИИ

§ 1. Наземные передвижные замораживающие станции

В практике промышленного строительства часто встречаются
случаи, когда замораживание грунтов выполняют в малых объемах:
при проходке устьев и неглубоких шахтных стволов, водозаборных
колодцев, при сооружении подземных коллекторов, на строитель-
стве подземных насосных станций, а также при разработке
небольших котлованов в водонасыщенных грунтах.

В таких случаях целесообразно примейять компактные заморажи-
вающие станции, которые можно легко и быстро транспортировать
с одного объекта на другой. Этому условию удовлетворяют пере-
движные замораживающие станции. Применение таких станций
позволяет значительно сокращать продолжительность и стоимость
замораживания грунтов. В зависимости от объема выполняемых
работ в одном месте можно применять одну, две и более передвижных
замораживающих станций.

Подъездные пути к строительной площадке сооружают до начала
строительных работ. Однако строительство железнодорожных путей
при их большой протяженности и сильнопересеченной местности
часто запаздывает к началу работ. В таких случаях прокладывают
шоссейную или грунтовую дороги и тогда можно использовать
передвижную замораживающую станцию, смонтированную на авто-
мобильных прицепах. Замораживающую станцию можно передви-
гать трактором, грузовым автомобилем или перевозить на же-
лезнодорожных платформах.

Источником энергии передвижных замораживающих станций
кроме электроэнергии могут служить моторы автомашины или трак-
тора, с помощью которых станция перемещается с одного места
на другое.

Основные преимущества передвижных замораживающих станций
перед стационарными:

работа передвижной замораживающей станции может не зависеть
от основного источника энергии строительства;

устраняются время и расходы на сооружение фундаментов для
холодильного оборудования, монтаж и демонтаж его, что приводит
к сокращению времени, необходимого на подготовительные работы
к замораживанию грунтов;

более полное использование оборудования;

срок службы передвижного холодильного оборудования выше
срока службы стационарной замораживающей станции, так как
монтаж холодильного оборудования производится только один раз
и совсем не производится демонтаж его;

передвижную замораживающую станцию обслуживают постоян-
ные кадры, приобретающие благодаря этому высокие квалифи-
кации;

уменьшается стоимость замораживания грунтов по сравнению
с замораживанием стационарными установками, где замораживание
грунтов обходится дороже еще в связи с тем, что диапазон холодо-
производительностей компрессоров относительно невелик. По
этой причине, как правило, стационарные холодильные установки
применяют с производительностью, большей на 25—30%, а иногда
и на 50%, чем это вызывается необходимостью.

Передвижная замораживающая станция должна удовлетворять
следующим требованиям: -

отдельные части станции должны иметь минимальные габаритные
размеры и вес, с тем чтобы они могли разместиться на одной — двух
платформах;

на подготовительные работы к пуску станции должно затрачи-
ваться минимальное время;

при минимальных габаритных размерах станция должна раз-
вивать максимальную холодопроизводительность.

Передвижные замораживающие станции оборудуют преимуще-
ственно вертикальными компрессорами, имеющими ряд преиму-
ществ >перед горизонтальными: меньшие габаритные размеры,
особенно в плане, облегченные фундаменты, вертикальное напра-
вление нагрузок и др.

Передвижные замораживающие станции могут быть оборудованы
следующими аммиачными компрессорами вертикального типа, вы-
пускаемыми заводом «Компрессор» (табл. 23).
Таблица 23

Показатели АУ-150/480 АУ-150/720 АВ-300/360 ДАУ-50
Холодопроизводительность, норм, ккал/ч 150 000 200 000 300 000 270 000
Число цилиндров 4 4 2 4
Габаритные размеры, мм: длина 1460 1460 1980 1900
ширина 1100 1100 1300 1200
высота 1500 1500 1995 1900
Масса компрессора, кг . . 1450 1350 4500 2500
Расход мощности на валу компрессора, кВт . . . 32 49 78 75
Мощность электродвигателя, кВт 40 55 115 95

При проходке шахтных стволов диаметром 5 м в свету передвиж-
ные замораживающие станции могут обеспечить замораживание
водоносных грунтов следующих мощностей:

Тип компрессора . . АУ-150/480 АУ-150/720 АВ-300/360 ДАУ-50

Общая мощность во-

доносных грунтов,
м............... 27 36 54 48

Применяя способ локального замораживания, указанные мощ-
ности водоносных грунтов можно пройти при помощи этих станций
даже при залегании водоносных грунтов на сравнительно большой
глубине от земной поверхности. При замораживании грунтов в 2—
3 приема можно пройти водоносные породы значительно большей
мощности.

Передвижные замораживающие станции могут в течение 40—
50 сут образовать следующие длины ледогрунтовых водонепрони-
цаемых перемычек между замораживающими скважинами (табл. 24).

Таблица 24

Расстояние между Протяженность перемычек (м) при типах компрессоров
заморажива- ющими скважинами, м АУ-150/480 АУ-150/720 АВ-300/360 ДАУ-50
1,0 60 80 120 НО
1,25 75 100 150 130
1,50 90 120 180 160
2,0 120 160 240 220

Для передвижных замораживающих станций применяют кожухо-
трубные, элементные, оросительные или панельные конденсаторы-
испарители — вертикально-трубные или кожухотрубные.
Все холодильное оборудование передвижных замораживающих
станций, укомплектованных аммиачными компрессорами вертикаль-
ного типа, размещается на двух платформах или в двух кузовах
автомашин. В качестве платформ используют прицепы грузовых
автомашин типа МАЗ. Иногда холодильное оборудование распола-
гают на специальных салазках.

Холодильное оборудование может быть размещено в следующих
комбинациях:

на первой платформе — компрессор с пусковыми приборами
и элементный или панельный конденсатор; на второй платформе —
испаритель и рассольный насос;

на первой платформе — компрессор и испаритель с рассольным
насосом; на второй платформе — оросительный конденсатор.

На работах треста Шахтспецстрой применяют передвижную
замораживающую станцию, состоящую из двух блоков. В первом
блоке (рис. 66) на салазках смонтированы: аммиачный компрессор
АУ-150/720 холодопроизводительностью 200000 норм, ккал/ч с элек-
тродвигателем мощностью 55 кВт и элементный конденсатор с тепло-
обменной поверхностью 32 м2. Общий вес блока 5000 кг.

Во втором блоке (рис. 67) смонтирован также на салазках вер-
тикально-трубный испаритель с поверхностью охлаждения 40 м2
и рассольный насос производительностью 30 м3/ч при манометри-
ческой высоте напора 24 м вод. ст. На испарителе установлен элек-
тродвигатель мощностью 2,8 кВт. Общий вес блока 3000 кг.

Во временном здании, обычно деревянном, замораживающей
станции располагают только первый блок с аммиачным компрес-
сором; второй блок размещают вне здания под навесом.

Опыт показал, что на установку передвижной замораживающей
станции затрачивается около 10 сут вместо 30—35 сут, которые
необходимы для монтажа стационарной станции такой же холодо-
производительности. Блоки станции устанавливают на салазках
непосредственно на землю без устройства бетонных фундаментов.

При необходимости перевозки блоки станции погружают на авто-
машины грузоподъемными кранами. Для перемещения блоков стан-
ции от одного объекта к другому используют грузовые автомашины
грузоподъемностью 5 т.

На работах треста Шахтспецстрой применяют и другой тип
передвижной замораживающей станции, также состоящей из двух
блоков. В первом блоке смонтирован аммиачный компрессор
А У-15/480 холодопроизводительностью 150 000 норм, ккал/ч, элек-
тродвигатель к нему, пусковая аппаратура, вертикально-трубный
испаритель и рассольный насос.

Во втором блоке смонтирован оросительный конденсатор, масло-
отделитель и поддон для сбора отработанной воды.

В зависимости от необходимой холодопроизводительности на
одном объекте устанавливают одну, две, три и более передвиж-
ных станций. Три передвижные замораживающие станции, состо-
ящие из агрегатов с аммиачными компрессорами АУ-15/720 общей
OStf

Рис. 66. Блок аммиачного компрессора и элементного конденсатора:

1 — аммиачный компрессор АУ-150/720; 2 — электродвигатель к компрессору; 3 — элементный конденсатор; 4 — маслоотделитель;

5 — обратный клапан; 6 — регулирующая станция; 7 — рама-салазки.
to

1650

Рис. 67. Блок вертикально-трубного испарителя и рассольного насоса:

1 — вертикально-трубный испаритель; 2 — рама-салазки; 3 — центробежный рассольный насос; 4 — электродвигатель к рассоломешалке
холодопроизводительностью 600 000 норм.ккал/ч, способны выполнить
замораживание грунтов вокруг шахтного ствола глубиною 100 м.

Количество аммиака на каждые 1000 норм, ккал/ч холодопроиз-
водительности замораживающей станции для первоначального
заполнения составляет 2,5—3 кг. Расход аммиака на пополнение
системы в связи с утечкой аммиака из системы в процессе
эксплуатации замораживающей станции составляет 0,2 кг
на 1000 норм, ккал/ч в месяц без учета потерь аммиака во время
планово-предупредительного ремонта оборудования.

Ленинградским Гипрошахтом (автор горн. инж. В. В. Полевой)
спроектирована передвижная замораживающая станция, предназна-
ченная для образования ледогрунтовых ограждений вокруг шахтных
стволов диаметром 6 м в свету и глубиною до 125 м. Холодопроиз-
водительность замораживающей станции 600 000 норм, ккал/ч.
При применении локального замораживания можно одновременно
замораживать два ствола.

Оборудование и аппаратура замораживающей станции приняты
следующие:

три аммиачных компрессора АУ-150/720 с электродвигателями
каждый мощностью 60 кВт с частотой вращения 1000 об/мин. Холодо-
производительность одного компрессора 200 000 норм, ккал/ч;

три элементных конденсатора с поверхностью охлаждения 40 м2
каждый;

три кожухотрубных испарителя с поверхностью охлаждения
55 м2 каждый с поплавковым регулятором;

два рассольных насоса производительностью 70 м3/ч каждый
с манометрической высотой напора 44,5 м вод. ст.; один насос рабо-
чий, другой резервный;

два насоса для подачи охлаждающей воды на конденсаторы
с такими характеристиками, как рассольные насосы; один насос
рабочий, другой резервный;

вспомогательная аммиачная аппаратура принята изготовления
завода «Компрессор»: маслоотделитель, маслосборники, обратные
клапаны, регулирующие станции;

электрооборудование: электродвигатели с короткозамкнутым ро-
тором мощностью 60 кВт, 380 В, 960 об/мин; магнитные станции.
Освещение на прицепах предусмотрено светильниками.

Все холодильное оборудование размещается на трех автопри-
цепах типа МАЗ грузоподъемностью 20 т.

Высота компрессорного автоприцепа 3,4 м, конденсаторного 3,7 м
и испарительного 3,3 м. Площадь, необходимая для размещения
замораживающей станции, 15 X 15 м. Установленная мощность
электродвигателей замораживающей станции 250 кВт.

Замораживающую станцию транспортируют по грунтовым и шос-
сейным дорогам тракторами или грузовыми автомобилями — в зави-
симости от дорожных условий. На большие расстояния
замораживающую станцию перевозят на железнодорожных плат-
формах.
При одинаковом комплекте оборудования стоимость передвижной
замораживающей станции, включая стоимость трех автоприцепов
и монтаж ее, равна стоимости стационарной передвижной станции,
которая складывается из стоимостей: холодильного оборудования —
34,5%, временного здания и фундаментов замораживающей стан-
ции—20%, монтажа оборудования станции — 30,5%, демонтажа
оборудования — 15%.

При многократном применении передвижной замораживающей
станции каждый раз будут сокращаться расходы на сооружение
временных здания и фундаментов, на монтаж и демонтаж холодиль-
ного оборудования, составляющие около 65% стоимости холодиль-
ного оборудования.

Некоторые затраты средств, правда небольшие, при применении
передвижной замораживающей станции, связанные с монтажом
и демонтажем, все же будут иметь место — на соединение и разъ-
единение отдельных частей установки, испытание и пробойный пуск
установки. Понадобится также устройство навесов для защиты
от непогоды персонала, обслуживающего замораживающую станцию,
и частей установки с движущимися частями.

Кроме указанных выше передвижная замораживающая станция
на автоприцепах имеет следующие преимущества перед стационарной
замораживающей станцией:

сокращается время проходки стволов шахты за счет времени,
затрачиваемого на монтаж и демонтаж оборудования, аппаратуры
и трубопроводов;

большой радиус действия передвижной замораживающей станции:
замораживание грунтов может быть осуществлено в отдаленных
от железной дороги районах. Замораживающая станция на авто-
прицепах имеет хорошую проходимость и может быть доставлена
на любую строительную площадку, где имеются грунтовые до-
роги.

Передвижная низкотемпературная станция ПНС-100 холодо-
производительностью 100 000 раб. ккал/ч, спроектирована заводом
«Компрессор».

Смонтирована в двух фургонах на шасси прицепов МАЗ-5224В
(рис. 68). В фургоне 1 — машинном отделении — размещены амми-
ачные компрессоры, конденсаторы и вспомогательная аппаратура.
В фургоне 2 расположены панельный испаритель, отделитель жид-
кого аммиака и два рассольных насоса.

Такое размещение холодильного оборудования позволяет исполь-
зовать замораживающую станцию для непосредственного испарения
холодильного агента в замораживающих колонках (без второго
фургона), когда в испарителе нет надобности.

Два аммиачных компрессора расположены на одной продольной
оси вдоль машинного отделения, что создает равномерную нагрузку
на шасси прицепа, на котором они монтируются. Вибрация, вызы-
ваемая работой компрессоров, погашается подрамными резиновыми
амортизаторами.
Четыре плоских панельных конденсатора, по два на каждый
компрессор, расположены по продольным стенам фургона. Два
промежуточных сосуда и два маслоотделителя размещены по углам
машинного отделения.

В средней части машинного отделения установлен пульт упра-
вления, под которым расположены пусковые контролеры, аккуму-
ляторы аварийного питания и регулирующая станция.

Трубопроводы газовых линий аммиака размещены на потолке
фургона, по его оси, и на торцовых стенках фургона. Трубопроводы
жидкостных линий аммиака находятся на полу фургона.

Рис. 68. Общий вид передвижной низкотемпературной замораживающей стан-
ции ПНС-100:

1 — фургон машинного отделения; 2 — фургон для испарителей

Машинное отделение оборудуется постоянным и аварийным
электроосвещением, вытяжной вентиляцией и отоплением.

Размеры одного фургона (длина X ширина X высота — 7000 X
X 3050 X 3450 мм).

Длина установки при линейном расположении фургонов в рабо-
чем положении 17 600 мм.

Вес фургона машинного 17,87 т, испарительного 12,77. Расход
воды на охлаждение аммиака в конденсаторе при температуре ее
не выше +30° С 304-80 м3/ч.

Технологическая схема передвижной замораживающей станции
ПНС-100 показана на рис. 69. Технологическая схема допускает
работу как одного компрессора, так и совместную работу обоих
компрессоров.

Компрессор типа ДАУ-50 двухступенчатого сжатия конструк-
тивно выполнен в одном корпусе, имеет картерный поршневой четы-
рехцилиндровый блок У-образной формы с углом развала цилин-
дров 75°. При работе по схеме двухступенчатого сжатия три
Ci

Рис. 69. Технологическая схема передвижной замораживающей станции ПНС-100:

1 —аммиачный двухступенчатый компрессор ДАУ-50; 2— обратный клапан; 3— маслоотделитель 70-0 МТ; 4 — маслосборник; 5 —
вертикальный промежуточный сосуд типа 0,5-ПСТ; 6—регулирующая станция; 7— запорные вентили; 8— конденсатор типа20-КПТ;

9 — ресивер линейный РЛТ; 10 — воздухоотделитель; 11 — испаритель типа 90-ИПТ; 12 — отделитель жидкости типа ЮО-ОЖТ; 13 — масло-
сборник;^ — ресивер дренажный 0,35-РДТ; 15 —рассольный насос 4КВ; 16 —предохранительный клапан; 17 — манометровая станция;

18 — металлический соединительный рукав: А — трубопровод всасывающий; Б — трубопровод нагнетательный; В — трубопровод жид-
костный
цилиндра выполняют роль ступени низкого давления, а четвертый —
высокого давления. В случае необходимости компрессор может
работать и по схеме одноступенчатого сжатия с использованием
всех четырех цилиндров. Переключение для работы по одноступен-
чатому циклу осуществляется при помощи арматуры, установленной
на внешних аммиачных линиях. Мощность электродвигателя при
переключении увеличивается.

Техническая характеристика аммиачного компрессора ДАУ-50
следующая:

Диаметр цилиндра компрессора, мм...................... 150

Ход поршня, мм ....................................... 130

Частота вращения вала компрессора, об/мин............. 960

Число цилиндров:
ступени низкого давления.......................... 3

ступени высокого давления ...................... 1

Описываемый объем, м3/ч:
ступени низкого давления........................ 396

ступени высокого давления........................ 182

Холодопроизводительности компрессора:

при двухступенчатом сжатии 50 000 ккал/ч (при температуре
кипения аммиака —40° С и при температуре конденсации аммиака
+35° С);

при одноступенчатом сжатии 200 000 ккал/ч при стандартных
условиях, т. е. при температуре испарения —15° С и температуре
конденсации +30° С.

Такая передвижная замораживающая станция позволяет осуще-
ствить замораживание грунтов вокруг ствола глубиною до 50 м
или образовать ледогрунтовое ограждение высотой Юми протяжен-
ностью 130 м при расстояниях между замораживающими колонками
1,25 м.

Каждый компрессор имеет независимый привод от асинхронного
электродвигателя с фазовыми роторами и реостатным пуском от
независимых контролеров. Мощность электродвигателя 75 кВт.
Общая установленная ‘ мощность электродвигателей передвижной
замораживающей станции 195 кВт.

Промежуточный сосуд 0,5-ПСТ (промежуточный сосуд транс-
портный диаметром 0,5 м) предназначен для охлаждения паров
аммиака, нагнетаемых из цилиндра низкого давления компрессора
в цилиндр высокого давления и для переохлаждения жидкого амми-
ака перед регулирующим вентилем. Одновременно он играет роль
маслоотделителя. В условиях нормальной работы промежуточный
сосуд заполнен до определенного уровня жидким аммиаком.

Охлаждение паров и переохлаждение жидкого аммиака осуще-
ствляются за счет испарения некоторого количества жидкого амми-
ака при температуре, соответствующей промежуточному давлению.
♦ Подача жидкости в промежуточный сосуд для поддержания необхо-
димого уровня осуществляется через регулирующую станцию, уста-
новленную непосредственно на промежуточном сосуде. Кроме того,
на сосуде установлены два электрических датчика поплавковых
регуляторов уровня. Один из датчиков связан с соленоидным венти-
лем, установленным на регулирующей станции промежуточного
сосуда, а второй — с сигнальной системой, которая срабатывает
в случае превышения уровня жидкого аммиака сверх допустимого.
Расчетное давление промежуточного сосуда 15 кгс/см2.

Каждый компрессор обслуживается двумя конденсаторами,

Рис. 70. Конденсатор панельный 20-КПТ:

1 — секция конденсатора; 2 — коллектор газообразного аммиака; 3 — вход газообразного
аммиака; 4 — коллектор жидкого аммиака; 5 — выход жидкого аммиака; 6 — вход охлажда-
ющей воды; 7 — выход отработанной воды; 8 — кран для выпуска воздуха; 9 — кран для
слива воды

промежуточным сосудом со встроенным змеевиком переохладителя
и маслоотделителем на линии нагнетания высокого давления.

Конденсатор 20-КПТ (конденсатор панельный, транспортный)
представляет собой теплообменный аппарат, собранный в виде пакета
из отдельных секций (рис. 70), размещается по стенам фургона
машинного отделения.

Достоинства панельного конденсатора: отсутствие вальцованных
соединений, малые габаритные размеры и меньший вес по сравнению
с кожухотрубным конденсатором.

Каждая секция конденсатора состоит из прямоугольной рамы,
изготовленной из трубы прямоугольного профиля с приваренными
к ней панелями. Секции соединяют параллельно с помощью верхних
газовых и нижних жидкостных коллекторов.
Газообразный аммиак поступает через верхний соединительный
коллектор в каждую секцию, где он конденсируется за счет тепло-
обмена с охлаждающей водой, омывающей секции снаружи. Жидкий
аммиак отводится из конденсатора в ресивер через нижний жидко-
стный коллектор.

Поверхность теплообмена одного панельного конденсатора 20 м2.
Тепловая нагрузка на конденсатор q = 4500 ккал/м2 -ч. Работа
конденсатора рассчитана на диа-
пазон температур от —15 до

+47° С.

Каждый конденсатор соединен
с линейным ресивером. Ресиверы
располагают горизонтально под
конденсаторами, создавая как бы
единый аппарат конденсатор-ре-
сивер.

Панельный испаритель ИПТ-90
(испаритель панельный транспорт-
ный) с теплообменной поверхностью
90 м2 при удельной тепловой на-
грузке q — 2500 4- 3000 ккал/м2-ч
представляет собой прямоуголь-
ный металлический бак, в котором
расположены испарительные сек-
ции, теплообменная поверхность
которых образуется из штампо-
ванных сварных панелей. Внутри
бака смонтирована пропеллерная
рассоломешалка.

Каждая секция испарителя
состоит из двух горизонтальных
коллекторов и двух вертикальных
стояков, образующих прямоуголь-
ную раму, в которую вварены
панели. Секции объединяются
коллекторами для входа жидкого
и отсасывания парообразного

Рис. 71. Схема применения пере-
движной замораживающей станции
при сооружении подземного коллек-
тора:

1 — шахтный ствол; 2 — контур тоннеля,
3 — передвижная замораживающая

станция; 4 — распределитель рассола;

5 — коллектор рассола; 6 — кронштейн

аммиака.

Жидкий аммиак поступает через распределительный коллектор
в каждую секцию. Образующийся при кипении аммиака пар отсасы-
вается через сборный коллектор.

Охлажденный в испарителе рассол всасывается из бака рассоль-
ным насосом. Электрические датчики поплавкового регулятора
уровня позволяют контролировать уровень рассола в баке
испарителя.

Контроль за уровнем рассола осуществляется с помощью сигна-
лизатора, . который срабатывает при понижении или повышении
уровня рассола больше допустимого.
Поддержание необходимого уровня жидкого аммиака внутри
секции испарителя осуществляют с помощью датчиков, установлен-
ных на отделителе жидкого аммиака.

Для уменьшения коррозии частей аппарата между секциями
помещены цинковые протекторы. Кроме того, с той же целью к рас-
солу Добавляют ингибиторы.

Отделитель жидкого аммиака служит для отделения капель
жидкости от газообразного аммиака, уносимых потоком газа из
испарителя. Отделитель жидкости связан с испарителем по принципу
сообщающихся сосудов.

Контроль верхнего уровня аммиака в испарителе осуществляют
по уровню жидкого аммиака в отделителе жидкости. Для этой цели
на аппарате установлен визуальный указатель уровня жидкости
и два электрических датчика поплавковых регуляторов уровня.
Один из них связан с соленоидным вентилем на регулирующей стан-
ции, а другой — с сигнальной системой, которая срабатывает в слу-
чае превышения уровня в испарителе сверх допустимого.

Дренажный ресивер предназначен для слива жидкого аммиака
из аппаратов замораживающей станции, а также для его хранения.
Конструкция аппарата позволяет перепускать находящийся в нем
аммиак в систему.

Схема применения передвижной замораживающей станции при
сооружении коллектора показана на рис. 71.

§ 2. Подземные передвижные замораживающие станции

Объекты замораживания грунтов в подземных условиях иногда
находятся на больших расстояниях от шахтного ствола. В таких
случаях при расположении замораживающей станции на земной
поверхности вследствие больших расстояний происходят значи-
тельные потери холода, что приводит к увеличению расходов на
содержание станции. С другой стороны, полезная холодопроизводи-
тельность станции требуется относительно небольшая, так как
участки замораживания обычно невелики.

В этих случаях целесообразно применение подземной передвиж-
ной замораживающей станции, которая должна удовлетворять
следующим дополнительным к приведенным выше условиям:

установка должна иметь небольшие габаритные размеры, малый
вес, легко и быстро передвигаться с одного места на другое. Обору-
дование станции должно размещаться на платформах со скатами
от рудничных вагонеток. Отдельные элементы станций должны быть
размещены наиболее компактно, с тем чтобы поезд станции состоял
из минимального числа таких платформ;

размеры отдельных частей станции не должны превышать габа-
ритов подъемной клети. Кроме того, габариты оборудования станции
должны обеспечить беспрепятственное перемещение станции по гори-
зонтальным выработкам малого поперечного сечения, т. е. по одно-
путевым, штрекам (квершлагам) высотой 1,8 м; шириной понизу
2 м, поверху 1,6 м;
на демонтаж трубопроводов, соединяющих отдельные части
станции, должно затрачиваться минимальное время;

конструкция холодильной машины и природа холодильного
агента дол'жны гарантировать полную безопасность для здоровья

Рис. 72. Монтажная схема подземной передвижной замораживающей станции:
1 — фреоновый компрессор ХМ-ФУУ-801; 2 — электродвигатель компрессора АП82-4; 3 —
конденсатор КТР-50А; 4 — ресивер жидкого фреона; 5 — испаритель ИТР-70А; 6 — регули-
рующая станция ФРС-60Г; 7 — теплообменник; 8 — термореле; 9 — фильтр-осушитель
ОФФ-40А; 10 — манометровая станция; 11 — угловой фильтр УФФ-100А; 12 — запорный
вентиль ДУ-40; 13 —вентиль цанговый ДУ-6; 14 — соленоидный вентиль; 15 — предохра-
нительный клапан; 16 — реле давления

людей, работающих под землей. Этому условию полностью удовлет-
воряют фреоновые и углекислотные холодильные установки;

сроки замораживания грунтов должны быть минимальными.

В СССР подземная передвижная замораживающая станция раз-
работана Подмосковным научно-исследовательским угольным ин-
ститутом. Станция состоит из следующего основного оборудования
(рис. 72): фреонового поршневого одноступенчатого восьмицилин-
дрового компрессора типа ХМ-ФУУ-80, электродвигателя
типа АП82-4 к компрессору; конденсатора КТР с теплообменной
поверхностью 48,3 м2, смонтированного под компрессором; ресивера
жидкого фреона РЛФ-0Д8Б емкостью 180 л; испарителя ИТР-70А

Рис. 73. Подземная передвижная замораживающая станция:

1 — компрессоро-конденсаторный агрегат; 2 — испарительно-регулирующий агрегат; з —
емкость для рассола; 4 — рассольный насос К-60; 5 — электрораспределительный пункт;
в—распределитель рассола 0 100 мм; 7 — коллектор рассола 0 100 мм; 8—питающая
труба 0 20 мм; 9 — отводящая труба;,10 — замораживающая колонка 0 50 мм.

с теплообменной поверхностью 69 м2; регулирующей станции
ФРС-50Г; двух теплообменников ТФ-80; термореле фильтра осуши-
теля ОФФ-40А; манометровой станции углового фильтра УФФ-100А.

Холодопроизводительность замораживающей станции при тем-
пературе испарения фреона Т = +5° С и температуре конденсации
+35° С 165 000 ккал/ч, при температуре испарения фреона Т —
= —15° С и температуре конденсации tK = 4-30° С 75 000 ккал/ч.

. Все холодильное оборудование замораживающей станции раз-
мещено на четырех рудничных платформах (рис. 73).

На рис. 74 показана подземная передвижная станция, скон-
струированная в ЧССР. Она состоит из четырех фреоновых компрес-
соров и четырех конденсаторов, размещенных под компрессорами.
Рис. 74. Подземная передвижная фреоновая замораживающая
станция:

1 — фреоновый компрессор; 2 — маслоотделитель; 3 — конденсатор; 4 — кол-
лектор жидкого аммиака; 5 — сборник газообразного аммиака; 6 — распре-
делитель газообразного аммиака; 7 — замораживающие колонки

Рис. 75. Горизонтальная замораживающая колонка для непосредственного
испарения фреона
Все холодильное оборудование смонтировано на четырех рудничных
платформах. Испаритель замораживающей станции отсутствует,
так как грунты замораживаются путем непосредственного испарения
фреона в замораживающих колонках.

Замораживающая колонка с внутренним диаметром 100 мм,
предназначенная для непосредственного испарения фреона, показана
на рис. 75. Питающая труба с внутренним диаметром 15 мм изгото-
влена в виде змеевика, а обратная — прямая труба. Длина замора-
живающей колонки 5,5 м.

ГЛАВА VIII

ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГРУНТОВ ПРИ СООРУЖЕНИИ
НАКЛОННЫХ ВЫРАБОТОК

§ 1. Общие сведения

Замораживание грунтов при проведении наклонных выработок
осуществляют четырьмя способами.

При первом способе вокруг будущей выработки образуют наклон-
ный ледогрунтовой цилиндр. Ядро выработки стремятся сохранить
в незамороженном состоянии. Этот способ наиболее часто применяют
на строительстве метрополитенов.

Водоупорная горная порода

Рис. 76. Расположение замораживающих скважин Вокруг наклонной выра-
ботки:

1 — наклонная выработка; 2 — замораживающие скважины

Наклонные замораживающие скважины располагают по контуру
наклонной выработки параллельно продольной оси и в зависимости
от требуемой толщины ледогрунтового цилиндра на расстояниях
1,5—2 м от контура выработки в проходке (рис. 76).
Расстояния между наклонными замораживающими скважинами
принимают 0,9—1 м. Замораживающие скважины заглубляют
в водоупорную породу на глубину 4—6 м по наклону или на 2—3 м
по вертикали. Отклонение а наклонной замораживающей скважины
от заданного направления не должно превышать 1% от длины L
скважины 4 0,01.

Диаметр окружности расположения наклонных заморажива-

ющих скважин определяют таким же
вертикальных шахтных стволов.

При сооружении наклонных эска-
латорных тоннелей метрополитенов
в СССР наклонные замораживающие
скважины располагают по окруж-
ности диаметром 12 м при внутрен-
нем диаметре тоннеля 7,5 м и на-
ружном 8,5 м. Толщину стены
наклонного цилиндрического ограж-
дения принимают 3,5 м. Угол на-
клона тоннелей 30° к горизонту.
Наклонная длина ледогрунтовых
цилиндров 60—100 м.

При втором способе заморажи-
вания образуют сплошной массив
из замороженного грунта вертикаль-
ными замораживающими колонками.
В замороженном массиве затем
проходят наклонную выработку ана-
логично проведению выработок
в крепких породах (рис. 77). Этот
способ наиболее часто применяют

методом, как и при проходке

Рис. 77. Образование сплошного
ледогрунтового массива:

1 — контур наклонной выработки

в шахтном строительстве.

Недостаток этого способа — необходимость разработки заморо-
женного грунта, что несколько осложняет горнопроходческие работы
и удорожает стоимость их. Объем буровых работ и расход холода
на образование ледогрунтового массива значительно больше, чем
при первом способе.

Чтобы избежать разработки мерзлого грунта, применяют третий
способ, состоящий в том, что над наклонной выработкой образуют
ледогрунтовой массив, с боков выработку ограждают вертикальными
ледогрунтовыми стенами, а снизу — наклонным опрокинутым ледо-
грунтовым сводом.

При четвертом способе замораживания над цаклонноц выра-
боткой образуют ледогрунтовой свод, а с боков ее ограждают вер-
тикальными ледогрунтовыми стенами.

Если водоносные неустойчивые грунты залегают вблизи земной
поверхности, тогда замораживание грунтов можно осуществить
следующим способом. Наклонная выработка по контуру ограждается
замкнутой ледогрунтовой стеной. Последнюю образуют вертикаль-
ными замораживающими колонками, опущенными с земной по-
верхности. Горную породу в котловане разрабатывают открытым
способом — экскаваторами.

Достоинства этого способа: простота выполнения буровых
работ; небольшая глубина вертикальных замораживающих сква-
жин; малые затраты холода на образование ледогрунтового ограж-
дения.

Вертикальные замораживающие скважины располагают при
образовании ледогрунтовых стен на расстояниях 1,5—2 м одна
от другой; при образовании ледогрунтовых массивов 2—2,5 м.
Расстояния между рядами замораживающих скважин принимают
2—2,7 м. В рядах замораживающие скважины располагают в шах-
матном порядке.

Сопоставляя между собой эти основные способы замораживания,
заключаем:

при замораживании грунтов наклонными замораживающими
колонками сокращается объем буровых и монтажных работ по срав-
нению с замораживанием вертикальными замораживающими колон-
ками, а также объем замороженного грунта на единицу длины соору-
жаемой выработки, что обусловливает и меньшие затраты на
производство работ по замораживанию грунтов;

при замораживании грунтов вертикальными замораживающими
колонками удорожается стоимость выемки грунта для образования
наклонной выработки вследствие того, что должен разрабатываться
замороженный грунт;

наличие замораживающих труб в пределах контура прохо-
димой выработки осложняет горнопроходческие работы; замора-
живающие трубы приходится вырезать по мере проходки выра-
ботки.

Бурить вертикальные скважины в водонасыщенных грунтах
проще и удобнее, чем наклонные. По этой причине, если позволяют
местные условия, стремятся применять замораживание грунтов
вертикальными замораживающими скважинами, хотя с экономи-
ческой точки зрения это не всегда оправдано. Выбор того или иного
способа замораживания должен быть основан на технико-экономи-
ческих расчетах.

Примем следующие обозначения (рис. 78):

L — длина выработки по наклону до водонепроницаемой гор-
ной породы, м;

а — угол наклона выработки к горизонту, градус;

D — диаметр сооружаемой выработки в проходке, м;

D3 — диаметр окружности расположения наклонных заморажи-
вающих скважин, м;

D9 — большая ось Эллипса; D9 '= „ D ;

2 ’ 2 cos а

Н — глубина залегания водонепроницаемой горной породы
от поверхности земли, м;
Уровень ! I} ] | 11

Рис. 78. Схема к определению выбора способа замораживания при проведении наклонных выработок

с — ~2--половина толщины стены ледогрунтового ограждения вы-

работки, м;

h — величина заглубления вертикальных замораживающих
скважин в водонепроницаемую горную породу или ниже
подошвы выработки, м;

h2 — величина заглубления по наклону наклонных заморажи-
вающих скважин, м;

I — расстояние между наклонными замораживающими сква-
жинами, м;

11 — расстояние между рядами вертикальных заморажива-
ющих скважин, м;

Z2 — расстояние между вертикальными замораживающими сква-
жинами во внутренних рядах, м;

13 — расстояние между вертикальными замораживающими
скважинами в контурных рядах, м;

а — стоимость бурения и монтажа 1 м наклонной заморажива-
ющей скважины, руб/м;

b — стоимость бурения и монтажа 1 м вертикальной заморажи-
вающей скважины, руб/м.

Для образования наклонного ледогрунтового цилиндра необ-
ходимо заложить следующее число замораживающих скважин при
замораживании первым способом:

w = л(Д + 2с) = к (153)

Общая длина наклонных замораживающих скважин

S = n(L + h2)= + Е) (L + h2). " (154)

Опыт замораживания грунтов при сооружении наклонных тон-
нелей Метростроя показывает, что часть наклонных скважин полу-
чают значительные отклонения от заданного направления. Вслед-
ствие этого приходится бурить дополнительные скважины.

При длине наклонных с^нажин 50—70 м количество дополни-
тельных скважин составляет 12—15% , а при длине скважин 100 м —
до 25%.

С учетом необходимости бурения дополнительных скважин урав-
нение (154) примет вид:

= (1,15^1,25) л (Р + Д) (154а)

Стоимость бурения и монтажа наклонных замораживающих
скважин

A = aS1 = a (Z, + fe2), руб. (155)
Для замораживания грунтов вторым способом необходимое
число рядов вертикальных замораживающих скважин для образо-
вания ледогрунтового массива

__ Р + 2с । j __ Z>4-2?+ Z1
Zl l-L

(156)

Часть вертикальных скважин (№ 1—10 на рис. 79) наружных
и внутренних рядов будут иметь одинаковую глубину, равную Н +
+ h. Для определения числа этих скважин необходимо знать рас-
стояние L2, на котором они расположены:

L2 = -^—.
z sm а

(157)

Рис. 79. Схема к определению глубины вертикальных замора-
живающих скважин

В целях упрощения расчетов примем l3 = Z2. Тогда число вер-
тикальных замораживающих скважин с одинаковой глубиной Н + h
в одном ряду

пх = Ф-+1= , ? +1. (158)

1 Z2 Z2sina 1 v 7

Общая глубина скважин с одинаковой глубиной Н во всех рядах

51 = Л1(Я + Ч»_(^+1)(Я + Ч[2±1±Щ). (159)

Другая большая часть замораживающих скважин, расположен-
ных по восстанию наклонной выработки, будет иметь переменные
глубины, уменьшающиеся по мере удаления скважин от пласта водо-
непроницаемой горной породы. Эти скважины нет необходимости
заглублять в водонепроницаемую горную породу.
Число вертикальных замораживающих скважин с переменной
глубиною в одном ряду

т L'2

Li—Г

п2 = -^-+1, (160)

где Lx — длина горизонтальной проекции оси наклонной выра-
ботки:

Lx — L cos а.

Соответственно

_ L cos а D

2 — Z2 2Z2 sin а

(161)

Скважина, расположенная по восстанию наклонной выработки,
будет меньше предыдущей на величину

/4=Z2tga

(рис. 79). Так, скважина № 13 будет иметь глубину меньшую, чем
скважина № 12, и равную

H1 = H—h1 = H—l2 tga.

Соответственно глубина скважины № 14

Н2 = Н — 2Z2tga;

ЯЛ=Я —(n2—l)Z2tga.

Сумма глубин вертикальных замораживающих скважин с пере-
менными глубинами в одном ряду

2Я=Я+Я-1,»8а+Я-^«|... + Я-

— (n2 —l)Z2tga.

Это сумма арифметической прогрессии, первый член которой Я,
а последний и = Я — (й2 — 1) Z2 tga. Следовательно, суммарная
глубина вертикальных скважин с переменными глубинами в одном
Ряду

Я = [ Я+.Я~: ("2-1) /2 tg a ] Ц62)

Суммарная глубина вертикальных замораживающих скважин
с переменными глубинами Я всех рядов

s2=^hn,
или

ГЯ+Я-^Щ.^а Я Г(Я + Я+-.)-| „ . „ (163)
Общая глубина всех вертикальных замораживающих скважин

e “F *$2-

(164)

Стоимость бурения и монтажа вертикальных замораживающих
скважин при замораживании грунтов по второму способу

(165)

B = руб.

Замораживание грунтов наклонными замораживающими колон-

Рис. 80. Комбинированное замораживание вокруг наклонной выработки
с опрокинутым ледогрунтовым сводом

ч замораживающих колонок целесообразно осуществлять при выпол-
нении^ следующего условия:

или

А^В

aSi < bS3,

(166)

Объем бурения вертикальных замораживающих скважин можно
сократить, применив третий способ — комбинированное заморажи-
вание грунтов — образование ледогрунтового массива над наклон-
ной выработкой вертикальными замораживающими колонками
и опрокинутого ледогрунтового свода — наклонными заморажива-
ющими колонками (рис. 80).

Опрокинутый ледогрунтовой свод образуют с помощью замора-
живающих колонок, расположенных по дуге окружности, диаметр
которой

= Z? 4“ 2с = D Е.

Длина дуги, на которой располагают наклонные скважины,

п___

2ZV
Необходимое число наклонных замораживающих колонок для
образования опрокинутого ледогрунтового свода

«8 = о'^1~2г1. (167)

Общая глубина наклонных замораживающих колонок

54 = п3(£ + й2), м. (168)

В рассматриваемом случае вертикальные замораживающие сква-
жины внутренних рядов (№ 2—6) бурят до контура наклонной
выработки. Глубины их будут переменными и будут повышаться
по мере увеличения длины наклонной выработки. Скважины наруж-
ных (контурных) рядов (№ 1 и 7) бурят до оси наклонной
выработки. Глубины этих скважин также переменные.

Необходимое число рядов вертикальных замораживающих сква-
жин определяется по уравнению (156).

Число вертикальных замораживающих скважин в одном вну-
треннем ряду

Ъ-----г^-+1=Т-+2ЖГ+1- <1б9>

Глубины вертикальных замораживающих скважин внутренних
рядов будут изменяться в следующей последовательности (по вос-
станию) :

Н1 = Н— Z2tga; Я2==Я—2Z2tga; Нп = Н—(n4— 1)Z2tga.

Суммарная глубина вертикальных замораживающих скважин
с переменными глубинами одного внутреннего ряда определяется
аналогично предыдущему [уравнение (162)] и будет равна

55 = Я + Я-(»4-1)^2tga (170)

Число внутренних рядов вертикальных замораживающих
скважин

N^N-2.

Общая глубина вертикальных замораживающих скважин вну-
тренних рядов

56 = 56(7V-2), м. (171)

При 13 = 12 количество вертикальных замораживающих сква-
жин в одном наружном ряду будет такое же, как и количество
скважин в одном внутреннем ряду, т. е. п4.

В случае, если l3 < Z2,
Число наружных рядов N2 — 2. Глубина каждой скважины
наружного ряда будет больше глубины соседней скважины внутрен-
него ряда на величину где D2 — большая ось эллипса:

d2=-^- .

л cos а

Каждая следующая скважина наружного ряда будет иметь глу-
бину

Ях = Я — Z2 tg а + 0,5Р2. Н2 = Н - 2l2 tg а + 0,5Z>2,

Нп = Я— (гс4— 1) l2 tgа + 0,5Я2.

Суммарная глубина скважин двух наружных рядов

5,= [ - t Я ~ (”4~ *2 tg а+0,51)2 ] 2п4, м. ' (173)

Кроме указанного необходимо учесть заглубления в водонепро-
ницаемую горную породу двух наружных рядов вертикальных
замораживающих скважин на участке замораживания протяжен-
ностью -у. Средняя величина заглубления этих скважин у.

Число этих скважин в одном ряду

"‘ = 4 + 1= 2Z2?ina +1*

Общая величина заглубления скважин двух наружных рядов

Мкжг+1)42- “•

Общая глубина замораживающих скважин наружных и внутрен-
них рядов

59 = 5e + 57 + 58, и.. (174)

Стоимость бурения и монтажа замораживающих скважин при
комбинированном замораживании грунтов вокруг наклонной выра-
ботки с опрокинутым сводом

С - aS, + Ь (5e + S? 4- S8), руб. (175)

Объем бурения вертикальных замораживающих скважин можно
также снизить, применяя четвёртый способ замораживания. При
этом способе с помощью двух контурных рядов вертикальных замо-
раживающих колонок образуются две параллельные ледогрунтовые
стены, а наклонными замораживающими колонками — наклонный
ледогрунтовой свод (рис. 81). Недостаток этого способа: при соору-
жении наклонной выработки в подошве ее всегда будет находиться
незамороженный влажный грунт, что вызовет неудобство для горно-
проходческих работ.

13 Н. Г. Трупак

193
Наклонные замораживающие скважины располагают по дуге
окружности, длина которой

р_ — 2Е

Г— 2

Необходимое число наклонных замораживающих. скважин пъ
для образования ледогрунтового свода определяется по уравне-
нию (167).

Суммарная глубина наклонных замораживающих скважин

S10 = »6 (Z2 + h2) - 2h) (L2 + fe2), M. (176)

Рис. 81. Комбинированное замораживание грунтов вокруг наклонной выра-
ботки с ледогрунтовым сводом

A-A

WWW

При этом способе замораживания глубины всех вертикальных
скважин контурных рядов $удут одинаковыми и равными Н + h.
Расстояние между рядами контурных вертикальных скважин

D^D + E.

Число скважин в одном контурном ряду

„e = 41 + l=^l±i, (177)

а в двух рядах

n7 = 2-£l±k. (178)

Суммарная глубина замораживающих скважин в контурных
рядах

511 = в,(Я+Л) = Мк(Я+6)Д м. (179)
Стоимость бурения и монтажа вертикальных и наклонных замора-
живающих скважин при четвертом способе замораживания

С — 4“

(180)

В табл. 25 приведены стоимости бурения 1 м вертикальных сква-
жин глубиною до 100 м долотом диаметром 198 мм вращательным
способом с промывкой скважин глинистым раствором без крепления
стенок скважин обсадными трубами, а также стоимости бурения
1 м вертикальных скважин глубиною до 100 м ударно-канатным
способом станком типа УКС-22 долотом диаметром 198 мм с кре-
плением стенок скважин обсадными трубами с последующим извле-
чением обсадных труб, принятых на работах Метростроя.

Таблица 25

Категории горных пород Стоимость бурения 1 м скважины (руб.-коп.) способом
вращательным ударно-канатным
I 4—56
II 6-21 4-52
III 8—63 6—64
IV 10-05 9—32
V 12—87 16-98
VI 17—11 —

Стоимости бурения наклонных скважин под углом 30° глубиною
до 100 м вращательным способом с промывкой глинистым раствором
с креплением стенок скважин обсадными трубами и без крепления
их приведены в табл. 26

Таблица 26

Категории горных пород Стоимость бурения 1 м скважины, руб.-коп.
с креплением стенок без крепления стенок
I 7-69 5—14
II 9-43 7-25
III 11—70 10-06
IV 13-13 11-83
V 16—20 15-36
VI 21-95 20-86

Стоимость монтажа 1 м вертикальных и наклонных заморажи-
вающих колонок составляет 4 руб.
Пример. Определить стоимости бурения и монтажа замораживающих сква-
жин при замораживании наклонной выработки в следующих условиях: L —
= 80 м; а = 30°; D = 8,5 м; Е = 3,5 м; Dx = 12 м; h = 3 м; h2 = 6 м;
I = 1,05 м; = 12 — 13 = 2 м; проходимые грунты V категории; а =
= 20,20 руб/м; Ъ = 16,87 руб/м. Опуская расчеты, приводим в табл. 27 конеч-
ные результаты.

Таблица 27

Способ заморажи- вания Наклонные скважины Вертикальные скважины Общая стои- мость, руб. Холодопроизво- дительность за- мораживающей станции, раб. ккал/ч
число сква- жин общая глу- бина, м стоимость бурения и монтажа, РУб. число сква- жин общая глу- бина, м стоимость бурения и монтажа, руб.
Первый . . 42 3612 72 240 72 240 310 000
Второй . . — — — 287 7936 133 870 133 870 794 000
Третий . . 14 1204 24 321 280 5183 87 437 111 758 639 000
Четвертый 14 1204 24 321 72 3096 52 229 76 650 430 000

Время, необходимое ца бурение замораживающих скважин,
определяется объемом буровых работ, числом буровых станков,
занятых на бурении, и производительностями их.

Необходимая холодопроизводительность в замораживающей стан-
ции для замораживания грунтов вертикальными и наклонными
замораживающими колонками

\ Q = Sk, ккал/ч,

где S — общая длина или глубина замораживающих, колонок, м;
к — коэффициент теплоотдачи 1 м замораживающей колонки;
к == 100 раб. ккал/(ч-м) или к — 250 норм. ккал/(ч-м).

Стоимость производства 1000 ккал холода во всех случаях будет
одинаковой.

Таким образом, наиболее экономичным является первый способ
замораживания — образование наклонного ледогрунтового ци-
линдра, затем четвертый способ замораживания — образование ледо-
грунтового свода и вертикальных, параллельных между собою
ледогрунтовых стен.

Наиболее часто применяемый в шахтном строительстве второй
способ замораживания — образование массива из замороженного
грунта вертикальными замораживающими скважинами — является
и наиболее дорогим (даже без учета удорожания стоимости выемки
замороженного грунта).

Стоимость работ по третьему способу замораживания — образо-
вание массива из замороженного грунта над наклонной выработкой
и опрокинутого ледогрунтового свода — близка к стоимости работ
по второму способу замораживания — образование сплошного за-
мороженного массива.

Необходимая холодопроизводительность замораживающей стан-
ции оказывается наименьшей при первом способе замораживания,
196
наибольшей при втором способе и близкой к ней — при третьем
способе. Правда, необходимую холодопроизводительность заморажи-
вающей станции при замораживании вертикальными заморажива-
ющими колонками можно снизить двумя путями: производя замо-
раживание отдельными последовательными участками и применяя
локальное замораживание грунтов.

Время, необходимое на замораживание грунтов, прямо пропор-
ционально квадрату расстояния между замораживающими колон-
ками. Так как расстояния между вертикальными замораживающими
колонками вдвое больше расстояния между наклонными колонками,
то время, необходимое на замораживание грунтов вертикальными
замораживающими колонками и соответственно стоимость заморажи-
вания будут в 4 раза больше времени и стоимости замораживания
грунтов наклонными замораживающими колонками.

При меньших расстояниях между вертикальными заморажива-
ющими скважинами будут большими затраты на бурение и монтаж
замораживающих скважин.

Однако решающим фактором в выборе способа замораживания
является стоимость бурения и монтажа замораживающих скважин.

Замораживание грунтов наклонными замораживающими колон-
ками будет неизбежным при сооружении наклонных выработок
в следующих условиях:

под шоссейными дорогайи и автострадами, железнодорожными
и трамвайными путями;

под городскими улицами, площадями, зданиями и сооружениями;

на территориях заводов, фабрик, шахт и других действующих
предприятий;

под водоемами.

Бурение вертикальных замораживающих скважин в таких
условиях часто оказывается совсем невозможным.

Замораживание грунтов наклонными замораживающими колон-
ками целесообразно применять также в тех случаях, когда водо-
непроницаемые горные породы залегают на большой глубине
от подошвы сооружаемой подземной выработки.

Одним из достоинств замораживания грунтов наклонными колон-
ками является то, что при этом способе не нарушаются поверхно-
стные сооружения, расположенные над проходимой выработкой.

Замораживание грунтов вертикальными замораживающими
колонками иногда оказывается целесообразным при большой длине
наклонной выработки, но малой протяженности водоносного
участка, расположенного в основании выработки.

§ 2. Примеры применения способа замораживания

С применением способа замораживания в угольной промышлен-
ности сооружены шесть наклонных стволов шахт: один в Подмосков-
ном угольном бассейне, один на Украинском буроугольном руднике
и четыре в Донбассе. Во всех случаях замораживание грунтов осуще-
ствляли с помощью вертикальных замораживающих колонок.
В последние годы способ замораживания нашел применение на
строительстве комплексов для дробления руды в водоносных грунтах
на горнообогатительных комбинатах. Комплексы включают в себя
наклонные тоннели, располагаемые под углами 10—20° к горизонту.

На строительстве метрополитенов в Москве, Ленинграде, Киеве,
Тбилиси и Баку наклонные эскалаторные тоннели в водоносных
грунтах сооружали только с применением способа замораживания.
За 37 лет применения этого способа сооружено 95 наклонных тон-
нелей общей протяженностью 4800 м. Замораживающие скважины,
как правило, наклонные и редко вертикальные.

Замораживание грунтов наклонными скважинами на строитель-
стве метрополитенов часто вызывается стесненными городскими
условиями для бурения вертикальных замораживающих скважин.
При замораживании грунтов наклонными замораживающими сква-
жинами отпадает необходимость отвода участка больших размеров
для буровых работ, а также перекладка подземных коммуникаций
в таких случаях.

С другой стороны, исключительное применение замораживания
грунтов вертикальными скважинами в горной промышленности
объясняется тем, что здесь не освоен способ бурения наклонных
замораживающих скважшСс^ требуемой нормой отклонений их от
заданного направления.

1. Наклонный тоннель Киевского метро. Эскалаторный наклонный
тоннель ст. «Арсенальная» Киевского метро круглого поперечного
сечения диаметрами 7,8 м в свету и 8,5 м в проходке сооружали под
углом 30° к горизонту. Крепили тоннель металлическими тюбингами.

Когда до проектной отметки наклонного тоннеля оставалось
пройти 8 м, в тоннель в верхней части его прорвался водоносный
илистый грунт. Дальнейшая проходка тоннеля обычным способом
в городских условиях оказалась невозможной. Оставшиеся 8 м
эскалаторного тоннеля и дополнительно первые 8 м горизонтального
тоннеля сооружали с применением способа замораживания путем
образования ледогрунтового свода с помощью 25 замораживающих
колонок (рис. 82). *

Перед началом буровых работ в наклонном тоннеле 1 уложили
бетонную перемычку 2 толщиною 2 м в нижней части и 4 м — в верх-
ней. В перемычке заделали 25 отрезков труб-кондукторов 3 диа-
метром 175 мм и длиною 3 м.

Замораживающие скважины расположили по дуге окружности
диаметром 3 м с центром ее на оси наклонного тоннеля. Расстояния
между устьями скважин приняли 0,35—0,4 м, а между основаниями
их 1,5—1,7 м. Устья скважин располагали на расстоянии 0,9 м
от металлической крепи тоннеля. Таким образом, замораживающие
скважины были частью горизонтальными, а частью имели наклоны
в пространстве.

Длина замораживающих скважин 14 м в верхней части и
17,5 м — в боковой части тоннеля. Такие длины скважин обусло-
вливались наличием ранее замороженного грунта, образованного
198

при сооружении промежуточного подземного вестибюля, располо-
женного впереди забоя наклонного тоннеля. Общая глубина
замораживающих скважин 450 м.

Замораживающие скважины первоначально (три скважины) бу-
рили станками КА-2м-300. Однако бурение скважин такими стан-
ками было связано с преодолением трудностей: буровой инструмент
в скважине зажимался грунтом и станок вследствие недостаточной
мощности останавливался. Поэтому вместо станка КА-2м-300 при-
меняли буровой станок КАМ-500.

До глубины 7—8 м скважины бурили с помощью труб диаметром
146 мм, нижним концам которых придавали форму зубчатой ко-
ронки. При дальнейшем бурении эти трубы использовались
как обсадные. Грунт, скопившийся в трубах, разбуривали замора-
живающими колонками диаметром 100 мм, нижние концы которых
были снабжены буровыми коронками. По окончании бурения сква-
жин в замораживающие колонки опускали питающие трубы диа-
метром 25 мм и после этого из скважин извлекали обсадные трубы.

На бурение замораживающих скважин и монтаж колонок затра-
тили 60 сут.

Замораживание грунтов было выполнено холодильной установ-
кой холодопроизводительностью 450 000 нор;й. ккал/ч, смонтиро-
ванной на земной поверхности. Необходимо однако заметить, что
в этих условиях была бы вполне достаточной замораживающая
станция значительно меньшей мощности.

Охлажденный рассол поступал к пункту замораживания и воз-
вращался от него но двум рассолопроводам диаметром 98 мм.
Распределитель и коллектор имели такие же диаметры. Заморажи-
вание грунтов было выполнено за 60 сут,

По окончании процесса замораживания разобрали бетонную
перемычку, а затем под защитой ледогрунтового свода соорудили
оставшуюся часть эскалаторного тоннеля и 8 м горизонтального
тоннеля, .закрепив их металлическими тюбингами.

2. Наклонные конвейерные тоннели сооружали к камере дробле-
ния руды горнообогатительного комбината. Камера дробления пред-
ставляет собою цилиндр с внутренним диаметром 32,5 м и наружным
34,1 м; высота камеры 34,7 м.

4 Конвейерные тоннели — две наклонные (под углом 18° к гори-
зонту) подземные выработки, пройденные с земной поверхности
к камере дробления; внутренние диаметры тоннелей 6 м; расстоя-
ние между осями тоннелей 7 м. Наклонная длина каждого тоннеля
182 м.

Руда, поступающая из шахты, направляется в камеру дробления
для измельчения в дробилках 1-й и 2-й стадии дробления. Измель-
ченная руда поднимается по конвейерам на поверхность земли.

Геологическое строение участка строительства было определено
разведочными скважинами и шурфами (рис.,83). От поверхности
земли до глубины 4,4 м залегает слой желтых лёссовидных мало-
влажных суглинков; от 4,4 до 16,8 м — красновато-бурая твердая
200

Рис. 83. Расположение замораживающих скважин над конвейерными тоннелями
глина, в средней части слоя слабоводоносная, от 16,8 до 33,3 м —
серая или пестроцветная супесь с прослойками песка и суглинка,
с редкими включениями мелкой гальки и щебня, пластичная, а в ниж-
ней части толщи текучая; от 33,3 до 45,1 м — частое переслаивание
светло-зеленых супесей, песков, суглинков и глин с редкими вклю-
чениями щебня и дресвы, текучей консистенции; в переслаиваниях
преобладают пески. Два последних пласта представляют собою
третичные отложения — полтавский и харьковский ярусы палео-
гена. От 45,1 до 54,9 м залегает первичный каолин — в виде супеси,
светло-серый, пылеватый. Ниже 54,9 м залегают гранит, выветрелый
до состояния щебня и древесины, и частично кварцево-серицито-
хлоритовые сланцы, выветрелые до состояния глины.

В указанных выше отложениях имеются два водоносных гори-
зонта. Первый водоносный горизонт залегает на глубине около Им
от поверхности земли. Второй, более мощный водоносный горизонт,
заключенный в неустойчивых грунтах полтавско-харьковского яруса,
залегает на глубине 32,6 м от поверхности земли; мощность этого
горизонта 12—13 м.

Неблагоприятные геологические и гидро-геологические условия
для строительства подземного комплекса вызвали необходимость
применения способа искусственного замораживания грунтов.

Участок наклонных конвейерных тоннелей на протяжении 55,5 м
от камеры дробления также располагается в водоносных неустой-
чивых грунтах и поэтому сооружался с применением способа замора-
живания. Замораживание грунтов над тоннелями осуществили
вертикальными замораживающими скважинами, пробуренными с зем-
ной поверхности. Замораживающие скважины расположили в семи
прямолинейных рядах. Расстояния между рядами скважин приняли
2,7 м. Расстояния между скважинами в пограничных и .среднем
рядах приняли 1,5 м, а в рядах, заключенных между пограничными
рядами, 2 м. Общее число замораживающих скважин 228. Глубины
замораживающих скважин изменялись в зависимости от рельефа
поверхности земли и положения тоннелей от 38 до 46 м. Во всех
случаях основания замораживающих скважин располагались на
1,5 м ниже подошвы тоннеля. Общая глубина замораживающих
скважин для образования ледогрунтового массива над тоннелями
10 030 м.

Для контроля за процессом замораживания пробурили 30 сква-
жин общей глубиною 1320 м.

Скважины бурили станками КАМ-500 и УРБ-ЗАМ.

В скважины опустили замораживающие трубы диаметром
146/7 мм, а в последние — питающие трубы диаметром 25 мм.

Замораживающие колонки конвейерных тоннелей в рассольную
сеть были включены в четыре распределителя и четыре коллектора
диаметром 273 м (рис. 84). Каждая пара магистральных труб обслу-
живала замораживающие колонки двух соседних рядов. Лишь
колонки седьмого ряда имели отдельные распределитель и коллектор.
Движение рассола в магистральных трубах на этом участке было
Рис. 84. Схема распределения охлаждающего рассола при замораживании грунтов вокруг камеры дробления и над
конвейерными тоннелями
последовательное: по выходе из первого коллектора рассол поступал
во второй распределитель, а по выходе из второго коллектора —
в третий распределитель и т. д. Замораживающие колонки в маги-
стральные трубопроводы были включены параллельно.

Для замораживания грунтов смонтировали замораживающую
станцию, состоящую из двух рабочих аммиачных агрегатов общей
холодопроизводительностью 1,5 млн. норм, ккал/ч и одного резерв-
ного холодопроизводительностью 400 000 норм, ккал/ч.

Расстояние от замораживающей станции до центра камеры дро-
бления 47 м.

Замораживание грунтов в течение 78 сут рбуществляли последо-
вательно: вначале вокруг камеры дробления, затем над 1-м конвейер-
ным тоннелем, а после — над 2-м тоннелем.

Конвейерные тоннели крепили тюбингами.

ГЛАВА IX

ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГРУНТОВ ПРИ СООРУЖЕНИИ
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

§1. Общие сведения

Проведение горизонтальных выработок, в том числе сопряжений
выработок околоствольного двора с шахтными стволами в водонос-
ных неустойчивых горных порбдах (суглинки, пески) является
одной из наиболее трудных задач в шахтном строительстве. Это
объясняется отсутствием совершенных способов проведения выра-
боток в названных условиях.

Развитие индустриализации в нашей стране вызвало необходи-
мость сооружения на небольших глубинах от земной поверхности
многих подземных выработок — коллекторов значительной про-
тяженности и различного назначения, промышленных и городских
водопроводов, нефтепроводов и газопроводов, теплоцентралей, кана-
лизационных и водосточных коллекторов и других горизонтальных
выработок, диаметры которых изменяются от 2 до 5,2 м.

В городских условиях горизонтальные подземные выработки
сооружают под улицами, площадями, отдельными зданиями и соору-
жениями, на территориях заводов и цехов, под автомагистралями,
железнодорожными путями и шоссейными дорогами.

Сооружение таких выработок в городских условиях открытым
способом сопряжено с рядом трудностей: нарушением движения
на оживленных транспортных магистралях, разрушением дорого-
стоящих уличных и дорожных покрытий, вскрытием на длительное
время проезжей части улицы. Часто оказывается, что сооружение
горизонтальных выработок открытым способом в городских усло-
виях или на действующих предприятиях осуществлять нельзя.
По этим причинам коллекторы стали сооружать подземным способом
с применением горнопроходческих щитов.

Согласно исследованиям ЦНИИподземшахтстроя, щитовой способ
проходки горизонтальных выработок в зависимости от горно-геоло-
гических условий экономически целесообразно применять с глу-
бины 6 м.

Однако для сооружения горных выработок в водоносных неустой-

чивых горных породах надежных
щитов в настоящее время нет.
В таких случаях в дополнение
к щитовому способу применяют
специальные способы проведения
горных выработок: забивную
крепь, искусственное понижение
уровня грунтовых вод и кессон-
ный способ (под сжатым воздухом).

Применение кессонного спо-
соба ограничено минимальной
глубиною заложения горизонталь-
ных выработок. При очень ма-
лых глубинах заложения выра-
боток утечки сжатого воздуха из
кессона на земную поверхность
через толщу покровных горных
пород оказываются настолько зна-
чительными, . что поддержание
избыточного давления в кессоне

конструкций горнопроходческих

Рис. 85. Образование ледогрунто-
вого массива над горизонтальной
выработкой вертикальными замора-
живающими колонками

оказывается невозможным.

Опыт показывает, что при на-
личии в толще покровных пород
пластов глин минимальная глубина

заложения выработок при кессонном способе может быть равной 7—

8 м. В песчаных отложениях она должна быть значительно большей.

В последние годы на смену этим способам пришел способ искус-
ственного замораживания грунтов. При проведении горизонтальных
выработок замораживание грунтов можно осуществить следующими
способами: с земной поверхности и в подземных условиях.

I. С земной поверхности:

вертикальными замораживающими скважинами (рис. 85); в слу-
чае отсутствия или залегания водоупорных пород на большой глу-
бине замораживающие скважины средних рядов бурят через будущий
тоннель на глубину 3—5 м ниже подошвы тоннеля;

наклонными замораживающими скважинами с целью образова-
ния над тоннелем ледогрунтового ограждения в виде шатровой
крыши (рис. 86).

Замораживание грунтов вертикальными или наклонными замора-

живающими колонками с земной поверхности, в свою очередь, может
иметь две модификации:
над сооружаемой выработкой образуется сплошной массив замо-
роженного грунта по всей высоте замораживающих колонок;

частичное (локальное) замораживание грунтов — образование
замороженного массива лишь с некоторой глубины заморажива-
ющих колонок с помощью диафрагм и отводящих (обратных) труб.

II. В подземных условиях: ,—

вертикальными или наклонными замораживающими хкважинами,
пробуренными из штольни, специально пройденной в устойчивых
неводоносных горных породах над сооружаемой выработкой (рис. 87);

Рис. 86. Образование шатрового ле-
догрунтового ограждения над гори-
зонтальной выработкой наклонными
замораживающими колонками

Рис. 87. Образование ледогрунтового
массива над горизонтальными выработ-
ками наклонными замораживающими
скважинами, пробуренными из штолен

горизонтальными или слабонаклонными скважинами, пробурен-
ными из забоя сооружаемой выработки (рис. 88).

Диаметры замораживающих скважин принимают в пределах
128—146 мм. Диаметры скважин, большие 146 мм, в рассматрива-
емых условиях принимать нецелесообразно.

Расстояния между вертикальными замораживающими скважи-
нами принимают 1,3—2 м — в контурных рядах и до 2,5 м — в цен-
тральных рядах; расстояния между рядами вертикальных скважин
принимают 2—2,5 м. Число рядов вертикальных замораживающих
скважин зависит от диаметра (ширины) проходимой выработки;
минимальное число их — два. Ряды вертикальных скважин рас-
полагают параллельно оси выработки.

Горизонтальные или слабонаклонные замораживающие сква-
жины располагают по контуру выработки на расстоянии 0,8—1 м
206
от него, параллельно продольной оси выработки или под некоторым
углом к оси.

Длина горизонтальных скважин зависит от протяженности уча-
стка водоносных горных пород. В случае большой протяженности
водоносного участка горизонтальные замораживающие скважины
бурят заходками длиной 20—30 м.

Необходимая толщина стены горизонтального ледогрунтового
цилиндра определяется расчетом.

Расстояния между горизонтальными замораживающими сква-
жинами при отсутствии движения подземных вод принимают рав-
ными 0,8—1 м.

Рис. 88. Расположение горизонтальных замораживающих скважин

G помощью горизонтальных замораживающих колонок вокруг
будущей выработки образуют горизонтальный ледогрунтовой ци-
линдр, причем ядро выработки стремятся сохранить в незаморожен-
ном состоянии.

При горизонтальном замораживании грунтов отпадает необхо-
димость отвода участка на земной поверхности для буровых и мон-
тажных работ, а также перекладка подземных коммуникаций, так
как все работы, связанные с замораживанием грунтов, производятся
из подземной выработки.

Выбор того или иного способа замораживания должен быть
обоснован технико-экономическими расчетами.

Примем следующие обозначения (рис. 89):

Н — глубина заложения шелыги свода горизонтальной выра-
ботки от земной поверхности, м;

L — длина участка выработки, подлежащего замораживанию, м;

D — диаметр сооружаемой выработки в проходке или высота
выработки при трапециевидном сечении ее, м;

с = —----половина толщины стены ледогрунтового ограждения

выработки, м;

I — расстояние между горизонтальными замораживающими
скважинами, м;
Zi — расстояние между рядами вертикальных замораживающих
скважин, м;

12 — расстояние между вертикальными замораживающими сква-
жинами в рядах, м; Л

h — величина заглубления крайних рядов вертикальных замо-
раживающих скважин ниже подошвы выработки, м;

а — стоимость бурения и монтажа 1 м горизонтальной заморажи-
вающей скважины, руб/м;

Ъ — стоимость бурения и монтажа 1 м вертикальной заморажи-
вающей скважины, руб/м.

Рис. 89. Схема к определению числа заморажива-
ющих скважин

Для образования горизонтального ледогрунтового цилиндра необ-
ходимо заложить следующее число замораживающих скважин:

Nt g,_i)P+2c),= . (181)

Общая длина горизонтальных замораживающих скважин

= £> м. (182)

Стоимость бурения горизонтальных замораживающих скважин
и монтажа замораживающих колонок

4 = д-я (Д+Д) L, руб. (183)
Необходимое число рядов вертикальных замораживающих
скважин

n = £+2L+l==£+f±21. (184)

Число вертикальных замораживающих скважин в одном ряду

(185)

Общее число вертикальных замораживающих скважин, необхо-
димое для замораживания участка протяженностью L,

N3=N2n = . (186)

*2 *1

Глубины вертикальных замораживающих скважин переменные:
от Н до Н + D Л. Для упрощения расчетов с достаточной сте-
пенью точности среднюю глубину Н1 вертикальных замораживающих
скважин можно принять равной

Н-± = Н 4~ £), м.

Тогда общая глубина вертикальных замораживающих скважин

L2 = N3H = ± • (Д + ^+ г1). (Я 4- Я), М. (187)

*2 *1

Стоимость бурения вертикальных замораживающих скважин
и монтажа замораживающих колонок

В = Ь±- +AL (Я + D), руб. ' (187а)

*2 *1

Замораживание грунтов горизонтальными замораживающими ко-
лонками с точки зрения стоимости бурения замораживающих сква-
жин и монтажа замораживающих колонок целесообразно
осуществлять при выполнении следующего условия:

А^В

или

a MD+E) L^bL. (D±E+h) (Я + (188)

» *2 ^1

Определим глубину Н заложения выработки от земной поверх-
ности, при которой стоимость бурения и монтажа вертикальных
и горизонтальных замораживающих скважин будет одинаковой.
Произведя сокращения в уравнении (188), найдем

а л (Z>4- Е) Z1Z2 _ пг । л
Ь ’ I ’ (D+E+h)

(189)

Решив уравнение (189) относительно Я, найдем рациональную
(предельную) глубину замораживания вертикальными скважинами
л=т-тгЛтШ;-о.“- ' (190>

14 И. Г. Трупак

209
Величины Z, Zn Z2, D и E являются постоянными. Следовательно,
предельная глубина Н замораживания вертикальными заморажива-
ющими скважинами будет в конечном результате зависеть от вели-
чины соотношения у. Другими словами, чем выше стоимость а
бурения и монтажа 1 м горизонтальной замораживающей скважины^
тем на большую глубину будет выгоднее применять замораживание
грунтов вертикальными замораживающими скважинами.

Примем: Z = 1 м, = Z2 = 2 м, D — 5 м и будем давать пере-
менные значения: а — b\ 2b; 3b; 4Ь и 5Ь (руб/м). Определим пре-
дельные глубины Н (м) замораживания вертикальными скважинами
при этих переменных значениях а.

а, РУб/м ..............b 2b 3b 4b 3b

н, м................... 4,77 14,54 24,31 34,07 43,85

При равенстве стоимостей бурения и монтажа вертикальных
и горизонтальных замораживающих скважин горизонтальные сква-
жины целесообразно применять, начиная уже с глубины 4,77 м.

При а = b общие глубины вертикальных и горизонтальных
замораживающих скважин также будут равными. Пусть D = 5 м,
Е = 2 м, Z = 1 м, L = 50 м, тогда, согласно уравнению (182),
общая длина горизонтальных скважин Lr = 1099 м. При Н = 4,8 м,
h — ^2 — 2 м общая глубина вертикальных замораживающих сква-
жин, согласно уравнению (187), будет равна 1099 м.

С повышением стоимости а (бурения и монтажа горизонтальных
замораживающих скважин) предельные глубины Н замораживания
вертикальными скважинами увеличиваются. Соответственно уве-
личиваются и объемы буровых работ. Примем а = 46 или а — 60 руб.,
Ъ = 15 руб., длину замораживаемого участка L = 50 м, I — 1 м,
Н = 34,07 м, 1± = 12 = 2 м, D = 5 м, Е = 2 м.

Согласно уравнению (183), стоимость бурения и монтажа гори-
зонтальных замораживающих скважин

А = 60.3,14 (5 + 2) 50 = 65 940 руб.

Согласно уравнению (187), стоимость бурения и монтажа вер-
тикальных замораживающих скважин

в = 15^(5 + 2 + 2)(34,07 + 5) - 65 930 руб.

Стоимость работ в обоих случаях одинаковая.

Следовательно: уравнения (189) и (190) являются справедливыми,
при стоимости а = 46 замораживание грунтов вертикальными замо-
раживающими скважинами целесообразно применять до глубины
34,07 м.

Время, необходимое на бурение замораживающих скважин,
определяется объемом буровых работ, количеством буровых станков,
занятых на бурении, и производительностью их.
Сравнение способов было бы неполным, если бы не были учтены
расходы на собственно замораживание грунтов. Необходимая холодо-
производительность замораживающей станции при замораживании
горизонтальными колонками

Lk, раб. ккал/ч, (191)

где к — коэффициент теплоотдачи 1 м замораживающей колонки;
в среднем к = 10(Ураб. ккал/(м-ч).

Необходимая холодопроизводительность замораживающей стан-
ции при замораживании вертикальными замораживающими колон-
ками

(?2 = £ (D+f + ll)-(H + D)k, раб. ккал/ч. (192)
*2 *1

Стоимость производства 1000 ккал холода в обоих случаях будет
одинаковой. Поэтому будет достаточным сопоставление между собою
величин <21 и Q2.

В условиях рассмотренного выше примера необходимая холодо-
производительность замораживающей станции при замораживании
грунтов горизонтальными замораживающими колонками

& = 3,1450.100 = 109900 ккал/ч.

При Н = 34,07 м необходимая холодопроизводительность замо-
раживающей станции при замораживании грунтов вертикальными
замораживающими колонками

(?2 = • (5+,?+-ff.. (34,07 + 5) юо = 439 537 раб. ккал/ч.

Zl Li

Таким образом, при одновременном замораживании всего уча-
стка вертикальными замораживающими колонками холодопроизво-
дительность замораживающей станции (а следовательно и стоимость
замораживания) будет в 4 раза больше холодопроизводительности
замораживающей станции при замораживании грунтов горизонталь-
ными замораживающими колонками (при равной стоимости буровых
и монтажных работ).

В случае применения локального замораживания при вертикаль-
ных замораживающих колонках высота активной части колонки
уменьшится с (Н + D) до

•На = О -J- hlt

где Лх — толщина массива замороженных грунтов над сводом соору-
жаемой выработки.

Соответственно активная глубина всех вертикальных заморажи-
вающих колонок

Г2 = ^’(Р+,^+к) (D + h), м. , (193)

^2 *1 4

14*

211
Необходимая холодопроизводительность замораживающей стан-
ции при локальном замораживании грунтов вертикальными замора-
живающими колонками

= Z1)(D + Ai)к, раб. ккал/ч. (194)

Нетрудно установить, что общая глубина L2 вертикальных
замораживающих скважин будет всегда больше общей длины Lr
горизонтальных замораживающих скважин (исключая частный слу-
чай, когда а = Ь).

Приняв постоянные величины I = 1 м, 1± = 12 — 2 м,
найдем отношение при переменных глубинах Н.

Найдем отношение —из уравнений (181) и (187):

D = 5 м,

L2 _ (H+D)l (D + E+h)

Li 3tljl2 (D + E)

(195)

Я, м

4,77 10 15 20 25 30 35 40 45

1 1,53 2,04 2,55 3,06 3,57 4,08 4,59 5,1

таких же соотношениях будут находиться и холодопроизводи-^

тельности замораживающих станций.

При локальном замораживании вертикальными заморажива-

ющими колонками отношение будет близким к единице. Соот-
Ь1

ветственно будут близкими между собой и холодопроизводительности

замораживающих станций. Однако и в этом случае общая глубина
бурения и монтажа вертикальных замораживающих колонок будет
больше общей ддцны горизонтальных колонок.

Время, необходимое на замораживание грунтов, прямо про-

порционально квадрату расстояния между замораживающими ко-
лонками. Так как расстояния между вертикальными заморажива-
ющими колонками вдвое больше расстояния между горизонтальными
колонками, то время, необходимое на замораживание грунтов вер-
тикальными замораживающими колонками, в 4 раза больше времени
замораживания грунтов горизонтальными замораживающими
колонками.

С другой стороны, при уменьшении расстояния между вертикаль-
ными замораживающими скважинами затраты времени на их
бурение и монтаж будут увеличиваться.

Таким образом, решающим фактором при выборе способа замо-
раживания является стоимость бурения и монтажа замораживающих
скважин.

Замораживание грунтов горизонтальными или наклонными
замораживающими колонками будет неизбежным при сооружении
горизонтальных подземных выработок в следующих условиях:
под шоссейными дорогами и автострадами, железнодорожными
и трамвайными путями;

под городскими улицами, площадями, зданиями и сооружениями;

на территориях заводов, фабрик, шахт и других действующих
предприятий;

под водоемами.

Бурение вертикальных замораживающих скважин в таких усло-
виях часто оказывается совсем невозможным.

Замораживание грунтов горизонтальными замораживающими ко-
лонками целесообразно применять также в тех случаях, когда
водонепроницаемые горные породы залегают на большой глубине
от подошвы сооружаемой подземной выработки.

Одним из преимуществ замораживания грунтов горизонтальными
колонками является то, что при этом способе не нарушаются поверх-
ностные сооружения, расположенные над проходимой выработкой;
исключается прокладка рассолопроводов на земной поверхности.

При замораживании грунтов горизонтальными замораживающими
колонками сокращается объем буровых и монтажных работ (по сравне-
нию с замораживанием вертикальными замораживающими колон-
ками), а также объем замороженного грунта на единицу длины
сооружаемой выработки, что обусловливает и меньшие затраты
на производство работ по замораживанию грунтов.

При проведении горизонтальных горных выработок заморажи-
вание грунтов осуществляли на шахте «Бегичевская» вертикальными
замораживающими скважинами, пробуренными с земной поверх-
ности; на шахте «Новомосковская» и на шахте № 3/4 «Западная-
Щекинская» — горизонтальными замораживающими скважинами.

При сооружении подземных коллекторов замораживание грунтов
применяли в Москве, Ленинграде и Туле — наиболее часто вер-
тикальными и наклонными замораживающими скважинами, про-
буренными с земной поверхности, а также горизонтальными замора-
живающими скважинами, пробуренными из забоев проходимых
выработок.

§ 2. Проведение горизонтальных горных выработок

Проведение главного откаточного штрека на шахте «Бегичев-
ская». Замораживание грунтов вертикальными скважинами, про-
буренными с земной поверхности, применяли при сооружении глав-
ного откаточного штрека на шахте «Бегичевская» (Подмосковный
угольный бассейн). Поперечные размеры штрека 2,4 X 2,52 м;
площадь поперечного сечения 6,1 м2 в свету и 11,6 м2 в проходке.

Главный откаточный штрек, кровля которого расположена на
глубине 17 м от поверхности земли, проходили по пласту угля двумя
фазами и крепили неполными дверными окладами. Во второй фазе
приступили к перекреплению с целью выравнивания подошвы.
При производстве этих работ в выработку из кровли многократно
прорывался мелкозернистый водоносный песок (плывун) и глина
общим объемом 1600 м3. На земной поверхности над штреком обра-
зовалась провальная воронка глубиной до 12 м и поперечными
размерами 30 X 20 м (рис. 90).

Попытки пройти нарушенный участок штрека с применением
иглофильтровой установки с забивной крепью не дали положитель-
ных результатов из-за большого давления на крепь и выноса
песка. V.

1 — участок штрека, засыпанный обрушенной горной породой;

2 — деревянная перемычка

Работы по перекреплению выработки прекратили и провальную
воронку заполнили лесными материалами. Участок штрека протя-
женностью 40 м восстанавливали с применением способа замора-
живания вертикальными замораживающими колонками, опущен-
ными с земной поверхности.

Геологический разрез грунтов, залегающих над главным отка-
точным штреком (рис. 91): растительный слой мощностью 0,6 м;
суглинок — 2 м; глина — 1,4 м; мелкозернистый водоносный песок
(плывун) — 13,9 м; песчаная глина — 0,6 м; уголь — 0,7 м; песча-
ная глина — 0,8 м; уголь — 2,1 м; глина — 2,4 м. Как видно из
геологического разреза, кровлю главного откаточного штрека отде-
ляли от водоносного песка прослойки песчаной глины и угля не-
214
большой мощности. Пьезометрический уровень подземной воды
над кровлей штрека 12,8 м.

До начала бурения замораживающих скважин штрек очистили
от песка; лесные материалы из провальной воронки удалили, а во-
ронку засыпали грунтом, который тщательно утрамбовали. С обеих
сторон штрека уложили деревянные перемычки из брусьев.

Замораживающие скважины расположили в трех прямолинейных
рядах на расстоянии 2 м один от другого. Расстояние между сква-
жинами в рядах приняли: 1,5м — в контурных рядах и 2м —
в среднем ряду. Общее число замораживающих скважин 80. Замора-
живающие скважины бурили четырьмя буровыми станками

Растительный слой

Суглинок
""м Уровень
грунтовых вод
Мелкозернис-
тый водонос-
ный песок

205,0м

гю,7м

’ Уголь

Глина

Уровень оснований колонок О ряда

------------------ -I—

Уровень оснований колонок I и Шрядов -

Рис. 91. Схема участка замораживания и расположение замораживающих
скважин

КА-2м-300. Скважины первого ряда с № 1 по № 29 бурили средней
глубиной 23,2 м — на 1,7 м ниже подошвы откаточного штрека;
скважины второго ряда с № 30 по № 51 глубиною 17 м бурили только
до кровли штрека, а скважины третьего ряда с № 52 по № 80, как
и скважины первого ряда, глубиной по 23,2 м. Общая глубина замо-
раживающих скважин 1701 м.

Замораживающие скважины бурили с треног станками KAM-5QO
с промывкой глинистым раствором. Для предотвращения утечек
глинистого раствора и растекания его по откаточному штреку обру-
шенный участок штрека с обеих сторон изолировали деревянными
водонепроницаемыми перемычками. На бурение замораживающих
скважин затратили 30 сут.

В скважины опустили замораживающие трубы диаметром 125 мм
и питающие трубы диаметром 32 мм.

Замораживающая станция состояла из трех аммиачных агрегатов
с компрессорами марки АУ-150 общей холодопроизводйтельностью
450 000 норм, ккал/ч.'На активное замораживание горных . пород
затратили 45 сут. Рабочая /температура рассола от —20 до
—22° С.

Замороженный грунт разрабатывали двумя отбойными молотками
заходками длиной 2—3 м.

Средняя скорость проходки штрека составила 15 м/мес. Она
замедлялась тем, что в одном боку штрека имелись окна изхцеза-
мороженного грунта, вызванные чрезмерными отклонениями замора-
живающих скважин от заданного направления.

При проведении штрека грунт поддерживали в замороженном
состоянии — применяли пассивное замораживание грунтов. По
мере проведения штрека в нем устанавливали постоянную крепь;
металлические рамы с заполнениями промежутков между ними
монолитным бетоном.

Для защиты бетона от замерзания устраивали термоизоляцию,
а для достижения водонепроницаемости бетона — гидроизоляцию.
В боках и кровле выработки укладывали руберойд и шлаковую
вату, которые прижимали горбылями. Затем устанавливали метал-
лические рамы трапециевидной формы, изготовленнне из двутавро-
вых балок № 22; расстояние между рамами 0,5 м. Пространство
между полками двутавровых балок металлической крепи затягивали
досками толщиной 25 мм. После этого возводили монолитную крепь
из бетона ма$ки 200 толщиной 500 мм.

Проведение главного вентиляционного штрека на шахте № 2
«Северная». Подмосковным научно-исследовательским угольным
институтом осуществлено замораживание грунтов при проведении
западного-бис главного вентиляционного штрека на шахте «Ново-
московская».

На этой шахте при подготовке шахтного поля к эксплуатации
в одной из горных выработок был встречен плывун. В результате
прорыва плывуна последними были занесены штреки главного напра-
вления и все примыкающие к ним горные выработки. Это вызвало
необходимость пройти более 5 км обходных горных выработок.

Западпым-бис главным вентиляционным штреком 3 необходимо
было пересечь занесенный плывуном южный штрек 2 (рис. 92).
Когда до южного штрека оставалось пройти 2,5 м угольного целика,
разведочные работы показали, что пересечь южный штрек обычным
способом нельзя. В водоносном песке-плывуне содержалось 46—73%
зерен диаметром менее 0,1 мм; коэффициент фильтрации песков
0,15—0,54 м/сут.

Были сделаны попытки закрепить песок в южном штреке цемент-
ным раствором, однако без положительных результатов. Этот
участок был пройден с применением способа искусственного замора-
живания грунтов.

Ширина занесенного плывуном южного вентиляционного штрека
составляла 6 м. В кровле пересекаемого штрека оставалась защитная
пачка угля толщиною 1,1 м; в подошве штрека залегала плотная
глина мощностью 2 м. Эти благоприятные условия позволили осу-
216
ществить замораживание грунтов в виде двух вертикальных ледо-
грунтовых стен (рис. 93) на северной и южной боках западного
главного вентиляционного штрека.

Для этого с каждой стороны штрека заложили по пяти замора-
живающих колонок диаметром 50 мм и длиною 5,5 м. Через угольный
целик замораживающие скважины бурили станком ДС-4; далее
в водоносном песке замораживающие колонки задавливали гидра-
влическими домкратами.

Для замораживания грунтов применили подземную передвижную
холодильную установку с фреоновым компрессором У-4ФУ-60/30.
Холодильный агент — фреон-12. Оборудование всей установки раз-
мещалось на четырех шахтных платформах.

Рис. 92. План горных выработок шахты
«Северная» № 2

1 — западный главный вентиляционный штрек;

2 — штрек; з — западный-бис вентиляционный
штрек; 4 — участок замораживания грунтов

Рис. 93. Вертикальные ледогрун-
товые стены в штреке:

I — ледогрунтовая стена; 2 — замораг
живающие колонки *

На замораживание грунтов затратили 26 сут при средней темпе-
ратуре охлаждающего рассола —15° С. За указанный период обра-
зовались ограждающие ледогрунтовые стены толщиной 1,2—1,6 м.
Ледогрунтовые ограждения позволили успешно пройти аварийный
участок и закрепить его постоянной крепью.

Проведение горизонтальной выработки в оползневом склоне.
На побережье Черного моря для борьбы с оползнями в числе других
мероприятий была пройдена дренажная штольня. Трасса штольни
расположена в пределах постоянно действующего оползневого
цирка.

Грунты, составляющие оползневой склон, представлены насып-
ным материалом и лёссовидными суглинками, среди которых зале-
гают два слоя уплотненного лёсса с мощностями соответственно 1
и 2 м. Лёссовидные суглинки слабые и неустойчивые; местами они
насыщены водой. Уровень подземных вод находился на глубине
18,6 м от земной поверхности. Лёссовидные суглинки способны
насыщаться водой, переходя в жидкую консистенцию.

Подземные воды характеризуются повышенной минерализацией—
до 19 мг/л.

Штольню проходили обычным способом без каких-либо ослож-
нений, пока на расстоянии 97 м от устья ее не встретили
разжиженные грунты. Попытка пройти участок с разжижбнными
грунтами забивной крепью окончились неудачно. Более того, она
привела к внезапному прорыву разжиженных грунтов в штольню
с образованием провальной воронки на земной поверхности. Воронка
образовалась на асфальтированном шоссе, расположенном вдоль
побережья моря.

Проведенные геологоразведочные работы показали, что участок
с расжиженными грунтами имеет протяженность около 25 м. Этот
участок решено было пройти с применением способа замораживания.

Замораживающие скважины расположили следующим образом.
Вокруг провальной воронки заложили 19 скважин с расстояниями
между ними 1,9 м. Вдоль оси штольни 33 замораживающие сква-
жины расположили в 11 рядов, по три скважины в каждом ряду.
Расстояния между рядами приняли 1,5 м, а между скважинами
в рядах 2 м. Средняя глубина замораживающих скважин 15 м.

Для замораживания грунтов применили аммиачную установку,
состоящую из двух аммиачных компрессоров АУ-150/480, двух
оросительных конденсаторов с поверхностью охлаждения 45 м2,
двух вертикально-трубных испарителей с боковой поверхностью
40 м2. Холодопроизводительность двух компрессоров составляла
128 000 ккал/ч, хотя в этих условиях была достаточной холодопроиз-
водительность компрессоров 80 000 кк^л/ч.

Грунты замораживали охлаждающим рассолом с температурой
от —20 до —22° С. Активное замораживание грунтов продолжалось
64 сут. За это время было заморожено 2000 м8 грунта, причем грунт
в пределах поперечного сечения штольни был также заморожен.
Неблагополучный участок штольни был пройден за 26 сут без каких-
либо осложнений. Во время проходки штольни охлаждающий рассод
поступал только в контурные замораживающие колонки.

Проведение квершлага на шахте «Миловице» (ПНР). Замора-
живание грунтов наклонными скважинами, пробуренными из выра-
ботки, применяли в 1961—1962 гг. при проведении Паркового кверш-
лага II в шахте «Миловице». Квершлаг, предназначенный для
вскрытия свиты угольных пластов, проходили на глубине 180 м
в зоне тектонических нарушений — трех сбросов (рис. 94). Первым
встретили южный сброс 1 с амплитудой смещения горных пород
h = 25 -Н 34 м. Сбросовая трещина наклонена под углом 75° к гори-
зонту. Трещина шириною 3—6 м заполнена мелкими обломками
песчаника и водоносным илом (плывуном), находящимся под напором
до 15 кгс/см2 и обладающим малым коэффициентом фильт-
рации.

Сбросовую трещину несколько раз пытались пересечь квершла-
гами обычным способом с забивной крепью, однако каждый раз
неудачно. При проведении Паркового квершлага 1 в него прорывался
плывун в объеме около. 3000 м3. В результате прорыва на земной
поверхности образовалась провальная воронка диаметром 20 м
и глубиною до 10 м (рис. 95).

Парковый квершлаг II диаметром 3 м в свету и 4 м в проходке
решили проходить с применением способа замораживания. Проведе-
213
нию квершлага предшествовало передовое разведочное бурение.
На расстоянии 4,5 м от сбросовой трещины и в 800 мм от забоя квер-
шлага возвели бетонную перемычку 4 толщиной 800 мм (рис. 96).

Рис. 95. Схема расположения
квершлагов

1 — парковый квершлаг I; 2 — пар-
ковый квершлаг II \ 3 — трещина
сброса

Наклонные замораживающие скважины 5 в числе 20 расположили
по окружности диаметром 3 м (в плоскости забоя). Угол наклона
скважин 11° 15' к горизонту. При таком угле наклона заморажи-
вающие скважины в средней части сбросовой трещины располагались
уже по окружности диаметром 6 м, а на конечной глубине — по
окружности диаметром 9 м.

Рис. 96. Расположение замораживающих скважин в Парковом квершлаге II:

1 — сбросовая трещина: 2 — клинкерная крепь; 3 — бетонная крепь; 4= — бетонная пере-
мычка; <5 — наклонная замораживающая скважина

Замораживающие скважины длиною 18 м бурили через бетонную
перемычку буровыми станками КАМ-500.

Для установки направляющих труб через бетонную перемычку
бурили ёкважины диаметром 216 мм. Диаметр скважины между
бетонной перемычкой и сбросовой трещиной приняли 165 мм, а в сбро-
совой трещине и дальше диаметром 112 мм с креплением стенок
скважины обсадными трубами диаметром 108 мм.

Скважины бурили с промывкой глинистым раствором через
вентили, установленные на направляющих трубах и рассчитанные
на давление 15 кгс/см2. При бурении замораживающих скважин
в нижней части выработки встретили водоносный, но не напорный ил;
бурение скважин протекало без каких-либо осложнений. Но бурение
замораживающих скважин, расположенных в верхней части выра-
ботки, было сопряжено с некоторыми трудностями. Водоносный ил
здесь был напорным и не пропускал промывочной жидкости при
давлении 12—13 кгс/см2. Ил прорывался даже через запорные вен-
тили в кольцевых пространствах между телом вентиля и буровой
штангой. Таким путем из скважин вытекали значительные объемы
ила, который удаляли в рудничных вагонетках.

При бурении замораживающих скважин было установлено, что
материал, заполняющий сбросовую трещину, был представлен не-
сколькими слоями разнородных горных пород. В двух слоях водо-
носного ила содержалось большое количество гравия в поперечнике
около 1 см. Между слоями водоносного ила залегал слой твердой
горной породы.

Как указывалось выше, бурение скважин протекало с осложне-
ниями: в горной породе защемлялись и деформировались буровые
штанги; некоторые скважины искривлялись настолько, что пере-
секали соседние замораживающие скважины и др.

Следует также отметить, что буровой станок КАМ-500 мало
приспособлен для бурения горизонтальных скважин вследствие
того, что шпиндель его не может вращаться в горизонтальной пло-
скости. На бурение 20 замораживающих скважин затратили почти
9 месяцев.

В скважинах смонтировали замораживающие трубы диаметром
100 мм и питающие трубы диаметром 48 мм.

Замораживающая станция состояла из аммиачного холодильного
агрегата холодопроизводительностью 70 000 ккал/ч при температуре
испарения —20° С. Масса холодильного агрегата 14 т. Холодильное
оборудование смонтировали в специальной камере размерами 3,2 х
X 3,5 X 20 м, сооруженной вблизи забоя квершлага.

Температуры прямого рассола изменялись от —14 до —18° С;
температура вЪздуха в забое выработки была 6-4-8° С.

Для образования ледогрунтового ограждения с толщиною стенки
2,5 м вокруг квершлага от горных пород необходимо было отнять
15,8 млн. ккал тепла. Спустя 26 сут после начала замораживания
в контрольных скважинах, расположенных на расстоянии 0,5 м
от замораживающих скважин, полностью прекратилось вытекание
водоносного ила, что указывало на распространение холода на это
расстояние. Замораживание грунтов было выполнено за 47 сут.

Замороженные горные породы при проходке квершлага раз-
рабатывали отбойными молотками. Для временной крепи квершлага
220 .
применяли кольца из стали двутаврового профиля; расстояние
между кольцами 0,8 м; промежутки между кольцами закрывали
металлическими затяжками.

Постоянная крепь Квершлага состоит из двух слоев — внутрен-
него и внешнего. Внутренний слой толщиной 500 мм состоит из
кладки дорожного клинкерного кирпича с пределом прочности
раздавливанию 500 кгс/см2 на цементно-песчаном растворе состава
1:2с портланд-цементом марки 350. Крепь покрывали листовым
железом толщиною 3 мм.

МО

Рис. 97. Схема заморажива-
ния горных пород при про-
ведении откаточного штрека:
1 - аммиачный компрессор; 2 —
конденсатор; 3 — испаритель; 4 —
отделитель жидкого аммиака; & —
манометровая и регулирующая
станции; 6 — рассол опровод; 7 —
замораживающие колонки; 8 — рас-
сольный насос

WWW

Наружный слой крепи представляет собой бетонную рубашку
толщиною 300 мм; бетон марки 350. Бетонную рубашку укладывали
заходками длиною 1,5—2 м.

В местах сопряжений отдельных участков бетонной крепи,
а также в местах пересечения клинкерно-бетонной крепью твердых
горных пород производили последующую цементацию.

Скважины для последующей цементации бурили в направлении
неустойчивых горных пород через крепь с заделкой в скважинах
направляющих труб с запорными кранами диаметром 37—50 мм,
рассчитанными на давление 30 кгс/см2. Расстояния между цемента-
ционными скважинами по периметру крепи принимали 1,5 м.

Для последующей цементации применяли портланд-цемент
марки 350 с добавкой 4%-ного хлористого кальция. Предельный
удельный вес цементного раствора для последующей цементации
принимали 1,7; максимальное давление нагнетания тампонажного
раствора 15 кгс/см2.
Выходы цементационного раствора через неплотности в крепи
ликвидировали путем химического уплотнения — нагнетанием зау
крепь попеременно жидкого стекла и хлористого кальция при макси^
мальном давлении нагнетания их 15—20 кгс/см2.

Для Уплотнения собственно крепи бурили цементационные сква-
жины, пересекая ими лишь 2/3 толщины крепи. Максимальное давле-
ние нагнетания цементного раствора в этом случае принимали 30—
40 кгс/см2.

Проведение откаточного штрека в шахте ЧССР. При проведении
откаточного штрека на участке протяженностью 6 м были встречены
закарстованные горные породы. Откаточный штрек расположен
на глубине 37 м от земной поверхности (рис. 97).

По контуру откаточного штрека из его забоя пробурили не-
сколько замораживающих скважин буровым станком, а часть замо-
раживающих колонок 7 были задавлены непосредственно в грунт.
Всего разместили 16 замораживающих колонок диаметром 80 мм-
и длиной 6,5 м; расстояние между замораживающими колонками
0,8 м.

Аммиачную замораживающую станцию холодопроизводитель-
ностью 70 000 норм-, ккал/ч расположили на земной поверхности.
Рассол, охлажденный на замораживающей станции, подавали к за-
бою выработки по теплоизолированному рассолопроводу 6 диа-
метром 80 мм.

Рассолопровод смонтировали в специально пробуренной сква-
жине. Прямой рассол поступал в замораживающие колонки
из испарителя 3 самотеком под гидростатическим давлением: обрат-
ный рассол подавали в испаритель насосом <?, установленным в гор-
ной выработке. Замораживание грунтов выполнили за 20 сут.

§ 3. Сооружение подземных коллекторов

Канализационный коллектор (рис. 98) в г. Туле проходили парал-
лельно и вблизи р. Упа; На одном из участков коллектор пересекал
земляную дамбу, на которой размещались два трамвайных пути 2.
Глубина заложения коллектора под дамбой 9,9 м. Диаметр в свету
коллектора 1 м.

Грунты, которые должен был пересечь коллектор, представлены
илами, суглинками и песками. Уровень грунтовых вод залегал
на глубине 7,58 м от поверхности дамбы. Таким образом, напор
грунтовой воды на кровлю коллектора составлял 2,32 м вод. ст.

До пересечения дамбы коллектор сооружали открытым способом,
а в месте пересечения дамбы коллектором — штольнями. Неблаго-
приятные геологические и гидро-геологические условия на этом
участке вызвали необходимость применять способ искусственного
замораживания грунтов. Общая длина замораживаемого участка
35 м.

Замораживание грунтов здесь осложнялось тем, что вблизи
дамбы находился коллектор ливневой канализации 3 и два городских
водопровода 5 0 250 мм.
Замораживающие скважины диаметром 161 мм расположили
в трех параллельных рядах при расстояниях между рядами 1,8 м.
В месте пересечения дамбы замораживающие скважины были на-
клонными, а на других участках — вертикальными. Расстояния
между вертикальными скважинами 1,2 м.

С каждой стороны коллектора пробурили по 16 наклонных
замораживающих скважин под углами 63—86° к горизонту.

Рис. 98. Расположение замораживающих скважин при сооружении канализа-
ционного коллектора:

1 — канализационный коллектор; 2 — трамвайные пути; з — коллектор ливневой канализа-
ции; 4 — котлованы для установки кондукторов наклонных замораживающих скважин;

5 — городской водопровод

Непосредственно над коллектором с каждой стороны дамбы
пробурили по 6 наклонных скважин.

Глубины наклонных скважин изменялись от 9,5 до 15 м. Рас-
стояния между устьями наклонных скважин приняли 0,4 м, а между
основаниями их 1,5 м.

Бурению наклонных скважин предшествовала установка кон-
дукторов — направляющих для скважин. Кондуктор представлял
собой отрезок трубы длиною 3,5 м и диаметром 194 мм. Для уста-
новки кондукторов по обеим сторонам дамбы было открыто шесть
котлованов 4 глубиною 2,5 м и поперечными размерами 0,8 X 3,95 —
для контурных боковых рядов и 0,8 X 2,6 м — для центральных
рядов замораживающих скважин.

В котлованах под требуемыми углами укрепляли кондукторы,
которые предварительно задавливали в грунт на глубину 0,5 м.
После установки кондукторов промежутки между последними за-
полняли бетоном марки М-75.

Замораживающие скважины бурили станками КАМ-500 с про-
мывкой глинистым раствором. В скважины опустили заморажива-
ющие трубы размером 114 X 5 мм.

Общее число замораживающих скважин 121; общая глубина их
1410 м. Бурение всех замораживающих скважин было выполнено
за 2 мес.

Замораживание грунтов осуществляли двумя холодиль-
ными агрегатами АУ-150/480 общей холодопроизводительностью
300 000 норм, ккал/ч. На замораживание грунтов затрачено 40 сут.
Для предупреждения замерзания городские водопроводы были тепло-
изолированы.

Канализационный коллектор в Ленинграде сооружали на правом
берегу р. Фонтанки с применением горнопроходческого щита диамет-
ром 2,47 м в проходке. Глубина заложения коллектора 13 м от
земной поверхности. Над коллектором залегают следующие грунты:
культурный (насыпной) слой мощностью 3 м, пески и супеси 3,1 м,
суглинки 3 м и ленточные глины мощностью 1,5 м.

При работе горнопроходческого щита в забой проходимого кол-
лектора вывалилась глыба глины, а затем прорвалась вода с при-
током 20—30 м3/ч. Вместе с собой вода вынесла в выработку около
20 м3 тонкозернистого песка. Горнопроходческий щит и часть кол-
лектора на протяжении 8 м были занесены песком, который занял
половину сечения выработки. В целях предупреждения последу-
ющего выноса песка в пройденной части коллектора на расстоянии
10 м от забоя возвели деревянную перемычку.

Дальнейшее сооружение коллектора осуществляли с помощью
искусственного замораживания грунтов. Занесенный участок кол-
лектора очистили от песка и возвели бетонную перемычку
непосредственно у горнопроходческого щита; в перемычке заделали
кондукторы, предназначенные для цропуска через перемычку
горизонтальных замораживающих колонок.

Замораживающие колонки задавливали непосредственно в грунт
гидравлическими домкратами. Всего было задавлено семь замора-
живающих колонок диаметром 50 мм. Пять колонок расположили
по периметру коллектора, а две в центральной части забоя. Рас-
стояния между замораживающими колонками приняли 1,2 м. Глу-
бина колонок 7 м, из которых 3 м находились в толще вынесен-
ного в забой песка и 4 м впереди забоя коллектора в илистом
грунте.

На задавливание замораживающих колонок и монтаж рассольной
сети затратили 10 сут. Активное замораживание грунтов протекало
24 сут.
Замороженный грунт в забое коллектора разрабатывали отбой-
ными/молотками. Горнопроходческая бригада состояла из 12 про-
ходчиков — по три звена при круглосуточной работе.

Когда горнопроходческий щит был очищен от песка и восста-
новлена его гидравлическая система, замороженный грунт раз-
рабатывали с постепенным подвиганием щита. После сооружения
3,5 м коллектора в глинистом грунте (за местом прорыва) встретили
устойчивый незамороженный грунт — ленточную глину.

Рис. 99. Расположение замораживающих скважин при сооружении водосточ-
ных коллекторов:

1, 2 — шахтные стволы; з — водосточный коллектор; 4 — железнодорожный путь; 5 — пере-
движная замораживающая станция

Участок коллектора, на котором произошел прорыв водоносного
песка, закрепили деревянной сегментной крепью с внутренней же-
лезобетонной рубашкой.

На проведение и крепление коллектора в замороженной зоне
затратили 8 сут.

Водосточные коллекторы в пос. Перово. Два параллельных водо-
сточных коллектора были сооружены с помощью горнопроходческих
щитов диаметром 2 м. Расстояние между коллекторами 2 м. Глубина
заложения подошвы коллекторов 5,2 м от земной поверхности.
Трасса коллекторов пересекала Московскую окружную железную
дорогу (рис. 99).

15 Н. Г. Трупак

225
Геологический разрез в районе железной дороет следующий.
Под почвенно-растительным слоем мощностью 1 м залегают мелко-
и среднезернистые пески, частично глинистые с включениями гравия
и гальки; мощность песков 4—5 м. Коэффициент фильтрации песков
1,5—2 м/сут. Пескам подстилают моренные суглинки с прослоями
водоносного песка мощностью 0,5—1,5 м; ниже залегают пылеватые
водонасыщенные супеси. Коэффициент фильтрации супесей 0,3—

Рис. 100. Расположение замораживающих скважин при сооружении подводя-

щего канализационного канала:

1 — подводящий канализационный канал, 2 — шахтный ствол; з — действующий канал

0,19 см/сут. Уровень грунтовых вод залегает на глубине 0,5 м от
поверхности земли, а водоупорные грунты — на глубине 25 м.

Неблагоприятные геологические и гидро-геологические условия,
а также необходимость сооружения коллектора под железнодорож-
ными путями вызвали необходимость применения способа искус-
ственного замораживания грунтов на участке коллектора
протяженностью 34 м.

Наклонные замораживающие скважины расположили в двух
контурных рядах, параллельных оси коллектора, и на расстоянии
0,5 м от коллектора. Углы наклона скважин 30—86° к горизонту.
226
Глубины скважин (4,2—15,2 м) были приняты с таким расчетом,
чтобы замораживании грунтов было осуществлено на 5 м ниже почвы
подземных коллекторов.

В центральных рядах замораживающие скважины приняли вер-
тикальными. Их разместили над продольными осями коллекторов.
Глубина скважин 3—4,3 м, причем основания их располагали на
0,5 м выше сводов коллекторов.

Вертикальные замораживающие скважины бурили также для
образования ледогрунтового ограждения вокруг шахтного ствола 1.

Расстояния между за-
мор ажив ающими скв ажи-
нами: в контурных рядах
1,1 м, в центральных ря-
дах 2 м. Скважины бурили
станками КАМ-500 с про-
мывкой глинистым рас-
твором.

Замораживание грун-
тов было выполнено пере-
движной заморажива-
ющей станцией ПНС-100
холодопроизв одительно-
стью 50 000 ккал/ч при
температуре испарения
—40° С. На активное за-
мораживание грунтов за-
трачено 31 сут.

Коллекторы на уча-
стке замораживания были
сооружены за 40 сут.

Подводящий канали-
зационный канал 1 со-
оружали на глубине 17 м
от поверхности земли из

Рис. 101. Расположение вертикальных замо-
раживающих скважин для образования ле-
догрунтовой стены

вертикального шахтного

ствола 2 с применением горнопроходческого щита диаметром
3,6 м (рис. 100).

Трасса сооружаемого канала пересекала под некоторым углом
действующий Новолюблинский канал 3 высотой 2 м, закрепленный
кирпичной кладкой. Шелыга свода сооружаемого канала распола-
гается на расстоянии 0,4 м от подошвы действующего канала.

Геологический разрез на участке пересечения каналов пред-
ставлен мелко- и крупнозернистыми песками и суглинками. Ниже
уровня сооружаемого тоннеля на 1 м залегает пласт водонепроница-

емого суглинка.

Под подошвой действующего канала залегал пласт глины мощ-
ностью 1,8 м. При сооружении подводящегое канализационного
канала часть этого пласта была вынута и между каналами остался
слой глины мощностью 0,4 м. Около 70% площади поперечного
сечения сооружаемого канала находилось в водоносном грунте.

В целях сохранения от разрушения действующего канала под-
водящий канал в месте пересечения их сооружали с помощью замо-
раживания. Замораживание грунтов выполнили 19 горизонтальных
замораживающими колонками, из которых 3 вверху и 3 внизу
расположили в пределах поперечного сечения подводящего канала.

Длина замораживающих колонок 15 м; расстояния между ними
0,5—1 м. Горизонтальные замораживающие колонки задавливали
из шахтного ствола 2 домкратами.

В торцовой части подводящего канала на расстоянии 0,5 м от
башмаков горизонтальных замораживающих колонок образовали
ледогрунтовую перемычку с помощью четырех вертикальных замора-
живающих скважин (№ 19—22), пробуренных с земной поверхности.

Для большей безопасности действующего канала на участке
пересечения по обеим сторонам канала параллельно его оси обра-
зовали две вертикальные ледогрунтовые стены длиной по 9 м каждая.
Для этого с земной поверхности с каждой стороны действующего
канала пробурили по 9 вертикальных замораживающих скважин
(№ 1—18) на расстояниях 1 м одна от другой.

Контурные скважины (№1, 9, 10, 18) пробурили на 2 м ниже
подошвы сооружаемого канала (до водоупора), а внутренние сква-
жины — до границы ледогрунтового ограждения, образованного
горизонтальными замораживающими колонками (рис. 101).

ГЛАВА X

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ
ПРИ СООРУЖЕНИИ ТОННЕЛЕЙ

§ 1. Тоннель метро под р. Фурукава в г. Токио

Участок двух тоннелей метро шириной 2,7 м и высотой 7 м пере-
секает судоходную р. Фурукава в том месте, где над рекой перекинут

Рис. 102. Схема расположения участка
тоннеля метро под р. Фурукава:

1 — р. Фурукава; 2 — участок заморажива-
ния грунтов; 3 — мост Канасуги

мост Канасуги (рис. 102). Глу-
бина заложения кровли тон-
нелей от дна реки 2,5 м. Над
мостом предположили возвести
эстакаду 3 — путепровод ско-
ростной автомобильной маги-
страли с интенсивным движе-
нием транспорта (рис. 103).

Тоннели под ложем р. Фу-
рукава должны были соору-
жаться в неустойчивых водонос-
ных грунтах морских отло-
жений. При выборе способа
сооружения тоннелей было рассмотрено несколько вариантов: отвод
русла р. Фурукава; заключение русла реки в коллектор; изменение
направления трассы тоннелей в сторону от моста Канасуги; слом
моста.

Тщательное изучение вариантов показало, что мост Канасуги
сносить нельзя, так как нельзя было прекращать интенсивное дви-
жение транспорта.

Рис. 103. Общий вид участка замораживания грунтов при
сооружении тоннеля метро:

] — р. Фурукава; 2 — мост Канасуги; з — эстакада скоростной авто-
магистрали; 4 — тоннель метро; 5 — замораживающие колонки

Р. Фурукава при обильных атмосферных осадках значительно
повышает свой уровень, поэтому необходимо было сохранить име-
ющийся размер проема под мостом для обеспечения свободного
протока речной воды. По этим причинам ни один из перечисленных
выше вариантов не был принят. Выбор был остановлен на способе
искусственного замораживания грунтов, который и был осуществлен
впервые в Японии в 1965 г.

Протяженность участка замораживания 28 м. Замораживание
грунтов осуществляли 196 горизонтальными замораживающими
колонками разной длины. Колонки расположили в четырех вер-
тикальных и одном горизонтальном рядах (рис. 104). Кроме того,
для замораживания грунтов в кровле тоннелей расположили еще
несколько рядов горизонтальных замораживающих колонок. Общая

Рис. 104. Поперечный разрез участка
тоннеля под дном реки:

1 — опоры моста; 2 — береговой устой моста;

3 — бетон; 4 — железобетонная крепь тоннеля
метро; 5 — замороженный грунт

трубами диаметром 101,6 мм для

ния:

длина замораживающих коло'
нок 3200 м.

Для обеспечения возможно-
сти бурения горизонтальных
замораживающих скважин на
правом и левом берегах реки
по обе стороны от моста Кана-
суги были пройдены два шахт-
ных ствола с поперечными раз-
мерами 8 X 15 м и глубиною
15 м (рис. 105). Проходке одного
из стволов предшествовал там-
понаж гравийно-галечниковых
отложений.

Для предотвращения оттаи-
вания замороженного грунта
под действием тепла речной
воды дно реки на участке за-
мораживания покрыли термо-
изоляционными плитами (рис.
106) с заделанными в них
замораживающих колонок.

следующего обору дова-

холодопроизводительностью

Замораживающая станция состояла из
двух фреоновых компрессоров

Рис. 105. Продольный разрез тоннеля под дном р. Фурукава,
проходимого с применением искусственного замораживания грунтов:
1 — термоизолирующие плиты; 2 — горизонтальные замораживающие колонки;

3 — шахтный ствол; 4 — участок тампонажа

300 000 норм, ккал/ч с электродвигателем мощностью 75 кВт, кон-
денсатора и испарителя с поверхностями охлаждения по 120 м2,
рассольного насоса с электродвигателем мощностью 19 кВт, водя-
ного насоса с электродвигателем мощностью 11 кВт и общей гра-
дирни для охлаждения циркуляционной воды на 330 000 ккал/ч.

Холодильный агрегат — фреон-22; хладоноситель — раствор

хлористого кальция. Схема за-
мораживающей станции показана
на рис. 107.

Температурный режим замо-
раживающей станции: темпера-
тура конденсации хладагента
4-30° С; температура испарения
фреона —26° С, температура рас-
сола —20° С. Время, затраченное

Рис. 106. Термоизоляционная плита
для одного пролета моста:

1 — термоизоляционный материал толщи-
ною 150 мм; 2 — стальные плиты толщи-
ною 12 мм; 3 — замораживающая колонка
диаметром 101,6 мм

на замораживание грунтов, соста-
вило 50 сут.

При сооружении тоннеля темпе-
ратура воздуха в нем была —5° С.

Для повышения температуры воздух, нагнетаемый в тоннели, подо-
гревали до +5° С.

Грунт в тоннелях разрабатывали траншейным способом. Для

предохранения бетона, предназначенного для крепи тоннеля, от
замерзания на подошву траншеи насыпали слой гравия толщиной
10 см, который затем покрывали слоем бетона толщиною 10 см.

Рис. 107. Схема замораживающей станции:

I — фреоновый компрессор; 2 — электродвигатель компрессора; 3 — кон-
денсатор; 4 — испаритель; 5 — регулирующий вентиль; 6 — градирня; 7 —
циркуляционный насос для охлаждающей воды; 8 — рассольный насос; 9 —
рассолопровод охлажденного рассола; 10 — рассолопровод отработанного
рассола
По выполнении этих работ укладывали основной бетон в подошву,
стены и кровлю тоннеля. При укладке бетона в стены тоннеля в за-
мораживающих колонках циркулировала нагретая вода.

По окончании сооружения тоннеля замораживающие колонки
были извлечены и подняты на земную поверхность. Одновременно
с этими работами была прекращена циркуляция рассола в заморажи-
вающих колонках, заложенных в термоизоляционных плитах. Затем
были подняты со дна реки термоизоляционные плиты и произведена
очистка дна реки землесосом.

§ 2. Тоннель метро под р. Мегурогава в г. Токио

Участок тоннеля Токийского метрополитена, пересекающий р. Ме-
гурогава под прямым углом, расположен под мостом Готамба Охаси
(рис. 108). Ширина русла реки в этом месте 25,6 м.

Сооружение этого участка тоннеля было сопряжено с преодоле-

Рис. 108- Схема расположения участка тон-
неля метро под р. Мегурогава:

1 — участок замораживания грунтов; 2 — мост Го-
тамба-Охаси

нием некоторых трудностей.

В период строительства тоннеля не должен прерываться интен-
сивный поток городского транспорта через мост Готамба Охаси.

На небольшом рас-
стоянии от тоннеля р. Ме-
гурогава впадает в море;
вследствие этого уровень
воды в реке в периоды
прилива и отлива моря
повышается или пони-
жается примерно на 2 м;
в период дождей река так-
же резко повышает свой
уровень; по этим причи-
нам поток воды реки при
строительстве не должен
быть стеснен.

Кроме того, рассматриваемый участок тоннеля расположен вблизи
эксплуатируемой станции метро и заложить тоннель на большей
глубине было невозможно.

Для определения оптимального способа по сооружению тоннеля
на этом участке были рассмотрены следующие варианты:

отвод русла реки в сторону и производство работ открытым спо-
собом;

заключение реки в коллектор и производство работ траншейным
способом;

перекрытие реки искусственным островом и производство работ
открытым или кессонным способом;

щитовой способ проходки тоннеля.

Все варианты оказались неприемлемыми, и участок тоннеля
под р. Мегурогава решили проходить с применением искусственного
замораживания грунтов. Среди других достоинств этого способа
были отмечены следующие. Замораживать можно практически любые
грунты. Замороженный грунт обладает достаточно высокой механи-
ческой прочностью; под дном реки он предупредит проникновение
в проходимый тоннель водоносных неустойчивых грунтов, стабили-
зировав их. Кроме того, останутся ненарушенными дно реки, авто-
дорога и опоры мостов.

В случаях прекращения подачи электроэнергии на участок замо-
раживания, повреждения каких-либо аппаратов и др. наступит

Рис. 109. План участка тоннеля с замораживанием грунтов (стрелкой показано
течение воды):

1 — р. Мегурогава; 2 — мост Готамба-Охаси; 3 — тоннель метро; 4, 5, 6, 7 — шахтные
стволы; 8 — теплоизоляционные плиты; 9 — опора моста; 10 — затампонированный участок;

11 — ледогрунтовая стена, образованная вертикальными замораживающими колонками;

12 — ледогрунтовая стена, образованная замораживающими колонками, расположенными
веерообразно

естественное размораживание, но оно протекает медленно и не при-
водит к каким-либо осложнениям на участке производимых работ.

План участка тоннеля, сооруженного с применением искусствен-
ного замораживания грунтов, показан на рис. 109. Геологический
разрез под дном р. Мегурогава представлен следующими грунтами:
непосредственно под дном реки залегает илистый грунт мощностью
3,8 м, далее гравийно-галечниковые отложения — 4,1 м, песок —
4,1 м, далее коренные породы. Все грунты водоносные.

Тоннель метро прямоугольного поперечного сечения с размерами
в свету 5,6 X 4 м. Кровля тоннеля расположена на глубине 3 м
от дна реки.
Инженерно-геологическими изысканиями было установлено,
что грунтовые воды в гравийно-галечниковых отложениях находятся
в движении со скоростью 5 м/сут. Для снижения скорости движения
грунтовой воды по контуру замораживающего участка, а также
вокруг четырех шахтных стволов в гравийно-галечниковые отложе-
ния нагнетали тампонажный раствор. В результате нагнетания рас-
твора скорость движения грунтовых вод была снижена до
0,5 м/сут.

Рис. 110. Продольный разрез по ледогрунтовой
стене, образованной вертикальными заморажива-
ющими колонками:

1 — шахтный ствол; 2 — теплоизоляционная плита;
-3 — вертикальные замораживающие колонки; 4 — го-
ризонтальные замораживающие колонки; 5 — веерооб-
разно расположенные замораживающие колонки; 6 —
наивысший уровень воды в р. Мегурогава; 7 — межен-
ный уровень воды в реке; в — мост Готамба-Охаси; 9 —
опора моста

Рис. 111. Поперечный раз-
рез тоннеля метро:

1 — тоннель метро; 2 — верти-
кальные замораживающие ко-
лонки; 3 — опоры; 4 — затам-
понированный грунт; 5 — бетон;

6 — наивысший уровень воды
в р. Мегурогава

Как и в предыдущем примере, для предупреждения просачивания
воды из реки в сооружаемый тоннель, теплоизоляции дна реки и уско-
рения разработки верхней части тоннеля на дно реки были уложены
теплоизоляционные плиты с заделанными в них горизонтальными
замораживающими колонками (рис. НО). Укладке теплоизоляцион-
ных плит предшествовала установка шести рядов двутавровых
балок-прогонов.

Замораживание грунтов на этом участке тоннеля осуществили
с помощью вертикальных, наклонных и горизонтальных заморажи-
вающих колонок. Длина участка замораживания 38 м.

Вертикальные замораживающие колонки располагали в двух
рядах с каждой стороны тоннеля; расстояния между колонками при-
няли 0,8 м. Глубины вертикальных замораживающих колонок 7
и 10 м (рис. 111).
В тех листах, где замораживающие скважины нельзя было бу-
рить вертикальными, их бурили из шахтных стволов наклонными
и расположенными веерообразно. Шахтные стволы были пройдены
по четырем углам участка замораживания. Поперечные сечения ство-
лов 4,8 X 4,8 м, глубина их 10 м.

Как указывалось выше, до начала проходки стволов окружающие
их гравийно-галечниковые отложения подвергались тампони-
рованию.

Общая длина замораживающих колонок 3700 м.

Замораживающая станция состояла из пяти фреоновых агрегатов.
Холодопроизводительность каждого агрегата 300 000 норм, ккал/ч.
Мощность электродвигателя фреонового компрессора 75 кВт. Хладо-
агент — фреон-22. Хладоноситель — раствор хлористого кальция.

Для наблюдения и контроля за процессом замораживания в 140
пунктах участка замораживания были установлены контрольно-
измерительные приборы, которые в течение всего периода стро-
ительства обеспечивали получение необходимых данных о темпера-
турах, радиусах распространения холода, нарушениях устойчивости
опор мостов.

Активное замораживание грунтов закончили, когда средняя
температура замороженного грунта достигла —5° С. Общий объем
замороженного грунта 5100 м3.

После окончания работ по сооружению тоннелей пространства
между тоннелем и конструкциями моста залили жидким бетоном.
Затем удалили теплоизоляционные плиты и извлекли вертикальные
замораживающие колонки.

§ 3. Тоннель Парижского метрополитена

При строительстве 4-й линии Парижского метрополитена были
встречены трудности на участке тоннеля между подземными стан-
циями метро Сен-Мишель и Шателе. Здесь трасса тоннеля пересекает
р. Сену в том месте, где остров Ситэ разделяет русло реки на два
рукава (рис. 112).

Под р. Сеной тоннель проходили с помощью кессонов 7, опуска-
емых в виде секций тоннеля (рис. 113). Наиболее трудным оказался
участок тоннеля протяженностью 64 м от берега реки до станции
Сен-Мишель, где залегали водоносные неустойчивые грунты.

Положение осложнялось тем, что по берегу р. Сены пролегала
подземная часть Орлеанской железной дороги, вокзал 2 которой
располагался над сооружавшимся тоннелем. Стены вокзала под-
держивали верхнее строение набережной и тротуары улицы.

Тяжелый участок тоннеля решили пройти с применением искус-
ственного замораживания грунтов. Чтобы предупредить осадки
грунта под полотном железной дороги и зданием подземного вокзала,
не прекращая движения поездов, выполнили работы по укреплению
названных сооружений. Под основанием стен вокзала и полотном
железной дороги возвели несколько арок с опорами 5, опущенными
под сжатым воздухом на 1 м ниже подошвы сооружаемого тоннеля
метро или на 12 м ниже головки рельсов железнодорожных путей.

Рис. 112. Трасса 4-й линии Парижского метро-
политена в районе р. Сены и острова Ситэ:
1 — линия метрополитена; 2 — станция метро Сен
Мишель; з — вертикальные стволы эллиптической
формы

• По первоначальному
проекту замораживание
грунтов на этом участке
предполагали выполнить
двумя группами замора-
живающих колонок: вер-
тикальными и' горизон-
тальными. Вертикальные
колонки предполагали
расположить на набереж-
ной, а 24 горизонтальных
длиною 44—60 м — по
окружности тоннеля.

Горизонтальные сква-
жины диаметром 150 мм
бурили из вертикального
шахтного ствола эллип-
тической формы, йройден-
ного вблизи станции метро
Сен-Мишель. Опыт пока-
зал, что бурение горизон-
тальных скважин было удо-
влетворительным в плот-

Рис. 113. Продольный разрез берегового участка 4-й линии Парижского метро-
политена:

1 — кессон № 5, опущенный под руслом р. Сены; 2 — подземный вокзал Орлеанской железной
дороги; 3 — опоры арок; 4 — участок тоннеля, пройденный обычным способом; 5 — дере-
вянное шпунтовое ограждение; 6 — перемычка с глиняным заполнением; 7 — насыпь грунта
в русле р. Сены; 8 — замораживающие скважины; 9 — платформа Сен Мишель
Рис. 114. План расположения заморажива-
ющих 1 и наблюдательных 2 скважин на бе-
регу р. Сены

них мергелистых грунтах, т. е. на протяжении первых 20—30 м. На
большем расстоянии были встречены отложения песка с большим
содержанием кварцевой гальки. Здесь часто ломались алмазные
коронки, стоимость которых была очень высока. По этой причине
бурение горизонтальных скважин прекратили.

После этого приступили к проходке тоннеля 4 обычным способом,
с водоотливом. Вначале проходили верхнюю штольню, а затем ее
расширяли до полного поперечного сечения тоннеля. Работы по
сооружению тоннеля протекали с большим трудом вследствие боль-
шого притока воды в тоннель (до 220 м3/ч) и были опасными вслед-
ствие пересечения не-
устойчивых грунтов.

Таким способом про-
шли участок тоннеля под
Орлеанской железной до-
рогой вплоть до береговой
стены подземного вокзала.

Замораживание грун-
тов оказалось неизбеж-
ным на последнем участке
тоннеля — в наиболее опас-
ном месте — вблизи и под
руслом левого рукава
р. Сены. В качестве за-
щитных мероприятий в за-
бое пройденного обычным
способом участка тоннеля

возвели каменную, а в кессоне № 5 металлическую перемычку.

Опасный участок имел в плане форму треугольника с размерами
сторон 15—16 м, причем участок протяженностью около 9 м рас-
полагался непосредственно под руслом реки. Грунты, подлежащие
замораживанию, были представлены водоносными аллювиальными
отложениями — илом, песком и галькой, которым подстилали мер-
гель и известняк.

Массив, подлежащий замораживанию, предварительно оградили
деревянным шпунтом 5, а на р. Сене устроили перемычку с глиняным
заполнением 6. Часть р. Сены над проходимым тоннелем засыпали
грунтом на 1 м выше уровня воды в реке.

Замораживанию был подвергнут массив грунта с треугольным
основанием, размеры сторон которого 21 X 15 X 13 м (рис. 114).
48 вертикальных замораживающих скважин расположили по двум
концентрическим треугольникам на расстоянии 1,2 м одна от другой.

Скважины бурили диаметром 250 мм и глубиною 17 м — на 1м
ниже отметки подошвы тоннеля. Кроме названных параллельно
берегу реки пробурили прямолинейный ряд из 9 вертикальных
замораживающих скважин — для образования заградительного
барьера. В скважины опускали замораживающие трубы внутренним
диаметром 100 мм и питающие трубы диаметром 35 мм.
Замораживание грунтов производили двумя отдельными холо-
дильными установками. Первая замораживающая станция обслужи-
вала 32 замораживающие колонки и состояла из аммиачного ком-
прессора производительностью 130 000 ккал/ч при температуре
испарения —25° С, конденсатора и .испарителя; холодопроизводи-
тельность второй станции была 70 000 ккал/ч. Эта станция
обслуживала 25 других замораживающих колонок. В колонках
циркулировал раствор хлористого кальция крепостью 30° Вё. Рассол
охлаждали до —22 24° С. Замораживание массива заняло один
месяц. Общий объем замороженного грунта 2150 м3.

В замороженной зоне тоннель проходили обычным способом.
Водонасыщенные пески оказались настолько отвердевшими, что
в некоторых случаях вынуждены были прибегать к взрывным рабо-
там. От широкого применения взрывных работ пришлось отказаться
ввиду близости набережной, подземного вокзала железной дороги,
а также из-за того, что в пределах проходимого тоннеля находились
замораживающие колонки.

Прохождение тоннеля в замороженной зоне было сопряжено
с некоторыми трудностями. При производстве тоннельных работ4
встретили сильный приток воды, источником которого явился под-
земный ручей, протекавший в направлении, обратном течению
р. Сены. Ручей обтекал почти весь замороженный массив. Тоннель
был быстро закончен после того, как ручей изолировали дополни-
тельным шпунтовым ограждением.

В период строительства тоннеля на опасном участке движение
поездов по Орлеанской железной дороге не прерывалось.

§ 4. Транспортный тоннель в Стокгольме

Наиболее населенный участок Стокгольма расположен на север-
ном берегу оз. Мелар. Он отделен от южного участка холмом, под-
нимающимся на 21 м над уровнем озера и затрудняющим сообщение
между отдельными частями города. Холм решили пересечь тоннелем.
Трассу тоннеля выбрали по оси улицы, с тем чтобы избежать отчу-
ждения владений вблизи выходов тоннеля. Длина тоннеля 230 м;
высота его до замка свода 3,8 м.

Для сооружения тоннеля в граните прошли нижнюю штольню.
Выше штольни в некоторых местах непосредственно на граните
залегал мелкий водоносный песок и слой крупного гравия, сцемен-
тированного глинистым материалом. В 75 м от устья тоннель
проходил под фундаментами двух пятиэтажных домов, расположен-
ных по обоим склонам холма. Свод тоннеля располагали на 3 м
ниже фундаментов домов. Если бы тоннель сооружали обычным
способом, то была бы нарушена сохранность домов.

Для разработки каллот в этой части тоннеля все же решили
применить обычный способ. Однако этим способом удалось пройти
тоннель только на протяжении 12 м. Дальнейшая разработка тон-
неля затруднялась тем, что вода, поступавшая сверху, размывала
238
грунт и вытекала через тончайшие отверстия в крепи, чем была
вызвана осадка поверхности земли.

В целях укрепления оснований и предупреждения осадок окру-
жающих строений на время производства работ часть тоннеля про-
ходили с применением искусственного замораживания грунтов.
Для получения холода в тоннеле смонтировали холодильную уста-
новку, способную охладить около 700 м3/ч воздуха.

Замораживание грунтов осуществляли нагнетанием охлажден-
ного воздуха в охлаждаемую камеру — пространство, заключенное
между двумя теплоизолированными перемычками. Перемычки пред-
ставляли собой двойные деревянные перегородки, пространства
между которыми были заполнены древесным углем.

Схема замораживания грунтов показана на рис. 115. Рассол,
охлажденный на замораживающей станции, нагнетался рассольным

Рис. 115. Схема замораживания грунтов в /тоннеле охлажденным
воздухом:

1 — термоизоляционная перемычка; 2 — холодильник; 3 — вентилятор; 4 —
электродвигатель; 5 — рассольный насос; 6 — шлюзовая камера

насосом 5 в охладитель 2, где он охлаждал воздух, всасываемый
вентилятором 3 из охлаждаемой камеры. Охлажденный воздух
затем нагнетали вентилятором снова в камеру.

Через 60 ч после начала охлаждения изолированной камеры
гравий был проморожен на глубину 0,3 м. Температура охлажден-
ного воздуха была —23° С. Температура воздуха у свода тоннеля,
т. е. на высоте 4,8 м от основания была +11° С. Свод оказался не-
замороженным, но это работы не осложнило, так как он был
укреплен толстыми досками. В замороженной зоне тоннель про-
ходили участками длиной 1,5 м. Грунт вынимали вначале в верхней
части с временной крепью, а затем в нижней.

Стены тоннеля были заморожены настолько, что в нижней поло-
вине сечения тоннеля временную крепь не применяли. Чтобы под-
держать грунт в замороженном состоянии, холодильную машину
пускали в ход в ночное время, за исключением тех случаев, когда
были сильные дожди. Температура воздуха, подаваемого в камеру,
была —55° С. После 10—12 ч работы холодильной машины темпе-
ратура воздуха в камере устанавливалась —21 4“ 26° С. При входе
в камеру температура повышалась до —4° С; во время работы она
быстро возрастала до ±0° С. После выемки грунта на протяжении
3 м термоизолированную перемычку устанавливали ближе к забою
тоннеля. Объем камеры охлаждения составлял 80—170 м3.
Опыт работы показал, что для замораживания грунтов было
достаточно 12 ч работы холодильной установки, несмотря на сильные
дожди, обильно выпавшие в то время.

Бетонную крепь стремились возводит^ возможно быстрее после
выемки грунта, с тем чтобы воспользоваться устойчивостью заморо-
женных стен.

Грунты замораживали на участке общим протяжением 24 м.
Дальше встретили достаточно устойчивые пески, проходка которых
не требовала применения замораживания грунтов.

После сооружения тоннеля в окружающих его строениях не было
замечено ни осадок, ни трещин. Среднесуточное продвигание тоннеля
в зоне замораживания составило 0,3 м. Общее время, затраченное
на проходку 24 м тоннеля с применением способа замораживания,
составило 80 дней.

Замораживание грунтов охлажденным воздухом имеет досто-
инства: '

экономится время на производство буровых работ (30—70%
общего времени);

отсутствует опасность проникновения охлаждающего рассола
в замораживаемый грунт через неплотные соединения в заморажи-
вающих колонках.

Замораживание грунтов охлажденным воздухом может найти
применение главным образом в подземных горных выработках:
при сооружении и ремонте крепи тоннелей, сопряжений стволов
с выработками околоствольного двора, при сооружении подземных
камер, зумпфов, а также при расширении горных выработок в водо-
носных грунтах.

§ 5. Гидротехнический тоннель

Замораживание грунтов при сооружении гидротехнического тон-
неля. Для подвода воды к водохранилищу гидроэлектростанции
Онгрин-Леман (Швейцария) сооружали систему гидротехнических
тоннелей. Основной подводящий тоннель круглой формы с площадью
поперечного сечения 5—8 м2 уклоном 3% и общей протяженностью
3,5 км сооружали в горном хребте Mont d’Or, абсолютная отметка
вершины которого 1810 м (рис. 116). Абсолютная отметка устья
тоннеля 1250 м. Средняя мощность горных пород, залегающих над
тоннелем, 300 м.

Внутренний диаметр тоннеля 2,5 м, наружный 3,5 м; диаметр
тоннеля в проходке 4,1 м.

Горные породы, слагающие хребет: глинистый сланец/, ангидрит
и гипс 2 — водонепроницаемые горные породы; разрушенный доло-
мит 3 и трещиноватый доломит 4, Клиновидное ядро хребта 5 пред-
ставлено трещиноватым водоносным известняком, по обеим сторонам
которого залегают названные выше горные породы.

Длина ядра хребта 5—6 км, ширина 1 км. Ядро хребта пред-
ставляет собой естественный водосборник, емкость которого дости-
гает нескольких миллионов кубометров воды.
При пересечении тоннелем горного хребта водосборник был
вскрыт на глубине около 100 м ниже зеркала подземной воды. Боль-
шой напор и значительное количество воды, а также геологическое
строение хребта, в частности, непосредственно примыкающий к водо-
упорным пластам крутопадающий пласт разрушенного доломита

мощностью 50—60 м, представляли собой сложную задачу для

. проектирования и сооружения тоннеля.

Доломит можно было изучить только после того, как тоннелем

пересекли ангидрит и гипс
и вскрыли его.

В глинистом сланце и
ангидрите тоннель соору-
жали обычным способом
без каких-либо осложне-
ний. Но когда тоннелем
(после взрывных работ)
вскрыли разрушенный
доломит на расстоянии
1170 м от устья, в тоннель
прорвалась подземная
вода с притоком 3600 м3/ч

ООО

600

1500

1000 I

500

> I

Месяц

Рис. 117. Диаграмма изменения притоков
воды в тоннель:

1 — приток воды в тоннель; 2 — дебит источника

В последующее время наблюдалось сни-

жение притока воды, хотя он и подвергался сильным колебаниям
(рис. 117). Через месяц после прорыва приток воды в тоннель сни-
зился до 300 л/с, а через четыре месяца — до нескольких литров
в секунду. Одновременно с прорывом стал снижаться дебит источ-

ника, расположенного над местом прорыва.

В первые дни вода выносила с собой в тоннель тонкую измель-
ченную горную породу. Крупные частицы горной породы стали

16 Н. Г. Трупак

241
Рис. 118. Измененная трасса тоннеля:

1 — старая трасса тоннеля; 2 — новая трасса
тоннеля; 3 — место прорыва воды в тоннель; 4 —
разведочная скважина; 5 — граница сухой и во-
доносной зон

появляться в тоннеле спустя 24 ч после прорыва воды. Через не-
которое время поступление воды из забоя прекратилось, но вода
начала поступать из кровли выработки на расстоянии 70 м от места
прорыва.

Спустя неделю после прорыва воды тоннель на протяжении 300 м
был заполнен обломками горной породы, причем на протяжении
100 м был полностью закупорен обломками разрушенного доломита.

Причинами прорыва воды в тоннель являются: сложное геологи-
ческое строение хребта и особые тектонические условия.

Экономические расчеты показали, что очистка тоннеля от облом-
ков является нецелесообразной, поэтому предпочли изменить напра-
вление трассы тоннеля. На
расстоянии 844 м от устья
тоннеля под некоторым углом
к нему засекли новый тон-
нель, расположенный на рас-
стоянии 70 м от первона-
чального направления тон-
неля (рис. 118).

Когда новым тоннелем
пересекли глинистый сланец
и ангидрит, из забоя тон-
неля пробурили разведочную
скважину длиной 262 м для
определения состояния гор-
ных пород, залегающих на
новой трассе тоннеля, а

также для определения возможности тампонажа участка водонос-
ных горных пород.

Бурение разведочной скважины с отбором керна осложнялось
тем, что гидростатический напор подземной воды достигал 10 кгс/см2.
Вынуть керны в разрушенных доломитах не удалось — извлекалась
только песчано-глинистая смесь с включениями обломков доло-
мита.

В результате бурения установили: пласт доломита мощностью
50—60 м содержал в себе карстовые пустоты и полости, заполненные
глиной, и был разрушен до такой степени, что представлял собой
рыхлую горную массу.

Определение предела текучести по Аттебергу показало, что
образцы горной породы весьма гигроскопичны, практически непла-
стичные и вели себя наподобие шлама или мелкого песка.

Попытки выполнить предварительный тампонаж участка с водо-
носными горными породами не увенчались успехом. Стало ясно,
что без применения какого-либо другого специального способа
водоносный участок пройти тоннелем не представляется возможным.
Были рассмотрены следующие специальные способы: осушение водо-
носного участка, щитовой способ сооружения-тоннеля и заморажи-
вание грунтов.
После тщательного изучения названных способов при сооруже-
нии тоннеля в разрушенном доломите применили способ заморажи-
вания, а в трещиноватом доломите — тампонаж горных пород.

До начала замораживания в лабораторных условиях были опре-
делены пределы прочности замороженного разрушенного доломита.
34 образца доломита в виде цилиндров диаметром 70 мм и высотой
150 мм замораживали при температурах —28, —18, —10, —8 и —4°С
и разрушали с различными скоростями нагрузки: 5, 1 и 0,2 мм/мин.

Полученные при испытании замороженных образцов средние
пределы прочностей на сжатие приведены в табл. 9.

При определении прочных размеров толщины стены ледогрунто-
вого ограждения допускаемое напряжение н& сжатие грунта, заморо-
женного при температуре от —15 до —20° С, принимали равным
30 кгс/см2.

Замораживание грунтов выполняли двумя заходками: . длина
первой заходки 42 м, второй 52 м.

Тоннель на участке со сложными горно-геологическими усло-
виями сооружали в четыре этапа (рис. 119).

I. Сооружение первой рабочей камеры, бурение заморажива-
ющих скважин и образование ледогрунтового ограждения в первой
заходке.

II. Выемка горной породы под защитой ледогрунтового огра-
ждения, возведение водонепроницаемой крепи тоннеля, сооружение
второй рабочей камеры, уплотнение крепи на переходе тоннеля
из ангидрита в разрушенный доломит, поскольку ангидрит растворим
в воде.

III. Оттаивание замороженного грунта в первой заходке, образо-
вание ледогрунтового ограждения во второй заходке.

IV. Выемка горной породы и возведение водонепроницаемой
крепи во второй заходке. Сооружение третьей рабочей камеры для
выполнения тампонажных работ в залегающем дальше трещиноватом
доломите, оттаивание ледогрунтового ограждения во второй
заходке.

Для создания возможности бурения замораживающих скважин
первой заходки в ангидрите — водонепроницаемой горной породе
соорудили первую рабочую камеру наружным диаметром 6,5 м,
внутренним 4,7 м и длиной 8,4 м; крепь камеры бетонная.

Перед рабочей камерой на расстоянии 6 м от нее соорудили
камеру безопасности с водонепроницаемой перемычкой, оборудован-
ной дверями.

49 замораживающих скважин первой заходки расположили по
двум окружностям — диаметром 3,9 м — 17 скважин и 4,3 м — 32
скважины. Замораживающие скважины бурили веерообразно на-
клонными под углом 8° к оси тоннеля (рис. 120).

Благодаря такому расположению замораживающих скважин
ледогрунтовое ограждение имело коническую форму с наружным
конечным диаметром 14 м. Диаметр замораживающих колонок
84 мм.
Замораживающие скважины бурили двумя буровыми станками
в течение 3 мес. Отклонения замораживающих скважин от задан-
ного направления на конечной длине не превышали 0,5 м.

Для образования в конце первой заходки ледогрунтовой пере-
мычки, которая противостояла бы внешнему давлению, в пределах

Рис. 119. Этапы сооружения тоннеля в нарушенных горных породах:

1 — камера безопасности; 2 — первая рабочая камера; 3 — вторая рабочая камера; 4 —
тампонажная камера; 5 — ледогрунтовой конус

сечения тоннеля пробурили четыре замораживающих скважины,
расположенных веерообразно относительно оси тоннеля.

Замораживающие колонки в этих скважинах по мере сооружения
тоннеля срезали, а затем включали в рассольную сеть с помощью
резиновых шлангов.

Для наблюдения за процессом замораживания пробурили одну
термическую скважину длиной 42 м, в которой разместили на разных
расстояниях термометры сопротивления, и одну разгрузочную (ги-
дронаблюдательную), в которой поместили перфорированную трубу
244
для отвода избыточной воды при образовании ледогрунтового огра-
ждения. Однако, как показал опыт, надобности в ней не было.

В последующее время на внешней стороне ледогрунтового огра-
ждения дополнительно пробурили три дополнительных термических
скважины длиною по 42 м. В каждой скважине (колонке) через
определенные интервалы установили термометры сопротивления.

Замораживание грунтов осуществляли замораживающей стан-
цией, состоящей из четырех агрегатов общей холодопроизводитель-

Рис. 120. Схема расположения замораживающих скважин:

1 — первая рабочая камера; 2 — вторая рабочая камера; 3 — тампонажная камера:
I — II — заходки замораживания

ностью 200 000 ккал/ч при температуре испарения —20° С. Расход
электроэнергии на работу замораживающей станции составлял
125 кВт-ч.

Хладоноситель (раствор хлористого кальция) направляли в за-
мораживающие колонки с температурой —28° С.

На образование ледогрунтового ограждения затрачено 30 сут.
В период сооружения тоннеля холодопроизводительность замора-
живающей станции составляла 50% (пассивное замораживание).

В наблюдательной скважине, расположенной на расстоянии
0,3 м от замораживающей колонки, были зарегистрированы темпе-
ратуры замораживающего грунта: через 2 мес после начала замора-
живания —20° С, а через 12 мес —24° С. За те же промежутки
времени в наблюдательной скважине, расположенной на расстоянии
1,8 м от замораживающей колонки, были зарегистрированы темпе-
ратуры соответственно —4° С и —10° С.

Подземные воды содержали в 1 л до 2 г сульфатов и потому были
агрессивными по отношению к цементу. По этой причине для бетон-
ной крепи тоннеля приняли глиноземистый цемент. Этот цемент
за 24—48 ч приобретал такую же прочность, как портландцемент
за 7—28 сут. На 1 м3 бетонной смеси расходовали 300 кг глино-
земистого цемента.

Рис. 121. Водонепроницаемая крепь тоннеля:

1 — металлическая обечайка; 2 — бетонная крепь; 3 — патрубок для
тампонажа пространства между металлической крепью и замороженной
горной породой

Состав бетонной смеси (%) был следующий:

мелкий песок крупностью до 3 мм ................... 32,9

крупный песок крупностью до 3—8 мм ................ 20,2

гравий крупностью до 8—15 мм........................ 6,1

крупный гравий крупностью до 15—30 мм.............. 40,8

Составные части бетонной смеси подогревали до -f- 20° С. Мини-
мальный предел прочности бетона на сжатие в 28-суточном возрасте
составлял 420 кгс/см2.

Толщина стенки бетонной крепи тоннеля 500 мм.

Высокое гидростатическое давление подземной воды вызвало
необходимость применения водонепроницаемой крепи тоннеля. Водо-
непроницаемость тоннеля обеспечивает металлическая крепь,
сооруженная за бетонной (рис. 121).

Металлическая крепь представляет собой цилиндр, составленный
из колец (обечаек), изготовленных из листовой стали толщиною
5 мм. Кольцо металлической крепи шириной 1400 мм состоит из
четырех сегментов. Внутренний диаметр металлической крепи 3,5 м.
Такой крепью тоннель закреплен на протяжении 85 м.

При выемке горной породы в тоннеле металлические обечайки
играли роль временной крепи. С этой целью каждое кольцо было
усилено решеткой, составленной из круглого железа. Листы обе-
246
чайки сваривали электросваркой внахлестку непосредственно
в тоннеле.

Зазор между металлической крепью и стенками замороженной
горной породы шириною 250 мм заполняли тампонажным раствором
следующего состава (кг):

мелкий песок 0—3 мм................... 100

цемент ................................ 50

бентонит ............................ 1

вода .................................. 50

Тампонажный раствор
небольшим давлением.

Рис. 122.. Характерные
фазы сооружения тоннеля
на сложном участке:

I — образование ледогрунто-
вого ограждения; II — выемка
горной породы в пределах ледо-
грунтового ограждения; III —
возведение бетонной крепи и
тампонаж закрепного про-
странства; IV — оттаивание
замороженного грунта; 1 —
термическая скважина; 2 —
разгрузочная скважина; 3 —
металлическая крепь; 4 — бе-
тонная крепь; 5 — граница за-
мораживания

за металлическую крепь нагнетали под

Под защитой ледогрунтового ограждения тоннель сооружали
заходками длиной 2,8 м на длину двух обечаек.

Замороженную горную породу разрабатывали отбойными молот-
ками; буровзрывные работы не применяли.

Для контроля за поведением стен замороженной горной породы
до возведения бетонной крепи на стене забоя и поверхности ледо-
грунтового ограждения установили датчики перемещения. Никаких
заметных изменений формы ледогрунтового ограждения датчики
не зарегистрировали.

На возведение 40 м водонепроницаемой крепи затрачено 12,5 ме-
сяцев — от начала замораживания до оттаивания замороженных
горных пород.

Характерные фазы сооружения тоннеля на сложном участке
показаны на рис. 122.
ГЛАВА XI

ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКИХ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ
ПРИ НЕПОСРЕДСТВЕННОМ ИСПАРЕНИИ ИХ
ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ

§ 1. Применение жидкого азота

Азот N2 — бесцветный газ, без запаха и вкуса. Атомный вес
азота 14,08, молекулярный вес 28,016. При обычных температурах
азот неактивен, а при высоких температурах вступает в реакцию
с кислородом, металлами и другими элементами.

В природе азот находится в свободном состоянии; в воздухе его
содержится 78% по объему и 75,6% по весу.

Рассмотрим температуры испарения (кипения) азота и соответ-
ствующие им давления.

Температура испарения, °C, Давление Р, мм рт. ст. Температура испарения, °C Давление Р, кгс/см2
—216,30 21,8 —193,95 1,24
—215,24 28,8 —192,65 1,43
—213,18 • 46,95 -188,92 2,092
—211,11 71,90 —186,92 2,507
—209,90 96,4 —182,47 3,725
(т-ра плав- 120,9 —173,62 7,370
ления) -162,50 15,0
—208,62
Температура Давление Р, Температура Давление Pf>
испарения, °C мм рт. ст. испарения, °C кгс/см8
—206,20 177,6 —161,31 15,949
—202,16 329,4 —157,30 20,00
—198,30 561,3 —155,51 21,82
—197,27 631,3 -153,80 25,00
—195,78 760,0 —152,11 25,889
(атмосферное —151,00 30,00
давление) —147,17 34,6
(критическая (критическое
т-ра) давление)

Температура испарения жидкого азота при атмосферном давле-
нии (760мм рт. ст.) —195,8° С (77,21°). Другие известные холодиль-
ные агрегаты при том же давлении испаряются при температурах:
пропан — 42,2° С, фреон-22 — 40,8° С, аммиак — 34° С, фреон-12 —
29,8° С. Преимущества жидкого азота перед другими холодильными
агентами с точки зрения температуры замораживания очевидны.

Скрытая теплота парообразования (теплота испарения) жидкого
азота в зависимости от температуры испарения и давлений изме-
няется в следующих размерах:

Температура, °C.....................

Давление, кгс/см2...................

Теплота парообразования, ккал/кгс . .

—195,8 —183,0 —163,0

1 3,5 14,9

47,5 46,5 33,3
Теплота испарения других холодильных агентов: аммиака
327 ккал/кгс, пропана 100 ккал/кгс, фреона-22 55 ккал/кгс, фре-
она-12 40 ккал/кгс.

При испарении 1 л жидкого азота при атмосферном давлении и
температуре +15° С образовавшийся из него газ занимает объем 680 л.

Из приведенных данных видно, что холодопроизводительность
1 кг жидкого азота близка к холодопроизводительностям фреонов,
но меньше холодопроизводительности пропана и значительно усту-
пает холодопроизводительности 1 кг аммиака. При этом исполь-
зование жидкого азота будет однократным (с выпуском отработан-
ного азота в воздух), а аммиака многократным (при циркуляции его
в замкнутой системе).

Вследствие указанного расход жидкого азота на замораживание
1 м3 грунта будет значительно большим, чем, например, аммиака.
Так, при теплосодержании 1 м3 грунта 20 000 ккал расход жидкого
азота на замораживание его составит около 420 кг, а аммиака 61 кг.
Однако, если принять во внимание небольшую стоимость жидкого
азота (стоимость 1 кг жидкого азота равна стоимости 1 кВт-ч элек-
троэнергии), этот фактор не является существенным недостатком
нового способа замораживания грунтов.

Теплота плавления азота при температуре плавления ( — 209,9° С)
61 ккал/кг.

Критическое давление азота 34,6 кгс/см2 (у аммиака Ркр =
— 112,3 кгс/см2), критическая температура азота —147,17° С (у ам-
миака £кр = +132,9° С).

Удельный вес жидкого азота у = 1,13кгс/л, газообразного при
t = ±0° С = 1,2507 кгс/м3.

Теплопроводность жидкого азота X = 5,68 кал/(см-с°С); с по-
вышением температуры численное значение коэффициента тепло-
проводности азота увеличивается.

Теплоемкость жидкого азота в точке кипения с = 0,43 ккал/(кг X
X °C), в точке плавления сг = 0,38 ккад/(кг-°C). Теплоемкость
газообразного азота при постоянном давлении при температуре
±0°С-ср = 0,333 ккал/(кг-°C), при постоянном объеме cv =
= 0,167 ккал/(кг-°C).

Растворимость азота в воде характеризуется следующими дан-
ными: при температуре ±0° С и давлении 760 мм рт. ст. 1 л воды
растворяет 23,5 см3 азота, а при температуре +25° С 14,3 см3.

На рис. 123 показана диаграмма I — Р (энтальпия-давление)
для азота, построенная лабораторией глубокого холода МВТУ
им. Баумана.

На оси ординат диаграммы отложены давления Р кгс/см2, а на
оси абсцисс энтальпии (теплосодержания) I азота, ккал/моль. Для
удобства пользования диаграммой в знаменателе показаны и значения
энтальпии, выраженные в ккал/кг.

Как и у других холодильных агентов, на диаграмме I — Р
азота имеются левая (жидкости) и правая (пара) пограничные кри-
вые. Между ними находится область насыщенных паров азота.
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,

7,1 10,7 10,2 17,8 21,0 25 28,5 52,1 55,7 59,5 02,8 06,0 50 55,6 57,1

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 цижней части диаграммы приближаются к ординатам.
Температуры в диаграмме I — Р выражены в шкале абсолютных
температур или в градусах Кельвина (ГК). Благодаря этому тем-
пературы имеют только положительные отсчеты от абсолютного
нуля — т. е. той температуры, ниже которой невозможно дальнейшее
охлаждение физического тела.

Между абсолютной температурой (Т К) и температурой, выра-
женной в градусах Цельсия (t °C), имеется следующая зависимость:
Т К = (273 + С, или t °C = Т К — 273. Для удобства поль-
зования диаграммой на ней рядом с градусами Кельвина в скобках
поставлены градусы Цельсия.

Крутонаклонные кривые в области насыщенных паров с инде-
ксами на них х = 0,1, . . ., х = 1 позволяют определить вес пара
(жидкости) в долях килограмма, содержащегося в 1 кг смеси газа
и жидкости.

Наклонные прямые в области насыщенных паров изображают
энтропии азота, выраженные в ккал/моль. В области перегретых
паров линии энтропии переходят в наклонные кривые.

На диаграмме жирными пунктирными линиями изображены Про-
цессы испарения жидкого азота для двух случаев:

1) при давлении испарения Р() = 1,2 кгс/см2 — нижняя пря-
мая и 2) при давлении испарения PQ = 9 кгс/см2 — верхняя
прямая.

В первом случае жидкий азот обладает энтальпией ц =
= 7,2 ккал/кг — точка А на левой пограничной кривой. Процесс
испарения жидкого аммиака при Ро = 1,2 кгс/см2 изобразится
прямой линией АБ при постоянной температуре испарения
t0 = -193,92° С.

В точке Б (правая пограничная кривая) азот полностью перейдет
в газообразное состояние. Теперь его энтальпия будет t2 —
= 54,8 ккал/кг. Следовательно, за время своего полного испарения
при Ро = 1,2 кгс/см2 1 кг азота приобрел i2 — = 54,8 — 7,2 =

= 47 ккал/кг тепла.

При дальнейшем использовании азота теперь он будет приобре-
тать теплоту уже за счет своего нагревания. Так, например, при
использовании азота до нагревания его до —103° С (при постоянном
повышении температуры) от окружающей среды он отнимет допол-
нительно i3 — i2 — 78,6 — 54,8 = 23,8 ккал/кг или 50% от тепла,
приобретенного азотом при его испарении. Однако вследствие того,
что разность температур между газообразным азотом и охлаждаемой
средой будет уменьшаться, процесс охлаждения ее замедлится.

Рассмотрим другой случай — испарение азота при давлении
Ро = 9 кгс/см2 (температура испарения —170,45° С). На диаграмме
процесс испарения азота теперь изобразится прямой линией В1\
Начальная энтальпия его (точка В на левой пограничной кривой)
будет равна г4 = 19,6 ккал/кг. В конце испарения (точка Г на правой
пограничной кривой) азот будет обладать энтальпией i5 =
. = 57,8 ккал/кг. Таким образом, за время своего испарения
при Ро = 9 кгс/см2 азот приобретает i5 — /4 = 57,8 — 19,6 =
= 38,2 ккал/кг, или на 9,4 ккал/кг меньше, чем при давлении испа-
рения Р q = 1,2 кгс/см2.

При дальнейшем нагревании газообразного азота, например
до той же температуры t = —103° С, 1 кг азота приобретает допол-
нительное количество тепла 78,6 — 57,8 = 20,8 ккал/кг, или 54%
от количества, приобретенного азотом при его испарении.

В промышленности азот получают фракционированной перегон-
кой жидкого воздуха (ректификацией). При этом сначала перего-
няется азот, температура кипения которого при атмосферном давле-
нии равна —195,78° С, а затем кислород при tK = —183° С.

В некоторых установках ректифицируют не жидкий воздух,
а дымовые газы после выделения из них углекислоты.Хвостовые
газы заводов азотной кислоты, получаемой окислением аммиака
воздухом, также богаты азотом: в них содержится до 95—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-
духа, в котором содержится 1,12% аргона.

От завода-изготовителя к пункту потребления жидкий азот
доставляют в специальных емкостях — танках, 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
15—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 осуществляется 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 сокращается.

4. Низкая температура кипения (испарения) жидкого азота
обеспечивает минимальное время, необходимое на замораживание
грунта.
5. В отличие от рассолов при соприкосновении с замороженным
грунтом азот йГе 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
d2 = 3,2 и 1 м и следующих условиях: р = 30 000 ккал/м3; Xi =
= 2 ккал/(м-ч- °C); температура замерзания воды tQ = ±0° С; тем-
пературы стенки замораживающей трубы: a) tc = —190° С и б) —
= -20° С.

Результаты расчетов сведены в табл. 28.

Таблица 28

Диаметр ледогрунтового цилиндра, м Время, затрачиваемое на замораживание (сут) при температуре
-190° С -20° С
3 18 170
2 7 70
1 1,4 13

Как 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;

Механическая прочность замороженного грунта зависит от тем-
пературы понижения его. Благодаря низким температурам,
создаваемым жидким азотом при испарении, прочности заморожен-
ного грунта зйачительно выше, чем при рассольном замораживании.
^ ’Средние интегральные температуры замороженного грунта, от
которых зависит прочность его, а следовательно и необходимая
толщина ледогрунтового ограждения при замораживании жидким
азотом значительно ниже, чем при рассольном замораживании.

Рис. 124. Распределение температур в ледогрунтовом
ограждении:

1 — 3 м; 2 — 2 м; 3 — 1 м; 4 — 3 м и рассольном замораживании

На рис. 125 показаны изменения среднеинтегральных температур
замораживания при —190 и—-20° С для ледогрунтовых ограждений
толщиною 3; 2; 1,5 и 1 м (соответственно г2 = 1,5; 1; 0,75 и 0,5 м).

Из диаграммы видно, что среднеинтегральные температуры за-
мороженного грунта при температуре замораживания tc = —190° С
в 9,5 раза больше, чем при температуре замораживания t'c = —20° С,
т. е. прямо пропорциональны понижению температуры (табл. 29),

Таблица 29

Температура замораживания грунтов, °C Среднеинтегральная температура (°C) при толщине стены ледогрунтового ограждения, м
1 1,5 2 3
/с = —190 t'c = —20 —59,5 -6,3 -55,1 -5,8 —51,3 —5,4 —47,2 —5

Высокая прочность замороженного грунта при безрассольном
замораживании позволяет применять ледогрунтовые ограждения
меньшей толщины.
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

назначения — коллекторов, тон-
нелей и др.

2. Образование ледогрунтовых
ограждений вместо металлических
шпунтовых стен.

3. Временное упрочнение не-
устойчивого водоносного грунта,
например болотистого, позволя-
ющего перевозить тяжелое обо-
рудование.

4. В грунтах с малыми коэф-
фициентами фильтрации, не под-
дающихся инъенктированию.

5. При ликвидации внезапных
прорывов воды или плывуна
в проходимые другими способами
горные выработки.

6. При проведении горизон-
тальных горных выработок: при
малой глубине заложения их —

Расстояния от оси заморажи-
вающей трувы, м

Рис. 125. Изменение среднеинте-
гральных температур заморожен-
ного грунта в ледогрунтовом ограж-
дении при температуре заморажи-
вания —190° С (1) и —209 G (2)

вертикальными замораживающими

колонками, при большой глубине заложения выработок — гори-

зонтальными замораживающими колонками.

7. При проходке неглубоких шахтных стволов и образовании
подпорных ледогрунтовых ограждений — вертикальными замора-

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
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-
кид» Думесни и Шанель.

Рис. 126. Замораживание
грунтов в забое подземного
коллектора:

1 — водоносный песок; 2 во-
донепроницаемый песчаник;

3 — мергель; 4 — шахтный
ствол; 5 — автоцистерна с жид-
ким азотом; 6 — трубопровод
жидкого азота; 7 — заморажи-
вающие колонки; 8 — трубо-
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
соединили с трубами диаметром 15/21 мм из красной меди

Рис. 127. Схема расположения замо-
раживающих колонок:

1 — замораживающие колонки; 2 — жидкий
- - азот; 3 — газообразный азот

направлено 500 л жидкого азота

(рис. 128). Эти трубы имели
лирообразную форму.

Жидкий азот для заморажи-
вания грунтов подавали по
стальному теплоизолирован-
ному трубопроводу 6 диамет-
ром 26/34 мм, проложенному
по шахтному стволу и в соору-
женной части коллектора от
автоцистерны емкостью 6000 л
с жидким азотом. Газообраз-
ный азот уходил по трубопро-
воду 7 диаметром 80/89 мм и
на земной поверхности выпу-
скался в' атмосферный воздух.

В течение первого часа в за-
мораживающие колонки было
при температуре его —196° С.

Через 33 ч по использовании 15 000 л жидкого азота процесс замо-
раживания грунтов был закончен. При этом было заморожено
20 м3 грунта. Расход азота на одну замораживающую колонку
составлял 18 л/ч. Вокруг каждой колонки было наморожено 0,8 м3
грунта.

При производстве горнопроходческих работ замораживающие
колонки, расположенные в центральной части свода коллектора,
/ ' ..................

Рис. 128. Схема включения заморажива-
ющих колонок в се1ь:

1—замораживающая труба 0 50/60 мм; 2—пи-
тающая труба 0 15/21 мм; 3 — смесь жидкого и
газообразного азота; 4 — жидкий азот; 5 — газо-
образный азот; 6 — теплоизолированный трубопро-
вод 0 26/34 мм для жидкого азота; 7 — трубопро-
вод 0 80/89 мм для газообразного азота

были демонтированы. Боковые замораживающие колонки поддер-
живали пески в замороженном состоянии при температуре —30° С.
Расход жидкого азота при этом составлял 300 л/ч 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-
вающими колонками со-
ставляло 0,7 м. Скорость
намораживания грунта по
радиусу от одной замора-
живающей колонки со-
ставляла 1,06 см/ч, или
25,44 см/сут по сравнению
с 2,5—3 см/сут при рас-
сольном замораживании.

II. Сооружение тоннеля
в Швеции. Тоннель диа-
метром 2,6 м в свету со-
оружали в устойчивых
скальных горных породах
(рис. 129). Лишь на одном
участке тоннеля протя-
женностью 12 м в кровле
был встречен слабый гли-

нистый грунт. На этом участке применили замораживание грун-
тов жидким азотом через семь замораживающих колонок, располо-
женных по незамкнутому контуру, на расстоянии 1,6 м одна от
другой. Толщина ледогрунтового ограждения 3,3 м.

Расход жидкого азота на образование ледогрунтового ограждения
составил 24 981 л. Замораживание грунтов жидким азотом оказалось
дороже рассольного на 50%, но было выполнено в 10 раз бы-
стрее его. *

III. Сооружение дюкера канализационного канала в г. Париже.
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 сверху 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.

Для 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.

Рис. 129. Замораживание грунтов при сооружении тон-
f неля в Швеции:

1 — емкость для жидкого азота; 2 — трубопровод жидкого азота;

3 — трубопровод газообразного азота; 4 — тоннель; 5 — заморо-
женная глина; 6 — глина; 7 — замораживающая колонка; 8 —
скальная горная порода

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
1

Рис. 130. Продольный раз-
рез вспомогательного ствола
Лондонского главного поч-
тамта:

чества подаваемого жидкого азота. Общий расход жидкого-*'йз’ота
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
предназначен для обслуживания нового кабельного тоннеля глав-
ного почтамта. Ствол проходили вблизи собора св. Павла через на-
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.

Шахтный 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).

Из забоя ствола пробурили 36 наклон-
ных замораживающих скважин с зенитным
углом 9°. Скважины расположили по
окружности диаметром 3,6 м. Наклонная
длина скважин 4,6 м. Скважины были
заглублены в лондонскую водонепроница-
емую глину на 1,9 м.

Из автоцистерны жидкий азот при тем-
пературе —195,8° С поступал в запасную
емкость, в которой поддерживали давле-
ние 1,5—2 кгс/см2.

Для магистральных и замораживающих труб применили вместо
медных обычные трубы из мягкой стали; соединения труб осуще-
ствляли свинцовыми муфтами на резьбе. Соединительные трубы
между магистральными й 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 —73° 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

11J)M

1 — насыпной грунт; 2 — песча-
ные и гравелистые отложения;
з — уровень грунтовых вод;

4 — лондонская водонепрони-
цаемая глина; 5 — заморожен-
ный грунт; 6 — вход жидкого
азота; 7 — выход газообраз-
замораживание израсходовали дополнительно 50 т жидкого азота.

Все трубопроводы, применяемые для замораживания грунтов,
были демонтированы в течение нескольких часов.

V. Ремонт металлической крепи старого тоннеля под р. Темзой
в г. Лондоне. Необходимый запас жидкого азота в количестве 11,33 т
хранили в теплоизоляционной емкости, расположенной у устья
вентиляционного ствола. Из емкости жидкий азот подавали по тепло-
изоляционному трубопроводу на глубину 15,25 м к распределителю
азота, смонтированному в тоннеле.

От распределителя жидкий азот по соединительным трубопрово-
дам поступал к 60 замораживающим колонкам, введенным в грунт
за металлическую крепь. Длина колонок 3 м.

Опыт замораживания грунтов жидким азотом показал, что грунт
замораживался быстрее, чем при рассольном замораживании. Грунт
в необходимом объеме был заморожен в течение двух недель, в то
время как на аналогичных работах по рассольному методу затрачи-
вали 12 недель.

Замороженный грунт позволил заменить несколько разрушенных
чугунных тюбингов массой 1,12 т каждый без риска выпуска водо-
носного грунта в тоннель.

VI. Предварительное охлаждение стен подземных газохранилищ.
В одно газохранилище диаметром 35 м и глубиной 50 м было залито
свыше 100 т жидкого азота. Азот, испаряясь при атмосферном давле-
нии, вытеснял воздух из газохранилища и охлаждал стены газо-
хранилища и вытеснял из него воздух. После этого, с той же целью
в емкость вводилось последовательно 50 т, а затем еще 100 т сжи-
женного природного газа.

VII. Жидкий азот как способ борьбы с поглощением промывоч-
ной жидкости при бурении нефтяных скважин. Был применен впервые
в СССР по предложению М. Я. Берковича. На ликвидацию ослож-
нений, возникающих в процессе бурения нефтяных скважин, затра-
чивается 10—12% общего времени бурения скважин, причем до 80%
осложнений вызваны поглощениями промывочной жидкости. На
ликвидацию поглощений промывочной жидкости затрачиваются
огромные средства.

Возможности использования жидкого азота для борьбы с погло-
щениями промывочной жидкости в скважине были исследованы
в лабораторных условиях на специальном стенде. Жидкий азот
заливали непосредственно в скважину, окруженную водонасыщенной
горной породой.

В результате проведения большого количества экспериментов
было установлено, что время, необходимое на образование в сква-
жине ледогрунтового слоя толщиною 12—23 см, изменялось в пре-
делах 21—37 мин. Средняя скорость нарастания ледогрунтового слоя
составила 0,6 см/мин.

Ледогрунтовой слой оттаивал в течение 85—147 мин. Таким
образом, время, необходимое на образование ледогрунтового слоя,
относится к времени оттаивания его, как 1 : 4.
Учитывая, что при применении нового способа замораживания
в практике жидкий азот будет находиться под давлением столба
промывочной жидкости, были проведены исследования заморажи-
вания грунтов под Давлением 15 кгс/см2. Давление в скважине
на стенде создавалось самим азотом при его испарении.

Экспериментальные исследования показали, что при испарении
азота под давлением эффективность процесса замораживания значи-
тельно увеличилась вследствие уменьшения тепловых потерь. Уве-
личилась и продолжительность оттаивания ледогрунтового слоя
благодаря увеличению его толщины. Отношение времени заморажи-
вания слоя к времени его оттаивания в среднем составляло 1 : 20.

Промышленные испытания этого способа были проведены на
одной из скважин треста Ишимбайнефть. Скважина была пробурена
до глубины 788 м. При бурении скважины на глубине 775 м было
отмечено вначале частичное, а затем полное поглощение промывоч-
ного глинистого раствора с удельным весом 1,2 г/см3.

На участке скважины 775—788 м в течение 2 ч было израсходо-
вано свыше 200 м3 раствора. Проходимые горные породы были
представлены ноздреватыми мелкокавернозными известняками уфим-
ской свиты.

Гидростатическое давление глинистого раствора в зоне поглоще-
ния было 88,5 кгс/см2. Попытка ликвидации поглощения глинистого
раствора путем цементации известняков положительных результатов
не дала. По истечении 16 ч после нагнетания цементного раствора
последний в скважине не был обнаружен. Уровень глинистого рас-
твора в скважине находился на глубине 50 м от поверхности земли.

В указанных условиях были проведены промышленные испыта-
ния рассматриваемого способа. Жидкий 98%-ный азот в количестве
70 л был опущен в скважину в специальной желонке.

Конструкция специальной вакуумной желонки показана на
рис. 131. От обычных желонок она отличается наличием:

двойных стенок 7, межтрубное пространство которых вакууми-
ровано;

специального нагрузочного клапана 6, обеспечивающего посту-
пление жидкого азота из желонки в зону поглощения;

нижнего клапана 11 со стеклянными диафрагмами.

Емкость желонки 126 л жидкого азота. Желонка позволяет
доставлять жидкий азот в скважину на большую глубину без зна-
чительных теплопотерь и обеспечивает выпуск жидкого азота в зону
поглощения.

До момента погружения в скважину жидкий азот находится
под давлением, равным атмосферному, и имеет температуру, равную
температуре насыщения при этом давлении.

Процесс испарения жидкого азота в зоне поглощения промывоч-
ной жидкости является процессом, протекающим при постоянном
давлении. В таком случае при замораживании эффективно исполь-
зуется главным образом только скрытая теплота испарения жидкого
азота.
Конечное состояние азота, соответствующее моменту окончания

участия его в процессе замораживания, следует рассматривать

Рис. 131. Аппарат для по-
дачи жидкого азота в сква-
жину и автоматического
выхода азота из аппарата
в скважину:

1 — корпус аппарата; 2 — верх-
няя крышка; 3 — тяга; 4 — гай-
ка; 5 — шпилька; 6 — нагру-
зочный клапан; 7 — нижняя
нрышка; 8 — комплект стеклян-
ных пластинок; 9 — войлочная
кольцевая прокладка; 10 — на-
жимная гайка; 11 — нижний
клапан; 12 — пружина; 13 —
нижний шток; 14 — муфта; 15 —
чека

как состояние азота в виде насыщенного
пара при гидростатическом давлении
столба промывочной жидкости в зоне
поглощения. Этим процессом опреде-
ляется тепло, отводимое от горной породы
при испарении 1 кг жидкого азота.

После залива жидкого азота в сква-
жину в зоне поглощения на внутренней
поверхности стенки скважины устанавли-
вается отрицательная температура, равная
температуре кипения жидкого азота при
давлении, господствующем в зоне погло-
щения. Эта> температура остается по-
стоянной в течение периода заморажи-
вания.

В скважине желонка находилась в те-
чение 9 мин. После слива азота в зоне
поглощения раствора желонка была под-
нята на земную поверхность.

Для проверки достигнутых результа-
тов в скважину закачали 3,6 м3 глини-
стого раствора, что соответствует объему
скважины на участке высотой 50 м. Уро-
вень глинистого раствора на этот раз
поднялся до устья скважины, что указы-
вало на образование в зоне поглощения
раствора ледогрунтового слоя.

Затем в скважину до глубины 775 м
были опущены бурильные трубы диамет-
ром 65/8", через которые производили
промывку скважины в течение 20 мин.
Потери глинистого раствора в скважине
теперь не наблюдались. По окончании
промывки в скважину закачали 3,5 м3
цементного раствора, который затвер-
девал в течение 14 ч. Измерениями было
установлено, что на участке скважины
748—788 м, т. е. высотой 40 м, был обра-
зован сплошной цементный мост.

Дальнейшее бурение скважины про-
изводили без потерь глинистого раствора.
Этот опыт показал, что ледогрунтовой
слой, образованный азотом в скважине,
может находиться в замороженном со-
стоянии в течение срока, достаточного
для того, чтобы в зоне поглощения можно
было устроить цементный мост или закрыть кондуктором зову
поглощения скважины.

В случае необходимости промораживание стенок скважины может
повторяться многократно.

В процессе промышленных испытаний было установлено, что
время оттаивания образованного ледогрунтового слоя превысило
в 50 раз время, затраченное на замораживание этого слоя.

На основе промышленных испытаний нового способа борьбы
с поглощениями промывочной жидкости в скважинах были опре-
делены условия рационального применения этого способа.

Способ замораживания жидким азотом целесообразно применять:

в верхней части скважины — до перекрытия зоны поглощения
кондуктором;

в средней и нижней частях скважины с последующей цементацией
зоны поглощения;

в зонах поглощения, представленных пористыми, мелкокавер-
нозными или мелкотрещиноватыми горными породами.

Способ замораживания жидким азотом не рекомендуется при-
менять в зонах поглощения промывочной жидкости, вызванных
наличием больших каверн.

Критическое давление азота Ркр = 34,6 кгс/см2. Это соответ-
ствует давлению столба промывочной жидкости (с учетом удельного
веса) в скважине около 29 кгс/см2 или высоте столба жидкости около
240 м. До такой глубины залегания зон поглощения замораживание
жидким азотом будет наиболее эффективным, так как будет исполь-
зоваться теплота испарения жидкого азота.

При гидростатических давлениях промывочного раствора, боль-
ших 29 кгс/см2, теплота испарения азота будет равна нулю. В этих
случаях эффективность замораживания азотом будет значительно
меньше вследствие того, что азотом будет отниматься только.теплота,
необходимая дл/i его нагревания. Поэтому новый способ борьбы
с поглощениями промывочной жидкости в скважинах целесообразно
применять на глубинах до 250 м.

Из приведенных выше примеров видно, что замораживание грун-
тов жидким азотом осуществляли пока в небольших объемах —
в несколько десятков кубометров.

Жидкий азот применяли также для ликвидации окон в ледо-
грунтовой стене, образованной с помощью аммиачной холодильной
установки. В таких местах бурили дополнительные скважины,
в которые затем заливали жидкий азот.

В СССР жидкий азот должен найти применение в первую очередь
на аварийных работах — для ликвидации внезапных прорывов воды
или плывуна в проходимые горные выработки. Жидкий азот поз-
волит сравнительно быстро ликвидировать аварийное состояние.

Как показал опыт в лондонском тоннеле, замораживание грун-
тов жидким азотом целесообразно применять на ремонтных работах
тюбинговой крепи в водоносных грунтах.
§ 2. Применение жидкого пропана для устройства термосвай Лонга

Жидкий пропан с непосредственным испарением его в заморажи-
вающих трубах нашел применение при устройстве свайных оснований
в вечномерзлых грунтах. Такие сваи получили название термосвай
системы Лонга. В южных районах области вечной мерзлоты с не-
устойчивой («вялой») мерзлотой мерзлые грунты имеют температуру,
близкую к ±0° С, и поэтому обладают малой несущей способностью.
В таких условиях свайное основание с источниками холода в сваях
обеспечивает накопление добавочного холода, необходимого для
предотвращения оттаивания вечномерзлого грунта.

Понижением температуры мерзлого грунта может быть достиг-
нута достаточно высокая несущая способность грунта. При пони-
жении температуры на 1° С сопротивление сжатию мерзлого грунта
повышается. При этом с понижением температуры грунтов одно-
временно с увеличением длительной прочности мерзлого грунта
уменьшаются деформации ползучести его. Понижение температуры
под зданием позволяет уменьшить число свай или их длину.

В настоящее время известны многие конструкции термосвай:
от труб диаметрами 50 мм, работающих как висячие сваи, до кустов
из трех труб диаметром 300 мм, опирающихся на плиту с попереч-
ными размерами 1,5 X 1,5 м и толщиною 80 мм.

На рис. 132 показана конструкция термосваи с внутренним
диаметром 150 мм. Там же приведен геологический разрез грунтов,
в которые погружена термосвая. Термосвая представляет собою
стальную трубу 5 общей длиной 5,36 м, из которых! м возвышается
над поверхностью земли. Труба опущена в скважину диаметром
456 мм. На дне скважины уложен слой сухого сортированного гра-
вия 2 толщиною 51 мм; гравий покрыт еловыми брусьями 3 тол-
щиною 20 мм. На еловых брусьях уложена стальная плита 4 диа-
метром 406 мм и толщиною 12,7 мм.

Кольцевые пространства между трубой и стенками скважины
в нижней части ее на высоту 0,92 м заполнены песчано-гравийным
грунтом 6, а в верхней части ее высотой 2,96 м — гравием 7 с песчано-
глинистым заполнителем.

Верхний конец стальной трубы перекрыт стальной плитой 8
диаметром 305 мм; в трубе заделан вентиль 9, предназначенный
для заливки в трубу жидкого пропана. К верхней части свайной
трубы, выступающей над поверхностью земли, привариваются 8 ме-
таллических ребер 10 длиной 2,8 м, высотой 51 мм и толщиною
6,35 мм. Общая боковая поверхность ребер 2,6 м2. Назначение ре-
бер — увеличение боковой поверхности трубы. Выступающая часть
трубы служит конденсатором для паров пропана, поднимающихся
из термосваи в верхнюю часть ее.

Принцип действия термосваи основан на отводе тепла от грунтов
основания, когда температура атмосферного воздуха и слоев грунта
вблизи поверхности земли ниже температуры грунта у основания
скважины.
0,30
A

0,60

0,91

1,22

1,52

1,63

2,70

3,05

3,35

3,66

3,96

9,27

| Mox
у1ылевато-гли-
нистый грунт
\Гравий с песчано-
\глинистым за-
полнителем
Линза льда тол-
щиной 101,6мм

Гравий с песчано-
глинистым за-
полнителем
Линза льда тол-
щиной 203,2мм

Гравий с песчано-
глинистым за-
полнителем

Линза льда тол-
щиной *6мм
Гравий с песчано-
глинистым за-
полнителем

Влажность?/»

*3,9

36,6

33,5

35,5

23,1

70,0

19,1

Рис. 132. Конструкция термосваи Лонга:

1 — скважина диаметром 456 мм; 2 — слой сортированного гравия толщиною 51 мм; 3 —
слой из еловых брусьев толщиною 20 мм; 4 — стальная плита диаметром 150 мм; 5 — стальная
труба диаметром 150 мм; 6 — песчано-гравийный грунт толщиною 0,92 м; 7 — гравии с
песчано-глинистым заполнителем 2,74 м; 8 — стальная плита диаметром 305 мм; 9 — вентиль
для залива в трубу жидкого пропана; 10 — металлические ребра: А — жесткомерзлыи грунт;

В — пластичномерзлый грунт с частично незамерзшей водой в глинистой фракции
Верхняя часть сваи, находящаяся в деятельном слое, действует'
как конденсатор, прогревая примыкающий к ней грунт. Поэтому
миграция влаги при промерзании деятельного сбоя направлена
соответственно температурному градиенту, т. е. от сваи. Следствием
этого является уменьшение сил смерзания. Промерзание грунта
в начале зимнего сезона, распространяясь радиально от поверхности
сваи, препятствует расширению примыкающего к ней грунта.

Дополнительное охлаждение мерзлого грунта вызывает общее
увеличение устойчивости фундамента, так как количество замерзшей
воды в дисперсных грунтах при изменениях температуры около
точки замерзания резко уменьшается.

Передача тепла от грунта осуществляется в циклическом про-
цессе испарения и конденсации жидкости, заполняющей сваю. Те-
пловой поток снизу прекращается, как только верхняя зона ста-
новится теплее, чем нижний участок сваи. Таким образом, термосвая
Лонга является сезоннодействующим устройством.

В качестве холодильного агента (испаряющейся жидкости)
в термосвае применяют пропан как наиболее экономичный и доступ-
ный. Тепловой процесс в термосвае протекает в диапазоне темпе-
ратур от ±0° С (давление 4,81 кгс/см2) до —12,8° С (давление
3,18 кгс/см2).

В табл. 30 приведены температуры пропана в °C и соответству-
ющие им давления.

Таблица 30

Температу- ра, °C Давление Р, кгс/см* Температу- ра, °C Давление Р, кгс/см2 Температу- ра, °C Давление Р, кгс/см2 Температу- ра, °C Давление Р, кгс/см2 Температу- ра, °C Давление Р, кгс/см2 Температу- ра, °C Давление Р, кгс/см2
+3,9 5,41 -2,8 4,41 -13,4 3,06 -29,5 1,73 -40,4 1,09 -51,7 0,67
+3,3 5,32 -3,3 4,34 —14,4 3,00 -30,0 1,69 -41,1 1,06 -52,2 0,65
+2,8 5,23 -3,9 4,26 -15,0 2,95 -30,5 1,65 -41,7 1,03 —52,5 0,65
+2,2 5,15 -4,4 4,19 —15,6 2,89 -31,1 1,62 —42,2 1,0 -53,3 0,61
+1,7 5,06 -5,0 4,11 —16,1 2,84 -31,7 1,58 -42,8 0,98 —53,9 0,59
+1,1 4,98 -5,6 4,04 —16,7 2,78 -32,2 1,55 —43,3 0,96 -54,4 0,57
+0,5 4,89 -6,1 3,97 —17,2 2,72 -32,8 1,51 -43,9 0,95 -55,0 0,50
±0,0 4,81 —6,7 3,89 —17,8 2,67 -33,3 1,48 -44,4 0,93 —55,5 0,55
-0,6 4,73 —7,2 3,83 —18,3 2,62 -33,9 1,45 —45,0 0,90 —56,1 0,54
—1,1 4,65 -7,3 3,76 -18,6 2,57 -34,4 1,41 -45,5 0,88 —56,6 0,52
—1,7 4,57 -8,3 3,69 -19,3 2,52 -35,0 1,38 -46,0 0,86 —57,2 0,51
-2,2 4,49 -8,9 3,62 -20,0 2,47 —35,6 1,35 -46,6 0,84 -57,7 0,50
-9,4 3,56 -25,0 2,05 —20,5 2,42 -36,1 1,32 —47,1 0,82 —58,3 0,49
-10,0 3,49 -25,5 2,01 -21,1 2,37 —36,7 1,29 -47,7 0,80 -58,8 0,47
—10,6 3,43 -26,1 1,96 -21,6 2,32 —37,2 1,26 —48,3 0,78 —59,4 0,46
—11,1 3,33 -26,6 1,92 —22,2 2,27 -37,8 1,23 -48,8 0,76 —59,9 0,45
—11,7 3,30 —27,2 1,88 —22,7 2,23 —38,3 1,21 —49,4 0,74 —60,5 0,43
—12,2 3,24 -27,7 1,84 -23,3 2,18 -38,9 1,18 —49,9 0,72 —61,0 0,42
—12,8 3,18 -28,3 1,80 -23,8 2,14 -39,4 1,15 -50,5 0,70 —61,6 0,41
—13,3 3,12 —28,9 1,76 -24,4 2,09 -40,0 1,12 -51,1 0,68 -62,2 0,40
Необходимо, однако, заметить, что недостаточно чистый пропан
показывает давления более высокие, чем указанные в табл. 30.

Перед заливкой жидкого пропана термосвая освобождается
от воздуха и газообразных примесей. Однако некоторое количество
их остается в термосвае. При заполнении термосваи техническим
пропаном давление его оказывалось на 0,35—0,42 кгс/см2 больше
указанного в табл. 30. С другой стороны, при заполнении термосваи
чистым пропаном отклонения давлений его от давлений, указанных
в табл. 30, находилось в пределах ±0,07'кгс/см2.

Так как термосвая представляет собой замкнутую систему, то
она работает при постоянном объеме жидкого пропана. Иногда из
термосваи наблюдались утечки пропана вследствие неисправности
фитингов и вентилей. После их ремонта утечки пропана прекраща-
лись. В таких случаях необходима дозаправка термосваи пропаном.

В трубу заливают пропан в количестве, достаточном для работы
термосваи. Благодаря теплопритоку от окружающего грунта пропан
в нижней части термосваи испаряется (кипит) и направляется в верх-
нюю часть — конденсатор. Здесь пропан сжижается и по стенкам
трубы стекает обратно в термосваю.

Максимальная производительность конденсатора термосваи
достигается при окраске верхней части термосваи — конденсатора
в белый цвет, при котором в наибольшей мере отражаются короткие
радиационные волны и происходит высокая интенсивность при
длинноволновых низкотемпер ату рных излучениях. Материал
окраски — свинцовые белила или окись титана; толщина слоя
окраски 0,2 мм. Окраску необходимо периодически возобновлять.

Термосваи, заполненные жидким пропаном, должны выпол-
няться в соответствии с действующими нормативами на строитель-
ство хранилищ горючих жидкостей, котлов и напорных резервуаров
для негорючих материалов. Для обнаружения утечек все соединения
и вентиль термосваи опрессовывают мыльным раствором.

Техническое обслуживание термосваи простое. В нормальных
условиях работы термосваи применение холодильной установки
исключается. Однако применение холодильной установки оказы-
вается необходимым, если, например, вблизи термосваи расположен
паропровод. Тогда вместо пропана используется фреоновая уста-
новка без существенных переделок термосваи.

Длительное (в течение трех лет) изучение изменения теплопотоков
в грунте в зоне действия термосваи было выполнено на опытной
термосвае, изображенной на рис. 133.

На рис. 133 показаны изотермы в грунте, определенные сразу
после начала действия термосваи высотой 3,66 м (29 февраля 1960 г.).
Температура пропана внутри сваи была —12,72° С. Средняя темпе-
ратура атмосферного воздуха в это время была —20,6° С, макси-
мальная — 2,77° С, минимальная — 22,7° С.

Температуры грунта до начала работы сваи представлены гори-
зонтальными изотермами. Температуры грунта измеряли медно-
константановыми термопарами с точностью до 0,17° С.

На рис. 134 показаны положения изотерм вокруг термосваи через-
37 сут (6 апреля 1960 г.) после начала работы термосваи. Темпера-
тура пропана внутри термосваи в это время была —3,78° С, а средняя
температура атмосферного воздуха +1,1° С при максимальной
+6,11° С и минимальной —5,5° С. Таким образом, процесс охла-
ждения грунта термосвай продолжался вплоть до повышения темпе-
ратуры атмосферного воздуха до +1,1° С.

На рис. 135 показано температурное поле, сформировавшееся
вокруг термосваи через 11 месяцев (18 января 1961 г.) после начала
работы термосваи. Температура пропана внутри сваи была —11,8° С.

Средние температуры атмосферного воздуха в районе проведения
опытных работ приведены в табл. 31.

Таблица 31

V. Время года Средняя ) температура атмосферного воздуха, °C Количество дней с температурами
ниже ±0° С выше ± 0° С
Зима 1960—1961 гг Лето 1961 Зима 1961—1962 гг -12,8 +9,2 —16,2 186 185 173
Лето 1962 г, Зима 1962—1963 гг +8,5 —12,5 193 193

Теплосъем термосваи, или количество тепла, которое протекало
от грунта к термосвае в зимнее время при боковой поверхности
конденсатора, равной 2,6 м2, определяли по эмпирической формуле

•* 5 = 4,4(3,36 —£в), ккал/ч. (196)

Обратный теплопоток в грунт в летнее время

qt = 0,009 (0,033 + tB), ккал/ч, (197)

где — температура атмосферного воздуха, °C.

Приведенные выше эмпирические формулы справедливы лишь
для конкретных рассматриваемых условий работы термосваи. При
других условиях (иных размерах конденсатора выступающей части
термосваи), иных температурах атмосферного воздуха, температур-
ного режима грунта) зависимость q от tB будет другой.

По приведенным выше эмпирическим формулам (196) и (197)
был определен теплосъем термосваи за три зимних периода. Средний
за три года теплосъем составил Qr — 335 000 ккал. Средний сезонный
вынос тепла из грунта или теплосъем термосваи на 1 м2 конденсатора
составил

Qc = = 129 000 ккал/м2.
И соответственно 686 ккал/м2-сут, или 28,6 ккал/м2-ч.

Средний теплоприток от грунта к термосвае в течение теплого
периода времени, определенный по эмпирической формуле (196),
доставил Q2 = 335 ккал. Таким образом, теплосъем термосваи в зим-
ний период оказался в 1000 раз (на 1° С перепада температуры)
больше земного теплопритока в летний период, т. е. = 1000.

Необходимо, однако, заметить, что величина приведенного выше
теплопритока к термосвае в летний период нам представляется не-
сколько заниженной. Это подтверждается и наблюдениями за тепло-
потоками вокруг термосваи. Так, в июне 1961 г. теплоприток от
грунта к опытной термосвае составил 2,5 ккал/ч, а в мае 1963 г.
при температуре атмосферного воздуха +7,8° С он был равен
1,7 ккал/ч. Следовательно, в первом случае теплоприток составлял
2,5 X 24 = 60 ккал/сут, а за весь летний период 6000 ккал; во
втором случае этот теплоприток составил около 4000 ккал. По этим
данным, отношение Q2 : = 6000 : 335 000 = 1 : 56.

Для сравнения приведем значение теплоотдачи конденсатора
термосваи диаметром 50 мм и длиной 1,24 м с 24 ребрам# и окрашен-
ного один раз титановой краской. Теплоотдача такого конденсатора
при температуре атмосферного воздуха —7,2° С в условиях отсут-
ствия заметного движения воздуха составила 5,9 ккал/м2*ч°С.

Если принять, что вся часть термосваи на высоте 3,96 м (ниже
конденсатора) заполнена жидким пропаном, то объем этой части
равен 0,064 м3 = 64 л. Удельный вес жидкого пропана при давлении
3 кгс/см2 составляет 0,5 кг/л. Соответственно вес жидкого пропана,
заполняющего тёрмосваю, равен 35,2 кг/л. Теплота парообразования
пропана при температуре —12° С равна 93 ккал/кг. Следовательно,
количество испаряющегося в замкнутом пространстве термосваи
пропана будет '

28,6-2,6 о^8 кгуч? или 19 2 кг/сут.

/ У о

В теплую зиму или при толстом снежном покрове температура
грунта повышалась и, наоборот, при тонком снежном покрове и при
-зиме с температурами атмосферного воздуха ниже среднегодовых
температур грунта понижалась.

Коэффициент термического сопротивления грунта при цилиндри-
ческом тепловом потоке определяли по формуле

= (град -м2 -ч)/ккал, (198)

где г0 — внутренний радиус сваи, м;

т\ — наружный радиус сваи, м;

X — коэффициент теплопроводности сваи, ккал/(м2-ч-°C);

I — длина термосваи, м.
Соответственно коэффициент теплоотдачи (теплосъема) термосвавг

* = = ккал/(м2.чвС), (199>

" In —

где — температура грунта, °C;

tr — температура пропана в термосвае, °C.

Для обратной засыпки пространства между стенками сква-
жины и термосваи, выполненной из смеси сухого гравелистого

грунта и мерзлых комьев, коэффициент теплопроводности X —
= 1,17 ккал/(ч-м2 °C); для песчано-пылеватого гравия Xi =
= 3 ккал/(м-ч °C).

Для ускорения вмораживания термосваи до наступления первого
зимнего сезона избыток заполняющего жидкого пропана из не-
которых свай был выпущен в атмосферу. Пропан при этом испа-
рялся, как обычный холодильный агент, повышая смерзание термо-
сваи в теплую погоду, чем достигалось сокращение срока ввода
в действие термосваи.

Все действующие термосваи были заполнены чистым техническим
пропаном. Давления в термосваях составляли 3,29—4,51 кгс/см2,
что соответствовало температурам испарения жидкого пропана,
от -11,7° С до -2,2° С.
На рис. 136 показано расположение термосвай под зданием
котельной. Размеры здания котельной 18 X 13,6 м. Геологический
разрез грунтов под зданием котельной: до глубины 0,3 м — пыле-
ватый песок; 0,3—1,5 м — гравий с заполнением из пылеватого
песка; 1,5—3,9 м — гравелисто-песчаный грунт с включениями
размерами до 100 мм; 3,9—4,5 м — пылеватый песок.

Вечномерзлый грунт залегает на глубине 4,2 м от поверхности
земли. Глубина заложения подошвы фундамента котельной 2,434 м.
Под котельной было устроено 12 термосвай с разными глубинами.
Термосваи, расположенные по углам здания котельной, имели оди-
наковые глубины — 3,658 м, промежуточные между угловыми термо-
оваи — 2,438 м, две термосваи, расположенные в центральной части
здания котельной, — 0,914 м.

Термосваи были заложены в августе 1962 г. и охлаждены до тем-
пературы ±0° С. Температура в термосваях к 11 мая 1963 г. пони-
зилась до —2,8° С. Все верхние части этих термосвай в белый цвет
не были окрашены.

Скопления пропана вблизи здания не наблюдались. Скопления
таза вблизи зданий вообще маловероятны, поскольку воздвигаемые
на вечномерзлых грунтах сооружения имеют проветриваемое
подполье.

Термосваи Лонга применяли также при устройстве фундамента
мачты, волновода и промышленных зданий. Они оказались наиболее
рациональным типом фундаментов при встретившихся грунтовых
условиях. Все фундаменты были в удовлетворительном состоянии,
за исключением одной термосваи, расположенной на расстоянии 6 м
от неизолированного колодца паропровода.

В такой свае две из труб диаметром 300 мм работали как термо-
сваи; третья труба была освобождена от пропана и переоборудована
на фреоновый цикл с подключением фреоновой холодильной уста-
новки.

На одной строительной площадке фундамент здания вначале
предполагали выполнить в виде обычных полых трубных свай, но
при необходимости трубы можно было заполнить жидким пропаном.
Однако обнаруженный на глубине 4 м водоносный слой с темпера-
турой +1,1° С привел к необходимости выполнить все фундаменты
в виде термосвай. В течение нескольких лет эксплуатации термосвай
основание здания находится в мерзлом состоянии без заметных
деформаций здания.

Свайные устройства выполняют как целиком металлическими,
так и бетонными или деревянными в виде свай-стоек, опирающихся
нижними концами на плиту.

Рациональное применение термосвай в качестве фундаментов
определяется тепловым балансом грунта в основании проектиру-
емого сооружения.

Понижение температур грунта термосваями позволяет сократить
число свай или их длину по сравнению со сваями других типов.
Правда, при недостаточном проветривании подполья и малом терми-
.272
ческом сопротивлении перекрытия возможно повышение средне-
годовой температуры грунта под зданием.

Наблюдениями за температурами грунта вблизи термосвай,,
оборудованных измерительными устройствами, в течение длитель-
ного теплого периода времени при температуре атмосферного воздуха
выше +7^2° С установлено понижение температуры грунта на 0,55—
2,9° С по сравнению с прилегающей неохлаждаемой зоной
грунта.

Термосваи, используемые в южных районах распространения
вечномерзлых грунтов, показали экономичность применения их,
особенно как сваи-стойки, поскольку при этом исключается необхо-
димость применения холодильных установок.

Автор конструкции термосваи Э. Л. Лонг полагает, что вместо
пропана в термосваях можно применять жидкую углекислоту и дру-
гие холодильные агенты, однако пропан по его свойствам, стоимости
и доступности предпочтительнее.

В тонкостенных конструкциях целесообразно применять бутан,,
а в термосваях малого диаметра — жидкую углекислоту.

§ 3. Применение других холодильных агентов
при непосредственном испарении их для замораживания грунтов

Кроме жидкого азота и пропана для непосредственного замора-
живания грунтов применяли аммиак и углекислоту. Жидкий аммиак
применяли при проходке шахтных стволов в СССР.

Жидкую углекислоту применяли при археологических раскопках
в Италии х, а также при сооружении опытного хранилища для
сжиженных газов в Торнтоне (Англия). Экспериментальная емкость
опытного хранилища цилиндрической формы диаметром и глубиною
1,5 м была пройдена в слабоцементированном глинистом песчанике.
Естественная весовая влажность песчаника 6,7—12,3%. Для ими-
тации водонасыщенного разреза производили искусственное обвод-
нение толщи песчаника до насыщения.

Первоначальное -охлаждение емкости осуществляли жидкой угле-
кислотой. Вследствие регулярного пополнения уровня углекислоты
через 50 сут в песчанике образовалась ледогрунтовая оболочка.
Толщина стенок оболочки по высоте была различна: у земной поверх-
ности она составляла около 0,9 м, а в нижней, донной, части 1,2 м.
Ледогрунтовая оболочка была сплошной и достаточно плотной,,
чтобы предотвратить утечки и потери бензина, заполнявшего
емкость.

Позже вместо бензина емкость заполнили жидким этиленом
(С2Н4) путем разбрызгивания его до отметки 1,3 м; этилен хранили

1 См. Н. Г. Т р у п а к. Замораживание грунтов в строительстве. Строй-
издат, М., 1970.

18 Н.$Г. Трупак 27&
лри температуре —105° С. Интенсивное испарение этилена наблю-
далось в течение первых 5 сут. За этот промежуток времени в емкость
было введено около 6 т жидкого этилена.

Увеличение толщины стены ледогрунтовой оболочки замедлилось
вследствие того, что установилось тепловое равновесие между
жидким этиленом и горными породами. К концу экспериментальных
работ толщина оболочки у земной поверхности была равна 1,2 м,
а у дна емкости 1,5 м. Наблюдения показали, что заметных утечек
этилена из хранилища не было.

Полученные результаты были использованы при проектировании
емкости объемом 135 м3 в заболоченном районе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Бахолдин Б. В. Выбор оптимального режима замораживания грун-
тов в строительных целях. М., Госстройиздат, 1963.

Беркович М. Я., Мавлютов М. Р. Ликвидация поглощений^
промывочной жидкости путем применения метода замораживания. М., ГосИНТИ,
1959.

Вялов С. С. и др. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов и расчеты
ледогрунтовых ограждений. М., изд. АН СССР, 1962.

Гончаров П. Е. О возможности применедия жидкого азота для вре-
менного крепления стенок скважин методом замораживания М., «Недра», 1965.
(«Труды ЦНИИгоросушения», вып. 4).

Долгой О. А. Методика расчеаа процесса замораживания при про-
ходке стволов шахт способом замораживания на большую глубину. — В сб. «За-
мораживание горных пород при проходке стволов шахт». М., изд. АН СССР,
1961.

Иванцов О. М. Подземное хранение жидких углеводородных газов.
М., Гостоптехиздат, 1961.

К а р а с'е в Ф. А. Проходка водопонизительных колодцев с заморажива-
нием пород. — В сб. «Проектирование и строительство угольных предприятий»,
М., «Недра», 1969, № 9.

Либерман Ю. М. Метод расчета толщины стенки ледопор одного
цилиндра. — В сб. «Замораживание горных пород при проходке стволов шахт».
М., Изд. АН СССР, 1961.

Маршак С. А. Проведение горизонтальных выработок способом замо-
раживания. — Е^сб. «Проектирование и строительство угольных предприятий»,
М-, «Недра», 1960, № 4.

Насонов И. Д. Замораживание фильтрующих горных пород. М.г
«Недра», 1968.

Николаенко А. Т. Восстановление главного ствола шахты № 1
«Новоградовка» при помощи искусственного замораживания. — «Уголь», 1946,
№ 4.

Поляков Н. М., Чижиков Н. И. Проведение горных выработок
специальными способами. М., Углетехиздат, 1962.

Розе Бернард. Замораживание водоносных грунтов жидким азо-
том. Реферативный журнал «Горное дело», 1964.

Рудерман Б. Г. Усовершенствование оборудования и схем ледо-
грунтовых ограждений при искусственном замораживании грунтов. М., изд.
ВДНХ, 1968.

Рудерман Б. Г. Модернизированная передвижная установка для за-
мораживания- грунтов. — «Городское хозяйство Москвы», 1969, № 3.

Стесин Е. Л., Карасев Ф. А. Проведение горизонтальных выра-
боток с применением подземной передвижной замораживающей установки. —
«Шахтное строительство», 1968, № 11.

Т р у п а к Н. Г. Замораживание грунтов в строительной индустрии.
Госстройиздат, 1948.
Т р у п а к Н. Г. Замораживание горных пород при проходке шахтных
^стволов. М., Углетехиздат, 1954.

Т р у п а к Н. Г. Замораживание грунтов в строительстве (примеры при-
менения). М., Госстройиздат, 1970.

Тютюнник П. М. Прочность и устойчивость замороженных горных
пород. М., «Недра», 1965.

Федюкин В. А. Проходка стволов шахт способом замораживания.
М., «Недра», 1968.

Хакимов X. Р. Вопросы теории и практики искусственного замора-
живания грунтов. М., изд. АН СССР, 1957.

Цытович Н. А. К теории равновесного состояния воды в мерзлых
грунтах. М., изд. АН СССР, 1945. (Серия географическая и геофизическая,
т. IX).

Ш и р а й Е. Н. Виброметод при проходке стволов шахт в плывунах.
М., Госгортехиздат, 1961.

Ширай Е. Н. и Жариков О. Л. Погружение замораживающих
колонок вибромолотом. — «Транспортное строительство», 1968, № 2.

Э т к и н С. Совмещение искусственного замораживания с химическим
закреплением грунта. — «Метрострой», 1969, № 7.

Alby М. Note sur des experiences de congelation des terrains. Paris, 1885.
La congelation des sols a 1’azote liquide. Applications la construction du Siphon
d’Asnieres del’emissaire Clichy-Arnieres. Genie Civil 1970, 147 № 2, 83—86. Con-
gelation de Sols a 1’arote liquide. Construction 1970, 25, № 3.

Krekler H. Der Wert des Tiefkalteverfahren den Schachtbau und die
Grenzen seiner Anwendbarkeit in technisher und Wissenschachlieher Hinsicht.
Gliickauf, 1919, № 31.

Lebreton. Memoire sur la methods de congelation de M. Poetsch pour
le fou^age de puits de mines en terraine aquiferes. Annales des Mines 1885 ser. 8.
t. VIII. Liquid Nitrogen Freezes Subsoil. Mining Journal. December 27, 1968.

Miller H. W. Gordon Brown T. P. Recent Development in Gro-
und Freezing. The Journal of Refrigeration. December 1967. Volume 10. Num-
ber 12. Swedes quick-freeze 39 ft tunnel Section. Engineering News Record 1970,
185, № 18, 13.

Walbrecker W. Versuche und Stiidien uber das Gerfrierverfahrens
in abgesetzte Schachten. Gliickauf, 1910, № 43—45,
ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Предисловие ....................................................... 3

РАЗДЕЛ I

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ

Глава I. Определение времени, затрачиваемого на заморажива-
ние грунтов ....................................................... 5

§ 1. Образование одиночного ледогрунтового цилиндра....... 5

§ 2. Образование ледогрунтовых водонепроницаемых перемычек 15

§ 3. Образование ледогрунтовых подпорных стен............... 20

. § 4. Образование ледогрунтовых ограждений цилиндрической
формы .................................................. 28

Глава II. Распределение температур в ледогрунтовом ограждении . . 43

§ 1. Распределение температур в главной плоскости........... 44

§ 2. Распределение температур в замковой плоскости.......... 46

§ 3. Средние температуры замороженного грунта в ледогрунто-
вом ограждении ............................................. 50

Глада III. Прочности замороженных грунтов......................... 55

§ 1. Образование замороженного грунта....................... 55

§ 2- Прочности замороженных грунтов...............-......... 57

§ 3. Фактрры, влияющие на прочность замороженных грунтов . . 70

§ 4. Изменение прочности замороженного грунта вокруг замора-
живающих колонок............................................ 74

§ 5. О реологических свойствах замороженных грунтов......... 78

Глава IV. Расчеты прочности цилиндрических ледогрунтовых огражде-
ний .............................................................. 82

§ 1. Общие положения ....................................... 82

§ 2. Методы расчетов толщины стен ледогрунтовых ограждений,
состоящих из жесткоупругого материала............... 89

§ 3. Анализ расчетных формул........................ 105

§,4. Ледогрунтовые днища............................ 116

Глава V. Определение оптимальных расстояний между заморажива-
ющими скважинами.................................................. 120

§ 1. Общие положения ...................................... 120

§ 2. Образование водонепроницаемых ледогрунтовых перемычек 124

§ 3. Образование многорядных ледогрунтовых стен и массивов 135

§ 4. Анализ расчетных формул........................ 142

§ 5. Определение числа замораживающих колонок при образо-
вании ледогрунтового днища в стволе шахты.................. 152
РАЗДЕЛ II

ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ ПО ЗАМОРАЖИВАНИЮ ГРУНТОВ

Глава VI. Бурение замораживающих скважин и погружение заморажи-
вающих колонок ................................................. 154

§ 1. Бурение вертикальных замораживающих скважин .......... 157

§ 2. Бурение горизонтальных замораживающих скважин .... 158

Глава VII. Передвижные замораживающие станции.................. 167,

§ 1. Наземные передвижные замораживающие станции.......... 167

§ 2. Подземные передвижные замораживающие станции......... 180

Глава VIII. Замораживание грунтов при сооружении наклонных выработок 184

§ 1. Общие сведения ...................................... 184

§ 2. Примеры применения способа замораживания............. 197

Глава IX. Замораживание грунтов при сооружении горизонтальных гор-
ных выработок.................................................. 204

§ 1. Общие сведения ...................................... 204

§ 2. Проведение горизонтальных горных выработок .......... 213

§ 3. Сооружение подземных коллекторов . . ................ 222

Глава X. Применение замораживания грунтов при сооружении тон-
нелей .......................................................... 228

§ 1. Тоннель метро под р. Фурукава в г. Токио............. 228

§ 2. Тоннель метро под р. Мегурогава в г. Токио.......... 232.

§ 3. Тоннель Парижского метрополитена..................... 235

§ 4. Транспортный тоннель в г. Стокгольме................. 238

§ 5. Гидротехнический тоннель ............................ 240

Глс1ва XI. Применение жидких холодильных агентов при непосредствен-
ном испарении их для замораживания грунтов..................... 248

§ 1. Применение жидкого азота............................. 248

§ 2. Применение жидкого пропана для устройства термосвай
Лонга ...................................................‘ 264

§ 3. Применение других холодильных агентов при непосредствен-
ном испарении их для замораживания грунтов................ 273

Список литературы .............................................. 275
НИКОЛАЙ ГРИГОРЬЕВИЧ ТРУПАК

ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГРУНТОВ
В ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Редактор издательства Э. Н. Чернегова
Технические редакторы: В. В. Максимова,
Л. Г. Лаврентьева

Переплет художника Н. Я. Вовк
Корректор Э. А. Ляхова

Сдано в набор 13/VII 1973 г.

Подписано в печать 2 5/Х 1973 г.
Т-17722. Формат 60 X 901/ie-
/ Бумага № 2. Печ. л. 17,5.

Уч.-изд. л. 18,9. Тираж 2700 экз.
Заказ Ка 411/4747-9. Пена! р. 18 к.

Издательство «Недра», 103633, Москва,
К-12, Третьяковский проезд, 1/19.

Ленинградская типография № 6
«Союзполиграфпрома»
при Государственном комитете Совета
Министров СССР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли.

196006, г. Ленинград, Московский пр. 91.
УВАЖАЕМЫЙ ТОВАРИЩ!

В издательстве «Недра»
готовятся к печати новые книги

МОСТКОВ В. М. Подземные сооружения большого сечения.

Изд. 2, перераб. и доп. 20 л. 1 р. 40 к.

В книге рассмотрены состояние и перспективы строительства
подземных сооружений большого сечения (100 м2 и более). Указаны
пути облегчения подземных конструкций, отражена специфика
анкерной и набрызг-бетонной крепей, описаны конструкции из глу-
боких предварительно напряженных анкеров. Приведены методы
определения нагрузок на крепь в скальных породах, и расчета
облегченных крепей, описаны современные методы расчета подзем-
ных конструкций на ЭВМ (методы конечных элементов и др.). При-
ведены результаты комплексных исследований подземных конструк-
ций и окружающего массива и примеры для конкретных объектов.

Проанализированы современные способы проходки выработок
большого поперечного сечения и определения параметров производ-
ственных процессов (буро-взрывные, погрузочно-транспортные, кре-
пежные, бетонные и вспомогательные работы). Описана рациональ-
ная комплексная механизация проходческих и бетонных работ,
разработана методика определения скоростей проходки и парамет-
ров цикла, даны положения по научной организации труда и основы
автоматизированной системы проектирования организации и произ-
водства подземных работ.

Книга предназначена для научных и инженерно-технических
работников, занятых исследованием, проектированием и строительст-
вом подземных сооружений, а также может быть полезна преподава-
» телям и студентам горных, строительных и транспортных вузов.

Проектирование породных комплексов. 18 л. 1 р. 25 к.
Авт.: Кузнецов К. К., Митейко А. И., Смородинов М. И. и др.

В книге дана классификация породных комплексов угольных
предприятий; рассмотрены перспективные технологические схемы и
оборудование новых типов породных комплексов вновь строящихся,
реконструируемых п действующих шахт и обогатительных фабрик.

Сформулированы задачи проектирования индивидуальных и
центральных (групповых) породных хозяйств, изложены инженер-
ные методы расчета их технологических схем и узлов. Приведена
методика выбора рациональных технологических схем, типов и па-
раметров транспортного и отвального оборудования при конкретном
проектировании.

Для технико-экономического обоснования проектных решений
предложены стоимостные параметры по основным и вспомогатель-
ным процессам и узлам индивидуального и централизованного по-
родного хозяйства; даны их экономико-математические модели и
алгоритмы реализации на ЭВМ, определены основные технические
направления по совершенствованию породоотвалъного хозяйства.

Книга предназначена для инженерно-технических работников
проектных, научных и шахтостроительных организаций и может быть
полезна преподавателям и студентам горных вузов и факультетов.

Интересующие Вас книги Вы можете приобрести в местных книжных
магазинах, распространяющих научно-техническую литературу или заказать
через отдел «книга-почтой» магазинов:

№ 17—199178- Ленинград, В-О., Средний проспект^ 61;

№ 59 —127412- Москва, И-412> Коровинское шоссе, 20*

Издательство «Недра*