CC BY
20
© П.В. Николаев, 2014
УДК 69.035.4:622.253.3 П.В. Николаев
ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ В ГОРОДСКОМ ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Приведен обзор опыта внедрения способа искусственного замораживания грунтов с использованием твердого диоксида углерода. Дается опенка основных достоинств и недостатков существующей технологии. Представлены новые технологические схемы призванные расширить область применения твердого диоксида углерода в городском подземном строительстве. Сформулированы основные проблемы, препятствующие их внедрению в практику искусственного замораживания. Определены основные направления дальнейших исследований и доказана их актуальность. Ключевые слова: спепиальные способы строительства; искусственное замораживание грунтов; городское подземное строительств; ресурсосберегающие технологии; твердый диоксид углерода; «Сухой лед».
Перспективным направлением совершенствования способа искусственного замораживания грунтов в городском подземном строительстве, является разработка новых мобильных способов замораживания с использованием твердых криоагентов
Твердый диоксид углерода
| Углекислый газ
Рис. 1. Технология замораживания грунтов с непосредственной загрузкой твердого диоксида углерода в замораживающие колонки
позволяющих повысить технико-экономические показатели строительства.
Данная задача была впервые поставлена, и частично решена в Московском Государственном Горном Университете. [1] Было установлено, что наиболее перспективным является применения в качестве хладагента - диоксида углерода (С02).
Был предложен ряд технологических схем, которые принципиально можно разделить на две группы:
1. Технологические схемы с непосредственной загрузкой твердого диоксида углерода в замораживающие колонки (рис. 1).
2. Технологические схемы с использованием промежуточного хла-доносителя, для передачи тепла от массива грунта, твердому диоксиду углерода (рис. 2 и рис. 3).
Принципиально технология производства работ в схемах первой группы (рис. 1) подразумевает, что твердый криоагент является хладоносителем [1]. Замораживание грунтов осуществляется через заглушенную в нижней части трубу (колонку), которая периодически по мере сублимации заполняется твер-
Рис. 2. Технология замораживания грунтов, с использование твердого диоксида углерода в качестве хладагента, при протекании хладоносителя по трубам испарителя
дым диоксидом углерода. За счет притока тепла из окружающих грунтов диоксид углерода сублимирует, при этом температура опускается до -80 °С.
Максимальная глубина при этом ограничена 40 м. Это обусловлено тем, что процесс сублимации прекращается при давление, большим чем 0.517 МПа. Газ диоксида углерода по мере его накопления поднимается вверх и, пройдя всю колонку по высоте, выбрасывается наружу.
С применением искусственного замораживания грунтов с непосредственной загрузкой твердого диоксида в замораживающие колонки построено больше десятка объектов в г. Москве: строительство подземного гаража в районе ВДНХ; строи-
Рис. 3. Технология замораживания грунтов, с использование твердого диоксида углерода в качестве хладагента, при его непосредственном контакте с хладоносителем в специальном баке
тельство «Южного канала» при пересечение Курской железной дороги; при строительстве магистрального канализационного коллектора от ул. Богатырский мост на существующие набережные р. Яуза в районе завода «Красный богатырь» в Москве и на строительстве Лефортовских тоннелей 3-го транспортного кольца в Москве и др. [2], [3].
Анализ опыта строительства показал, что этот способ имеет преимущества: не требуется вода, электроэнергия, уменьшается количество труб, значительно сокращаются сроки подготовительного периода и активного замораживания.
Недостатками данной технологии замораживания грунтов является
сложность контроля равномерного заполнения колонок сухим льдом по глубине, и как следствие этого большие сложности с обеспечение равномерное теплового потока от грунта через стенку колонки. Низкая интенсивность теплоотдачи от стенки замораживающей колонкой к диоксиду углерода, в следствии образования газовой прослойки на их контакте.
В работе [1] предложены варианты данной технологической схемы, позволяющие интенсифицировать процесс теплоотдачи: подача в колонки сжатого воздуху; создание вакуума в замораживающей колонке; заполнение замораживающей колонки незамерзающей жидкостью. Однако, данный варианты являются технологически трудными и сложны в реализации.
Существенным недостатком также является тот факт, что данные технологические схемы не применимы при замораживания массива грунта горизонтальными замораживающими колонками.
Технологические схемы второй группы (рис. 2, 3) предложенные в работе [1], подразумевают использование диоксида углерода, в качестве хладагента, воспринимающего тепло от грунта, посредства промежуточного теплоносителя. Данный способ по сути является комбинацией рассольного способа и способа замораживания грунтов с применением твердых крио-агентов в качестве хладоносителя.
По схеме (рис. 2) замораживающая система состоит из резервуара в который загружается твердый диоксид углерода, и рассольной сети. В данный резервуар установлен змеевик из труб, по которым циркулирует хладо-носитель, при этом происходит процессе теплопередачи от жидкости к твердому диоксиду углерода. Данная технологическая схема описана в работах [5], [6], [7].
Другим возможным вариантом реализации данной технологической схе-
мы может быть представленный на рис. 3. Хладоноситель поступает непосредственно в емкость, где содержится твердый диоксид углерода, в процессе контакта диоксида углерода и хладоно-сителя, диоксид отнимает тепло от хла-доносителя, и при этом сублимирует.
По мере протекания теплообмена, и сублимации двуокиси углерода, емкости пополняются.
Рассольная сеть, при этом аналогична обычному рассольному замораживанию.
Применение твердого диоксида углерода в качестве хладагента по нашему мнению является наиболее перспективной технологией, развитие которая позволит существенно расширить практику применения искусственного замораживания грунтов в городском подземном строительстве.
Скорейшему внедрению данной технологии в практику препятствуют ряд нерешенных вопросов, в частности:
• Не найден достаточно безопасный и дешевых хладоноситель;
• Не определен коэффициент теплопередачи от хладоносителя к твердому диоксиду углерода, и от хла-доносителю к стенки трубы змеевика испарителя;
• Не определены основные технологические зависимости позволяющие прогнозировать процесс замораживания.
Решение данных и других вопросов позволит осуществить внедрение данной технологии в практику. Это обеспечивает:
• Уменьшение общего времени искусственного замораживания грунтов до 3 раз и более;
• Уменьшения требований к квалификации рабочих, эксплуатирующих замораживающую станцию;
• Размещение замораживающей станции в стесненных условиях;
• Экономию материальных ресурсов, воды и электроэнергии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шуплик М.Н. Обоснование и разработка ресурсосберегающих технологий
замораживания грунтов при строительстве
городских подземных сооружений, Дис. ... д. техн. наук., 1989.
2. Шуплик М.Н., Плохих В.А., Никифоров К.П., Киселев В.Н. Перспективы технологии замораживания грунтов в подземном строительстве // Подземное пространство мира, 2001, № 4, - С. 28-38.
3. Никифоров К.П., Киселев В.Н., Де-планьи Е.А. Применение твердого холодо-носителя («сухого льда») для искусственного замораживания грунта // Подземное пространство мира. 2000. № 3. - С. 24-28.
4. Шуплик М.Н., Борисенко В.Н. Современные способы замораживания грунтов с применением твердых криоагентов, ГИАБ, 2004, № 1, - С. 227-232.
5. Шуплик М.Н., Борисенко В.Н. Технология искусственного замораживания грунтов с применением твердых криоагентов в подземном строительстве, ГИАБ, 2004, № 6,- С. 281-283.
6. Шуплик М.Н., Борисенко В.Н. Технология искусственного замораживания грунтов с применением твердых криоагентов в подземном строительстве, ГИАБ, 2006, № 8,- С. 381-384.
7. Способ замораживания грунтов при строительстве подземных сооружений: пат. 2235827 Рос. Федерация: МПК Б0203/115, Б2Ю1/12 / Шуплик М.Н., Плохих В.А., Никифоров К.П., Киселев В.Н., Борисенко В.Н.; заявитель и патентообладатель Г0У ВП0 Московский государственный горный университет. - № 2003108431/03; заявл. 28.03.2003; опубл. 10.09.2004. 1ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Николаев Петр Владимирович - аспирант, e-mail: PeNi@bk.ru, Московский государственный горный университет.
Научный руководитель: Шуплик Михаил Николаевич - доктор технических наук, профессор.
А
UDC УДК 69.035.4:622.253.3
EXPERIENCE AND PROSPECTS OF RESOURCE TECHNOLOGIES FREEZING SOILS IN THE URBAN UNDERGROUND CONSTRUCTION
Nikolaev P.V., Graduate Student, e-mail: PeNi@bk.ru, Moscow State Mining University.
The article provides an overview of experience implementing the method of artificial soil freezing with solid carbon dioxide. Assesses the main advantages and disadvantages of existing technology. Presented new technological schemes designed to expand the scope of application of solid carbon dioxide in the urban underground construction. Formed the main problems impeding their im-plementation in practice of artificial freezing. The main directions of further re-search and prove their relevance.
Key words: special construction methods; artificial freezing of soils; urban underground construction; saving technologies; solid carbon dioxide; «Dry ice».
REFERENCES
1. Shchuplik M.N. Basis and Design of Resource-Saving Soil-Freezing Technologies in Construction of City-Owned Underground Utilities, Dr Eng Dissertation. 1989.
2. Shchuplik M.N., Plokhikh V.A., Nikiforov K.P., Kiselev V.N. Prospects of Soil Freezing in Underground Construction, Podzemnoe prostranstvo mira - The Underground Environment Journal, 2001, No. 4, pp. 28-38.
3. Nikiforov K.P., Kiselev V.N., Deplani E.A. Use of Heat-Adsorbing Medium (Dry Ice) in Artificial Freezing of Soil, Podzemnoe prostranstvo mira—The Underground Environment Journal, 2000, No. 3, pp. 24-28.
4. Shuplik M.N., Borisenko V.N. Sovremennye sposoby zamorazhivanija gruntov s primeneniem tverdyh krioagentov, GIAB, 2004, № 1, - S. 227-232.
5. Shuplik M.N., Borisenko V.N. Tehnologija iskusstvennogo zamorazhivanija gruntov s primeneniem tverdyh krioagentov v podzemnom stroitel'stve, GIAB, 2004, № 6, - S. 281-283.
6. Shuplik M.N., Borisenko V.N. Tehnologija iskusstvennogo zamorazhivanija gruntov s primeneniem tverdyh krioagentov v podzemnom stroitel'stve, GIAB, 2006, № 8, - S. 381-384.
7. Sposob zamorazhivanija gruntov pri stroitel'stve podzemnyh sooruzhenij: pat. 2235827 Ros. Federacija: MPK E02D3/115, E21D1/12 / Shuplik M.N., Plohih V.A., Nikiforov K.P., Kiselev V.N., Borisenko V.N.; zajavitel' i patentoobladatel' GOU VPO Moskovskij gosudarstvennyj gornyj universitet. - № 2003108431/03; zajavl. 28.03.2003; opubl. 10.09.2004.
- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(ПРЕПРИНТ)
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ ГОРНОГО И НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Поварницын С.В., Лукьянов В.Г., Шмурыгин В.А., Крец В.Г., Антропова Н.А., Донг Ван Хоанг, Давыдова А.Е., Чухарева Н.В., Шадрина А.В., e-mail: Natasha@tpu.ru
Институт природных ресурсов, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, e-mail: eikor@mail.ru
Рассмотрены вопросы эффективного использования горнопроходческого оборудования, приведена комплексная оценка надежности технологических схем проходки горных выработок, используемых для различных задач. Приведена оценка влияния параметров ударной системы на гранулометрический состав шлама при ударно-поворотном бурении. Рассмотрены приводы запорной трубопроводной арматуры, используемой на трубопроводах, транспорти-руюших природный газ. Выявлены проблемы существующих конструкций резервуаров горизонтального типа, возникающие в процессе их зачистки. Предложены технические решения, позволяющие повысить эффективность очистки от донных отложений в резервуарах горизонтального типа.
Ключевые слова: бурение скважин, горизонтально-направленное бурение, микротонне-лирование, проходческие комплексы, горные работы, горные выработки, комплексы оборудования, самоходное оборудование, продолжительность цикла, проходческий цикл, надежность, технологическая схема, организация труда.
TOPICAL ISSUES OF RELIABILITY OF MINING AND OIL AND GAS EQUIPMENT
Povarnitsyn S.V., Shmurygin V.A., Lukyanov V.G., Krets V.G., Antropova N.A., Dong Wan Hoang, Davydova A.E., Chukhareva N.V., Shadrina A.V.
This paper summarizes the issues of determining and optimization the force characteristics resulting from the interaction of the drilled displacement tools with the soil in the process of horizontal directional drilling. The article focuses on effective use of expensive selfpropelled machinery and flow sheets in prospecting drivage. The authors offer the integrated assessment technique for tunneling reliability, with quantitative accounting for level of job engineering and socio-economic factors. The articles reviews shortcomings revealed in cleaning of the existing horizontal oil storage tanks and offers technical solutions towards better cleaning of bottom sediments, enhanced safety of cleaning and lower hand-work factor. The article reports experimental investigation of percussive drilling in granite and assessment of the effect of the percussive system performance on grain-size composition of drill cuttings.
Key words: Drilling wells, horizontal directional drilling, microtunneling, tunneling equipment, mining operations, mine workings, machine complexes, selfpropelled equipment, cycle time, drifting cycle, breakage, percussive system parameters, drill bit, grainsize composition, drill cuttings, oil, tank, design, bottom sediments, cleaning, modernization, safety, reliability, flow sheet, job engineering.
