RU2781771C1 - Method for freezing soil - Google Patents
Method for freezing soil Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781771C1 RU2781771C1 RU2021120454A RU2021120454A RU2781771C1 RU 2781771 C1 RU2781771 C1 RU 2781771C1 RU 2021120454 A RU2021120454 A RU 2021120454A RU 2021120454 A RU2021120454 A RU 2021120454A RU 2781771 C1 RU2781771 C1 RU 2781771C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- freezing
- soil
- pit
- perimeter
- flow rate
- Prior art date
Links
- 238000007710 freezing Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 38
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 43
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 abstract description 8
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 abstract 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 description 5
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 5
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 241000719190 Chloroscombrus Species 0.000 description 1
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 241000566515 Nedra Species 0.000 description 1
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic Effects 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к упрочнению грунта, в частности к осушению котлованов замораживанием, и может быть применено при обустройстве ремонтного котлована на трубопроводе в переувлажненных и заболоченных грунтах. Искусственное замораживание грунтов при разработке котлована дает возможность сделать прочное ограждение прямоугольного или кругового очертания из замороженного грунта, которое препятствует проникновению водонасыщенных неустойчивых грунтов или грунтовой воды в сооружаемую выработку. Такое ограждение воспринимает давление грунта, окружающего котлован или выработку, а также гидростатическое давление грунтовых вод. Как правило, для замораживания грунтов используется хладагент.SUBSTANCE: invention relates to soil strengthening, in particular, to draining pits by freezing, and can be used in arranging a repair pit on a pipeline in waterlogged and waterlogged soils. Artificial freezing of soils during the development of a pit makes it possible to make a solid fence of a rectangular or circular shape from frozen soil, which prevents the penetration of water-saturated unstable soils or groundwater into the mine. Such a fence perceives the pressure of the soil surrounding the pit or working, as well as the hydrostatic pressure of groundwater. As a rule, a refrigerant is used to freeze soils.
Известен способ замораживания грунтов при строительстве подземных сооружений, включающий бурение скважин с установкой в них замораживающих колонок, охлаждение хладоносителя посредством холодильной установки и циркуляцию хладоносителя по замораживающим колонкам [Шуплик М.Н., Месхидзе Я.М., Королев И.О. и др. Строительство подземных сооружений: Справочное пособие. М.: Недра, 1990, с. 132-200].A known method of freezing soils during the construction of underground structures, including drilling wells with the installation of freezing columns in them, cooling the coolant through a refrigeration unit and circulating the coolant through the freezing columns [Shuplik M.N., Meskhidze Y.M., Korolev I.O. and other Construction of underground structures: Reference manual. M.: Nedra, 1990, p. 132-200].
Недостатками этого способа являются значительные затраты энергии на охлаждение хладоносителя и большие сроки замораживания грунтов.The disadvantages of this method are significant energy costs for cooling the coolant and long periods of soil freezing.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является «Способ изолирования зоны подземной выработки от подземных вод» по патенту RU 2211894, МПК E02D 19/14, опубликовано 10.09.2003. Способ изолирования зоны ведения работ - зоны подземной выработки от подземных вод путем создания ледогрунтового ограждения с использованием метода азотного замораживания, включающий бурение скважин с установкой в них замораживающих колонок с жидким хладоносителем, которые соединяют с резервуаром, заполненным криоагентом с обеспечением циркуляции охлажденного жидкого хладоносителя по замораживающим колонкам. Процесс азотного замораживания включает стадию постепенного охлаждения замораживаемой области газообразным азотом. Недостатком такого способа является завышенная трудоемкость и перерасход криоагента из-за того, что по нему сначала устанавливают неопределенное количество замораживающих колонок и затем обеспечивают минимальную потребную толщину ледогрунтового барьера по всему периметру ремонтного котлована, что в связи с неоднородностью грунтов приводит к перерасходу криоагента.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed technical solution is the "Method of isolating the underground working zone from groundwater" according to patent RU 2211894, IPC E02D 19/14, published on 10.09.2003. A method for isolating a work area - an underground working zone from groundwater by creating an ice-ground enclosure using the nitrogen freezing method, including drilling wells with the installation of freezing columns with a liquid coolant in them, which are connected to a tank filled with a cryoagent to ensure circulation of the cooled liquid coolant through the freezing columns. The nitrogen freezing process includes the step of gradually cooling the area to be frozen with nitrogen gas. The disadvantage of this method is the overestimated labor intensity and overexpenditure of the cryoagent due to the fact that an indefinite number of freezing columns are first installed on it and then the minimum required thickness of the ice-ground barrier around the entire perimeter of the repair pit is provided, which, due to the heterogeneity of soils, leads to overexpenditure of the cryoagent.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании заявляемого изобретения, и которая не могла быть решена при осуществлении аналогов изобретения, является снижение трудоемкости работ по монтажу замораживающих колонок и оптимизация расхода криоагента для обеспечения минимально потребной толщины ледогрунтового барьера по всему периметру ремонтного котлована.The technical problem, the solution of which is provided by the use of the claimed invention, and which could not be solved by the implementation of analogs of the invention, is to reduce the labor intensity of the installation of freezing columns and optimize the consumption of the cryoagent to ensure the minimum required thickness of the ice-ground barrier around the entire perimeter of the repair pit.
Для решения этой проблемы предлагается в известном способе изолирования зоны подземной выработки от подземных вод, включающем установку в указанной зоне нескольких зональных замораживающих устройств и создание по периметру ремонтного котлована ледогрунтового ограждения путем азотного замораживания, при этом необходимое число замораживающих устройств определять, исходя из следующегоTo solve this problem, it is proposed in a known method of isolating the underground working zone from groundwater, including the installation of several zonal freezing devices in the indicated zone and the creation of an ice-ground barrier along the perimeter of the repair pit by nitrogen freezing, while the required number of freezing devices is determined based on the following
, где , where
N - число замораживающих устройств;N is the number of freezing devices;
k - коэффициент, учитывающий теплофизические параметры грунта;k - coefficient taking into account the thermal parameters of the soil;
Р - периметр котлована, м;P is the perimeter of the pit, m;
Н - длина замораживающих устройств, м;H - length of freezing devices, m;
q - стандартный удельный расход хладагента, л/м3;q - standard specific refrigerant consumption, l/m 3 ;
Q - расход жидкого азота, л.Q - liquid nitrogen consumption, l.
Использование такого способа, учитывающего параметры грунта при определении оптимального числа замораживающих устройств для обеспечения ледогрунтового ограждения планируемого котлована, приводит к снижению трудоемкости подготовительных работ и оптимизации расхода криоагента.The use of this method, which takes into account soil parameters when determining the optimal number of freezing devices to provide an ice-soil fence of the planned excavation, leads to a decrease in the labor intensity of preparatory work and optimization of the cryoagent consumption.
На фиг. 1, иллюстрирующей уровень техники, показано продольное сечение известного устройства для зонального замораживания грунтов, для использования которого подходит заявляемый способ. На фиг. 2 схематически представлено образование ледогрунтового барьера длиной L с разным расстоянием между замораживающими колонками xi.In FIG. 1, illustrating the prior art, shows a longitudinal section of a known device for zonal soil freezing, for which the claimed method is suitable. In FIG. 2 schematically shows the formation of an ice-ground barrier of length L with different distances between the freezing columns x i .
Устройство для зонального азотного замораживания грунтов содержит корпус 1 замораживающей колонки с оголовником 2, центральной питающей трубой 3, обтекателем 4. Центральная питающая труба 3 соединена с распределительными патрубками 8 в уровне основания обтекателя 4 посредством переходника и уплотнительного устройства 10 в виде криогенного испарителя. Распределительные патрубки 8 выполнены с перфорацией, охватывают нижнюю часть обтекателя 4 и могут быть выполнены как вертикальными, так и спиралевидными. В верхней зоне обтекатель 4 снабжен отбойниками, которые могут быть выполнены в виде наклонных лопаток, а также могут быть снабжены по краям зубчатой перфорацией (условно не показано). Устройство устанавливают в корпус 1 замораживающей скважины. Обозначения LN2 - жидкий азот, GN2 - газообразный азот.The device for zonal nitrogen freezing of soils contains a
Как известно проектирование ледогрунтового ограждения основано на предположении, что ледогрунтовое ограждение состоит из касающихся правильных цилиндров с осью – колонкой, длиной равной глубине погружения колонки. Поэтому принята следующая формула расчета расхода хладагента на создание ледогрунтового барьера замкнутой формыAs is known, the design of an ice-ground barrier is based on the assumption that the ice-ground barrier consists of tangent regular cylinders with an axis - a column, with a length equal to the depth of the column. Therefore, the following formula for calculating the refrigerant consumption for the creation of an ice-ground barrier of a closed form was adopted
, ,
гдеwhere
D - диаметр замороженных цилиндров,D - diameter of frozen cylinders,
Н - длина замороженных цилиндров,H is the length of frozen cylinders,
Р - периметр разрабатываемого котлована,P - the perimeter of the excavation being developed,
n - шаг охладительных свай,n - step of cooling piles,
q - расход хладагента на замораживание 1 м3 грунта.q - coolant consumption for freezing 1 m 3 of soil.
Вместе с тем, исходя из непрерывности барьера, величина диаметра замороженных цилиндров D равна шагу n охладительных свай: D=n, а число свай N, образующих периметр котлована Р, связано с шагом n соотношениемAt the same time, based on the continuity of the barrier, the diameter of the frozen cylinders D is equal to the pitch n of the cooling piles: D=n, and the number of piles N, forming the perimeter of the pit P, is related to the pitch n by the relation
. .
Кроме того, известно, что величина удельного расхода хладагента на замораживание 1 м3 грунта зависит от множества факторов: от вида, структуры его, влажности, температуры и для болот средней полосы колеблется от 600 до 1000 л/м3.In addition, it is known that the value of the specific refrigerant consumption for freezing 1 m 3 of soil depends on many factors: on its type, structure, humidity, temperature, and for swamps in the middle zone ranges from 600 to 1000 l / m 3 .
Возьмем за основу величину 1000 л/м3 и введем коэффициент k, учитывающий изменение удельной характеристики грунтов в месте использования заявляемого способа.We take as a basis the value of 1000 l/m 3 and introduce the coefficient k, which takes into account the change in the specific characteristics of soils at the place of use of the proposed method.
Сделав соответствующие подстановки в формулу (1) и сократив одинаковые параметры в числителе и знаменателе, получим следующую формулу для определения числа охладительных свай ледогрунтового ограждения планируемого котлованаHaving made the appropriate substitutions in formula (1) and reducing the same parameters in the numerator and denominator, we obtain the following formula for determining the number of cooling piles of the ice-soil fence of the planned excavation
, ,
гдеwhere
k - коэффициент, учитывающий теплофизические параметры грунта;k - coefficient taking into account the thermal parameters of the soil;
Р - периметр котлована, м;P is the perimeter of the pit, m;
Н - длина замораживающих устройств, м;H - length of freezing devices, m;
q - стандартный удельный расход хладагента, л/м3;q - standard specific refrigerant consumption, l/m 3 ;
Q - расход жидкого азота, л.Q - liquid nitrogen consumption, l.
Используя формулу определения числа замораживающих устройств с учетом реальных теплофизических характеристик грунта на разных сторонах планируемого котлована, как в показанном далее примере, можно получить снижение трудоемкости бурения и монтажа на 10-20% и сокращение расхода хладагента на величину до 10%.Using the formula for determining the number of freezing devices, taking into account the actual thermal and physical characteristics of the soil on different sides of the planned excavation, as in the example shown below, it is possible to reduce the complexity of drilling and installation by 10-20% and reduce the coolant consumption by up to 10%.
Пример использования способа. Для создания ремонтного котлована квадратной формы 5×5 м, примыкающего одной стороной к краю болота, были определены характеристики грунта по четырем сторонам периметра, которые показали в сравнении с известными данными, что одна из сторон котлована потребует удельного расхода 600 л/м3, а три других – стандартного для 1 м3 грунта с содержанием до 30% воды 1000 л жидкого азота. Подставив численные значения в формулу, получили, что для трех сторон котлована необходимо по 5 замораживающих устройств, а для одной стороны достаточно 3-х замораживающих устройств. Таким образом, число необходимых для обеспечения ледогрунтового ограждения котлована замораживающих устройств сократилось с 20 до 18, то есть трудоемкость бурения и монтажа сократилась на 10%. Так как все охладительные сваи соединены и питались одновременно, экономия расхода жидкого азота также составила 10%. Работы по замораживанию начинаются с бурения скважин и установки в них колонок замораживающих с питающими трубами. Параллельно ведутся работы по сооружению замораживающей станции, жидкий азот используется однократно (газ выпускается в окружающую среду). Жидкий азот, доставленный на стройплощадку, пускается из цистерн сразу в замораживающие колонки. Жидкий азот доставляется в цистернах вместимостью 1200, 3000 и 5000 л и более, смонтированных на автомобилях. Замораживающие колонки при низкотемпературном замораживании соединяются в одну систему последовательно. Жидкий азот поступает в питающую (внутреннюю) трубу первой замораживающей колонки. В кольцевом пространстве колонки происходит испарение жидкого азота, образовавшийся газ поднимается к оголовку колонки, откуда по трубопроводу затем поступает в питающую трубу соседней колонки и т.д. В атмосферу он поступает из последней колонки системы с температурой порядка минус 40°С.An example of using the method. To create a repair pit of a square shape 5 × 5 m, adjacent to the edge of the swamp on one side, soil characteristics were determined on four sides of the perimeter, which showed, in comparison with known data, that one of the sides of the pit would require a specific flow rate of 600 l / m 3 , and three others - standard for 1 m 3 soil with a content of up to 30% water 1000 l of liquid nitrogen. Substituting the numerical values into the formula, we found that 5 freezing devices are needed for three sides of the pit, and 3 freezing devices are enough for one side. Thus, the number of freezing devices required to provide the ice-ground enclosure of the excavation was reduced from 20 to 18, that is, the complexity of drilling and installation was reduced by 10%. Since all the cooling piles are connected and fed at the same time, the savings in liquid nitrogen consumption was also 10%. Freezing work begins with drilling wells and installing freezing columns with supply pipes in them. In parallel, work is underway to build a freezing station, liquid nitrogen is used once (gas is released into the environment). Liquid nitrogen delivered to the construction site is discharged from tanks directly into freezing columns. Liquid nitrogen is delivered in tanks with a capacity of 1200, 3000 and 5000 liters and more, mounted on vehicles. Freezing columns for low-temperature freezing are connected in series in one system. Liquid nitrogen enters the feed (inner) pipe of the first freezing column. In the annular space of the column, liquid nitrogen evaporates, the resulting gas rises to the head of the column, from where it then flows through the pipeline into the supply pipe of the adjacent column, etc. It enters the atmosphere from the last column of the system with a temperature of about minus 40°C.
Об образовании ледогрунтового замкнутого ограждения судят по повышению уровня воды в пробуренной специальной гидрогеологической контрольной скважине. Когда на одном из водоносных горизонтов заканчивается образование замкнутого ледогрунтового ограждения и начинается его утолщение, вода внутри замороженного контура попадает под давление утолщающихся стен ограждения, и происходит поднятие в контрольной скважине ее уровня.The formation of an ice-ground closed enclosure is judged by the increase in the water level in a drilled special hydrogeological control well. When the formation of a closed ice-ground barrier ends on one of the aquifers and its thickening begins, the water inside the frozen contour falls under the pressure of the thickening walls of the barrier, and its level rises in the control well.
После завершения ремонтных работ переходят к оттаиванию грунтов замороженных, которое может осуществляться либо естественным путем, либо искусственно, посредством нагнетания нагретой воды или рассола в колонки.After the repair work is completed, the frozen soils are thawed, which can be carried out either naturally or artificially, by pumping heated water or brine into the columns.
Claims (8)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2781771C1 true RU2781771C1 (en) | 2022-10-17 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2156420B2 (en) * | 1970-11-16 | 1977-07-14 | Union Carbide Canada Ltd., Toronto, Ontario (Kanada) | DEVICE FOR FLOOR FREEZING USING LIQUID NITROGEN |
SU1138506A1 (en) * | 1983-03-17 | 1985-02-07 | Всесоюзный Научно-Исследовательский И Проектно-Конструкторский Институт По Осушению Месторождений Полезных Ископаемых,Специальным Горным Работам,Рудничной Геологии И Маркшейдерскому Делу | Rock-freezing method |
RU2003806C1 (en) * | 1990-11-22 | 1993-11-30 | Bakulin Andrej V | Method of freezing soils and rocks |
RU2211894C1 (en) * | 2002-07-05 | 2003-09-10 | Открытое акционерное общество по строительству метрополитена в городе Санкт-Петербурге "Метрострой" | Process isolating zone of underground excavation from underground water and method of mounting of water inlet equipment in technological well |
RU2015145104A (en) * | 2015-10-20 | 2017-05-03 | Юрий Викторович Пономаренко | The method of construction of cryogenic antifiltration curtains by forcing supercooled air into the ground |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2156420B2 (en) * | 1970-11-16 | 1977-07-14 | Union Carbide Canada Ltd., Toronto, Ontario (Kanada) | DEVICE FOR FLOOR FREEZING USING LIQUID NITROGEN |
SU1138506A1 (en) * | 1983-03-17 | 1985-02-07 | Всесоюзный Научно-Исследовательский И Проектно-Конструкторский Институт По Осушению Месторождений Полезных Ископаемых,Специальным Горным Работам,Рудничной Геологии И Маркшейдерскому Делу | Rock-freezing method |
RU2003806C1 (en) * | 1990-11-22 | 1993-11-30 | Bakulin Andrej V | Method of freezing soils and rocks |
RU2211894C1 (en) * | 2002-07-05 | 2003-09-10 | Открытое акционерное общество по строительству метрополитена в городе Санкт-Петербурге "Метрострой" | Process isolating zone of underground excavation from underground water and method of mounting of water inlet equipment in technological well |
RU2015145104A (en) * | 2015-10-20 | 2017-05-03 | Юрий Викторович Пономаренко | The method of construction of cryogenic antifiltration curtains by forcing supercooled air into the ground |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
БУРКОВ П.В. и др., Технология замораживания грунта при проведении ремонтных работ на нефтепроводе в условиях болот, Горный информационно-аналитический бюллетень (НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ), NS2, ООО "Горная книга" Москва, 2011, с. 158 - 164. ВСН 189-78 Инструкция по проектированию и производству работ по искусственному замораживанию грунтов при строительстве метрополитенов и тоннелей, Мин-во транспортного строительства, Москва, 1978, 117с., с.12. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104790961B (en) | A kind of shield tunnel termination vertical cup type consolidation by freezing structure and method | |
CN105909260B (en) | Subway station water stop structure for protecting groundwater environment and construction method thereof | |
CN110080202B (en) | Horizontal freezing reinforcement structure for foundation pit bottom and construction method | |
CN101463724A (en) | Construction method for connection passage by double-row hole horizontal freezing method | |
CN105908765B (en) | For protecting the open trench tunnel water sealing structure and construction method of groundwater environment | |
CN205260038U (en) | Wall reinforced structure is freezed to shield tunnel end box | |
Yan et al. | Monitoring and evaluation of artificial ground freezing in metro tunnel construction-a case study | |
CN204609889U (en) | A kind of shield tunnel termination vertical cup type consolidation by freezing structure | |
CN109209396A (en) | A kind of shield tunnel end joint reinforcement structure and construction method | |
CN1614152A (en) | Constructing method for in tunnel weak soil layer by freezing method horizontally | |
CN110173268A (en) | A kind of shield tunnel end frozen soil wall and ground-connecting-wall joint reinforcement structure and construction method | |
CN105239585A (en) | In-pile freezing structure of deep underground space and constructing method | |
CN106121686A (en) | Underground excavation tunnel water stop structure for protecting groundwater environment and construction method thereof | |
RU2602538C1 (en) | Method for reduction of action of forces of frost boil and increasing stability of pile foundations in permafrost zone | |
RU2781771C1 (en) | Method for freezing soil | |
CN114109399A (en) | Freezing construction method for limestone stratum | |
CN105952458A (en) | Shield tunnel end semispherical freezing wall reinforcement structure and construction method thereof | |
CN106759375A (en) | A kind of high water level soft soil foundation pit freezes soil nail wall supporting structure system and construction method | |
CN115522531A (en) | Freezing system and construction method of elevator shaft or sump based on freezing method | |
JP4986031B2 (en) | Low temperature rock storage tank | |
CN114032938B (en) | Deep foundation pit horizontal freezing back cover construction method | |
Nikolaev et al. | Low-temperature ground freezing methods for underground construction in urban areas | |
CN110847955B (en) | Method for upward repeated mining of empty coal seam by freezing accumulated water in room-and-column-type residual mining area | |
CN205804382U (en) | For protecting the open trench tunnel water sealing structure of groundwater environment | |
CN210049225U (en) | Foundation pit bottom freezing and reinforcing structure |