способ водозащиты глубокозаложенных туннелей при выполнении ремонтно-восстановительных работ

Формула изобретения

Способ водозащиты глубокозаложенных туннелей при выполнении ремонтно-восстановительных работ, включающий предварительную герметизацию ремонтируемого участка перемычками и создание избыточного давления, равного давлению грунтовых вод, отличающийся тем, что избыточное давление в зоне ремонтируемого участка создают путем подачи жидкого хладагента, например жидкого азота, до замораживания слоя грунта за обделкой туннеля толщиной не менее 20 см, после чего давление газа снижают до атмосферного и подают воздух, охлажденный до отрицательной температуры, которую поддерживают на весь период ремонтно-восстановительных работ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при локальном или капитальном ремонте возведенных туннелей, а именно при локализации аварий глубокозаложенных туннелей в водонасыщенных грунтах.

Известен кессонный способ устройства в водонасыщенных грунтах глубоких фундаментов и подземных опускных сооружений, когда разработка грунта производится под защитой сжатого воздуха, вытесняющего воду из рабочего пространства (рабочей камеры) [1]. Для нейтрализации поступления воды в рабочую камеру давление сжатого воздуха в ней должно быть равным напору подземных вод. Все технологические операции в рабочей камере выполняются квалифицированным рабочим персоналом. Реализация основной операции поддержания в рабочей камере повышенного давления воздуха осуществляется при неуклонном соблюдении следующих условий:

а) постоянном нагнетании сжатого воздуха в рабочее пространство с целью пополнения утечек воздуха и соблюдения санитарных требований при вентиляции рабочих помещений (не менее 25 м³ в час на каждого работающего) [2].

б) поддержке в рабочем пространстве жесткого температурного режима, зависящего от величины избыточного давления (от 16 до 20^oC [2].

Недостатком кессоного способа является то, что персонал работает в условиях повышенных давлений, что неблагоприятно сказывается на здоровье работающих, в связи с чем рабочий день укорочен, часть которого занимают операции шлюзования, т.е. постепенного повышения и снижения давления в специальных шлюзовых камерах при входе (5-15 мин) и выходе (0,5-1 ч) рабочих из кессона.

Наиболее близким в предлагаемому является кессонный способ, применяемый при проходке шахтных стволов и горизонтальных подземных выработок [3]. При возведении горизонтальных туннелей у забоя проходимой выработки осуществляется герметизация некоторого объема с помощью временных перемычек, внутри которого поддерживается повышенное давление воздуха, уравновешивающего напор подземных вод.

Недостатком этого способа является то, что ремонтно-восстановительные работы в туннеле, требующие тщательного ручного труда, а следовательно длительного пребывания рабочего персонала, невозможно осуществлять в туннелях, расположенных более чем на 20 м ниже отметки подземных вод, поскольку при этом требуется создавать давление воздуха свыше 0,2 МПа, что является опасным для здоровья человека. В строительной практике ремонтно-восстановительные работы глубокозаложенных туннелей при аварийных ситуациях не производят, они оставляются заброшенными в связи с отсутствием технических решений по водозащите глубокозаложенных туннелей на период выполнения таких работ.

Целью изобретения является упрощение технологии и повышение надежности защиты глубокозаложенных туннелей от поступления в них воды.

Указанная цель достигается тем, что после герметизации некоторого объема ремонтируемого туннеля временными перемычками избыточное давление создают путем подачи жидкого хладагента, например жидкого азота, до замораживания слоя грунта толщиной не менее 20 см за обделкой туннеля. Когда давление газа, образующееся при испарении жидкого хладагента, достигнет давления подземных вод, в результате чего прекратится приток воды в туннель, давление газа снижают до атмосферного и подают воздух, охлажденный до отрицательной температуры, которую поддерживают на весь период ремонтно-восстановительных работ.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что при уменьшении давления сжатого газа на ремонтируемом участке до атмосферного вода в туннель не поступает за счет образовавшегося замороженного слоя грунта и ремонтно-восстановительные работы в глубокозаложенном туннеле могут вестись сколь угодно долго без опасности для здоровья рабочего персонала. Таким образом, заявляемый способ водозащиты глубокозаложенных туннелей при выполнении ремонтно-восстановительных работ соответствует критерию "новизна".

В заявляемом решении слой промороженного грунта за обделкой при увеличении его толщины сверх 20 см, что обеспечивает его водонепроницаемость [1, с. 364], приобретает также значительную прочность. Это позволяет при увеличении слоя замерзшего грунта до 1-3 м в процессе ремонта заменять части обделки, не прибегая к специальному креплению ремонтируемых участков.

Схема реализации предлагаемого способа водозащиты глубокозаложенных туннелей при ликвидации аварий представлена на чертеже.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Ремонтируемый участок 1 герметизируют с двух сторон перемычками 2, имеющими шлюзы 3 и каналы 4. Через каналы на этот участок подают жидкий хладагент (сжиженный газ, например азот). При этом, когда давление газа вследствие испарения жидкого хладагента достигнет грунтовых вод, приток воды в данный участок туннеля прекратится, а вследствие отрицательной температуры хладагента будет происходить промерзание окружающего туннель грунта. После того как слой промерзшего грунта 5 достигнет толщины не менее 20 см, давление газа снижают до атмосферного, нагнетают на ремонтируемый участок воздух и приступают к выполнению ремонтно-восстановительных работ, поддерживая отрицательную температуру воздуха на аварийном участке для исключения преждевременного оттаивания промороженного слоя грунта.

Приведенный ниже тепловой расчет позволяет оценить потребности в жидком азоте для образования вокруг аварийного участка туннеля наружным диаметром 6,8 м и длиной 100 м слоя промерзшего грунта толщиной 0,2 м средней температурой - 10^oC. Предполагается, что в 1 м³ грунта содержится 300 кг воды и 1880 кг кварца.

Расчет выполнен при следующих справочных параметрах, кДж/кг:

Теплоемкость воды - 4,2

Теплота замерзания воды - 330

Теплоемкость льда - 2,1

Теплоемкость скелета грунта - 0,8

Теплота испарения жидкого азота - 201

Теплоемкость газообразного азота - 1

Для охлаждения 300 кг воды от 10 до 0^oC, ее замораживания и охлаждения льда от 0 до -10^oC потребуется холода:

300 (4,210+330+2,110)= 120000 кДж

Для охлаждения 1880 кг скелета от +10^oC потребуется холода:

18800,820=30080 кДж

Итого, для замораживания 1 м³ грунта и охлаждения его до -10^oC требуется 120000+30080=150080 кДж холода.

Испарение 1 т жидкого азота и нагрев газа от -190 до -10^oC выделит холода:

1000(201+1180)=380000 кДж

Таким образом, на замораживание 1 м грунта необходимо:

150080/380000 = 0,4 т жидкого азота.

Для образования вокруг туннеля длиной 100 м мерзлой корки толщиной 20 см требуется проморозить 3,14(6,8+0,2)1000,2 = 440 м³ грунта, для чего необходимо 4400,4 = 176 т жидкого азота.