Как строили метро - заморозка грунта
Самый коварный враг проходчиков подземных шахт - это плывуны: массы почти пылеобразного песка с примесью 10-15% глины, как губка пропитанного водой. При работе в плывунах в тоннели просачивается, натекает и, наконец, врывается вода. «Москва меняется» расскажет о том, как метростроевцы смогли эту «породистую» напасть.
Уже в 30-е годы прошлого века, когда в столице строилось первое метро, метростроители столкнулись с очень непростыми гидрогеологическими условиями. Тогда же была применена система от обрушения грунта и других типичных проблем, угрожающих тоннелям, которая по сей день считается одной из самых продуманных и надежных. Речь идет о заморозке грунта, основанной на простой, но эффективной системе.
Этот способ, возможно, принесен к нам из Сибири, где в зимнюю стужу старатели уже давным-давно специально промораживали заливаемые водой шахты, чтобы ускорить их проходку.
Заморозка применялась еще при строительстве первых станциях метрополитена, открытых в 1935 году - «Комсомольской», «Красных Воротах» и «Лубянке».
В чем же заключается метод искусственного замораживания плывунов?
Различают несколько способов замораживания, старейший из них - так называемый «рассольный».
Он состоит в том, что место работ отгораживается от общей массы водоносного грунта стеной из мерзлоты. Замороженный грунт в метр-два толщиной при температуре -12 градусов практически выдерживает любое давление горных пород и прекрасно противостоит проникновению грунтовых вод. Но как заставить холод спуститься под землю? Это достигается с помощью искусственных приспособлений из специальных холодильных машин.
Холодильная машина основана на том, что хладогент (жидкий аммиак, фреон и т.д.), который из цистерн пускают в подготовленные замораживающие колонки, при своем испарении отбирает у окружающей среды теплоту. Его пары вновь сжижаются с помощью компрессора и конденсатора, а холод, образовавшийся в испарителе, идет на охлаждение незамерзающего рабочего рассола хлористого кальция. Рассол при температуре -25 градусов поступает в охлаждающую систему. Для ее установки по контуру выработки пробуриваются скважины диаметром 150-200 миллиметров на расстоянии 1 метра друг от друга. В скважины опускаются замораживающие колонки, состоящие из двойных труб. Замораживающий рассол поступает по средней трубе, а по наружной трубе после естественного нагрева в грунте на несколько градусов возвращается в холодильную машину. Таким образом, циркуляция рассола происходит непрерывно.
Примерно через месяц работы холодильной машины грунт вокруг отдельных замораживающих колонок смерзается в монолитную массу, защищающую место выработки от проникновения грунтовых вод и осыпания стенок.
Теперь холодильная машина должна лишь поддерживать кольцо мерзлоты, до тех пор, пока не будут произведены выработка и закрепление ее стенок.
Более современный способ - низкотемпературное замораживание с использованием жидкого азота. Он представляет собой бесцветную жидкость, температура испарения которой очень низка (при атмосферном давлении она равна -195,8 С).
Получают жидкий азот на специальных заводах путем сжижения атмосферного воздуха при низких температурах и последующего разделения его на жидкий азот и кислород, имеющие разные температуры испарения. Жидкий азот транспортируют в специальных емкостях (танках).
В отличие от других промышленных хладагентов (аммиака, фреона), которые можно использовать только в замкнутой системе холодильной установки, жидкий азот используют однократно (испаряющийся газ выпускают в окружающую среду).
Способ низкотемпературного замораживания с применением жидкого азота обладает рядом преимуществ по сравнению с обычным (рассольным) замораживанием. При замораживании жидким азотом не нужны замораживающие станции, а также сети трубопроводов. Доставленный на стройплощадку жидкий азот из цистерн пускают сразу в замораживающие колонки. Скорость замораживания увеличивается, что особенно важно при больших скоростях фильтрации грунтовых вод, а также при поступлении термальных и минерализованных вод. На замораживание 1 м3 грунта с содержанием воды до 30% расходуется 1000 л жидкого азота. Жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен и нетоксичен.
Однако оба этих способа в последнее время применяются достаточно редко. Жидкий азот - удовольствие недешевое, к тому же на заморозку уходит более месяца. А задача нынешних метростроевцев, которые реализуют беспрецедентную для России программу развития метрополитена, строить недорого и быстро. Поэтому заморозка сегодня используется лишь при проходке наклонных эскалаторных тоннелей.
Для прочих случаев есть альтернатива - технология струйной цементации грунтов, или «jet grouting». Это метод закрепления грунтов, основанный на одновременном разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора. В результате струйной цементации грунта в нем образуются цилиндрические колонны диаметром 600-2000 мм.
Технология появилась практически одновременно в трех странах - Японии, Италии, Англии. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в течение последнего десятилетия она мгновенно распространилась по всему миру.
Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивании грунта с цементным раствором в режиме «mix-in-place» (перемешивание на месте). В результате в грунтовом массиве формируются сваи диаметром из нового материала - грунтобетона с достаточно высокими несущими и противофильтрационными характеристиками.
Устройство свай из грунтобетона выполняется в два этапа: производство прямого (бурение скважины) и обратного хода буровой колонны. В процессе обратного хода производят подъем колонны с одновременным ее вращением.
С помощью Jet Grouting получают очень прочный котлован, строят надежные основания под любые строения. В шахматном порядке создают свайное поле, одна свая перекрывает другую и получается монолит - скала. И на ней можно строить что угодно. Эта технология особенно эффективна, когда приходится возводить объекты в песчаном грунте, в мягкопластичной глине или в других мягких грунтах.
Благодаря этим технологиям, сегодня метростроевцы могут работать в самых сложных геологических условиях, прокладывая тоннели, которые приводят метро в новые районы столицы.