Урок на тему : Холод у будівництві, прокладанні шах та тунелів.

ТЕМА: Холод у будівництві, прокладанні шах та         

                                              тунелів.

 

МЕТА: -навчальна: вивчити основні принципи застосування холодуу

                                    будівництві, для прокладання шахт та тунелів;

             -розвивальна: розвивати в учнів здатність застосовувати набуті

                                    знання у  повсякденному житті;

            -виховна: виховувати в учнів  бажання  поглиблювати свої знання. 

 

ФОРМА ПРОВЕДЕННЯ: урок розповідь з елементами бесіди та   

                                    демонстраціями.

 

ТИП УРОКУ : засвоєння нових знань.

 

МІЖПРЕДМЕТНІ ЗВ'ЯЗКИ:  холодильне обладнання  .         

 

ОСНАЩЕННЯ: роздатковий матеріал, комп'ютер, проектор, відеоматеріали.

                                

                      ХІД УРОКУ 

 

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ:

              

Перевірка присутності учнів та їх готовності до уроку.

 

ІІ. ПОСТАНОВКА МЕТИ УРОКУ (Мотивація):

 

 

ІІІ. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

ПЛАН

1. Штучне заморожування ґрунтів:

а)Заморожування ґрунтів ропним способом.

б)Низькотемпературне заморожування з використанням рідкого азоту.

2.Застосування холоду у будівництві.

 

 

 

 

1. Штучне заморожування ґрунтів:

Штучне заморожування ґрунтів на будівництві метрополітенів застосовують при проходці стовбурів шахт, ескалаторних тунелів, перегінних тунелів, будівництві станцій закритого способу, розробці котлованів під спорудження метрополітену, що здійснюється відкритим способом. Штучне заморожування ґрунтів дозволяє створити міцне огородження кругового або прямокутного обрису із замороженого ґрунту, що перешкоджає проникненню в створену виробітку ґрунтової води або водо насичених нестійких ґрунтів. Таке огородження сприймає тиск навколишнього вироблення або ґрунту котловану, а також гідростатичний напір ґрунтових вод.

а) Заморожування ґрунтів ропним способом. Для заморожування ґрунтів звичайно використають так званий холодильний агент (холодоагент). Звичайно як  холодоагент застосовують охолоджений водяний розчин хлористого кальцію (розсіл), що має здатність залишатися рідким при негативних температурах. Такий розсіл, охолоджений на заморожуючій станції, по системі труб подають до заморожуючих стовпчиків, опущеним у пробурені шпари.

Рис. 1. Установка для заморожування ґрунтів:

а - схема циркуляції розчину; б - схема заморожуючої станції; в - конструкція заморожуючого стовпчика; 1 - ропний бак; 2 - зворотний рассолопровод; 3 - термометр; 4 - водомір; 5 - манометр; 6 - колекторне кільце; 7 -  труба, що відводить; 5 - заморожуючі стовпчики; 9 - живильна труба; 10 - кран; 11 - розподільний рассолопровод; 12 - прямій рассолопровод; 13 - насос; 14 - конденсатор; 15 - аміачний компресор; 16 - випарник; 17 - регулюючий вентиль; 18 - голівка заморожуючого стовпчика

Для створення льодо ґрунтового огородження попередньо по контурі майбутнього вироблення через всю товщу водоносних ґрунтів бурять шпари, заглубляя кінці їх на 2-5 м у водотривкий ґрунт (глини, щільні безводні сланці, мергелі). Відстань між цими шпарами визначається проектом з розрахунку, що радіус намораживаемого навколо шпари ледогрунтового циліндра становить 1,25- 1,5м. У випадках коли не представляються можливим заглубить контурні заморожуючі шпари у водоупор, ґрунтовий масив заморожують по всьому перетині споруджує выработки, що, для чого заморожуючі шпари бурять і усередині контурних шпар.

У пробурені шпари опускають заморожуючі труби - стовпчика з наглухо завареним нижнім кінцем (дном) (мал. 1). У стовпчики, не доходячи до дна їх на 40-50 див, опускають труби меншого діаметра з відкритим нижнім кінцем - живильні труби. Заморожуючі стовпчики через спеціальні оголовки з'єднують у розташовану на поверхні загальну систему, що складається із труби-розподільника, по якій до живильних труб подається охолоджений на заморожуючій станції розчин хлористого кальцію (розсіл), і труби-колектора, що відводить розсіл зі стовпчиків до тієї ж станції.

На заморожуючій станції монтують насосно-компресорні агрегати й пристрої, призначені для забезпечення роботи всієї системи заморожування. Холодний розсіл насосами нагнітається в розподільник, звідки він рівномірно розходиться по живильних трубах заморожуючих стовпчиків. Досягши дна стовпчика, розсіл, тиск якого підтримується насосами на станції, піднімається нагору по кільцевому просторі між живильною трубою й заморожуючим стовпчиком, обмиваючи її внутрішні стінки. При цьому відбувається теплообмін: розсіл віднімає тепло в ґрунту, що оточує колонкові, і знижує його температуру, що поступово приводить до заморожування ґрунту. Потім зі стовпчика через оголовок розсіл надходить у колектор, а з нього - на заморожуючу станцію, де знову прохолоджується. На заморожуючій станції монтують дві системи машин і механізмів. Перша система (аміачна) призначена для охолодження розсолу аміаком і включає компресор, конденсатор і випарник, з'єднані трубопроводами. Друга система (ропна) призначена для забезпечення циркуляції розсолу й включає ропний бак, насос, трубопроводи, розподільник, колектор і заморожуючі стовпчики. Охолодження розсолу відбувається в такий спосіб. Компресор стискає засмоктувані з випарника пари рідкого аміаку до тиску 0,8-1,2 Мпа, при цьому відбувається нагрівання пар аміаку. Стислі пари аміаку надходять по трубопроводу в конденсатор, що складається із труб, постійно омиваних холодною водою, де пари аміаку прохолоджуються, перетворюючись у рідину. Рідкий аміак надходить у випарник. Секції випарника перебувають у баку, заповненому розсолом - водяним розчином хлористого кальцію, що замерзає при температурі - 34?С. Випаровуючись, рідкий аміак віднімає від розсолу значна кількість тепла, необхідне для паротворення, при цьому розсіл прохолоджується до температури -20...-26?С. Потім за допомогою відцентрового насоса охолоджуваний розсіл нагнітається в розподільник, з якого надходить у заморожуючі стовпчики, і, віддаючи частину холоду ґрунту, вертається назад по колекторі у випарник для повторного охолодження. Далі цикл повторюється.

Поступово навколо кожного стовпчика утвориться масив замороженого ґрунту циліндричної форми. При подальшому заморожуванні обсяг заморожених циліндрів збільшується, і вони змерзаються між собою в суцільний кільцевий масив (мал. 2). Час, необхідне для утворення замороженого масиву, залежить від гідрогеологічних умов, числа заморожуючих стовпчиків, температури циркулюючого розсолу, проектної товщини замороженого масиву. Орієнтовний строк для створення замороженого контуру при відстані між шпарами 1,25 м коливається в межах від 40 до 60 діб при цілодобовій роботі заморожуючої станції. Цей процес називають активним заморожуванням. Щоб масив підтримувався в замороженому стані, що заморожує станція протягом  усього часу лроходки в замороженій зоні працює по режиму, обумовленому в проекті (в одну або дві зміни),- це період підтримки заморожування.

 

Рис. 2. Послідовність утворення ледогрунтового кільцевого масиву навколо стовбура шахти: а - початковий період; б - середина процесу; в - кінець заморожування

Про утворення замкнутого ледогрунтового огородження судять по підняттю рівня води в спеціально пробуреній контрольній гідрогеологічній шпарі. Коли утворення замкнутого ледогрунтового огородження на одному з водоносних обріїв закінчується й починається його стовщення, вода усередині замороженого контуру зазнає утиску  стін, що товщають, огородження, і рівень води в контрольній шпарі піднімається. Роботи із проведення заморожування починають із буравлення шпар і установки в них заморожуючих стовпчиків з живильними трубами. Паралельно ведуть роботи з будівництва заморожуючої станції, монтажу встаткування й рассолопроводов з таким розрахунком, щоб до закінчення буравлення шпар можна було провести випробування й увести всю систему в роботу.

Проведення горнопрохідних і будівельних робіт у замороженій зоні має ряд особливостей. Роботи варто вести при ретельному контролі за станом ледогрунтового огородження й режимом роботи заморожуючої станції для збереження розмірів ледогрунтового огородження і його температури. При відкритих роботах виїмку ґрунту з котловану в період позитивних температур повітря необхідно вести із захистом стінок ледогрунтового огородження від дії атмосферних опадів і сонячних променів. При розробці ґрунту буровзрывным способом необхідно дотримувати мір обережності, не допускати деформації ледогрунтового огородження й ушкодження заморожуючих стовпчиків. Після закінчення прохідницьких робіт і зведення постійного оброблення спорудження приступають до відтавання заморожених ґрунтів, що може відбуватися природним шляхом або виконується штучно шляхом нагнітання в шпари нагрітого розсолу або води.

б)Низькотемпературне заморожування з використанням рідкого азоту.

В останні роки в практиці метростроения для штучного заморожування ґрунтів стали застосовувати новий холодоагент - рідкий азот, що представляє собою безбарвну рідину, температура випару якої дуже низка (при атмосферному тиску вона дорівнює -195,8?С).

Одержують рідкий азот на спеціальних заводах шляхом скраплення атмосферного повітря при низьких температурах і наступному поділі його на рідкий азот і кисень, що мають різні температури випару. Рідкий азот транспортують у спеціальних ємностях (танках). На відміну від інших промислових холодоагентів (аміаку, фреону), які можна використати тільки в замкнутій системі холодильної установки, рідкий азот використають однократно (паркий газ випускають у навколишнє середовище). Спосіб низькотемпературного заморожування із застосуванням рідкого азоту володіє рядом переваг у порівнянні зі звичайним (ропним) заморожуванням. При заморожуванні рідким азотом не потрібні заморожуючі станції, а також мережі трубопроводів. Доставлений на стройплощадку рідкий азот із цистерн пускають відразу в заморожуючі стовпчики. Швидкість заморожування збільшується, що особливо важливо при більших швидкостях фільтрації ґрунтових вод, а також при надходженні термальних і минерализованных вод. Доставляють рідкий азот у змонтовані на автомобілях цистернах місткістю 1200, 3000 і 5000 л. На заморожування 1 м3 ґрунту зі змістом води до 30% витрачається 1000 л рідкого азоту. Рідкий азот вибухо- і пожежобезпечний, нетоксичний і недорогий.

При низькотемпературному заморожуванні заморожуючі стовпчики з'єднують послідовно в одну систему. Рідкий азот надходить у внутрішню (живильну) трубу першого заморожуючого стовпчика. У кільцевому просторі стовпчика рідкий азот випаровується й у газоподібному сотоянии піднімається до оголовка стовпчика, звідки потім по трубопроводу надходить у живильну трубу сусіднього стовпчика й т.д.  (мал. 85). З останнього стовпчика системи він надходить в атмосферу при температурі біля - 40?С.

Рис. 3. Схема низькотемпературного (азотного) заморожування:

1 -  трубка, що підводить; 2 - трубка для відводу азоту, що випарувався;         3 - сталевий оголовок заморожуючого стовпчика

Застосування технології низькотемпературного заморожування ефективно при ліквідації проривів води й пливунів у гірські вироблення, а також при виконанні термінових робіт у водоносних ґрунтах.

Штучне заморожування є універсальним засобом стабілізації ґрунтів і забезпечення можливості ведення робіт у водоносних породах. У той же час воно має ряд недоліків. Обдимання обводнених ґрунтів внаслідок збільшення їхнього обсягу при заморожуванні й осаду при відтаванні може приводити до деформацій поверхневих споруджень, під якими ведуться роботи із заморожування, особливо якщо вони виконуються на невеликій глибині. Підготовчі роботи складні, а сам процес заморожування тривалий, вартість таких робіт досить висока.

Одночасне застосування заморожування й водозниження дозволяє осушити ґрунт у котловані, обгородженому замкнутою водонепроникною льодогрунтовою стіною.

 

Заморожування ґрунтів – штучне  охолодження ґрунтів в природному заляганні до "мінусових" температурp c метою їхнього зміцнення й досягнення необхідного ступеня водонепроникності можливо при різних глибинах, сполученнях ґрунтів, швидкостях руху ґрунтових вод і ступеня їхньої мінералізації. Це -  основний спосіб при роботі в складних гідрогеологічних умовах як при заморожуванні водоносних пухких, так і водоносних тріщинуватих порід. Застосовують при зведенні фундаментів будинків і споруджень, будівництві шахт, тунелів, метрополітенів, проти фільтраційних завіс, мостів, гребель, підземних сховищ і ін. Заморожування грунтів бере початок від природнього заморожування, відомого у світовий горно-будівельній практиці під назвою "сибірського" способу, описаного A. Шренком в 1837. B Pосії його застосовували у Cибіру для проходки шурфів для золота (B. З. Bласов, 1893). B цьому випадку для заморожування водоносних порід використалося атмосферне повітря, що мало природню низьку  температуpy.  Заморожуваннягрунту запропоновано французськім вченим Mішо в 1852, однак промислове використання способу ставиться до 1883 (рудник "Aрчибальд" в Mагдебургском окрузі). B CРCP це застосування холоду уперше застосовано в 1928 при проходці одного зі стовбурів Cолікамского калійного комбінату.        

Для охолодження ґрунту використовують холодильні установки з системою    труб, що занурюють у ґрунт, (заморожуючих стовпчиків), по до-рим циркулює холодоносій, охолоджений до -20 -40 C (ропний спосіб заморожування), або холодоагент, якийй безпосередньо випаровується в заморожуючому стовпчику при температурі від -35 до -196 C (безропний спосіб заморожування). B якості холодоносія застосовують водяні розчини солей (напр., хлориди кальцію, натрію, літію) або спец. рідини, які замерзають при низьких температуpax, a як  холодоагент - аміак, вуглекислоту, фреон і ін. B процесі безперервного теплообміну холодоносія (холодоагенту) c ґрунтом навколо кожної труби утворяться льодопородні циліндри, які надалі  замикаються, утворюючи замкнуті ледопородное огородження по контурі підземного спорудження (мал. 1, a) або масив замороженого ґрунту (мал. 1, б).

Pис. 1. Формирование ледопородного ограждения во времени (t0,..., t3 - периоды времени): a - кольцевое ограждение; б - массив.

        B горно-будівельній практиці залежно від  гідрогеологічних умов (фільтрації, температури й мінералізації підземних вод) розрізняють звичайне заморожування грунту до t -25°C і глибоке - до t -50°C. При цьому використовують різні технологічні схеми заморожування: звичайну, східчасту, зональну й з вибою вироблення (мал. 2).

Pис. 2. Tехнологические схемы замораживания на примере строительства ствола шахты: a - обычная; б - ступенчатая; в - зональная; г - из забоя выработки; 1 - замораживающая колонна; 2 - ледопородное ограждение; 3 - крепь ствола шахты; 4 - околоствольная камера.
        Звичайна схема застосовується при наявності декількох водоносних обріїв, що залягають неглибоко від поверхні (100-150 м). При великій глибині (200-600 м) доцільно використати східчасту схему заморожування. При необхідності локального З. г. на великій глибині може бути застосована схема зонального заморожування c поверхні землі або з вибою вироблення. Bыбор технол. схеми заморожування базується на предварит. порівнянні технико-экономич. показників кожної схеми. З. р. одержало поширення завдяки добре розвитий науч.-техн. базі. Cозданы потужне бурове встаткування, высокопроизводит. Заморожуючі станції, вивчені нестаціонарні процеси теплообміну в масиві г. п., що заморожують колонках, холодильному встаткуванні, розроблені инж. методи розрахунку проектування ледопородных огороджень і холодильного встаткування. Пріоритет у совр. розвитку способу належить CCCP, де c застосуванням З. г. проходять у рік ок. 2,5 км шахтних стовбурів, у метростроении споруджено ок. 100 ескалаторних тунелів загальної глуб. св. 5 км, здійснене заморожування в умовах залягання водоносних порід на глуб. до 400-650 м, при темп-pe середовища до +35°C, наявності фільтрації й мінералізації підземних вод. Велике поширення спосіб мистецтв. З. р. одержав у ПНР (св. 35% проведених шахтних стовбурів). B Bеликобритании, Франції, Heдерландах c 1945 пройдено по 5-10 стовбурів cp. глуб. до 200 м, у Бельгії З. г. проводилося на глуб. 620 м. B Канаді на калійному руднику здійснена проходка стовбура глуб. 914 м; навколо стовбура діаметром у світлі 4,88 м було пробурено 27 заморожуючих шпар. Pасстояние між шпарами становило 1,2 м. Для заморожування г. п. застосовувалися низькотемпературні холодильні установки сумарною потужністю до 3,5 MBт.

 

 

2.ЗАСТОСУВАННЯ ХОЛОДУ В БУДІВНИЦТВІ.

 

У будівельній техніці холод застосовують для забезпечення високої міцності бетону й довгого терміну служби його шляхом відводу тепла, виділюваного їм у процесі схоплювання. При охолодженні бетону усуваються підвищення його температури й небезпечні напруги, що приводять до утворення тріщин.

 

Основні способи відводу тепла з бетону:

 

1) охолодження холодною водою, що циркулює в трубах, закладених у масиві спорудження або  арматури бетону;

2) використання холодної води й льоду при підготовці бетону необхідного складу (перед його укладанням);

3) попереднє охолодження водою або повітрям інертних матеріалів, що входять до складу бетону.

 

Крім того, необхідні заходи щодо скорочення припливу тепла до бетону або його складової, наприклад, укриття інертних матеріалів від впливу сонячної радіації, ізоляція барабанів бетономішалок або вкриття їхнім мокрим брезентом і т.д..

Особливе значення охолодження бетону має для гідротехнічних споруджень - гребель, доків, тому що опірність бетону просочуванню води підвищується зі зниженням його температури.

При виготовленні нових видів збірних залізобетонних конструкцій (панелі стін, плити перекриттів, конструкції з попередньо напруженою арматурою) потрібно дуже щільний високоміцний бетон, що дає лише незначну усадку. Із цією метою збірні залізобетонні конструкції, незалежно від їхнього виготовлення на будівельному майданчику або на заводах залізобетонних виробів, повинні виконуватися із застосуванням охолодження.

При будівництві гідростанцій і інших відповідальних споруджень великого значення набуває застосування холоду для підвищення міцності бетону й подовження строку його служби.

 

 

                                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

ІV.ЗАКРІПЛЕННЯ МАТЕРІАЛУ

   

 Перегляд відео фільмів :

 

1. "Петербуржский метрополитен" ( з 28 хвилини)

 

2. "Платформа для заморозки грунта".

 

3. " Станция метро "Петровский парк"

 

4. "Замораживание грунта вокруг АЭС Фукусима-1"

 

 

V . КОНТРОЛЬ ТА ПЕРЕВІРКА ЗНАНЬ

                                          

1. Для чого заморожують ґрунт?

 

2. Які є способи заморожування ґрунтів?

 

3. Які речовини використовують для заморожування ґрунтів?

 

4. Які технологічні схеми використовують для заморожування ґрунтів?

 

5. Для чого застосовують холоду будівництві?

 

6. Які існують способи відводу тепла з бетону?

 

 

 

V.ПІДВЕДЕННЯ ПІДСУМКІВ

  

Таким чином, сьогодні на уроці ми з вами вивчили для чого застосовують штучний холод у будівництві, при спорудженні метро, туелів та шахт.

 

                 Обґрунтування та виставлення оцінок за урок.

 

  VІ. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

 

 Вивчити матеріал за конспектом.