Результат интеллектуальной деятельности: Способ монтажа охлаждающих устройств для температурной стабилизации многолетнемёрзлых грунтов, неустойчивых в стенках скважин

Изобретение относится к области строительства в районах со сложными инженерно-геокриологическими условиями, где применяется температурная стабилизация многолетнемерзлых и пластично-мерзлых грунтов, в том числе в вертикальных скважинах, неустойчивых в стенках, склонных к обвалообразованию и оползанию.

Одним из основных факторов, определяющих прочность и устойчивость зданий и сооружений в криолитозоне, является динамика температурного поля грунтов под их основаниями. Тепловое воздействие отапливаемого здания на многолетнемерзлый грунт ведет к таянию и осадке грунта.

Одним из способов сохранения отрицательной температуры мерзлых оснований под сооружениями является применение искусственного замораживания талых или охлаждения мерзлых грунтов оснований с помощью парожидкостных охлаждающих устройств - двухфазных термосифонов и/или гравитационных тепловых труб, работа которых основана на конвекции легкокипящего жидкого теплоносителя под влиянием естественной разности температур охлаждаемого массива грунта и атмосферного воздуха. Обычно такие охлаждающие устройства выполнены в виде герметичных конструкций из труб, заправленных жидким теплоносителем и состоящих из подземной части - испарителя и надземной части - конденсатора. Конденсатор, как правило, выполнен оребренным (RU 2581294 С1, МПК F28D 15/02, опубликовано 20.04.2016 г., бюл. №11; RU 2527969 С1, МПК E02D 3/115, опубликовано 10.09.2014 г., бюл. №25). Режим работы охлаждающих устройств - сезонный - в зимнее время они замораживают талый и охлаждают мерзлый грунты, а летом не работают.

Для температурной стабилизации грунтов свайных оснований зданий и сооружений, оснований опор мостов, линий электропередач, насыпей автомобильных и железных дорог, для создания противофильтрационных завес применяют охлаждающие устройства, испарители которых погружают в грунт преимущественно в вертикально пробуренные скважины.

Известен способ монтажа охлаждающих устройств, при котором в пробуренную вертикальную скважину, диаметр которой на 20-50 мм больше диаметра трубы испарителя, погружают испаритель охлаждающего устройства. После погружения пазухи между стенками испарителя и скважины засыпают песком или заполняют глинистым раствором. Затем монтируют конденсатор. («Рекомендации по проектированию и применению в строительстве охлаждающих установок, работающих без энергетических затрат», НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, Москва, 1984 г., стр. 35-36).

Вышеупомянутый способ монтажа охлаждающих устройств, ближайший аналог предлагаемого технического решения, включает традиционные способы бурения вертикальных скважин цельными шнеками и ударно-канатным способом. Однако при бурении в слабых грунтах эти способы малопроизводительны, так как стенки скважин в таких грунтах неустойчивы, склонны к оползанию и обвалообразованию, вследствие чего погружение охлаждающих устройств в таких условиях, как правило, осуществляют статическим вдавливанием, что способствует существенным изгибающим нагрузкам на охлаждающее устройство и может вызвать его критическую деформацию.

Бурение с применением колонны обсадных труб не устраняет возможности обвала и оползания стенок скважины при их извлечении в процессе монтажа охлаждающего устройства. В результате образуются неровности прилегания грунта в скважине к корпусу охлаждающего устройства, в пространстве между испарителем и стенками скважины образуются воздушные полости, увеличивающие термическое сопротивление и снижающие эффективность работы испарителя.

Известен способ монтажа охлаждающего устройства, согласно которому охлаждающее устройство - термостабилизатор (ТСГ) - помещают в полугерметичную гильзу, в которую заливают нужное количество низковязкого теплоносителя в качестве буферного теплообменного агента (Галкин М.Л., Рукавишников А.Н., Генель Л.С. «Термостабилизация вечномерзлых грунтов», Холодильная техника, №7, 2013 г., стр. 2-5). По мнению авторов, при установке ТСГ в гильзу, заполненную теплоносителем, существенно увеличивается коэффициент теплопередачи, что позволяет расширить зону промораживания. Однако предложенное техническое решение не исключило неровности прилегания грунта к гильзе и не устранило неравномерности грунта по высоте скважины.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить эффективность процесса охлаждения грунтов, долговечность охлаждающих конструкций, заглубленных в грунтовый массив, и технологичность монтажа охлаждающих устройств, в том числе в период отрицательных температур окружающего воздуха.

Технический результат достигается тем, что способ монтажа охлаждающих устройств для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов, неустойчивых в стенках скважин, включает бурение вертикальной скважины и погружение в скважину охлаждающего устройства, выполненного в виде герметичного, заправленного хладагентом трубчатого корпуса с зоной испарения (испаритель) и горизонтально-оребренной зоной конденсации (конденсатор). Согласно техническому решению вертикальную скважину бурят полой шнековой колонной, оборудованной центральным долотом. По достижении проектной глубины центральное долото с помощью ловителя извлекают на поверхность. На верхнюю часть полой шнековой колонны монтируют цементационную головку со шлангом от цементонасоса и извлекают шнековую колонну, одновременно подавая цементный раствор через цементационную головку под концевую часть шнека.

Цементация грунтов в скважине обеспечивает устойчивость скважины при монтаже охлаждающих устройств, снижает термическое сопротивление в процессе охлаждения грунта за счет заполнения воздушных пазух в зоне испарения и создает антикоррозийную защиту охлаждающего устройства.

Цементируют скважину с применением цемента марки «400», в который в качестве ускорителя схватывания добавляют хлористый кальций; при этом водоцементное соотношение составляет В:Ц:СаCl₂ = 1:2:0,15.

Охлаждающее устройство погружают в заполненную цементным раствором скважину, при этом испаритель располагают в скважине ниже поверхности грунта, а конденсатор - вертикально над поверхностью грунта.

Для того чтобы временно остановить работу охлаждающего устройства (до полного твердения цементного раствора), перед погружением конденсатор изолируют от отрицательных температур атмосферного воздуха теплоизолирующим кожухом, который выполнен в виде цилиндра, из тонколистовой оцинкованной стали и заполнен базальтовой ватой.

Конденсатор закрепляют в вертикальном положении любым известным способом и оставляют до полного твердения цементного раствора. После твердения цементного раствора теплоизолирующий кожух демонтируют и охлаждающее устройство запускают в работу.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1÷6 показана последовательная схема монтажа охлаждающего устройства, а именно:

- на фиг. 1 - схема бурения вертикальной скважины полым шнеком;

- на фиг. 2 - положение ловителя при захвате центрального долота;

- на фиг. 3 - схема извлечения центрального долота;

- на фиг. 4 - положение цементационной головки в начале цементации и извлечениz полой шнековой колонны;

- на фиг. 5 - схема окончания извлечения шнековой колонны с одновременным завершением цементации скважины;

- на фиг. 6 - схема монтажа охлаждающего устройства в скважине.

Способ монтажа охлаждающих устройств для термостабилизации мерзлых грунтов, неустойчивых в стенках скважин, реализуется следующим образом.

С помощью полой шнековой колонны 1, приводимой во вращение буровым станком 2 с откидным вращателем 3 и оборудованной центральным долотом 4, бурят вертикальную скважину 5 до проектной отметки (фиг. 1). По достижении проектной глубины центральное долото 4 захватывают ловителем 6 (фиг. 2), удерживаемым лебедкой 7, и извлекают на поверхность (фиг. 3). На верхнюю часть полой шнековой колонны 1 монтируют цементационную головку 8, соединенную шлангом 9 с цементонасосом (не показан) (фиг. 4). Затем полую шнековую колонну 1 с помощью лебедки 7 извлекают из скважины, при этом одновременно через цементационную головку 8 под давлением подают цементный раствор 10 под концевую часть шнековой колонны (фиг. 5).

Конденсатор 11 охлаждающего устройства изолируют от отрицательных температур атмосферного воздуха теплоизолирующим кожухом 13, выполненным в виде цилиндра, из тонколистовой оцинкованной стали и заполненным базальтовой ватой и погружают охлаждающее устройство в заполненную цементным раствором скважину 5 таким образом, что испаритель 12 располагают в скважине ниже поверхности грунта, а конденсатор 11 с изолирующим кожухом 13 располагают вертикально над поверхностью грунта (фиг. 6). Конденсатор охлаждающего устройства закрепляют в вертикальном положении любым известным способом и оставляют до полного твердения цементного раствора; после твердения цементного раствора теплоизолирующий кожух 13 демонтируют и охлаждающее устройство запускают в работу.

Преимущество предлагаемого способа заключается еще в том, что для его реализации могут применяться маневренные, легкие или средние буровые установки типов УБГ - ЛГ1 («Аллигатор»), УБГ-СА и УБГ-СГ («Беркут») и полые герметичные шнеки типов ШГ-180П и ШГ-180ПМ, что значительно снижает энергоемкость процесса монтажа и обеспечивает возможность монтажа охлаждающих устройств в условиях стесненных площадок в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.

Предлагаемый способ может быть реализован для монтажа вертикальных охлаждающих устройств различных конструкций.