Оборудование и методы прогрева мерзлых грунтов при производстве земляных работ

Источники тепла в вертикальных скважинах

Заголовок этого раздела описывает то общее, что объединяет все приведенные ниже технологии прогрева.

ТЭНы. Технология оттаивания грунта трубчатыми электронагревателями (ТЭН) основана на передаче теплоты мерзлому грунту контактным способом. В металлические полые иглы, представляющие собой стальные трубы длиной около 1 м и диаметром до 50–60 мм, устанавливаются нагревательные элементы – стальные бесшовные трубы диаметром 13–25 мм, внутри которых на изоляторах помещают спираль из нихромовой проволоки (которая, например, имеет диаметр 0,6 мм, длину 20 м и сопротивление 48,4 Ом). Пространство между стенками трубки и спиралью заполняют прессованным порошком плавленой окиси магния. Последний хорошо проводит тепло, обладает жаростойкостью и высоким электрическим сопротивлением. Пространство между нагревательным элементом и стенками иглы заполняют жидкими или твердыми материалами-диэлектриками, которые хорошо передают тепло. Нагревательный элемент имеет контактные выводы для подключения к электрической цепи. Нагреваясь, он передает тепловую энергию стальному корпусу, а тот радиально в горизонтальном направлении мерзлому грунту.

Действие ТЭНов. ТЭНы опускают в заранее пробуренные скважины диаметром 40–100 мм и глубиной не менее 3/4 толщины слоя мерзлого грунта, расположенные в шахматном порядке на расстоянии 0,5–1 м друг от друга. В местах установки ТЭНов грунт утепляется шлаковатой, стекловатой, опилками и другими подобными термоизолирующими материалами. Электронагреватели рассчитаны на напряжение 220–380 В, силу тока 5 А и температуру нагрева 300-–600°С.

Интенсивность оттаивания грунта зависит от температуры поверхности электроигл, в связи с чем наиболее экономичной является температура 60–80 °С. Важное значение имеют также величина удельной мощности электронагревателя и диаметр скважины. Рекомендуется применять электронагреватели удельной мощностью от 1,5 до 2,8 Вт/cм². Более мощные нагреватели могут перегреть и высушить контактный слой грунта у стенок шпура, что увеличивает продолжительность отогрева, теплопотери и удельную энергоемкость. Процесс оттаивания грунта занимает около 48 ч. При этом на 1 м³ почвы расходуется до 42 кВт·ч электроэнергии.

Большое влияние на скорость оттаивания грунта оказывает режим работы нагревателя. Рекомендуется включать ТЭНы не непрерывно, а периодически, попеременно с периодами термосного выдерживания. Так, например, при оттаивании мерзлых суглинистых грунтов естественной влажности (21–25%) в радиусе 200–300 мм от центра вертикально установленных ТЭНов рекомендуется режим: 10 ч прогрева и 4 ч термосного выдерживания.

Подключение электропитания. ТЭНы включают в цепь электрического тока последовательно. ТЭНы можно подключать через однофазные понижающие трансформаторы, в том числе и сварочные. Следует только учитывать, что некоторые сварочные трансформаторы рассчитаны на работу с перерывами, поэтому при длительной работе нагрузка на них должна быть на 30–40% ниже, чем при сварке. При отсутствии понижающих трансформаторов ТЭНы можно подключать к сети напряжением 220/ 380 В. В этом случае в каждую фазу последовательно включают до 50–70 ТЭНов, в зависимости от мощности источника.

Коаксиальные нагревательные трубы. Для прогрева грунта применяют также коаксиальные электронагреватели, которые представляют собой две трубы длиной 1,5 м, диаметром 25 и 13 мм, вставленные соосно одна в другую, свободное пространство между трубами заполняется кварцевым песком. В качестве проводников электрического тока можно использовать также обыкновенные водопроводные трубы диаметром 1" и 1/2". Внутреннюю трубу можно заменить стержнем такого же диаметра. Коаксильная конструкция нагревателей обеспечивает безопасность эксплуатации и позволяет устанавливать их в контакте с грунтом любой влажности. Между собой нагреватели соединяют медными или алюминиевыми шинами сечением 120–160 мм. Способ установки коаксиальных электронагревателей и их утепление аналогичны вышеприведенному при применении ТЭНов. Процесс отогрева длится 1,5–2 суток при расходе 10–42 кВт·ч на 1 м³ мерзлого грунта. В качестве источников питания используют силовые трансформаторы или передвижные электростанции. При достаточной мощности рекомендуется использовать обыкновенные сварочные трансформаторы с вторичным напряжением 60 В.

Нагреватели инфракрасного излучения. При температуре 500–700 °С поверхности нагревателей становятся источником инфракрасного излучения, и количество передаваемой от них энергии резко возрастает. Электронагреватели инфракрасного излучения, так же как и ТЭНы, устанавливают в предварительно пробуренные шпуры. Нагревательный прибор этого типа состоит из трех электрических трубчатых генераторов излучения, установленных на изоляторах в металлический кожух. Такие нагреватели, разогретые до 500–700 °С, при температуре наружного воздуха –25 °С позволяют отогреть зону грунта в диаметре 400–500 мм за 5–6 ч.

Преимущества данного способа прогрева. Относительно малые энергозатраты: в среднем на прогрев площади 1 м² на глубину 0,5 м они составляют 15 кВт·ч.

Недостатки. Необходимость подготовительных работ определенного объема (бурение скважин, установка ТЭНов). Необходимость тщательного обслуживания, постоянного контроля за работой для исключения возможности поражения электрическим током работников вследствие перегрева контактов. Необходимость организации электроснабжения (стационарными или передвижными источниками, исходя из средней потребности в 0,6–0,75 кВт·ч на 1 м² площади прогрева. Длительный по времени период оттаивания – от 36 до 48 ч. Незначительная площадь оттаивания. Расход тепла по сравнению с глубинными электродами выше в 1,6–1,8 раза.

В целом этот способ эффективный, но сложный и затратный. Способы отогрева грунта, при которых нагревательные иглы вводятся в мерзлый грунт путем бурения скважин, не получили применения в коммунальных работах, так как этот способ эффективен и применение его может быть оправдано экономически при глубине выемки грунта более 0,8 м, т. е. на глубине, которая для кабельных работ не используется.

Паровые и водяные иглы. Паровое оттаивание – это подача водяного пара в грунт через т. н. «паровые иглы», представляющие собой металлические трубы длиной до 1,5–2 м и диаметром 25–50 мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с множеством отверстий диаметром 2–3 мм. Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами с кранами. Иглы опускают в предварительно пробуренные в шахматном порядке с расстоянием между центрами 1–1,5 м скважины на глубину, равную 70% от запланированной глубины оттаивания. Каждую скважину закрывают защитным колпаком из дерева, обшитого кровельной сталью с отверстием, через которое проходит паровая игла. Игла в отверстии уплотняется сальником. Сверху прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). Пар подается по шлангам под давлением 0,06–0,07 МПа. Для экономии пара режим прогрева иглами рекомендуется сделать прерывистым (например, 1 ч – подача пара, 1 ч – перерыв) с поочередной подачей пара в параллельные группы игл. Расход пара на прогрев 1 м³ грунта составляет 50–100 кг.

Водяные циркуляционные иглы. Существует также метод прогрева грунта водяными циркуляционными иглами. Этот метод, с одной стороны, родственный методу паровых игл, а с другой – технологии «гидравлического оттаивания».

Водяная игла состоит из двух коаксиальных труб, из которых внутренняя имеет внизу открытый, а наружная – заостренный концы. Горячая вода входит в иглу по внутренней трубе, а через нижнее ее отверстие поступает в наружную трубу, по которой поднимается к выходному патрубку, откуда по соединительной трубе идет к следующей игле. Иглы устанавливают в скважины, пробуренные в шахматном порядке на расстоянии 0,75–1,25 м одна от другой, и соединяют последовательно по нескольку штук в группы, которые включают параллельно между разводящими и обратными трубопроводами. В качестве теплоносителя используют воду, нагретую до 50–60 °С и циркулирующую по замкнутому контуру «котел–разводящие трубы–водяные иглы–обратные трубы–котел». Такая схема обеспечивает наиболее полное использование тепловой энергии. После непрерывной работы водяных игл в течение 1,5–2,5 суток их извлекают из грунта, поверхность его утепляют, после чего в течение 1–1,5 суток происходит расширение талых зон за счет аккумулированного тепла.

Сфера применения. Считается, что метод прогрева грунта паровыми и водяными иглами оправдан при глубине будущей траншеи или котлована более 0,8–1,5 м, поскольку при прогреве на глубину 0,7 м и меньше имеют место большие потери тепла и требуется большой расход энергии. Поэтому данные способы не получили применения в коммунальной сфере, где коммуникации обычно закладываются на меньшую глубину

Недостатки методов паровых и водяных игл. Необходимость сложных подготовительных работ (шурфы, расстановка паровых игл); необходимость в источнике пара, например, в передвижном парогенераторе; необходимость постоянного тщательного наблюдения за работой оборудования, особенно парового (температура пара выше 115 °С); над местом работ стоит пар; происходит излишнее увлажнение грунта – конденсат пара скапливается и замерзает на прилегающей территории при проведении работ, на 1 м² обработанной площади приходится до 25–50 л конденсата; расход энергии примерно в два раза больше, чем при методе глубинных электродов.

У технологии оттаивания водяными иглами нет проблем с интенсивным парением и образованием конденсата, но зато оттаивание грунта в этом случае происходит намного медленнее, чем вокруг паровых игл.

Преимущества. Способом паровых игл грунт можно прогреть за несколько часов, но преимущества метода проявляются только при работах на больших площадях оттаивания на глубине 1,5–1,7 м.

Некоторые специалисты считают оттаивание грунта паровыми иглами одним из эффективных способов, другие же придерживаются мнения, что это неэкономичная, устаревшая, неудобная и опасная технология. В общем, можно констатировать, что эта технология используется очень редко.

Электрический прогрев мерзлого грунта

Метод электрического прогрева мерзлого грунта основан на способности материалов нагреваться при прохождении через них электрического тока. С этой целью применяются вертикально и горизонтально расположенные электроды.

Горизонтальные электроды. При оттаивании грунта горизонтальными электродами сверху вниз необходимо систематически убирать с участка снег. По поверхности грунта укладывают электроды длиной 2,5–3 м из полосовой, уголковой, круглой (или любого иного профиля) стали, концы которых отгибают под прямым углом на 150–200 мм для удобства подключения к проводам. Электроды подключают к сети напряжением 380/ 220 В. Расстояние между рядами электродов, подключаемых к разноименным фазам, должно быть 400–500 мм при напряжении 220 В и 700–800 мм при напряжении 380 В.

Поверхность отогреваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 150–200 мм, которые смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2–0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы опилок. Вначале смоченные опилки являются токопроводящим элементом, так как замерзший грунт является плохим проводником. Опилочный слой может прогреваться до температуры 80–90 °С. Под воздействием теплоты, генерируемой в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока с определенным сопротивлением. После этого под воздействием теплоты начинает оттаивать следующий слой грунта, а затем нижележащие слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь теплоты в атмосферу, для чего слой опилок покрывают толем, рубероидом, полиэтиленовой пленкой, матами или щитами из досок.

Прогрев горизонтальными электродами рекомендуется применять при глубине промерзания грунта до 0,7 м при рытье неглубоких траншей и котлованов или при их ступенчатой разработке, когда оттаивание мерзлого грунта производится послойно.

Вертикальные электроды. При глубине промерзания грунта больше 0,7–0,8 м эффективен и экономически оправдан метод прогрева вертикальными электродами, в качестве которых применяют стержни из арматурной стали диаметром 12–20 мм или уголки с заостренными нижними концами. С отогреваемого участка необходимо систематически убирать снег.

При варианте прогрева «сверху вниз» стержни забивают в грунт на глубину 200–400 мм в шахматном порядке на расстоянии около 0,5–1 м друг от друга и подключают к электрической сети. Сверху засыпают слоем опилок, увлажненных солевым раствором. После 4–6 ч прогрева верхний слой грунта прогревается на глубину 300–400 мм, электроэнергию отключают, и электроды погружают на бóльшую глубину до 1,3–1,5 м. Оттаивание грунта продолжают от слоя к слою до необходимой глубины. После отключения электроэнергии электроды извлекают, но в течение 1–2 дней глубина оттаивания продолжает увеличиваться за счет аккумулированной в грунте теплоты под защитой опилочного слоя.

Расход электроэнергии на отогрев 1 м³ грунта при использовании технологии «сверху вниз», горизонтальными и вертикальными электродами колеблется от 150 до 300 МДж или от 40 до 60 кВт·ч при длительности процесса от 24 до 30 ч.

Технология со шпурами. Многие специалисты считают, что более эффективен другой вариант прогрева, когда электроды сразу погружают в предварительно пробуренные шпуры диаметром на 2–3 мм меньше диаметра электрода на глубину, превышающую на 150–300 мм слой мерзлого грунта. В этом случае грунт отогревается встречными потоками тепла: сверху вниз и снизу вверх. Сверху нагревается слой опилок, смоченных солевым раствором, от которых тепло передается верхним слоям грунта, а снизу тепло от электронагревателей движется через слой талого грунта, нагревая вышележащие слои.

Электроды располагают в шахматном порядке группами по 3–4 шт. Расстояние между электродами принимают 200–250 мм, что обеспечивает отогрев грунта в зоне диаметром 400–500 мм за 16–20 ч. Поверх опилок укладывается утеплитель.

Мощность электроэнергии, потребляемая группой из четырех электродов, составляет 0,8–1 кВт. Весь отогреваемый участок с 30–40 группами электродов можно обеспечить электроэнергией при нормальном подключении двух однофазных понижающих трансформаторов.

Данный способ характеризуется меньшими по сравнению со способом прогрева «сверху вниз» затратами электроэнергии – около 50–150 МДж на 1 м³ грунта. Однако ввиду дополнительных сложностей, связанных с бурением, данный метод оттаивания мерзлого грунта осуществляется редко и исключительно при необходимости срочно разморозить участок для выемки земли.

Общие недостатки описанных методов. Для электропрогрева требуется разрабатывать особый ППР (Проект Производства Работ) с указанием опасных зон, и вообще, самый главный недостаток самой технологии – возможность поражения работников электрическим током. По­этому работы по размораживанию грунта электродами должны производиться под надзором квалифицированного персонала, обеспечивающего безопасность работ и исправность оборудования. Необходима организация электроснабжения (стационарными или мобильными источниками) с предварительным расчетом потребности разогревающего оборудования в электроэнергии. Необходимы подготовительные работы (сборка установки, утепление, бурение шурфов). Время размораживания достаточно длительное.

Ряд специалистов придерживаются мнения, что это дорогой по сравнению с другими метод. Указанные требования и сложности их выполнения ограничивают возможности применения данного способа.

Общее преимущество – это простота в изготовлении электродов.

Следует учитывать, что в процессе отогрева грунта действующие кабели могут быть повреждены в результате воздействия теплонагревателя. Как показал опыт, необходимо, чтобы между нагревателем и кабелем сохранялся слой земли толщиной не менее 200 мм в течение всего времени отогрева.

Прочие методы прогрева мерзлых грунтов

Токами высокой частоты. Этот способ пока не получил практического применения ввиду сложности оборудования, низкого коэффициента полезного действия установки, возможности негативного воздействия на металл (в частности, проходящих рядом сетей). Серийно выпускаемое оборудование отсутствует.

Методы, не относящиеся к теме статьи. Поджог – разогрев костром. Химический способ: в шпуры заливается нагретый раствор реагентов (хлористого натрия). Термохимический способ: емкость с карбидом кальция заливают водой и поджигают выделяющийся ацетилен. Оттаивание раскаленным песком и другими сыпучими теплоносителями (шлак, щебень, асфальтобетонная крошка и т. д.). Механическое рыхление гидромолотами, рыхлителями и другим оборудованием.