Рождение метода искусственного замораживания грунтов

Н. Г. Трупак, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, лауреат Государственной премии СССР.

Год 1932-й. Невиданная борьба инженерных идей вокруг ключевых вопросов проекта сооружения первой очереди Московского метрополитена завершается принятием основных технических направлений строительства. Нерешенным остается важный вопрос — как сооружать наклонные эскалаторные тоннели в водонасыщенных грунтах-плывунах. Иностранные эксперты не могут дать на этот счет никаких рекомендаций, так как опыта строительства метро в столь сложных условиях у них не было.

Проектом предусматривалось сооружение эскалаторных тоннелей к станциям метро «Дзержинская», «Кировская» и «Красные ворота» (ныне «Лермонтовская»). Проходку этих наклонных тоннелей необходимо было вести в мощном слое плывунных грунтов. В зоне проходки плотная городская застройка и сложное подземное коммунальное хозяйство. Советские инженеры предложили применить способ искусственного замораживания грунтов с помощью наклонных замораживающих скважин.

С целью проверки способа в инженерно-геологических условиях Москвы, освоения и подготовки к сооружению наклонных стволов его применили вначале для проходки вертикального ствола шахты № 20. За 30 дней плывуны были превращены в ледяной массив. Вместе с проходкой все работы заняли 50 дней. Успешное применение способа позволило управлению Метростроя принять решение об использовании замораживания при сооружении эскалаторных тоннелей станций «Дзержинская», «Кировская» и «Красные ворота».

Однако нужно было решить еще ряд сложных проблем, прежде всего заново разработать технологию бурения скважин в водонасыщенных грунтах, создать квалифицированные кадры буровиков. Дополнительные трудности для выполнения буровых работ возникали из-за наличия многочисленных подземных коммуникаций, оживленного автомобильного и трамвайного движения на улице Кирова и площади Дзержинского. Особенно сложной была обстановка при производстве буровых работ для эскалаторного тоннеля к станции «Кировская» (тоннель располагался под площадью). Буровые работы для эскалаторного тоннеля к станции «Красные ворота» выполнялись под жилым зданием.


Вначале применяли ударный способ бурения — практически ручной, с очень медленным темпом работ. Первую наклонную скважину глубиной 60 м пробурили таким способом за 30 суток. Затем стали пользоваться механическим способом вращательного бурения, значительно ускорившим производство буровых работ, так что последние скважины бурили уже за семь-восемь суток. Отметим, что в настоящее время такие скважины бурят с помощью специально разработанных совершенных станков наклонного бурения за одни сутки.

Вокруг каждого наклонного тоннеля бурили 48 замораживающих скважин средней глубиной 55 м. Для всех тоннелей пробурили более 8 тыс. м наклонных скважин. Не менее важным был вопрос о замораживающих трубах. Специальных замораживающих труб в СССР в то время не изготовляли. Было решено применить обычные, в том числе газовые, трубы, способные выдержать внутреннее давление до 30 атм. Благодаря принятым мерам в ходе работ не произошло ни одной аварии, охлаждающий рассол не вытекал и не просачивался из замораживающих труб.

Важнейшей проблемой было также получение холодильных установок для замораживания грунтов. К этому времени в нашей стране замораживание грунтов использовали при проходке вертикальных шахтных стволов — калийного в Соликамске и угольного в Кузбассе. Работы выполняли подрядчики — иностранные фирмы. В обоих случаях применяли углекислотные холодильные установки, которые в СССР выпускались только малой холодопроизводительности.

Взамен углекислотных было предложено применить аммиачные холодильные установки, изготовляемые в нашей стране. Это предложение многие встретили с недоумением и скептически: как можно применять для замораживания грунтов установки, предназначенные для использования в пищевой промышленности? Тем не менее на всех объектах были использованы аммиачные холодильные установки, а на одном из них — даже холодильная установка, взятая с Московской колбасной фабрики. В настоящее время аммиачные холодильные установки для замораживания грунтов применяют не только на строительстве метрополитенов страны, но и в других областях промышленного строительства, в частности шахтного.


Наклонные тоннели сооружались в водоиасыщенных грунтах при очень высоком горном давлении. В этих условиях известные виды крепи из бетона и железобетона были неприемлемы. Для крепления выработок эскалаторных тоннелей была предложена чугунная тюбинговая крепь, которую впервые и применили на Метро-строе. Изготовление тюбингов было поручено Днепропетровскому металлургическому заводу.

Внимание, которое уделялось партией и правительством делу метростроения, обеспечило возможность выполнения трудной задачи — сооружения эскалаторных тоннелей меньше чем за год.

На второй очереди строительства Московского метрополитена замораживание грунтов применяли при сооружении 12 наклонных эскалаторных тоннелей. Число замораживающих скважин вокруг тоннелей сократили до 40. И в дальнейшем, на всех последующих очередях Московского метрополитена основным способом проходки эскалаторных тоннелей был способ замораживания грунта при различном расположении замораживающих скважин.

Замораживание грунтов применяли и при сооружении горизонтальных выработок под жилыми домами или вблизи них на Каланчевской и Моховой (ныне проспект Маркса) улицах. На Каланчевской улице тоннель сооружали в русле подземной реки Ольховец кессонным способом. При приближении фронта работ к пятиэтажному жилому дому с населением 1 тыс. человек на участке тоннеля протяженностью 91 м применили способ замораживания грунта. При этом пробурили 325 наклонных и вертикальных замораживающих скважин общей глубиной 6100 м. На участке горизонтального тоннеля протяженностью 125 м, сооружаемого открытым способом вблизи Киевского вокзала, также осуществили замораживание грунтов. Большие объемы работ с использованием способа замораживания грунтов были выполнены при сооружении станции «Динамо». Здесь, кроме двух глубоких наклонных стволов, замораживание применили при сооружении двух щитовых камер.

За 50 лет строительства метрополитенов в нашей стране способом замораживания пройдено около 100 эскалаторных тоннелей, в том числе в Москве, Киеве, Баку, Тбилиси, Харькове. Опыт замораживания грунтов, приобретенный на строительстве Московского метрополитена, использован на многочисленных объектах в шахтном, гидротехническом и промышленном строительствах, а также при строительстве многих подземных сооружений.