Глава 19. Маркшейдерские работы при искусственном замораживании грунто

Глава 19
Маркшейдерские работы при искусственном замораживании грунтов

А. Разбивка мест заложения скважин

19.01. При искусственном замораживании грунтов выполняются следующие маркшейдерские работы:

разбивка мест заложения замораживающих скважин;

установка кондукторов;

определение отклонений замораживающих колонок;

определение глубины (длины) замораживающих скважин;

составление исполнительных чертежей;

определение объемов исполненных работ.

19.02. Разбивка скважин производится согласно привязкам, данным в проекте.

19.03. Разбивка скважин производится относительно основных осей сооружений, выносимых от пунктов геодезической основы и закрепляемых постоянными бетонными знаками. Точность выноса осей мм, а скважин мм.

19.04. В случае невозможности произвести разбивку скважин от осей сооружений (застроенность участка и другие препятствия) разбивка производится непосредственно от геодезической основы.

Б. Маркшейдерские разбивки вертикальных и наклонных скважин для комплекса при замораживании грунтов

19.05. Местоположение скважин, расположенных по криволинейному контуру, определяется в полярной системе координат от центра сооружения.

19.06. При расположении скважин по окружности полярный угол определяется по формуле

,

где k - номер скважины;

n - число скважин.

19.07. При невозможности произвести разбивку из центра полярные координаты скважин перевычисляются в координаты системы, принятой для данного строительства, и разбивка их осуществляется от пунктов геодезической основы.

Перевычисление координат из полярной системы в прямоугольную производится по формулам

;

,

где k - номер скважины;

- радиус-вектор скважины с номером k;

- дирекционный угол радиуса-вектора.

19.08. Глубина бурения вертикальной скважины определяется разностью фактической отметки устья и проектной отметки забоя (заложения) скважины:

,

где h - глубина бурения.

Для наклонных скважин

,

где L - длина бурения;

- угол наклона скважины к горизонту.

19.09. При замораживании грунтов вертикальными скважинами над сводами тоннелей круглогосечения проектная отметка забоя рассчитывается по формулам (рис. 19.1):

а) для горизонтальных тоннелей

;

б) для наклонных тоннелей

,

где - отметка центра тоннеля;

R - радиус тоннеля;

m - расстояние, на которое скважины не доходят до обделки тоннеля;

y - расстояние от оси тоннеля до забоя скважины;

- угол наклона тоннеля.

19.10. Данные для разбивки наклонных скважин при замораживании грунтов под зданиями, подземными коммуникациями и другими сооружениями, а также при замораживании лотков вертикальных выработок рассчитываются исходя из проектных привязок скважин к осям сооружений.

19.11. Разбивочные данные корректируются в зависимости от фактического положения конструкций, определяемого по исполнительным чертежам или, в случае отсутствия или ненадежности последних, по контрольным шурфам.

19.12. Все изменения проектного расположения скважин должны согласовываться с проектной организацией.

19.13. При замораживании грунтов над сводами горизонтально расположенных тоннелей, пересекающимися рядами наклонных скважин ("шатер"), данные для разбивки (рис. 19.2) определяются по следующим формулам:

; ; ,

где h - глубина заложения центра тоннеля;

R - радиус тоннеля;

m - удаление скважины от внешней поверхности тоннеля;

l - удаление устья скважины от оси тоннеля;

- угол, составленный осью скважины и линией, соединяющей ее устье с центром тоннеля;

- угол наклона оси скважины к горизонту.

19.14. Положения устьев скважин, закрепленных в натуре, передаются буровому мастеру. Передача оформляется в буровом журнале с записью глубин (длин) бурения и присвоенных номеров скважин.

В. Расчеты разбивок наклонных скважин на поверхности при сооружении наклонных тоннелей

19.15. Разбивка скважин производится от основных осей эллипса, закрепляемых на дневной поверхности. Расчет центра эллипса и разбивка скважин производятся на отметке установленного нулевого горизонта (на средней планировочной отметке строительной площадки).

19.16. Вычисление координат и пикетного значения центра эллипса (пересечения оси наклонного хода с поверхностью нулевого горизонта) производится (рис. 19.3) по формулам:

; ;

; ;

,

где , , - проектные координаты и отметка точки пересечения оси наклонного тоннеля с уровнем чистого пола станции;

а - горизонтальные проекции оси наклонного тоннеля от точки перегиба А до центра эллипса;

- дирекционный угол, обратный дирекционному углу оси наклонного тоннеля;

- отметка нулевого горизонта;

- проектный угол наклона тоннеля.

19.17. Центр и оси эллипса разбиваются от геодезической основы, принятой для строительства тоннеля, и закрепляются постоянными знаками (бетонными монолитами), а направления осей - монолитными или специальными марками в стенах фундаментальных зданий. Направления осей закрепляются с расчетом их видимости из центра эллипса и сохранности на весь период производства работ по бурению и монтажу колонок.

19.18. Разбивка скважин осуществляется из центра эллипса по прямоугольным или полярным координатам, вычисленным относительно большой и малой осей эллипса и (рис. 19.4).

Прямоугольные координаты скважин вычисляются по следующим формулам:

;

.

При =30°

;

,

где , - координаты скважины на эллипсе;

R - радиус окружности скважин;

- полярный угол на окружности расположения скважин, вычисляемый по формуле п. 19.06;

- проектный угол наклона тоннеля.

Пример вычислений дан в приложении 19-1.

Полярные координаты вычисляются по формулам

;

,

где - полярный угол на эллипсе;

- радиус-вектор скважины.

19.19. Рекомендуется на строительной площадке за пределами эллипса закрепить нормали к оси с противоположных сторон малой оси с определением их смещений и вычислить расстояния от этих нормалей до проектных центров скважин, как разности ; последние вычисляются по формуле п. 19.18.

Г. Установка направляющих кондукторов

19.20. Направляющие кондукторы вертикальных скважин устанавливаются по отвесу или уровню.

19.21. Перед установкой кондукторов для наклонных скважин производится разбивка траншей для них в плане и профиле. Разбивка производится от осей эллипса. Дно траншеи профилируется при помощи нивелира или шаблона в соответствии с расчетными данными низа трубы кондуктора.

19.22. Перед установкой кондуктора на дне траншеи укладывается и укрепляется основание по линии проектного положения низа направляющих труб (кондуктора) при помощи наклонного луча трубы теодолита.

19.23. Кондукторы для наклонных скважин длиной до 30 м и углом наклона от 70 до 90° устанавливаются следующими способами:

1) при помощи величин и (см. рис. 19.5);

2) при помощи прямоугольного треугольника с углом, равным углу наклона скважины, и уровнем на его катете (рис. 19.6);

3) путем нивелирования концов кондуктора (рис. 19.7);

4) подбором длины горизонтальной проекции кондуктора, для чего верхний конец его передвигают в створе оси скважины до получения величины (рис. 19.8). Этот способ рекомендуется при углах наклона, больших 45°, как наиболее точный.

19.24. Кондукторы для наклонных скважин длиной более 30 м и углом наклона от 0 до 70° устанавливаются с помощью теодолита. В тех случаях, когда скважина запроектирована с большим углом наклона, для установки кондуктора применяется теодолит с внецентренной трубой.

19.25. Установка кондуктора в плане производится по двум точкам, отмеченным на одной из образующих верхней поверхности трубы. Эти точки устанавливаются в створе проектного направления скважины. При установке же с помощью теодолита - в створе визирной оси, ориентированной по заданному направлению.

19.26. Установка кондуктора в вертикальной плоскости производится от визирной оси трубы теодолита, закрепленной по проектному углу наклона, на реечку, передвигаемую по верхней образующей кондуктора и устанавливаемую нормально к его оси. Вместо реечки можно применять прямоугольный треугольник, на одном из катетов которого нанесены сантиметровые деления.

19.27. Для установки кондуктора теодолит должен быть отцентрирован на оси скважины с точностью мм. Расстояние от устья скважины до инструмента и его высота должны быть выбраны с таким расчетом, чтобы было обеспечено визирование выше верха проектного положения трубы кондуктора от 10 до 50 см. Теодолит с внецентренной трубой центрируется на смещенную ось скважины; смещение должно быть равно величине эксцентриситета трубы.

19.28. Для более быстрой установки теодолита рекомендуется произвести расчет расстояния от устья скважины до точки стояния инструмента, который ставится примерно на вычисленном расстоянии от скважины и заданной высоте.

Расчет расстояния производится по формуле (рис. 19.9)

.

При =30°:

,

где l - расстояние от точки стояния инструмента до проектного устья скважины;

i - намечаемая, в зависимости от роста наблюдателя и удобства наблюдения, высота инструмента;

- разность фактической отметки поверхности и отметки нулевого горизонта ;

;

р - превышение визирного луча над осью скважины (р должно быть не менее диаметра трубы кондуктора).

19.29. После установки теодолита определяют фактическую отметку горизонта инструмента и измеряют расстояние от инструмента до проектного устья скважины. Погрешность определения отметки и расстояния должна быть не более мм. По полученным данным вычисляют отсчет по реечке m, определяющий проектное положение кондуктора в вертикальной плоскости.

Отсчет по реечке рассчитывается по формулам (см. рис. 19.9):

;

;

,

где - проектная отметка горизонта установленного теодолита;

- отметка нулевого горизонта;

- фактическая отметка горизонта инструмента;

- измеренное расстояние от проектного устья скважины до инструмента;

P - превышение визирного луча трубы теодолита над проектной осью скважины;

D - диаметр кондуктора.

Примечание. В случае отсутствия приспособления, удерживающего буровой снаряд по центру кондуктора, необходимо при расчетах вводить поправку на разность диаметров кондуктора и снаряда.

19.30. Для выравнивания основания под кондуктор при помощи наклонного визирного луча теодолита рассчитывается отсчет k по рейке, устанавливаемой вертикально на основание траншеи, определяемый по формуле

,

где обозначения те же, что и в п. 19.29.

19.31. Для удобства и быстроты расчетов величин l, Р, m, рассчитываются таблицы (или строятся номограммы). Значения величин

; ; ;

даются в приложениях 19-2, 19-3, 19-4 и 19-5.

19.32. Точность установки кондукторов для наклонных скважин определяется в зависимости от длины скважины L, длины кондуктора S и установленного допуска бурения М. Погрешность установки не должна превышать величин, рассчитываемых по формулам:

в плане (азимутально)

;

в профиле (зенитально)

,

где .

Допускается параллельное смещение устанавливаемого кондуктора до мм во всех направлениях.

Д. Горизонтальная и вертикальная съемка скважин

19.33. По окончании бурения скважины и монтажа колонки производится съемка устья скважин в плане и по высоте. Определение устьев скважин производится от основных осей сооружений и высотных реперов с точностью мм.

Примечание. За устье принимается верхний центр замораживающей колонки.

19.34. Работы по определению отклонений осей скважин состоят из:

определений искривлений скважин в пределах прямой видимости источника света, опускаемого в скважину;

измерения искривлений за пределами видимости источника света;

вычислений отклонений;

составления исполнительных чертежей.

19.35. Перед измерением искривлений из скважины удаляется вода, колонка раскрепляется в устье кондуктора.

Измерение искривлений с помощью лотаппарата

19.36. Измерение искривлений вертикальных скважин и наклонных с углом наклона от 80 до 90° в пределах видимости опущенного источника света производится при помощи лотаппарата и специальной палетки с миллиметровой сеткой (рис. 19.10), служащей для фиксирования наклонного и вертикального направлений визирной оси трубы лотаппарата в момент измерения.

19.37. Палетка центрируется по центру устья замораживающей колонки и ориентируется относительно ближайших опорных пунктов геодезической основы или надежно определенных съемочных точек (скважины, осевые точки и др.).

19.38. Измерения искривлений скважин производятся через интервалы 5-10 м при подъеме и опускании источника света. Определения искривлений наклонных скважин производятся дважды, при ориентировании палетки на два разных пункта.

19.39. Палетка ориентируется глазомерно или при наклонных скважинах по шнуру, натянутому от центра определяемой скважины по направлению на пункт ориентировки.

19.40. Измерение отклонения скважины от вертикали лотаппаратом производится в следующем порядке:

а) опускают источник света в скважину на глубину его максимальной видимости;

б) устанавливают лотаппарат над скважиной и с помощью подъемных винтов, а также регулированием ножек штатива направляют визирный луч на видимый источник света;

в) подводят палетку под лотаппарат, центрируют ее над центром скважины и ориентируют на выбранную точку;

г) производят по палетке отсчеты и ;

д) приводят визирную ось лотаппарата в вертикальное положение и производят по палетке отсчеты и .

По окончании этих измерений снимают палетку, поднимают источник света на следующий определяемый горизонт скважины и затем производят все описанные выше действия;

при каждом наблюдении палетка ориентируется на одну и ту же точку.

19.41. По окончании наблюдений скважины измеряется "высота лотаппарата" (расстояние от палетки до середины головки штатива). Глубина измерений определяется тросиком, на котором опускается источник света.

19.42. Глубина наблюдаемых точек фиксируется с точностью см. Погрешность в определении высоты лотаппарата над палеткой и погрешность центрирования палетки над центром устья скважины не должны превышать мм. Отсчеты по палетке производятся с точностью мм. Расхождения в разностях отсчетов по палетке (см. ниже пп. 19.43 и 19.44) при двойных измерениях допускаются в пределах от 1 до 2 мм, в зависимости от глубины наблюдаемых точек.

19.43. Вычисление отклонений скважины от вертикали производится по формулам (рис. 19.11):

;

,

где , - отклонения скважины относительно ориентированных осей палетки;

i - "высота лотаппарата" (расстояние от палетки до середины головки штатива);

L - глубина наблюдаемой точки (относительно палетки);

, - отсчеты на палетке по наклонному лучу, направленному на определяемую точку А в скважине;

, - отсчеты на палетке по вертикальному лучу;

, - отчеты центра палетки, установленного над центром скважины.

Примечание. Указанные формулы применяются в случаях, когда палетка отцентрирована над скважиной.

Образец полевого журнала и пример вычислений даны в приложениях 19-6 и 19-7.

19.44. Если установить палетку над устьем скважины невозможно, отклонения вычисляют относительно вертикальной оси лотаппарата, отцентрированной над центром колонки, по формулам:

;

.

19.45. Измерение искривлений скважин с большими углами наклона, где нельзя применить обычный инструмент, производится теодолитом с внецентренной трубой. Измерения разрешается производить при одном положении круга с введением в отсчеты по горизонтальному кругу поправки, вычисляемой по формуле

,

где r - эксцентриситет трубы;

L - горизонтальное расстояние до наблюдаемой точки;

.

В случае, если L менее 2 м, поправку вычисляют, пользуясь зависимостью

.

В измерения при круге право поправка прибавляется, при круге лево - вычитается.

Измерение искривлений наклонных скважин с помощью теодолита при сооружении эскалаторных тоннелей

19.46. Измерение искривлений наклонных скважин в пределах видимости источника света заключается в определении отклонений пробуренных скважин от их проектного положения в плане и профиле.

19.47. Для определения отклонений пробуренных скважин от их проектного положения необходимо:

а) установить теодолит в створе оси пробуренной скважины. Инструмент устанавливается с расчетом максимальной видимости источника света, опущенного в скважину;

б) после установки теодолита определить его координаты , и отметку (Г.И.);

в) измерить расстояния от теодолита до определяемых точек скважины и расстояние от горизонтальной оси инструмента до устья скважины;

г) измерить горизонтальные углы, образуемые проектным направлением с направлениями на определяемые точки скважины;

д) измерить углы наклона на наблюдаемые точки в определенных местах скважины.

19.48. Координаты , определяются полярным способом из центра эллипса или непосредственно промерами от закрепленных осей эллипса и с помощью рулетки, натянутой от центра теодолита по нормали к визирной оси второго теодолита, установленного над центром эллипса и ориентированного: по оси x - для определения и по оси y - для определения (рис. 19.12). Величину откладывают по малой оси эллипса (y) и закрепляют колышком с забитым в него гвоздем - для снятия направления при измерении горизонтальных углов на определяемые скважины.

Примечание. Для ориентировки теодолита при измерении горизонтальных углов боковых скважин на эллипсе величина откладывается по линии, параллельной оси у и смещенной от точки стояния инструмента на расстояние не менее 10 м.

19.49. При наличии закрепленных нормалей - смещенных малых осей I-I и II-II координаты и точки установки инструмента для измерения скважины с номером "к" определяются формулами

;

,

где - абсцисса х нормали (расстояние ее от малой оси эллипса);

D - расстояние от нормали до точки установки инструмента;

- смещение теодолита от проектной оси скважины (рис. 19.13).

19.50. Измерение горизонтальных углов и углов наклона на источник света, опускаемый в скважину, производится через интервалы 5-10 м при подъеме и спуске. При спуске измерение производится при втором положении круга.

19.51. Вычисление отклонений скважин от их проектной оси производится по формулам (рис. 19.14):

;

;

;

;

;

;

,

где и - отклонения скважины в точке n в плане и профиле;

- расстояние от наблюдаемой точки n до горизонтальной оси вращения теодолита;

Г.И. - фактическая отметка горизонтальной оси теодолита;

- проектная отметка горизонтальной оси теодолита;

- отметка нулевого горизонта;

- угол наклона, измеренный на точку n скважины;

- проектный угол наклона скважины;

, - координаты точки установки инструмента для скважины с номером "к";

, - проектные координаты устья скважины с номером "к";

- измеренное направление на определяемую точку n;

- проектное направление оси скважины.

Пример вычислений дан в приложении 19-8.

19.52. Расстояние от нулевого сечения (нормального сечения к оси тоннеля, проходящего через центр эллипса) до фактического центра устья колонки вычисляется по формулам (рис. 19.15):

а) для скважин, расположенных в верхней части эллипса (своде)

;

б) для скважин, расположенных в нижней части эллипса

.

рассчитывается по формуле

,

где F - расстояние от нулевого сечения до фактического центра устья колонки;

- измеренное расстояние от центра устья колонки до горизонтальной оси инструмента;

- расстояние от проектного центра устья колонки до центра инструмента по проектной оси скважины;

- проектная абсцисса скважины, берется абсолютное значение;

- разность горизонта инструмента и ;

и - те же, что и в п. 19.51.

19.53. При измерении отклонений скважин (вертикальных и наклонных) инструментальные наблюдения ведутся на максимальную видимость опускаемого в скважину источника света. После ухода света за пределы видимости производятся наблюдения за отсветом с фиксацией его глубины и зарисовок ухода скважины (вправо, влево, вниз, вверх).

19.54. За пределами видимости источника света разрешается в скважинах глубиной до 75 м определять положение скважины экстраполяцией на 1/4 измеренной длины. В скважинах глубиной более 75 м экстраполяция разрешается на длину не более 15 м.

19.55. Экстраполяция производится графически по инклинограмме (горизонтальная проекция) и профилю скважины, составленному по направлению ее искривления, с учетом характера искривления и наблюдений за отсветом, фиксированных при измерении скважины.

19.56. Измерение искривлений скважин за пределами видимости осуществляется специальными инклинометрами. Выбор прибора производится в зависимости от конструкции скважины и требуемой точности измерения. Ошибка измерения, обеспечиваемая применяемыми приборами, не должна выходить из пределов установленных допусков отклонений скважин при бурении.

19.57. Измерение искривлений наклонных скважин под углом наклона в 30° за пределами видимости производится тросиковым инклинометром.

19.58. В зависимости от применяемого прибора и методики измерений должна производиться оценка точности полученных искривлений. Подсчет ошибок измерений производится по каждому сечению и результаты его указываются на исполнительных чертежах (сечениях).

19.59. Фактическая глубина (длина) пробуренных скважин контролируется измерением звеньев опускаемых питательных трубок и замером остатка от верха колонки. На момент опускания питательных трубок верх колонки нивелируется. По результатам контрольных измерений подсчитывается отметка конуса замораживающей колонки. Ошибка определения отметки конуса не должна превышать см.

19.60. В определенную по данным контрольных измерений питательных трубок отметку конуса необходимо вводить поправку за укорочение скважины, вычисляемую по формуле

,

где - поправка за укорочение скважины (вводится в отметку со знаком плюс);

L - фактическая длина скважины;

- горизонтальная проекция скважины.

При непрямолинейности скважины в вертикальной и горизонтальной плоскостях поправка за укорочение подсчитывается поинтервально и общее укорочение определяется по формуле

,

где , ... - горизонтальные проекции интервалов, определяемые графически по инклинограмме;

, ... - фактические длины интервалов.

19.61. При замораживании грунтов вертикальными скважинами для проходки стволов шахт и других вертикальных выработок должны быть составлены следующие исполнительные чертежи:

а) план в масштабе 1:100 на нулевом горизонте с показанием фактического расположения скважин, рассольной сети, замораживающей станции и других коммуникаций, связанных с исполнением работ по замораживанию;

б) план горизонтальных проекций скважин (сборное сечение), масштаб 1:50;

в) развертка скважин по проектному контуру с показанием геологического разреза, положения скважин с указанием фактических и проектных отметок забоя (конуса), фактического уровня подземных вод, положения фильтров (по высоте) наблюдательных гидрогеологических скважин;

г) нормальные (к оси вертикальной выработки) сечения с показанием фактического положения скважин.

19.62. При замораживании грунтов наклонными скважинами для проходки наклонных тоннелей должны быть составлены следующие исполнительные чертежи:

а) проекция фактического расположения скважин на нормальную к оси наклонного хода плоскость в масштабе 1:50 с указанием габаритов выработки и проектного расположения скважин (сборное сечение);

б) нормальные к оси наклонного тоннеля сечения через каждые 5-10 м в масштабе 1:50 с литологической и гидрогеологической характеристикой фунтов с показанием фактического положения скважин и габаритов выработки;

в) проекция скважин на вертикальную осевую плоскость наклонного тоннеля по правой и левой стороне в масштабе 1:100 с нанесением контура выработки, гидрогеологического разреза, уровня подземных вод и положения фильтров наблюдательных гидрогеологических скважин;

г) план в масштабе 1:100 на нулевом горизонте с расположением скважин, рассольной сети, замораживающей станции и других коммуникаций, связанных с замораживанием.

19.63. Для других выработок исполнительные чертежи должны быть составлены в соответствии с пп. 19.61 и 19.62.

19.64. Нормальные сечения должны быть составлены по всем характерным участкам геологического разреза выработки (на контактах слабых пород с крепкими, на горизонтах с малой теплопроводностью пород, сильноводоносных пластов и на других ответственных участках).

19.65. На исполнительных сечениях по расчетному радиусу замораживания пород наносится положение ледогрунтового ограждения, и на основании анализа фактического расположения скважин определяется степень соответствия проекту ледогрунтовой защиты (рис. 19.16).

19.66. Условный радиус замораживания по каждому сечению определяется специальными расчетами в зависимости от фактического расстояния между скважинами, заданной толщины ледогрунтовой перемычки, теплосодержания породы и времени замораживания.

19.67. При графическом построении замкнутых ледогрунтовых стен по заданному радиусу замораживания необходимо учитывать неравномерность распространения замороженной зоны относительно линии расположения скважин и центр окружности ледогрунтового цилиндра скважины смещать в направлении центра выработки на величину, равную 0,1 Д, где Д - расчетный диаметр замораживания, равный .