Использование метода микроволновой дефростации грунтов в условиях вечной мерзлоты для северных территорий РФ и для нужд коммунального хозяйства на всей территории России

Метод микроволновой дефростации грунтов – это инновационный для России способ строительства в условиях вечной мерзлоты, позволяющий отеплять грунты для забивки свай, прокладки коммуникаций, нефте- и газопроводов, строительства и ремонта дорог, для прокладки и ремонта коммуникаций в условиях городов в зимнее время.

Значительная часть территории России расположена в зонах с продолжительной и суровой зимой. Однако строительство здесь ведется круглый год, в связи с чем, примерно, 20 % общего объема земляных работ приходится выполнять при мерзлом состоянии грунта. С понижением температуры механическая прочность грунта, а также удельное сопротивление резанию и копанию резко возрастают (в 5—8 раз).

До настоящего времени оттаивание мерзлого грунта осуществляли тепловыми способами, характеризующимися значительной трудоемкостью и энергоемкостью. Поэтому их применяли только в тех случаях, когда другие эффективные методы недопустимы или неприемлемы, а именно: вблизи действующих подземных коммуникаций и кабелей; при необходимости оттаивания промерзшего основания; при аварийных и ремонтных работах; в стесненных условиях (особенно при техническом перевооружении и реконструкции предприятий).

По виду теплоносителя различают следующие основные способы оттаивания мерзлых грунтов:

• Огневой способ, представляющий собой оттаивание грунта сжиганием твердого или жидкого топлива в специальных коробах и используемый для отрывки небольших траншей. При этом для оттаивания 1 м грунта расходуется 120-140 кг торфа, 30-60 кг угля, 0,15м3 дров. Расход жидкого топлива составляет 4-5 кг на 1 м3 грунта.
• Способ электропрогрева, основанный на оттаивании грунта электродами и нагревателями. При применении электродов электрический ток пропускают через ра-зогреваемый метел электродов, в результате чего он приобретает положительную температуру и отдает тепло грунтам. Основными техническими средствами являются горизонтальные или вертикальные электроды. Этот способ применяют при глубине промерзания грунта до 0,7 м, расход электроэнергии на отогрев 1 м3 грунта колеблется от 150 до 300 МДж для радиальных электродов и при вертикальных электродах 50-150 МДж на 1 м3.
• Оттаивание грунта паровыми, водяными и электрическими иглами. Иглы, представляют собой металлические трубы длиной до 2 м, диаметром 25-50 мм , в которые подаются различные теплоносители – горячий пар (50-100 кг на размораживание 1 м3 грунта), горячая вода либо нагревательные элементы, подключенные к сети переменного тока с напряжением 220 В. Иглы устанавливают в пробуренные скважины на площади будущего котлована, в шахматном порядке, с расстоянием между рядами 1-1,5 м на глубину равную 0,8 глубины промерзания. После отепления одного участка осуществляется демонтаж игл и перенос на новые места.

Недостатки способов:

• большой расход топлива, пара, воды, электроэнергии;
• трудоемкость при монтаже, демонтаже и утеплении зон прогрева;
• металлоемкость и громоздкость;
• дороговизна.

Высокотехнологичной альтернативой вышеперечисленным способам оттаивания грунтов является метод, основанный на использовании микроволновой энергии для создания быстрого, надежного и экологически безопасного способа нагрева.

Для размораживания грунта на глубину до 2-х метров (2 куб.м.) требуется 60 – 90 минут (время изменяется в зависимости от типа грунта) и всего 20 литров топлива для дизель-генератора, питающего микроволновую установку. Зимнее строительство, а также обилие подземных коммуникаций в городских условиях и необходимое перекрытие дорожного движения при авариях и плановом ремонте на них, делает этот метод незаменимым для работы в мерзлых грунтах. Это уникальный способ нагрева асфальтобетонного покрытия, который дает возможность качественно ремонтировать дефекты дорожного покрытия в зимнее время.

Описание установки для размораживания грунтов

Для генерации электрической энергии используется 65 КВт –ная дизельная генераторная установка Caterpillar. В качестве источника микроволновой энергии использован микроволновый генератор AMTek 915 МГц, 50 КВт. Модуль контролируется через компьютер Tough Book Style. Монтируемая на полозьях конструкция может устанавливаться на грузовик, прицеп или гусеничную машину. От микроволнового генератора микроволновая энергия поступает по алюминиевому волноводу длиной 3,66 м в алюминиевый «рог» - зону микроволнового воздействия площадью 1,1 кв.м.(1.22 м х 0,91 м) . При необходимости площадь «рога» может быть увеличена, но это сопряжено с увеличением мощности установки.

Скорость размораживания в зернистых почвах, таких как гравий и песок, составляет (1,22 м х 0,91 м х 2) м куб./час. Для достижения аналогичного результата в глинистых и тяжелых почвах требуется дополнительно 15-30 минут. Данные приведены для среднего уровня содержания влаги в почве, при повышенном содержании влаги время оттаивания увеличивается.

Выводы:

1. При использовании традиционных методов отепления грунтов требуется длительное время, значительные людские ресурсы и большие энергетические и тепловые затраты. Микроволновый метод отепления грунтов в десятки раз экономит время и энергию, а трудозатраты определяются работой одного оператора установки.
2. При работе с отеплением мест залегания городских коммуникаций необходимо знать тип коммуникаций и глубину их местонахождения. Информация черпается из базы данных городских коммунальных служб, либо при тестировании участка трассоискателем.
3. Микроволновое оборудование может при необходимости размещаться на любых транспортных средствах, соответствующих климатическим условиям местности, интересам и возможностям заказчика.
4. Метод микроволнового отепления грунтов открывает новые возможности для ведения строительных работ в зимнее время и в зоне вечной мерзлоты. Позволяет более рационально организовать строительные работы, добиться сокращения сроков строительства и ремонта, сократить трудозатраты и повысить качество работ.