История заморозки грунта: с 1862 года до наших дней

В 1862 году при проходке шахты в Южном Уэльсе впервые применили искусственное замораживание водонасыщенного грунта. Идея была подсказана природой: в условиях вечной мерзлоты породы обладают достаточной прочностью, чтобы выполнять функции временного ограждения, а лёд в порах грунта работает как гидроизоляционный барьер. Позже в 1883 году немецкий инженер Фридрих Герман Пёч (Friedrich Hermann Poetsch) усовершенствовал и запатентовал эту технологию, после чего метод получил широкое распространение в горном деле и подземном строительстве.

Патент Пёча и суть метода

Патент был выдан в Германии 27 февраля 1883 года (Kaiserliches Reichspatent № 25015). В том же году Пёч получил патент в США (№ 300,891 от 24 июня 1884 года) на «Способ и аппарат для проходки стволов через плывуны». Суть изобретения, вошедшего в историю как «метод Пёча» (Poetsch Process), заключалась в следующем: через водонасыщенные породы пробуривали ряд труб, закрытых снизу. Внутрь каждой трубы вставляли вторую, открытую снизу. По внутренней трубе подавали охлаждающий агент (хладоноситель), который, поднимаясь по межтрубному пространству, отбирал теплоту у грунта.

По мере отвода теплоты вокруг каждой колонки формировался цилиндр мёрзлого грунта. При смыкании этих цилиндров образовывалось сплошное ледопородное ограждение, замкнутый контур, обладающий высокой механической прочностью и практически нулевой водопроницаемостью. Внутри этого контура можно было вести земляные и бетонные работы без водопонижения и без риска прорыва грунтовых вод. Именно эта схема циркуляции хладоносителя через замораживающие колонки остаётся базовой для технологии до настоящего времени.

Хладагенты и холодильное оборудование

Первые системы работали по рассольной схеме. На замораживающей станции монтировали аммиачные компрессорные агрегаты, которые охлаждали водный раствор хлористого кальция (рассол) до –20…–25 °C. Насосы подавали рассол в замораживающие колонки и возвращали его обратно. Нагревшийся в колонках на 3–5 °C рассол вновь поступал в испаритель холодильной установки для повторного охлаждения. Скорость промораживания грунта при рассольном методе составляла 1–2 см в сутки.

С 1960-х годов в практике метростроения начали применять жидкий азот. Его температура кипения при атмосферном давлении составляет –195,8 °C, что обеспечивает значительно более быстрый набор прочности ледопородного ограждения: скорость замораживания достигает 10–15 см в сутки. Однако жидкий азот дорог и расходуется безвозвратно, поэтому его используют в случаях, когда рассольная схема неприменима: при высоких скоростях фильтрации подземных вод, в стеснённых условиях или при аварийных ситуациях. Для закрепления 1 м³ грунта требуется до 600 кг азота.

Метрострой: Москва, Санкт-Петербург и другие города

В СССР метод искусственного замораживания грунтов начали системно применять с 1932 года при строительстве Московского метрополитена. Первые опыты провели на вертикальном стволе шахты № 20: плывуны превратили в ледяной массив за 30 дней, а все работы заняли 50 дней. Успех позволил применить метод для проходки наклонных эскалаторных тоннелей на станциях «Дзержинская», «Кировская» и «Красные ворота» (сегодня «Лубянка», «Чистые пруды» и «Красные Ворота»).

Вторая очередь метрополитена строилась с 1935 по 1938 год. На этом этапе замораживающие скважины для верхних вестибюлей бурили вертикально до подстилающего водоупора, создавая замкнутый контур. Для наклонных эскалаторных ходов скважины располагали под углом 30° к горизонту: по контуру сечения бурили 40 скважин, чтобы получить ледопородное ограждение толщиной 3 м. Температура замораживания принималась равной –10 °C. Объём замороженного грунта на второй очереди достигал 200 000 м³, а суммарная холодопроизводительность холодильных установок составляла порядка 11,6 МВт.

Метод остаётся востребованным и в современных проектах. На станции «Достоевская» Кольцевой линии в Москве эскалаторный тоннель строят с предварительным замораживанием грунта: вокруг наклонного хода работает система замораживающих, термометрических и наблюдательных скважин. В Санкт-Петербурге, где грунты представлены плывунами, на станции «Боровая» Красносельско-Калининской линии начато бурение скважин для рассольного замораживания. Пока плывуны вокруг шахты не превратятся в лёд, вести работы ниже опасно.

Где и как сегодня применяют заморозку грунтов

Сегодня метод искусственного замораживания грунтов вышел далеко за пределы метростроя. Вот несколько направлений и фактов из современной практики.

Замораживание твёрдым диоксидом углерода. В середине 1980-х годов в качестве альтернативы жидкому азоту начали применять твёрдый диоксид углерода (сухой лёд). Он сублимируется при температуре –78,5 °C, что значительно ниже, чем у рассола, но выше, чем у жидкого азота. Это позволяет сократить время замораживания и работать с грунтами, имеющими более высокие скорости фильтрации. Метод считается экологически более безопасным и экономически выгодным для крупномасштабных проектов, где применение жидкого азота ограничено стоимостью и требованиями безопасности.

Термостабилизаторы в Заполярье. В условиях деградации многолетнемёрзлых грунтов, вызванной потеплением климата, для обеспечения устойчивости зданий всё чаще применяют сезонно-охлаждающие устройства (термостабилизаторы). Эти устройства работают пассивно: зимой они забирают холодный воздух и промораживают грунт, а летом прекращают работу. Такой подход позволяет сохранить несущую способность основания без постоянного энергопотребления. В Норильске при реновации жилых домов специалисты-мерзлотники использовали термостабилизаторы в сочетании с инъектированием быстро твердеющих полимеров вокруг свай.

Аварийное применение. Искусственное замораживание доказало эффективность как средство аварийного реагирования. Исследования показывают, что замораживание грунта вокруг фундаментов на сваях позволяет восстановить их несущую способность и остановить осадку. Лабораторные эксперименты демонстрируют, что 10-часовой процесс замораживания снижает среднюю температуру сваи с –0,5 °C и уменьшает деформацию под нагрузкой. Метод также рассматривается для локализации утечек радиоактивно загрязнённых вод: замораживание создаёт барьер, препятствующий распространению загрязнения.

Строительство высокоскоростной железной дороги в Великобритании. При строительстве высокоскоростной железной дороги HS2 в Лондоне замораживание грунтов применили в беспрецедентном для страны масштабе. На тоннеле Northolt (13,5 км) из 34 поперечных сбоек 11 построили с предварительным замораживанием: трасса пересекала водоносные пески группы Ламбет. Хладоноситель (рассол CaCl₂) охлаждали до –33 °C, формируя ледяную стену толщиной 2 м. К апрелю 2026 года все сбойки были завершены.

Тоннели метро в Хельсинки. При прокладке двух тоннелей метро диаметром 6,5 м на глубине 25 м под перекрёстком улиц в Хельсинки применялось горизонтальное замораживание. Грунт вокруг забоя замораживали путём испарения фреона в замораживающих трубах. Толщина ледопородного ограждения составляла 2,5 м.

За более чем полтора века технология замораживания грунтов прошла путь от первых опытов Пёча до крупномасштабных проектов. Изменились хладагенты и системы управления, но физический принцип остался тем же: отвести теплоту, превратить поровую воду в лёд и получить временное водонепроницаемое ограждение, внутри которого можно безопасно вести работы. Именно эта простота и универсальность делают метод востребованным и сегодня, когда строительство всё чаще ведётся в стеснённых условиях плотной городской застройки.