人工冻结（精选6篇）
人工冻结 篇1
前言
冻结法施工在地下工程建设中被广泛运用,随着城市的建设的不断发展,冻结法利用人工制冷技术,将松散的含水层冻结成封闭的冻结壁,形成强度高、完整性好且不透水性非常好的临时加固体,从而避免了地下水对地下工程的影响, 同时达到加固地层的目的。增加了岩土体的强度和自身稳定性。人工水平冻结法封水性好,对周围环境扰动小并且适用性强,能够增加施工的全面信息化,保证施工的安全。
1人工冻结法的优缺点
冻结法在地下工程开挖过程作为一种辅助施工法,起到临时支护作用,优点如下:
(1)人工冻结法适用性强,特别是在富水软弱层及复杂的水文地质条件下, 由于冻结法的灵活多变,使其在地下工程施工中被广泛运用。
(2)人工冻结壁强度高,并且连续性好,具有较好的均匀性。冻结温度不断减低,则冻结壁的强度不断增大,有些软弱土层冻结后的强度可达原始状态的100倍,并且冻结均匀,无薄弱点。
(3)冻结壁隔水好,并且冻结孔可根据工程需求,灵活布置,也经常被用于抢险救灾工程中。
(4)冻结壁的形成,避免了大开挖,并且无烟尘,施工期间不影响正常交通, 有利于保护环境,施工结束后岩土体还能恢复原状,不影响日后地下管线的埋设。
但是人工冻结法也存在诸多问题,施工期间岩土体不可避免的发生冻胀融沉, 可能会引起地面的隆起和沉降,对地下的管道建设有一定的影响,并且周期长耗资大。
2人工冻结法的施工工艺
人工冻结法施工主要分为安装冻结站、铺设冻结器、积极冻结期、维护冻结期以及解冻期。
(1)安装冻结站:冻结站包括蒸发器、冷凝器、节流阀、压缩机、中间冷却器、盐水循环系统设备等。
(2)铺设冻结器:根据相关的设计要求,对土体进行钻冻结孔,并在冻结孔内将冻结器铺设好,然后再把各个冻结孔内的冻结器连接起来,使其形成一个完整的系统,再与冻结站相连接。
(3)积极冻结期:在冻结开始初期,在冻结管的周围形成各自的冻结圆柱, 随着冻结时间的不断增加,随着冻结的不断发展,每个冻结圆柱之间相连,之后会形成一片冻土墙,冻土的强度随温度的不断降低而增加,不断减低温度,达到目标强度为止。
(4)维护冻结期:补充土体损失的冷量是这个阶段的主要目的,将地层温度控制在设计温度范围内。
(5)解冻期:在地层开挖之后,永久结构施工完成后,冻结停止,解冻土层, 拆除设备。
3人工冻结法设计及厚度计算理论
(1)冻土墙的结构设计
根据地质水文资料、经济条件以及工程经验来确定施工方案,合理的冻结壁形式决定着施工方案的是否达到预计效果。
冻结壁的主要形式有圆形和椭圆形帷幕、直墙和重力连续墙、连拱型冻土连续墙。大多矿井以及隧道工程的断面都近似于圆形,因此帷幕选用圆形或者椭圆形,这样能够极大程度的发挥其防水和支撑能力。直墙冻帷幕在施工过程中会产生拉应力,而且直墙冻帷幕也不均匀受力,为弥补其结构受力性能差的弱点,常采用内支撑配合其使用。
(2)设计方法
冻土帷幕能否抵挡未冻土的作用,来判断设计方法是否可靠。判断是否能够保证开挖面的稳定。设计步骤:(1)先假设帷幕为理想弹性体,计算强度随时间和温度的变化;(2)根据实际荷载情况,计算帷幕的内力,分析弯矩分布情况, 然后对比分析,确定冻土设计参数,借助有限元法进行热交换、位移和稳定性分析。
(3)冻土参数的设计
主要参数设计包括平均温度、冻结孔布置间距、冻结壁厚度、冷冻系统设计、 冻结时间、冻结方式等。
1冻结平均温度。为了从整体上来评估冻结壁的性能,在工程中将平均温度作为评估标准,我们一般取值-7℃~-10℃。
2冻结厚度。根据初步计算,初选出冻结壁厚度,然后根据地压以及帷幕的强度对初选的冻结壁厚度进行验算,通过不断调整冻结参数达到资金技术的安全可靠、工期短的优化目标。
3冻结孔布孔间距。根据地层的地质水文情况、冻结体厚度及形状,在施工中,冻结孔间距以0.5~1m为宜。
4冻结时间。
冻结时间主要考虑冻结孔交圈和达到设计冻结壁的时间,需要根据盐水温度和冻土扩展速度来确定。
6冻结方式。间接冻结以及直接冻结两种。
(4)冻土墙厚度计算
冻结壁厚度设计要综合考虑冻土强度与变形特征、外部压力和地层的地质水文情况、、冻土的温度场、冻结壁暴露时间和应力场以及开挖断面的大小和步距等诸多因素。工程上人们对冻结壁厚度的取值偏于保守,为克服这种现状,国内外学者运用模型试验、解析方法、有限元方法等手段,对冻结壁厚度计算方法进行了大量研究。目前,有效计算冻结壁厚度的方法主要有三种:一是根据数学力学模型推导出的经验公式;二是数理统计的经验法;三是根据温度孔实测温度变化来推算冻结壁厚度。
4人工冻结法信息化施工技术
由于人工冻结法施工一般都是一个持续的、动态复杂过程,其过程不容易控制。人工冻结法施工过程中,施工工况、制冷系统运行状况、边界条件、地质条件等因素都会对施工带来影响,并且帷幕强度随温度的变化而不断变化。通过不断调整各种相关参数,来确保冻土帷幕施工快捷、安全有效。目前,我们一般采用现代传感器技术以及软件技术、计算机数据通讯原理,来监测冻结法施工过程, 通过反馈的数据,对出现的问题及时解决以保障施工的顺利进行。
信息化施工的主要内容:
(1)监测冻结过程中土体的温度。通过在冻结土体中的不同位置按要求预埋传感器,连续、定时的读取每个测点的温度值,并绘出温度-时间曲线以及温度空间分布图,形象直观的观察冻土帷幕发展趋势,研究冻土帷幕的发展规律,为进一步确定冻结系统参数提供可靠依据。
(2)监测盐水温度。由于冻结法施工工序比较多,并且技术性强,如果冻结施工过程中的一个任何环节出现问题,将导致整个帷幕的质量问题,严重是还会引起重大安全事故,盐水温度可以直接反应出系统是否存在异常。因此,实时监测盐水温度,可以有效判断系统是否正常运作。
(3)监测冻结土体冻胀力。冻土的体积会随着冻结时间的不断增加而增大, 由于土体膨胀,因此土体就会产生冻胀力,由于冻胀力的存在,会对周围土体环境产生影响,所以在冻结过程中,必须实时观测冻胀力的大小,保证其在相应的允许范围内,以保证施工安全有效的进行。
5结语
(1)通过对比分析冻结法施工优缺点,进一步阐述人工冻结法施工在地下工程支护中的优越性。
(2)确定施工工艺,对设计方法不断优化,对平均温度、冻结孔布置间距、 冻结壁厚度、冷冻系统设计、冻结时间、冻结方式等参数进行设计,使设计达到最优。
(3)通过人工冻结法信息化施工技术进行分析,信息化施工的主要内容是监测冻结过程中土体的温度、监测盐水温度、监测冻结土体冻胀力。
摘要：对比分析人工冻结法施工的优缺点,确定冻结法的施工工艺,对设计方法不断优化,对平均温度、冻结孔布置间距、冻结壁厚度、冷冻系统设计、冻结时间、冻结方式等参数进行设计,使设计达到最优。通过对人工冻结法施工原理分析,阐述了人工冻结法施工的在施工技术中的优越性。
关键词：人工冻结法,冻结壁,冻胀,地铁隧道
参考文献
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人工冻结技术在地铁施工中的应用 篇2
1 人工冻结法简介
1.1 冻结法的基本原理
人工冻结法 (Artificial Ground Freezing) 源于人工制冷技术的发展, 逐渐用于工程形成了工程冻结技术。冻结技术是利用人工制冷技术, 使地层中的水结冰, 把天然岩土变成冻土, 增加其强度和稳定性, 隔绝地下水与地下工程的联系, 以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。冻结壁是一种临时支护结构, 永久支护形成后, 停止冻结, 冻结壁融化。岩土工程冻结制冷技术通常利用物质由液态变为气态, 即气化过程的吸热现象来完成的。其制冷系统多以氨作为制冷工质, 为了使氨由液态变为气态, 再由气态变为液态, 如此循环进行, 整个制冷系统由氨循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统三大循环构成。
1.2 冻结法的施工方法
人工冻结法的施工流程如下: (1) 工作站安装:冻结工作站主要由压缩机、冷凝器、节流阀、中间冷却器、盐水循环系统设备等组成。 (2) 冻结管埋设备:在冻结孔内设置冻结器, 将不同冻结孔内的冻结器连成一个系统, 并与冻结站连接。 (3) 积极冻结:冻结壁首先从每个冻结管向外扩展, 在每个冻结管周围形成冻结圆柱, 当各冻结管的冻结圆柱交圈时, 随着冻结时间的延长, 地层的平均温度逐渐降低, 冻土墙的强度也逐渐增大。 (4) 维护冻结:补充冷量损失, 维持地层的温度稳定。 (5) 解冻:当地层开挖和永久结构施工完成后, 就可以解冻, 拔除冻结管。
2 冻结法在地铁施工中的应用
2.1 地铁区间隧道盾构进出工作井的土体加固
隧道盾构进出工作井时将面临较大的水压和土压变化, 可能出现土体坍塌和涌水。若用冻结技术加固, 则可靠快捷。例如, 日本东京环7线2号调节水仓隧道, 采用盾构施工, 圆形工作井深60m, 出口冻结加固面直径达28.1m, 用冻结加固结束后, 直径为13.94m的大型泥水加压平衡盾构顺利出洞。
2.2 盾构隧道的地下或海底对接土体的加固
城市地铁和越江隧道往往由于条件限制, 无法从地面开凿工作井, 此时, 两对头掘进的盾构隧道, 其对接区采用冻结技术加固, 不仅可使土体强度提高, 还可起到阻水作用。日本大阪东南部的排水隧道, 直径6.5m, 长8.5km, 分5个工区掘进, 采用地下或海下对接, 由于不开凿地面立井, 成功应用冻结技术加固, 保证了工程顺利完成, 并降低成本13%。
2.3 盾构隧道涌水和塌陷事故的修复冻结
意大利Agri Sauro盾构隧道在掘进了2.63km时, 从盾构后方的顶部衬砌中涌入泥砂达6000m3, 在采用注浆等方法抢险失败后, 采用液氮对衬砌破坏的18m区段实行冻结, 抢险成功。
2.4 地铁泵房、旁通道和急转弯部位的冻结加固
根据现代城市地铁安全设计的要求, 间距1km左右时, 需在并排区间隧道间设立泵站, 此外, 地铁工程还有一些旁通道和急转弯部位。在这些区域采用盾构法施工往往较困难, 而且很不经济。日本、美国、英国等国在这些部位常采用冻结法对周围土体加固, 然后用矿山法掘进。在上海地铁1号线思南路旁通道施工前虽然采用了旋喷法加固, 但是施工时仍然发生了3次涌砂现象, 后来采用冻结技术加固, 效果很好;宁海西路下行泵站中采用冻结加固, 经加固后的土体满足强度和抗渗要求。
3 冻结法在地铁施工中的常见事故及原因
3.1 冻结孔钻孔事故
在从地下空问向结构外围土体进行冻结孔钻孔施工时发生的孔口密封失效事故, 可引起喷水、喷砂, 严重时因地层损失过大导致地下结构变形破坏, 造成地面建筑、地下构筑物和管线的破坏, 甚至工程淹没的灾害, 在冻结孔进入承压水地层时尤其危险。其主要原因是土层随钻孔循环浆液流失或者是孔口密封装置失效。
3.2 管片损坏事故
管片损坏有两种情况, 钻孔对管片造成过大损伤和开挖时拆除部分管片使管片环丧失完整性, 导致管片的过大变形甚至失稳。过密的冻结孔布置方案难免会切断过多的管片主筋、破坏结构的完整性, 对管片造成过大损伤。开挖时拆除部分管片使管片环丧失完整性, 造成隧道开口处出现较大应力集中, 导致管片的过大变形甚至失稳。
3.3 冻胀事故
冻结过程中由于土体冻胀现象引起的冻结管断裂和地下结构变形破坏事故, 前者有可能造成冻土帷幕薄弱区导致冻土帷幕失稳事故, 后者可能影响到地下结构的使用寿命。冻胀现象是自然规律。冻胀事故发乍的原因主要有冻胀敏感性地层、冻结时间过长、冻土体积过大和冻胀控制措施不力。冻胀敏感性地层是发生冻胀的必要条件, 对地层的冻胀敏感性认识不足是冻胀超出预料的原因之一。冻结时间过长是冻胀过大的常见原因。冻结时间过长必将产生过大的冻土体积, 导致绝对冻胀垦越大。
3.4 融沉事故
冻土的融沉也是自然规律。目前控制融沉主要通过冻土融后注浆来实现, 因此注浆措施执行不力是发生融沉事故的主要原因。
采用冻土自然解冻、跟踪注浆的措施时, 由于自然解冻时间相当长, 工程中往往缺乏长期跟踪注浆的条件。采用强制解冻措施时, 虽然可以大幅度缩短注浆周期, 但工程中往往缺乏足够的解冻进程监测数据, 使得注浆不能保证准确到位。
另一方面, 由于种种条件的限制, 注浆管难以布置到最佳位置, 从而不能保证对整个冻结区域进行充分的注浆。
4 对人工冻结法的展望
随着我国经济建设的发展, 富含水困难地质条件下的城市地下工程将日益增多, 为冻结法的应用提供了广阔的空间。人工冻结法适宜于以及松软地层的隧道、地铁和地铁车站、排水泵房、地铁主干道间的联系通道、盾构施工的端头井施工, 有着广阔的应用经济前景。
笔者大胆预测人工冻结还能将在更多的领域内应用, 比如在海底工程, 沙漠工程甚至于高空、太空工程中将得到应用。
参考文献
[1]岩土特殊施工, 课程讲义.
[2]岩土工程冻结法 (初稿) , 课程讲义.
人工冻结 篇3
关键词：人工冻土,蠕变,元件模型,本构
0前言
自1880年德国工程师P.H.Poetsch提出人工地层冻结法 (Artificially Ground Freezing Method) 原理并应用于凿井工程至今已有120多年历史。我国首次于1955年在开滦林西风井采用冻结法凿井并获得成功。此后, 冻结法在我国主要用于不稳定含水地层的凿井工程。随着我国地下工程的增多, 冻结法逐渐由矿井建设工程向土木工程领域推广应用[1]。
人工冻土最显著的特点是蠕变。而蠕变则是导致矿井施工事故多发的最主要的原因。因此, 对冻土蠕变性质的研究, 对于工程实践具有极为重要的意义。汪仁和针对用幂函数关系回归冻土蠕变方程中所存在的一些问题, 提出采用加权最小二乘法来处理实验后期的数据, 结果表明这一方法对确定冻土稳定蠕变的起始点和计算冻土结构变形量有一定的意义[2];乾增珍提出了以时间增量法为基础的复杂应力状态下人工冻土蠕变有限元数值模拟计算公式, 并运用ANSYS对陈四楼煤矿主井-304 m水平冻结壁蠕变位移进行模拟计算, 证明了数值模拟可检验蠕变本构关系的正确性, 提供了一种实用的人工冻土蠕变计算方法[3];高广运对安徽临涣矿区黏土进行了冻土单轴蠕变试验, 发现随着加载应力的增大, 破坏时间缩短, 最小蠕变速率加快, 特别当压力大于1.3MPa时更为明显, 破坏应变先增加后减小, 加载条件相同时, 冻结温度越低, 破坏时间越长, 最小蠕变速率越慢, -10℃时破坏应变最大的结论[4];马小杰研究了高温-高含冰量冻土的蠕变特性, 证明了无论应力多大、作用时间多长, 高温-高含冰量冻结黏土单轴压缩蠕变过程都具有衰减特征, 并得出了高温-高含冰量冻结黏土单轴压缩蠕变方程、应力-应变关系和长期强度方程的参数[5]。
综上, 本文主要对冻结黏土进行了蠕变试验研究, 推出了一个适用于工程实践的蠕变本构关系式。
1 冻土单轴蠕变试验
本文试验方法严格按照MT/T593-2011《人工冻土物理力学性能试验》[6]执行。试样尺寸均为50×100 mm的标准试件, 在低温箱内固结稳定后, 恒温冻结养护24 h, 再进行试验。试验设备采用自行研制的WDT-100型微机控制电液伺服冻土单轴试验机, 该试验机由加载系统、低温系统、伺服控制系统、量测系统及计算机系统五部分组成。设备主要技术指标为:轴向最大加载能力100 k N, 低温系统最大制冷能力为-40℃, 温度不均匀度为±0.3℃, 温度显示精度为0.1℃。
为了确定蠕变试验的加载应力, 首先, 分别在-5, -10, -15℃条件下进行单轴试验, 每组三个试样。单轴试验结果如表1所示。
根据表1结果蠕变试验加载应力取5级, 分别为0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 MPa。单轴蠕变试验采用多式样法进行, 试验温度为-5, -10, -15℃。图1为蠕变试验结果。
2 冻土蠕变本构推导
冻土的蠕变是指在常值应力持续作用下, 冻土的变形随时间而持续增长的过程[7]。冻土的蠕变一般可分为两种类型, 分别为衰减型蠕变和非衰减型蠕变。工程实践中一般只考虑衰减型蠕变, 故本文对冻土衰减型蠕变的本构进行了分析。
冻土蠕变本构的研究大多是基于流变的模型理论来进行的。常见的流变模型有西原体、开尔文体、广义开尔文体、伯格斯体和宾厄姆体等。不同的流变模型适应不同的变形情况, 如开尔文体、伯格斯体属于粘弹性体, 而宾厄姆体、西原体属于粘弹塑性体;广义开尔文体适于描述最终趋于稳定的蠕变, 伯格斯体适于描述有衰减和流动阶段的蠕变, 宾厄姆体只适于描述流动阶段, 而西原体既可以描述衰减蠕变也可以描述非衰减蠕变[8]。图2所示为常用流变模型。
根据图1试验结果, 在开尔文体模型上串联一个粘壶元件得到了图3所示模型。此模型为粘弹性模型, 通过调整η1的大小可以控制蠕变曲线后期增长速率, 而开尔文体可以控制初始阶段的变形, 两者结合能过较好的模拟蠕变试验结果。
由以上可得:
式中, σ1、ε1为粘壶所受应力与变形;σ2、ε2为开尔文体所受应力与变形。故蠕变本构关系为:
式中, η1、η2、E2为待定参数;σ为蠕变试验恒定应力。对方程 (2) 进一步简化可得到应变与时间的关系式 (3) :
式中, ε为应变;t为时间;A、B、C为与温度、应力、弹性模量等因素有关的参数。
3 计算实例
将本文所推公式 (3) 编入origin自定义拟合公式中, 对图1蠕变试验结果进行拟合验证。以-5℃, 0.1 MPa应力下的结果为例可得到图4结果。其他试验模拟结果见表2。
4 结语
从试验与拟合结果看:相关系数均大于0.88, 证明文中模型所推公式能够很好地模拟冻土低应力下衰减型蠕变。同时, 该模型具有结构简单、公式中参数少的优点, 便于实际工程中的计算, 能够较好地应用于工程实践。
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参考文献
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人工冻结 篇4
但是该技术的发展还需要更加深入的理论指导,因为与其他常见的屏障技术相比,人工冻结土屏障的性质更多地依赖于冻土温度及其冻结过程,目前已有的相关研究主要集中于天然冻土中的污染物迁移以及人工冻土处置污染物验证性研究两个方面。现在介绍污染物在屏障中的扩散与吸附特性、污染物在冻土中的运移特征以及冻结法在处置污染物上的应用等方面有关的研究现状,希望对我国冻结法处置污染物提供一些借鉴,并利用已有的成果和技术,深入广泛地开展冻结法处置污染物的研究。
1 污染物在屏障材料中的扩散和吸附特性
对于屏障材料而言,如何有效的阻拦污染物在地下水中的迁移是一个关键的问题,目前国内外众多学者都在从事该领域的相关研究工作。国外对该领域的研究开始较早,研究内容主要集中在屏障材料对污染物的吸附上,文献[6]利用红外分析、X射线衍射、比表面积分析等实验手段研究有机改性膨润土,发现经过改性后,有机表面活性剂附着在蒙脱石的表面上,大大增加了该膨润土的吸附性,此外在利用该改性膨润土吸附含氧阴离子Cr?以及Mo?时,该膨润土对Cr?、Mo?的吸附量分别为0.7 mmol/g、1.4 mmol/g;Eren,Afsin[7]通过差热分析、X射线衍射等多种测试手段研究了天然膨润土及酸改性膨润土中Cu2+的吸附过程,得出Cu2+的吸附量受到其初始浓度、p H值、温度、离子强度、络合反应等因素的影响,差热分析表明吸附在膨润土上的Cu2+对其热参数有显著影响;Lacin等[8]研究了天然膨润土去除污水中重金属离子Cd2+、Zn2+的能力,通过在不同吸附剂含量、温度、搅拌速度以及接触时间下的膨润土吸附重金属离子Cd2+、Zn2+的试验,得出天然膨润土对Cd2+、Zn2+的最大吸附率分别可达99.85%、96.84%;Philip等[9]通过室内试验以及长期原位试验研究了水泥-膨润土屏障对污染物的阻滞过程,认为该屏障在阻滞污染物方面表现极为卓越;Kugle等[10]通过弥散试验测定了Horn垃圾填埋场中重金属离子Zn2+、Pb2+穿透黏土屏障的时间,得出在最坏的情况下Zn2+穿透屏障需要300年而Pb2+穿透屏障需要700年;Li和Cleall[11]研究了渗滤液在压实黏土衬垫中的扩散情况,建立了挥发性有机物在压实黏土衬垫中的扩散模型,得出了挥发性有机化合物在压实黏土衬垫中扩散的解析解。国内对屏障材料的研究主要集中在污染物在其中的扩散与吸附作用,龙晓燕等[12,13]根据组成材料的性质及施工方法类别划分,对各种垂直隔离措施作初步小结,并结合一维溶质运移的对-扩散方程,就某化工厂附近SO42-离子污染地基处理的具体实例进行分析和讨论;陈永贵、张可能等[14,15,16,17,18,19,20,21],通过数值模拟、室内试验等研究手段,分析了黏土固化浆帷幕对填埋场渗滤液的阻渗性能,结果表明,污染物在黏土固化浆液结石体中迁移时可生成沉淀物,堵塞结石体导水通道,改善孔隙结构和孔级配,使结石体的阻渗性能随渗透历时逐渐增强,且温度、p H等因素对该屏障的污染物阻滞性能有很大影响;陈云敏、叶肖伟等[22,23]根据水和离子在电场、渗流场和浓度场作用下的迁移原理研制了室内动电模拟试验装置,利用该装置研究了多场耦合作用下锌离子在黏土中的迁移性状,并对试验结束后的土样进行了浓度,含水率及p H等测定。结果表明,动电作用可以有效地阻滞Zn2+在黏土中的迁移;谢海建、蒋元生等[24,25,26,27]在考虑土工膜渗漏、有机污染物的扩散以及降解等作用下,针对土工膜和压实黏土衬垫组成的两层复合衬垫开展研究,获得了污染物通过其运移的滞后时间,并建立了渗漏、扩散和降解作用下有机污染物在这类复合衬垫中运移模型及其解析解,并根据得到的解析解,分析了渗滤液水头,土工膜连接的褶皱长度,界面导水系数以及生物降解半衰期对复合衬垫防污性能的影响,对填埋场复合衬垫的设计提供指导;张金利等[28]、杨秀敏等[29]、何俊等[30]、史明明等[31]、贺勇等[32]研究了膨润土作为屏障材料对重金属离子的扩散及吸附过程,获得了包括Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+等多种重金属离子在天然膨润土中的迁移和吸附特征,得出了p H值、温度、离子强度等因素对该过程有很大影响;关于改性膨润土屏障方面,莫晓余[33]、孙洪良等[34]、战金辉[35]、曾兴等[36]、赵斌[37]、陈文娟等[38]、李志娟[39]、王盼盼[40]等研究了改性膨润土材料对污染物的吸附过程,提出了通过高温烘焙、添加可溶盐、添加酸以及添加有机物的方法改变膨润土的层间结构,使得膨润土中可交换阳离子数量大增,提升其吸附污染物的能力。
关于污染物现有工程屏障材料中的扩散和吸附特性,国内外学者已经研究的十分透彻,并且一些较为成熟的屏障材料,例如膨润土及其改性材料、压实黏土材料等已经运用到实际的污染物处置工程中,然而目前国内外学者对现有工程屏障材料对环境的影响方面的研究较少,应该对其在使用期内对环境的二次污染以及使用寿命结束后的拆除及回收等方面多加关注。
2 天然冻土中污染物的迁移研究
关于冻土中污染物的迁移问题,国外研究较早,Mackay等[41]在室内试验研究发现多年冻土区的低温以及雪盖可以大幅增大原油的黏度有助于降低原油在土体空隙中的扩散和渗透;Chuvilin等[42]通过进行负温下的土壤和原油的接触试验发现,土壤粒径、含盐量、冷生结构以及土壤中冰的原生分布状态对石油污染物的迁移过程有显著的影响;Lund等[43]研究了土壤颗粒和地形地貌等因素对冻土中污染物迁移的影响,发现粗颗粒以及颗粒的不均匀性可以加速污染物的迁移,有机质的缺乏以及细颗粒可以降低土壤对污染物的吸附,陡峭的地形也可以加快污染物迁移的速率;Kokelj等[44]对加拿大西北部的Mackenzie地区进行了大量研究,研究发现多年冻土活动层中的盐离子含量较高,而多年冻土表层中盐离子含量较低,这是由于从地表向下冻结时土壤中可溶盐离子随着冻结锋面的不断向下而向下迁移所致,且被多年冻土对可溶盐离子的阻滞作用而富集于活动层底部;Silmes Katri等人建立了模拟冻土中除草剂迁移的CROPWATN-P模型,研究发现由于冻结对除草剂的析出作用,冻结锋面附近的除草剂浓度很高[45];Bevel[46]以收到木榴油污染的细粒土为研究对象,分别进行了不同初始含水量、冻结方式、以及污染物浓度下的冻融循环试验,得出冻融循环能够改变土体结构,使得土体对污染物的吸附性下降;Bitterli等[47]研究了寒区沙漠地带的土壤对重金属离子及有机物的溶解能力,发现冻融循环可以有效地增大寒区土壤渗滤液中的重金属离子浓度,且第一次冻融循环增幅最大。国内方面,周幼吾、邱国庆等人[48,49]在研究土体冻结过程中盐分场变化时发现不同介质中盐分运移的方向有所差异,在渗透性较高的多孔介质(如砂土)中,盐分迁移的方向是从已冻区指向未冻区,但在渗透性较低的介质中,盐分运移方向相反,总体上盐分向着冻结锋面迁移,在冻结锋面处形成高浓度区域;张殿发等[50]认为冻结过程中,土体中的盐分会随着水分冻结锋面聚集,形成一个盐分浓度很高的区域,冻结锋面会跳过这些富含盐分的区域,将他们包含在冻结的土体中,形成冻结区与非冻结区互层的现象;杨思忠等[51,52]总结了多年冻土区原油在冻土区的迁移影响因素及清除方法,认为土壤中石油烃的迁移和分布受土壤和地形、温度、含水(冰)量以及冻融过程等多种环境因素影响;杨宁芳等[53]研究了冻土中重金属污染物的迁移特性,发现重金属元素由未冻区向冻结区迁移,从冻结层的低温端向高温端迁移;李兴柏、邴慧等[54,55]对石油和可溶盐污染物的迁移特征进行了回顾和研究,通过对土体温度场特征、水分分布特征和石油分布特征的监测分析,研究了温度梯度作用对污染物迁移过程的影响机制,认为温度梯度是污染物迁移的主要驱动力之一;李国玉、马巍等[56]回顾了国内外有关石油污染物迁移机理的相关研究,发现冻土区石油污染物的迁移受冻融循环、低温以及相变的影响巨大;张莎莎等[57]用粗粒盐渍土进行了多次冻融循环试验,以研究土体中水分和盐分运移量的联系,发现经多次冻融循环后的靠近冷端水盐含量较大,水分盐分在土体中迁移呈现出不完全对应的分布关系,水分和Cl-的分布呈现反“S”型,SO42-的分布呈现“C”型;张赛[58]采用室内冻融试验的方法,研究了冻融过程中土壤中Cd的迁移转化规律以及冻融作用对土壤中Cd的迁移及其在土壤剖面分布的影响。齐晗兵等[59]考虑冻土环境对输油管道泄漏污染物在土壤中迁移的影响,建立了埋地输油管道泄漏污染物多相传热传质过程的迁移数理模型,通过模拟计算发现,冻结土壤中介质相变对管道泄漏传热影响较小,土壤温度场变化基本一致,随着泄漏时间的增加,管道轴线截面处温度分布趋于一致;郭平等发现冻融作用降低了土壤对重金属的吸附量,影响了土壤对Pb2+的吸附机制,利于Pb2+向环境的解吸和释放[60]。王展等研究了冻融作用对土壤中镉吸附特性以及赋存形态的影响,发现未冻融和冻融处理土壤对镉的吸附量均随着含水量的增加先增加后减少,土壤经冻融处理后,对镉离子的吸附量增加,吸附能力增强。其吸附比随冻融频次增加而增加,且随着土壤冻融次数增加,土壤中镉的解吸速率和解吸率都在降低,说明冻融作用可以暂时降低土壤中镉的迁移性[61,62,63]。丛鑫等[64]研究了冻融对污染场地土壤重金属稳定化性能的影响,通过分析冻融循环后Pb、Zn的浸出毒性和土壤结构的变化,发现融循环使土壤空隙变大、结构松散,且使得土壤Pb、Zn的浸出毒性增大,得出冻融循环会对土壤样品造成一定影响,冻融循环可以增大土壤中Pb、Zn的迁移性。徐聪珑等[65]研究了冻融循环作用对东北黑土中重金属铜锌活性的影响,通过试验发现,冻融作用可以使黑土中Cu和Zn的活性增加,且活性态中的大部分是以碳酸盐结合态的形式存在的。
天然冻土中的污染物迁移研究内容主要集中于污染物在冻土层及活动层内的分布特征、迁移速率影响因素等方面,研究手段以室内试验和野外测试为主,通过分析温度场及冻融循环影响作用下的浓度场,探寻污染物在冻土层内的运动规律,土体温度初始条件和边界条件受到气温波动的影响,温度与污染物浓度属于被动变化,且较少考虑污染物对冻结土体的穿透性。
3 利用冻土阻滞及处置污染物的实践
国外对于冻结法阻滞污染物应用也较为成熟,早在1971年,Heathman等人[66]在专利中指出,在鞍型地区通过冷媒在钻孔中循环进行原位冻结,形成不透水的冻土屏障结构用于控制土壤中碳氢化合物燃料的泄露。此外,1989年Concept R.K.K.公司[67]也提出建立一个封闭、低渗透性的冻土屏障,用于阻滞污染物,专利中提到在污染源周围间隔布置处向下延伸的管道组,注入冷媒在屏障管道中流动,使周围土体冻结,以遏制有害物质在土体中的迁移。之后以美国代表的发达国家开展大量试验来探索该项新技术。美国能源部(DOE)橡树岭实验室利用永久冻土层的天然隔绝作用阻止放射物的外泄[68];北极基础公司(AFI)进行了12个月的足尺野外验证,冻土屏障围护区域平面尺寸75×80英尺,深度30英尺以上,结果显示混合热棒技术形成的冻土屏障,可用于保存包括放射性、化学、生物等废弃物,并在20~50年或更长时间内保证安全[69];美国环境保护署(EPA)国家风险管理研究实验室研究报告指出影响低温屏障经济性的因素主要为场地的水文地质条件和岩土物理性质,并对经济成本组成进行了详细分析[70];Dash[71]得出冻土屏障具有良好的密封、耐腐蚀、抗辐射和变形稳定性,并分析了废弃物低温处置的经济性;Alekseev等[72]对西伯利亚冻土中的转化迁移研究表明永久冻土层是天然的物理化学屏障,能够有效地将污染元素阻隔于永久冻土层之上;Magee等[73]采用热模型分析填埋场的热状况,分析得出可利用冻土的回冻特征使填埋后的固体废弃物重新冻结,降低废弃物的分解速率;Wagner等人[74,75]利用热虹吸技术创建冻土屏障,模拟了人工冻土屏障工作状态,测试了大块土体冻结的速率、完成冻土屏障所需要的时间以及平均用电量;Akiharu Ousaka[76]利用人工冻结配合氮气和水的二相喷注来拦截污染物并修复受到污染的土体;V.Ostroumov等人[77]提出了冻融界面是地球化学屏障,导致土壤中的化学元素产生选择性的低温集中和化学沉淀作用;加拿大大型矿山恢复治理办公室提出利用人工冻结屏障封存采矿过程中产生的有毒有害的固体废弃物[78];日本福岛核电站泄漏事故发生之后,日本政府经济产业省与鹿岛建设公司合作,在1~4号核反应堆外围建设冻土墙阻挡放射性废水排入大海,计划2015年4月~9月间完成冻土墙建设[79];赵由才等[80,81]研究低温下生活垃圾的降解行为,有机质分解速率受温度影响较大,垃圾渗滤液的产量与温度成正相关。
冻土阻滞及处置污染物从20世纪70年代至今40多年的研究历史,实践研究在不同领域均有涉及,研究重点也各有不同,包括了功能验证性试验、可行性分析试验、经济性评价试验和应急处置实践,都展现了这一技术的潜在活力和实际价值。
4 讨论与展望
从以上研究可以看出,对于天然冻土中的污染物迁移过程研究已经取得了丰硕的成果,在冻土区石油污染物迁移特征、冻土区重金属污染物迁移特征、冻融循环对污染物的迁移特征及赋存状态的影响以及冻土区可溶盐迁移机理等方面都进行了深入地研究。但是在主动利用冻土阻滞污染物方面研究较为薄弱,仅美国、俄罗斯等国对利用人工冻土阻滞污染物进行了初步的研究,而国内研究较少。为了深入研究人工冻土屏障阻滞污染物这项技术,建议深入开展以下几方面的研究。
(1)高温度梯度冻结下的污染物迁移特征研究需要进一步开展。国内外学者做了许多关于天然冻土中重金属迁移特征的研究,天然冻土条件下冻结作用持续时间长,冻结温度较高,温度梯度相对缓和。在人工冻土屏障中,温度梯度较高,与天然冻土中的温度场存在显著差异。为了更好地研究人工冻土屏障阻滞污染物这一技术,有必要开展关于在高温度梯度冻结下的污染物迁移特征的研究,然而关于该方面的研究较少。根据前人天然冻土中水盐迁移过程和迁移机理的研究,发现在冻土区,当满足一定温度梯度,含水量,土体结构等条件时,土壤盐分在温度梯度的作用下会发生集聚现象,在近地表的位置形成一个盐分浓度极高的区域。在高温度梯度的条件下,土体中的污染物是否还能出现集聚现象。目前,还没有研究报道,故多年冻土区石油迁移过程研究值得深入探讨。
(2)低浓度条件下污染物迁移特征需要进一步开展。国内外对于冻土中污染物的研究大多针对污染物浓度较高的情况,而在实际环境中的污染突发事件中,污染物浓度大多都处在较低的水平。当污染物浓度较低时,冻土中污染物的迁移特征和高浓度条件下有较大的差异,但是低浓度条件下污染物迁移特征的研究还存在不足,关于低浓度条件下的污染物迁移,针对性的试验验证和论证进行较少,这方面的理论也有待深入。此外,当污染物的浓度处于较低水平时,冻土中的污染物是否会因冻结作用而产生富集现象,这些问题还有待于进一步深入研究。
(3)人工冻土对污染物的阻滞机理的研究还需要进一步开展。国外也仅仅对人工冻土阻滞污染物进行了非常基础的研究,研究内容大部分是大型原位人工冻结试验,主要的目的大部分为验证人工冻土阻滞污染物的可行性与经济性;对于人工冻土的阻滞机理目前的研究还不够深入。冻结作用引起土体物渗透性、空隙特征以及吸附特性等物理化学性质的改变,针对这些因素的影响作用展开深入研究,进而进行机理分析是日后进一步应用这一技术的关键。所以开展人工冻土对污染物的阻滞机理研究具有重大意义。
人工冻结 篇5
上海地铁四号线修复江中暗挖段工程采用水平冻结结合矿山法将原建在黄浦江下的完好隧道和基坑内施工的隧道进行暗挖贯通。
工程位于黄浦江河床下,施工风险很大,对冻结系统运行状况和冻土帷幕发展状况进行实时监测就显得尤为重要。在监测中主要考虑几个问题:冻结管是否漏盐水;冻土帷幕的性能;完好隧道一侧封水效果如何;暗挖施工过程对冻土壁温度有何影响。
水平冻结孔和测温孔布置:每组去回路在回路上布置1个测点,在每组干管去路和回路上各设置1个测点,盐水去回路共有59个测点。盐水传感器采用封装在不锈钢螺钉中的DS1820ST传感器,测点布置在每组去回路的回路冻结管上。冻土帷幕温度监测采用封装有DS1820ST传感器的测温电缆,在冻结区域中共布置了11个测温孔。采用基于“一线总线”的冻结法温度监测系统[1],实现了信息化实时监测,掌握冻结壁温度场的变化规律,将不可见、不可控转化为可见、可控,从而降低工程风险。
1盐水冻结系统运行状况分析
盐水冻结系统于2007年2月13日开始运行,盐水温度快速下降。冻结4 d,干管去路温度降至-22.5 ℃,冻结14 d温度降到最低-30.1 ℃,以后积极冻结期干管温度去路平均维持在-29.5 ℃左右。维护冻结从冻结44 d后开始,维护冻结期干管去路温度平均维持在-28.0 ℃左右。积极冻结期平均温差为1.8 ℃,维护冻结平均温差为1.0 ℃,说明冻结开始时热交换量大,以后逐渐减少,进入维护冻结后热交换达到稳定。
在冻结过程中,每天用标尺测量盐水箱的盐水水位一次,盐水箱水位始终保持在34 cm～35 cm。水位下降主要是由于盐水箱内盐水蒸发损失产生的,且水位无突然下降情况出现,由此可以断定盐水冻结系统运转正常,去回路没有发生漏液。
2冻土帷幕的性能分析
根据冻土试验报告[2],冻土壁所在土层的冻结温度在-1.0 ℃～1.4 ℃之间。冻土壁达到设计的厚度,且平均温度达到-12 ℃,积极冻结期才能结束,进入维护冻结期。
图1为T2测孔各测点温度时程曲线,由曲线可知,冻结17 d时,T2测孔附近土体温度已达到-5 ℃以下,此时T3测孔相同位置附近土体刚达到结冰温度,说明内外排冻结管之间的冻土壁已交圈。内排孔距开挖面1.0 m,其冻土帷幕发展情况可由T4和T6测孔的温度值反映出来。
用T1测温孔中心线和上行线隧道中心线组成的平面作为冻结区域剖面,在剖面上作4个截面,A—A截面位于冻土区与地下连续墙交界面处,B—B截面位于冻土区中间位置,C—C截面位于冻土区与隧道内封堵墙交界面,D—D截面位于完好隧道管片外冻结管末端处。采用苏联学者Б.В.Бахолдин[3]提出的冻土帷幕厚度计算公式,以测温孔测点监测数据为参数,结合冻结孔的实际情况,可计算出不同冻结时间各截面位置处的冻土帷幕厚度和平均温度,绘出如图2,图3所示的冻土帷幕厚度时程曲线和平均温度时程曲线。
由曲线可知,位于冻结壁中部的截面冻土帷幕最厚,在完好隧道一侧的冻土壁发展最缓慢。冻结48 d时此截面处的冻土壁才达到设计要求,D—D截面的平均温度达到了-17 ℃,满足设计要求,可以转入维护冻结阶段。
3已建完好隧道端封水效果分析
为了监测冻土壁在完好隧道外侧发展状况,充分掌握冻土帷幕的封水效果,在下行线隧道内距封堵墙2环和3环管片(每环管片1 m)上预留的注浆孔向外打探孔,布置了7个测点。测到的温度值如表1所示。
从温度可以看出,管片外侧距封堵墙1.5 m处的土体已结冰,部分冻土壁已发展到距封堵墙2.5 m外的地方。
由于开挖是从基坑内开始的,开挖到封堵墙位置处还需要时间,冻土壁可以进一步发展。因此,完好隧道端的冻土壁达到了预期的效果。
4施工工序对冻土帷幕温度影响分析
表2为江中暗挖施工工序及开始时间。当江中暗挖施工各工序施工时,必然会对冻土壁产生影响。图4是在各工序施工时内外排冻结管之间T2测温孔附近的冻土帷幕温度时程曲线,图5是在各工序施工时T4测温孔测到的温度曲线。
由曲线可以看出,从暗挖工程施工开始,各测点附近的冻土壁温度都在升高,且浇筑混凝土时各测点温度升得最高,隧道中部区域的温度接近0 ℃,这主要是由混凝土水化热产生的。靠近地下连续墙的测点,受空气影响,温度一直较高。为了确保地下连续墙和冻土壁交界面的封水效果,特在积极冻结期每条隧道开挖洞门外,沿开挖面边缘铺设了2根冻结管,并在洞门外地下连续墙表面铺设了泡沫保温板。采取这些措施后,取得了较好的效果,即便在开挖过程中,该交界面的温度也在-5 ℃以下,确保了工程的安全。
5结语
上海地铁四号线修复江中段暗挖工程的成功再一次佐证了人工地层冻结法可形成承压、封水冻土壁的独特优势,为冻结法在其他城市地下工程中的应用具有重要的参考价值。温度是计算冻土壁强度、厚度和平均温度的首要依据。通过合理布置温度监测点,采用基于“一线总线”的温度监测系统,可以对冻土壁温度实现实时监测,从而实现信息化施工。通过温度数值和盐水箱水位分析可实时掌握冻结系统的运行状况和冻土壁的特征,可确保冻结法施工安全。
参考文献
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[5]贺利民.冻结法在基坑支护工程中的应用研究[J].山西建筑,2007,33(8):135-136.
[6]王书伟.冻结法施工在深圳地铁中的应用[J].山西建筑,2005,31(13):114-115.
人工冻结 篇6
关键词：煤矿井筒,人工冻结法,应用分析
冻结法施工技术在国内外被广泛应用于地下工程建设,尤其是煤矿井筒建设矿。
冻结法在煤矿上的主要是应用于松软岩层井筒施工,它利用人工制冷技术,把蕴含在松散岩层中的水冻结,进而冻结松散岩层,增加松散岩层的稳定性和强度,以便在形成的冻结壁的保护作用下对松散岩层进行施工作业的一种特殊地下工程施工技术。
1冻结法施工技术应用现状
1.1在国外应用现状
国外采用冻结法施工技术应用于煤矿井筒开挖时间比较早,早在1882年该技术就应用到德国阿尔巴里德煤矿井筒建设,并取得圆满成功。
其中德国、英国、波兰、加拿大、比利时及前苏联等国家应用该技术较多,井筒冻结深度最深可达900米,冻结井筒穿过的冲积层厚度最大接近600米。
比如,1978年前苏联雅可夫列夫铁矿二号罐笼井,井筒冻结深度达620米,穿过的冲积层厚度达571.2米。
1974年德国维尔德煤矿风井冻结深度582米,穿过冲积层厚度567米。
波兰的鲁布林煤矿一号井,冻结深度达到725米,冲积层厚度为162米。
但近几十年来,由于国外能源结构的调整,人工冻结施工技术进展缓慢,下表(表1)为国外部分冻结法施工矿井矿井工程:
1.2国内应用现状
我国于1955年,初次再用人工冻结法施工技术开凿开软林西煤矿的风井井筒,井筒直径达5米,冻结深度105米。
此后人工冻结法在矿井井筒施工中被广泛使用,逐渐东北、华北、华东、中南等地区,其中中国煤炭特殊凿井公司在郭屯煤矿井筒建设过程中采用了人工冻结技术,冻结深度和穿过冲积层厚度分别达702米和587米。
这项工程的完成标志着我国人工冻结法开凿井筒已经达到国际先进水平,特别是近几十年来,随着我国经济、社会发现的需要,人工冻结法凿井技术发展快速,赶上甚至超过其他国家,而且在原有的基础上施工设备和技术得到了很大的改进,理论基础也得到进一步的完善。
据不完全统计,我国在近几十年来,已有多达500个煤矿采用该项技术开凿井筒。下表(表2)为我国近年来冻结法开凿的煤矿井筒:
2冻结法在煤矿井筒开凿应用实例
1)工程概况。新巨龙煤矿副立井表土层厚567.7米,自下而上揭露第四系、上第三系、二叠系上下石盒子组、山西组、石炭系太原组等底层。其中第四系地层厚度160.7米,上第三系地层厚度407米,二叠系上石盒子组地层厚107.4米。
2)冷冻方案选择。新巨龙煤矿副井井型(直径达7米)表土层厚(厚度达567.7米),且井筒贯通地层具有:深部粘土层含水少,粘土层自由膨胀率高、冻胀量、冻胀力大,具有较强的蠕变性等特点。根据井筒冻结工程施工特点及前人的成功经验,最终采用双全圈孔+辅助冻结方案。
3)施工过程。a.冻结管下方措施。考虑到煤矿表土层厚,粘土层存在孔径收缩等问题,采取以下措施:<1>冻结管在地面预先焊接;<2>改造钻井机机架,使钻机高度大于24米;<3>冻结管随下注水;<4>在保证施工质量的前提下加快焊接速度;<5>组织专业人员对钻孔进行复核、检验。b.钻孔和下管。施工过程中严格按照设计要求和规程规定作业,成孔质量高,复核实验也全部合格。c.冻结运转及井筒开挖。防冻结管断裂措施:<1>加强有效监测,确保掘进到冻结壁内;<2>加强实验研究,采用小段掘进,减少井帮暴露时间;<3>加强冻结壁、井帮的位移监测;<4>减少冻结管温度应力。d.井筒冻结情况。新巨龙煤矿冻结站运转、井筒开挖后,整个盐水系统运行稳定,即继续积极冻结期。表土层掘进期间,冻结壁强度、厚度及井帮温度均达到设计要求。在整个冻结岩土层期间井筒中心冻结扎实,保证了施工的安全。
3结语
本文简要的叙述了冻结法施工在国内外的施工现状,并借助新汶龙固煤矿应用实例对冻结法进行了具体的分析。冻结法不仅能应用于煤矿井筒开拓,随着我国地下工程的发展它应经广泛的应用于各种地下工程,并取得了良好的技术、经济效益。
参考文献
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