بررسی روش انجماد خاک در آب بندی تونل در مناطق با دبی زیاد

توضیحات

عنوان: بررسی استفاده از روش انجماد خاک در آب بندی تونل های در مناطقی با دبی ورودی زیاد

• چکیده
• مقدمه
• اصول انجماد  خاک
• روش های انجماد خاک
• تئوری انجماد خاک باآب شور
• تاسیسات مورد نیازانجماد
• طراحی
•  فواصل لوله های انجماد
•  بررسی پروژه­های کاربردی
•  انجماد خاک در ورودی شرق تونل Fürth آلمان
•  توسعه ایستگاه مترو Subway station Rotterdam
•  نتیجه گیری
• مراجع

چکیده

با توجه به حفر فضاهای زیرزمینی در مناطق شهری و در زمینهای ضعیف، تحلیل پایداری و انتخاب نوع نگهداری در مراحل مختلف ساخت و در دراز مدت حائز اهمیت می­باشد. تکنیک انجماد خاک یکی از جدیدترین روش های پایداری حفاریهای زیرزمینی و مهار آبهای زیرسطحی جهت جلوگیری از ورود آب به داخل تونل های در حال حفاری می باشد. از جمله راهکارهای ایجاد پایداری موقت در زمین های سست و اشباع منجمد نمودن خاک اشباع می باشد.با توجه به اینکه بر اثر انجماد آب، حجم آب به میزان 9% افزایش می­یابد این افزایش حجم باعث تغییر در خصوصیات مهندسی خاکهای اشباع مانند مقاومت تراکمی تک محوری، مدول الاستیسه، تورم و حدود روانی آنها می­شود. بررسی میزان این تغییرات و خاکهایی که مشخصات فنی آن با عملیات انجماد تطبیق دارد یکی از مسائل مهم در بکار گیری روش انجماد در خاکهای اشباع از آب، بویژه در پروژه های زیرسطحی مانند تونل سازی واجرای ایستگاههای مترو که در عمق پایین قرار دارند می باشد. این مقاله بر آن است تا خواص خاک منجمد شده ، پارامترهای طراحی نظیر دمای محلولفواصل لوله های انجماد و روش های اجرای تکنیک انجماد خاک شامل تزریق نیتروژن ویا مایع کلرید کلسیم، تاسیسات مورد نیازدر روش مستقیم وغیر مستقیم، و چالش های موجود و دلیل استفاده از این روش در پروژه های توسعه ایستگاه مترو شهر روتردام هلند و انجماد خاک در ورودی شرق تونل شهر آلمان را با توجه منطق پر بارش این مناطق را بررسی نماید.

مقدمه

پروسه انجماد خاک تبدیل کردن آب زیر زمینی به یخ بوسیله چرخش مداوم یک مایع برودتی درمیان یک مجموعه از لوله هایی که قطر آن کم ودر عمق زمین کار گذاشته می­شودانجام می­گردد. آب زیرزمینی یخ زده به عنوان یک عامل پیوند دهنده که پیوند می­دهد ذرات خاک وسنگ را جهت افزایش چشمگیر مقاومت فشاری وجلوگیری ازنفوذ آب برای اجرای عملیات حفاری زیر سطحی. از جمله راهکارهای ایجاد پایداری موقت در زمین های سست و اشباع منجمد نمودن خاک اشباع می باشد. بر اثر انجماد آب، حجم آب به میزان 9% افزایش می­یابد. این افزایش حجم باعث تغییر در خصوصیات مهندسی خاکهای اشباع مانند مقاومت تراکمی تک محوری، مدول الاستیسه، تورم و حدود روانی آنها می­شود در عملیات انجماد خاک یک سری لوله های فریز که عموما به صورت عمودی وموازی نصب می­شوند مایع خنک کننده داخل آن پمپ می­شود که با شروع عملیات فریز کردن از انتهای لوله های فریز حلقه های یخی تشکیل وتا بالاصعود می­کند که گرمای موجود در زمین اطراف لوله ها را می­گیرد و وقتی که دما به صفر رسید یخ شروع به تشکیل شدن در اطراف لوله ها می­کند که مانند یک ستون عمودی واستوانه ایی در خاک تشکیل و با گذشت زمان این استوانه ها بزرگتر وبه یکدیگر پیوند می­خورند و تشکیل یک دیواره یخی ممتدرا می­دهند. وقتی دیواره تشکیل شده به ضخامت طراحی شده می رسد عملیات فریز کردن سرعت آن کمتر می­شود تا شرایط موجود تثبیت گردد وعملیات حفاری شروع شود این تکنیک برخلاف روش های دیگر حفاری ومهار آبهای زیرزمینی یک روشی است که اصطلاحا تهاجمی نبوده و وقتی عملیات حفاری به اتمام رسید و فریز کردن قطع شدزمین به حالت اولیه خود برمی­گردد و زمین تا حد زیادی دست نخورده باقی می­ماند]1[.

 اولین گزارش استفاده از روش اصلاح خاک به روش انجماد به حفّاری معدن در South Wales در سال 1682 برمی­گردد و امتیاز کاربرد عملیات انجماد خاک به نام Poetsch آلمانی در سال 1661 ثبت شده است و اولین مورد استعمال آن در ایالات متحده امریکا در سال 1888 در عملیات ساخت و حفاری معدن در ایالت Louisiana گزارش شده است]2،3[. استفاده اخیراز این روش در یک پروژه حفاری بزرگ در Boston می باشد. امروزه فریز کردن خاک در سراسر دنیا رو به گسترش می­باشد و یکی از روش­های ساپورت حفاری سازه­هایی مانند تونل وایستگاههای مترو وحتی استفاده از این روش در جلوگیری و مهار آلودگی خاک مورد توجه می­باشد]4[

اصول انجماد خاک

تاثیرگذاری انجماد ، وابسته به حضور آب برای ایجاد یخ، سیمانی بودن فواصل بین ذرات و افزایش مقاومت زمین جهت ایجاد تعادل بین سنگ نرم و متوسط است. اگر زمین اشباع یا نزدیک به اشباع باشد، بنابراین نفوذناپذیر محسوب می­شود.  اگر رطوبت سوراخها را پر نکرده باشد، ممکن است نیاز به اضافه کردن آب باشد. رسیدن به مقاومت مورد نظر خاک منجمد شده بستگی به دمای انجماد، رطوبت و طبیعت خاک دارد. فرآیند انجماد مخصوصا می­تواند روی پایداری سیلتهایی که برای تزریق بسیار ریزهستند تاثیر بگذارد.

در حین یخ زدن، آب حدود 3% افزایش حجم میدهد که البته به تنهایی باعث اعمال تنش و کرنش روی خاک نمی­شود، مگر اینکه آب بین دو لایه محدود شده باشد. با رطوبت تا حدود 34 % افزایش حجم مستقیم خاک ممکن است حدود 3% باشد. تورم حاصل از یخ زدگی که ممکن است در سیلت­های ریزدانه و رس­ها اتفاق بیافتد، پدیده ای متفاوت است. لنزهای یخ در سنگ و رس، ممکن است بصورت رگه های ریز بزرگ شوند. بنابراین باعث افزایش نفوذپذیری پس از آب شدن می­شوند همانند تمام تکنیکهای بهسازی زمین، بررسی کافی محل اجرای پروژه برای انتخاب بهترین سیستم ، طراحی مناسب لوله های انجماد و انتخاب دستگاه با قدرت کافی جهت انجماد، ضروری به نظر می­رسد.]5[

پس از اینکه انجماد اولیه پایان پذیرفت و دیوار یخ زده درجای خودش قرارگرفت، ظرفیت سرمایشی بطور قابل توجهی جهت نگهداشتن دیواره یخ زده کاهش می­آید. وقتی که رس نرم تا دمای انجماد سرد میشود، برخی بخشهای آب حفره ای آن شروع به انجماد می­کند و رس هم بهمین منوال سخت تر می گردد. اگر دما همچنان کاهش یابد، آب منفذی بیشتری یخ میزند و مقاومت رس بطور قابل ملاحظه ای افزایش می آید.

هنگام طراحی سازه های زیرزمینی یخی در رس، رسیدن به دمای پایین تر جهت افزایش مقاومت مورد نظر، ضروری به نظر می­رسد. بطور مثال، رسیدن به دمای 7- درجه سلسیوس ممکن است برای زمین ماسه ای کافی باشد، در حالیکه برای رس نرم دمای کمتر از 23-  درجه سلسیوس ممکن است نیاز باشد.  مطابق شکل 3، زمین یخ زده ابتدا به شکل استوانه های قائم اطراف لوله های انجماد شکل می­گیرند و همینطور که از این پروسه می گذرد این استوانه ها گسترش یافته و با هم تشکیل یک دیوار پیوسته را می دهند. ضخامت این دیوار یخی بستگی به نرخ کاهش دما و خروج حرارت از خاک دارد. یکبار که دیوار یخی به ضخامت مورد نظر رسید، برای حفظ شرایط، کاهش دما متوقف میشود و فقط گرمای خاک خارج می­گردد تا دما ثابت بماند. طراحی یک دیوار خاکی منجمد توسط خصوصیات گرمایی خاک زیرین تحمیل می­شود.

توجه:

• برای دانلود فایل کامل ورد لطفا اقدام به خرید نمایید.
• پس از خرید بلافاصله لینک دانلود فایل برای شما ایمیل خواهد شد.