بخشی از مقاله
بررسی روش انجماد خاک جهت ایجاد دیوارحائل یخی در حفاری تونل و ایستگاههای مترو
چکیده
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. 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 (شامل دمای محلول،ضخامت حلقه انجماد،فواصل لوله های انجمادو...)، روش های اجرای تکنیک انجماد خاک شامل تزریق نیتروژن ویامایع کلرید کلسیم، تاسیسات مورد نیازدر روش مستقیم وغیر مستقیم، و چالش های موجود و دلیل استفاده از این روش در پروژه های توسعه ایستگاه متروشهر روتردام هلند Subway station Rotterdam) )و انجماد خاک در ورودی شرق تونل شهر Fürth آلمان را بررسی نماید.
کلید واژه : انجماد خاک، انجماد مستقیم و غیر مستقیم، حفاری تونل، نیتروزن مایع، دیوار حائل یخی، مایع کلرید کلسیم، مدول الاستیسیته
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 میدهدذرات خاک وسنگ را جهت افزایش چشمگیر مقاومت فشاری وجلوگیری ازنفوذآب 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 میشوندمایع 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 رسیدیخ شروع به تشکیل شذن در اطراف لوله ها میکند که مانند یک ستون عمودی واستوانه ایی در خاک تشکیل وبا گذشت زمان این استوانه ها بزرگتر وبه یکدیگر پیوند میخورندوتشکیل یک دیواره یخی ممتدرا میدهند.وقتی دیواره تشکیل شده به ضخامت طراحی شده می رسدعملیات فریز کردن سرعت آن کمتر میشودتا شرائط موجود تثبیت گرددوعملیات حفاری شروع شود این تکنیک برخلاف روش های دیگر حفاری ومهار آبهای زیرزمینی یک روشی است که اصطلاحا تهاجمی نبوده ووقتی عملیات حفاری به اتمام رسید وفریز کردن قطع شدزمین به حالت اولیه خود برمیگرددو زمین تا حد زیادی دست نخورده باقی میماند . اولین گزارش استفاده از روش اصلاح خاک به روش انجماد به حفّاری معدن در South Wales در سال 1862 برمیگردد و امتیاز کاربرد عملیات انجماد خاک به نام Poetsch آلمانی در سال 1883 ثبت شده است.و اولین مورد استعمال آن در ایالات متحده امریکا در سال 1888 در عملیات ساخت و حفاری معدن در ایالت Louisianaگزارش شده است. استفاده اخیراز این روش در یک پروژه حفاری بزرگ در Boston می باشد.امروزه فریز کردن خاک در سراسر دنیا رو به گسترش میباشدویکی از روشهای ساپورت حفاری
سازههایی مانند تونل وایستگاههای مترووحتی استفاده از این روش در جلوگیری ومهار آلودگی خاک مورد توجه میباشد
مشخصات انجماد خاک
انجماد خاک به دو روش انجام میگیرد:
به صورت غیر مستقیم : ماده منجمد کننده در داخل مجرا هایی که در زمین تعبیه شده است ، قرار می گیرند .
به صورت مستقیم : با تزریق ماده منجمد کننده در زمین ، مانند نیتروژن مایع
انجماد به روش مستقیم با نیتروژن مایع:
از نیتروژن مایع به عنوان یک مایع سرد کننده استفاده میشود که در مقیاس وسیع در کارخانه های مخصوص نیتروژن تولید میشود یک گاز غیر قابل اشتعال وغیر سمی است برای نیاز های ضروری دارای ویژگی ها و مزایای ویژه ای مثل انجماد سریع بدون نیاز به نصب تأسیسات و تجهیزات به صورت تخصصی میباشد .زمان مورد نیاز برای انجماد با نیتروژن چند روز است نه چند هفته واصطلاحابه آن انجماد شوک کننده میگویند در این سیستم مواد منجمد کننده اصلی که در داخل شبکه ای از لوله ها جریان دارند ،مستقیماً گرمای نهفته را خارج می کنند بنابراین بازده زیادی نسبت به روش غیر مستقیم دارد .در این روش به تأسیسات منجمد کننده گسترده ای نیاز نیست و دما خیلی زیاد تا -196پایین می آید و دارای کاربرد واستفاده سریع است . نیتروژن در فشار هوای متوسط و در محفظه های عایق دار به حالت مایع به محل کارگاه آورده می شود .همچنین قابل انبار کردن در محل کارگاه می باشد.
اقدامات ایمنی جهت تهویه مناسب باید رعایت شود . وتعدادی لوله ، جهت تخلیه ی هوای داخل لوله ها به جو باید به کار گرفته شود. داشتن ویژگی اجرایی در محل های فاقد نیروی برق ممکن است ازسایر ویژگی های آن باشد .که در این شرایط نیتروژن مستقیماً به لوله های تعبیه شده در داخل زمین تخلیه شود .
انجماد غیر مستقیم :
تأسیساتِ انجماد ابتدا با گرفتن گرمای زمین بااستفاده از مواد سرد کننده که در داخل لوله ها جریان دارند ،عمل انجماد ابتدایی را انجام می دهند که. مواد منجمد کننده ابتدایی از گازفرئون بوده و به دلیل خاصیت اُزن زدایی تا سال 1996 از آن استفاده می شد .درسایر دستگاه های منجمد کننده اولیه از محلول آمونیاک( (NH4 با دمای انجماد -33 یا دی اکسید کربن (CO2) یا کلرید کلسیم ، استفاده می شد .که امروزه استفاده از آن ها زیاد مرسوم نیست .عملیات انجماد ابتدایی بر پایه چرخه کارنوی انبساط و تراکمِ معکوس می باشد . بدیهی است که زمان انجماد زمین تابع ظرفیت منجمد سازی تأسیسات ِ انجماد نسبت به حجم
توده خاکی که باید منجمد شود و فاصله و سایز لوله های انجماد از هم و آب موجود در زمین است.تأثیر انجماد وابسته به وجود آب برای ایجاد یخ ، برای اتصال قسمت های مجزای خاک و افزایش مقاومت زمین که هم ارز با صخره های سخت و نیمه سخت می باشد. اگر رطوبت ، سوراخ ها و منافذ را پر نکند ، ممکن است به افزودن آب نیاز باشد . مقاومت نهایی خاک منجمد به درجه انجماد ، مقدار رطوبت ، جنس خاک بستگی داردانجماد. خاک مخصوصاً در پایداری لای ها که در مقابل تزریق سیمان بسیار شکننده هستند تأثیر مثبتی می گذارد.
در انجماد کردن خاک، انبساط آب در حجمی حدود %9 تنش و کرنش خطرناکی را بر روی خاک اعمال نمی کند ، مگراینکه آب در حجمی محبوس شده باشد .اگر درصدرطوبت بیش از % 30 شد خاک مذکور شاید حدود %3انبساط داشته باشد .اگر جریانی از آب در داخل زمین باشد تا زمان انجماد آن ، زمان انجماد بعلت وجود انرژی گرمایی افزایش خواهد یافت و اگر شدت جریان و دمای آب زیاد باشد ،فقط انجماد میتواند مانع آن شود.
چون عمل انجماد دریک گستره وسیعی از انواع خاک ها به صورت یکنواخت اعمال می شود ، مراقبت زیادی را نسبت سایر روش های اصلاح خاک مثل تزریق دوغاب های گوناگون ، می طلبد
انجماد خاک باآب شور
در این روش محلول نمکی که به طور کلی از NaCL2) کلرید کلسیم)تشکیل شده است به عنوان عامل خنک کننده استفاده میشوددر عمل تاسیسات انجماد دمای محلول آب نمک را تا دمای -30تا-38درجه سانتی گراد سرد میکنند ولوله های چرخشی حفر شده در داخل زمین را تغذیه مینمایند محلول تهیه شده را داخل خطوط لوله عایق شده حرکت ودر نهایت در مسیر لوله های انجماد هدایت ودر یک مدار بسته شروع به
چرخش مینمایددر سیکل چرخشی وقتی محلول در حال برگشت از زمین میباشد وبه سمت تاسیسات خنک کننده میباشد دمای آن2الی3 درجه کاهش پیدا میکنداین عمل تا نتیجه نهایی که فریز کردن آن قسمت مشخص شده ادامه پیدامیکند.روش انجمادخاک با آب شور نسبت به نیتروژن مایع زمان بیشتری لازم دارد در تصویر زیر یک نونه از توسعه تونل با انجاد خاک وساپورتهای انجام شده رانشان میدهد که تونل سمت چپ با عملیات انجماد انجام شده است
(موارد استفاده روش نیتروژن وآب شور)
(روش های موثر حفاری در خاکهای مختلف)
Schematic diagram of brine freezing
(دیاگرام روش آب شور)
تاسیسات مورد نیازانجماد
تاسیسات مورد نیاز انجماد در ابتدا بسیار تاسیسات بزرگ وپر هزینه بودلیکن تاسیسات امروزه کوچک وقابل حمل با کمیون میباشد در حال حاضرظرفیت خنک کنندگی از 100تا500 کیلو وات را دارند تاسیسات به طور کلی تشکیل شده از مخازن-پمپ های آب-مبدل های حرارتی
–کمپرسورها-و...در بعضی از پروژهها که درمناطق مسکونی هستندبدلیل اینکه کمپرسورها صدای زیاد تولید میکنند میتوان از نوع عایق ضد صدا نیز استفاده کرد.درتاسیسات از بزج خنک کننده آبی یا هوایی میتوان استفاده کرددر بعضی از سیستم ها هم میتوان از آب چاه یا رودخانه جهت خنک کنندگی این تاسیسات استفاده کرد.در شکلهای زیر نمایی ازتاسیسات انجماد را نشان میدهد.
