一种用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法，首先插设箱型复合钢板桩；然后拔出已插设的箱型复合钢板桩，并同时泵送竖向隔离工程屏障材料；将所拔出的箱型复合钢板桩插设至后续施工点位；重复第一步至第三步的流程，完成竖向隔离工程屏障一个立面的施工；按照第一步至第四步的方法，完成竖向隔离工程屏障所有立面的施工。本发明通过循环利用预制箱型复合钢板桩，可大幅降低工程造价成本；工程屏障厚度小，适合于城市工业污染场地等地下空间有限的场地；通过泵送注入的方式施工，可满足添加黏合剂或增加膨润土掺量的项目；施工方法简便、机械化程度高，施工周期大幅缩短。
【专利说明】—种用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于污染场地隔离控制【技术领域】，涉及一种用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法。
【背景技术】
[0002]近年来，由于国家发展战略、经济结构调整需求，大量工业企业关闭、搬迁转厂，其运营期内由于“三废”处理不当所造成的场地污染问题日渐显现。原工业场地及其周边地区的土地基地下水体受到重金属、有机物等大面积污染。另一方面，城市固体废弃物填埋场内由于淋漓液水头严重超标、底部衬垫失效，以及尾矿坝受降雨影响等均造成污染物侵入土层并沿地下水运移方向扩散。土壤及地下水体污染的修复不彻底、突发性污染事件等势必造成严重环境破坏及社会不利影响，例如吉化双苯厂的松花江污染等。
[0003]受污染的土层及地下水体具有隐蔽性、滞后性、积累性、难以自净修复的特点。目前人工治理存在低效、无法大面积推广等诸多局限性。因此，受污染场地，不论是否进行修复措施，污染场地外围的二次屏障显得尤为重要。全球环境与技术基金会认为污染场地外围的工程屏障是一项重要的限制乃至消除污染物在土层中运移的技术。工程屏障能够有效地限制污染场地影响范围并降低污染物进入周围地质介质的风险。同时，工程屏障为人类寻找彻底、经济而高效的污染场地修复技术提供了充分的时间保障。
[0004]传统的隔离措施包括:搅拌桩连续墙、高压旋喷桩、止水帷幕、人工冻土屏障等。桩体形式的连续墙通常存在桩间实际咬合程度低、存在桩间裂隙缺陷。再者，桩墙或止水帷幕大多引用自市政土建或交通地基建设，由于其设计初衷在于强度、稳定、止水抗渗，因此施工时首选水泥作为主要材料。对于普遍存在有机污染物、重金属污染物、硫酸根离子，以及氯离子的污染液而言，水泥的掺入可能使得墙体破坏加剧。同时，以水泥材料为主要添加剂的隔离措施均存在工作性随龄期增长；达到稳定工作性需要较长周期，但这期间墙体抵抗腐蚀破坏的能力较低，无法满足抢修工程需求。
[0005]针对城市工业污染场地的隔离控制项目，严格限制或拒绝采用水泥材料，以及限制竖向隔离工程屏障宽度成为目前业主单位所提出的主要设计要求之一。这是由于使用水泥材料、放大宽度的竖向隔离工程屏障的设计制约了后续地下结构物的实际使用空间，造成宝贵城市土地资源的浪费。
[0006]土-膨润土竖向隔离工程屏障是一种代替传统隔离措施的隔离控制方法。目前的施工方法通过开挖成槽、材料回填实现。施工技术机械化程度较低，可能造成一定的人为误差及其所引起的质量问题，主要体现在墙体宽度、竖向垂直度的控制，以及开挖过程中可能出现土槽坍塌。
[0007]此外，土-膨润土竖向隔离工程屏障材料中膨润土掺量受到施工和易性要求限制，通常膨润土掺量不超过15%。膨润土自身具有极强的遇水膨胀性能，因此当膨润土掺量达到或超出15%时，先遇水并水化膨润土部分将对未水化土颗粒形成致密包裹，导致土 -膨润土竖向隔离工程屏障材料整体的水化不均匀和土块抱团现象，也造成施工拌合困难。同时，高膨润土掺量条件下，回填材料的拌合及其困难，采用传统的机械搅拌设备时膨润土的损失量巨大(膨润土粘附于搅拌设备)。这也使得具有增强阻滞污染物运移及提高土 -膨润土竖向隔离工程屏障抗腐蚀性能的新型黏合剂材料无法应用于实际施工工程。
【发明内容】
[0008]技术问题:本发明提供一种机械化程度高，降低了竖向隔离工程屏障的工程造价成本，缩短竖向隔离工程屏障的施工时间，提高施工质量的用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法。
[0009]技术方案:本发明的用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法，包括以下步骤:
[0010]第一步:在污染场地外围区域的施工点位，沿竖向隔离工程屏障的延长方向依次插设至少5个箱型复合钢板桩，两相邻箱型复合钢板桩在端部连接，箱型复合钢板桩的内腔中设置有用于泵送竖向隔离工程屏障材料的泵送软管；
[0011]第二步:拔出第一个插设的箱型复合钢板桩，同时通过泵送软管向箱型复合钢板桩的内腔中泵送竖向隔离工程屏障材料，在拔出过程中底板向下翻转打开，竖向隔离工程屏障材料落入土层中；
[0012]第三步:将拔出的第一个箱型复合钢板桩插设至与最后一个箱型复合钢板桩相邻的下一个施工点位；
[0013]第四步:重复第一步至第三步的流程，直至完成竖向隔离工程屏障一个立面的施工；
[0014]第五步:按照第一步至第四步的方法，完成竖向隔离工程屏障所有立面的施工，各立面首尾连接，构成一个完整的竖向隔离工程屏障。
[0015]本发明施工方法的优选方案中，箱型复合钢板桩是由两个平行设置的热轧U型钢板桩、两个侧板和能够向下翻转的底板构成的箱型预制件，侧板的两端设置有开口方向相反的半环形滑槽，侧板通过该半环形滑槽插入热轧U型钢板桩端部的半环形锁口，与热轧U型钢板桩固定连接，两个平行设置的热轧U型钢板桩的底边之间连接设置有间隔排列且位于底板上方的一组钢筋，钢筋之间为使竖向隔离工程屏障材料落入下方的缝隙；。第一步中，箱型复合钢板桩插设到土层中后，拔出侧板，然后插设下一个箱型复合钢板桩，两相邻箱型复合钢板桩之间通过热轧U型钢板桩端部的半环形锁口连接、固定。
[0016]本发明施工方法的优选方案中，箱型复合钢板桩的内腔中预先铺设并固定泵送软管，箱型复合钢板桩插设到土层中后，将泵送软管与竖向隔离工程屏障材料泵送设备连接。
[0017]本发明施工方法的优选方案中，两个热轧U型钢板桩的间距为70mm至150_。
[0018]本发明施工方法的优选方案中，竖向隔离工程屏障材料由污染场地周边未受污染的原位土、膨润土和黏合剂材料混合组成。
[0019]本发明施工方法的优选方案中，竖向隔离工程屏障材料的渗透系数要求小于109m/s。
[0020]本发明施工方法的优选方案中，竖向隔离工程屏障材料的初始含水量调制根据实际施工中泵送设备稠度控制要求确定。
[0021]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:[0022]1.降低竖向隔离工程屏障的工程造价成本。本技术方案中的竖向隔离工程屏障材料采用机械泵送的方式填注入土层，所采用箱型复合钢板桩具有循环利用、回收的优势。工程造价成本较之挖掘设备施工可减少至1/2至1/4 ;施工时间可节省至1/5 ;工程屏障宽度可减少至1/2至1/3。
[0023]2.提高竖向隔离工程屏障成形后材料、尺寸均质性，以及墙体的垂直度。本技术方案中的竖向隔离工程屏障施工中的宽度、垂直度控制通过预制的箱型复合钢板桩控制，较之采用挖掘设备的人为控制更具有质量控制优势。
[0024]3.有效提高竖向隔离工程屏障的实际膨润土掺量，施工工艺适宜于添加新型黏合剂材料，从而提高污染液作用下竖向隔离工程屏障的抗渗性能。传统开挖成槽、材料回填进行土 -膨润土竖向隔离工程屏障的施工工艺下膨润土掺量受到限制，并且无法保证工程屏障材料的均质性。各类适合于提高阻滞污染物运移效果及抗腐蚀性能的黏合剂材料，由于其稠度较大，因此也难以通过传统施工工艺实现大面积应用。本发明提供了一种能够通过添加黏合剂或增加膨润土掺量上限的施工方法，并且保证土 -膨润土竖向隔离工程屏障整体均质性，进而增强抗渗、阻滞污染物运移效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明中的竖向隔离工程屏障和污染场地的位置示意图。
[0026]图2a是本发明中的箱型复合钢板桩示意图。
[0027]图2b是本发明中的箱型复合钢板桩连接方式示意图。
[0028]图3a至图3d是本发明施工方法的流程示意图。
[0029]图4是本发明中以聚丙烯酰胺作为黏合剂材料的竖向隔离工程屏障材料在硝酸铅溶液作用下的实际抗渗性能验证结果。
[0030]图中有:污染场地污染源1、箱型复合钢板桩2、热轧U型钢板桩21、侧板22、底板23、泵送软管3、施工机械设备4、U型钢板桩打设设备41、U型钢板桩拔桩设备42、泵送设备43、竖向隔离工程屏障5、污染场地范围6、既有邻近建筑7。
【具体实施方式】
[0031]下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
[0032]本发明中所提及的箱型复合钢板桩由拉森钢板桩中NSP-1IIw型热轧U型钢板桩组成，也可根据实际工况及施工设备要求改变热轧U型钢板桩类型；污染物类型包括重金属污染物、有机物污染物，以及重金属-有机物复合型污染物。本发明中所提及U型钢板桩打设设备41、U型钢板桩拔桩设备42，以及泵送设备43均为岩土工程施工的常用施工设备，能够保证本发明的可操作性和推广。
[0033]图1所示为工业污染场地或固体废弃物填埋场所引起土层中的污染源I通过对流、扩散等方式迁移至清洁地下水体。因此可以通过箱型复合钢板桩及系列施工机械设备4，采用竖向隔离工程屏障5的措施进行控制处理，避免周边水、土体遭受污染；既有邻近建筑7地下结构遭受腐蚀。
[0034]图2所示本发明中的箱型复合钢板桩及其链接方式示意图。箱型复合钢板桩2主体为两个等长的的热轧U型钢板桩平行组合而成。两个热轧U型钢板桩21长度根据隔离控制污染物深度要求加工，通常为6至15m。两个热轧U型钢板桩21相互平行；两侧通过侧板22固定；底部通过底板23固定。
[0035]箱型复合钢板桩2的内腔中铺设泵送软管3，用于泵送竖向隔离工程屏障材料。送软管3通过固定于热轧U型钢板桩21，以避免泵出现褶皱、打结，或是存在破漏等现象。两个热轧U型钢板桩之间的间距控制为70mm至150mm。其中，针对低浓度、腐蚀性较弱的污染源(例如，城市轻度受污地下水)，或是以止水为目的时，两个热轧U型钢板桩的间距可选择70_至100_ ;相反，对于存在高浓度、腐蚀性高的污染源(例如废弃物填埋场淋滤液、矿山废水等)时，则两个热轧U型钢板桩的间距宜达到150mm。以江苏省某化工厂污染场地隔离控制修复案例，两个热轧U型钢板桩的间距为110mm。
[0036]箱型复合钢板桩2相互之间通过单个热轧U型钢板桩21两侧的半环形锁口连接、固定。该连接方式属于传统的热轧U型钢板桩连接方式，施工技术成熟。因此在箱型复合钢板桩咬合接头处工作性能能够得到保证。
[0037]本发明的一种优选方案中，底板23包括侧翼封板和单向翻板，侧翼封板与一个热轧U型钢板桩21和两个侧板22的底边固定连接，单向翻板的一侧边与侧翼封板的一侧边活动连接，并能够沿该侧边向下翻转。
[0038]图3所示为本发明中用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法的流程不意图。
[0039]第一步:在污染场地外围区域的施工点位，沿竖向隔离工程屏障的延长方向通过U型钢板桩打设设备41依次插设7个箱型复合钢板桩2 ;两相邻箱型复合钢板桩2在端部通过热轧U型钢板桩21两侧的半环形锁口连接；箱型复合钢板桩2的内腔中设置有用于泵送竖向隔离工程屏障材料的泵送软管3 ;箱型复合钢板桩中热轧U型钢板桩之间的接头咬合及布桩形式与传统的单个热轧U型钢板桩施工方式一致(半环形锁口相连)。
[0040]第二步:通过U型钢板桩拔桩设备42拔出第一个所插设的箱型复合钢板桩，同时通过泵送设备43经泵送软管3向箱型复合钢板桩的内腔中泵送竖向隔离工程屏障材料；在拔出过程中底板23向下翻转打开，竖向隔离工程屏障材料落入土层中；泵送压力及流量控制根据泵送设备43的实际情况和拔桩速度进行调节。
[0041]第三步:所拔出第一个箱型复合钢板桩再次由U型钢板桩打设设备41插设至与最后一个箱型复合钢板桩相邻的下一个施工点位；
[0042]第四步:重复操作第一步至第三步的流程，直至完成竖向隔离工程屏障一个立面的施工；
[0043]第五步:按照第一步至第四步的方法，完成竖向隔离工程屏障所有立面的施工，各立面首尾连接，构成一个完整的竖向隔离工程屏障。
[0044]竖向隔离工程屏障材料由污染场地周边未受污染的原位土、膨润土和黏合剂组成。黏合剂的作用在于提高工程屏障在重金属、盐溶液等污染物作用下的抗腐蚀能力，并避免抗渗性能衰退，可选择羧甲基纤维素胶黏剂(CMC)、聚丙烯酰胺(PAM)等新材料，也可根据实际工程屏障成形时间，保证整体稳定性。例如，在砂土 -膨润土混合土材料中添加3%。的羧甲基纤维素胶黏剂，能够提高竖向隔离工程屏障材料的化学兼容性，保证污染物作用下的抗渗性能，并使竖向隔离工程屏障材料泵送至土层的2小时内迅速成型。此外，结合实际需求，工程屏障材料可以添加各类水泥材料作为止水帷幕地下结构。[0045]竖向隔离工程屏障材料的配比(原位土、膨润土、黏合剂三者的质量比例)根据满足竖向隔离工程屏障材料渗透系数小于10_9m/s的设计要求控制。通常，原位土层多砂性土条件下，膨润土掺量控制为8%至15% ;原位土层中细粒含量达到40%的条件下，膨润土掺量可适当降低，为5%至10%。黏合剂掺量，以CMC和PAM材料为例，通常为0.5%。至1% ;黏合剂掺量过高将导致施工中竖向隔离工程屏障材料泵送困难。若采用添加水泥进行施工时，水泥掺量宜控制为30kg/m3至100kg/m3。
[0046]现行施工技术规程或标准对竖向隔离工程屏障材料稠度要求尚未明确，因此本发明中竖向隔离工程屏障材料的初始含水量调制按照《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T10-2011)和《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002)，根据实际施工中泵送设备43的泵送高度所对应坍落度值要求，保证材料满足泵送稠度要求。具体而言，采用传统混凝土泵送设备HBTS15型细石小骨料混凝土泵作为本发明中泵送设备43，最大理论输送距离水平和垂直分别为300m和80m泵送高度为50m，则按照《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T10-2011)中混凝土泵送施工方案设计要求，对于施工材料的坍落度要求为IOOmm至180mm。因此，按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002)所述坍落度实验，确定满足施工材料坍落度为IOOmm至180mm时的含水量，作为其泵送前的初始含水量。
[0047]以高岭土为模拟原位土、聚丙烯酰胺(PAM)作为黏合剂，选取常州产钠改性钙基膨润土，对竖向隔离工程屏障材料在硝酸铅污染液作用下的抗渗性和化学兼容性进行室内试验验证。取膨润土掺量为5%，聚丙烯酰胺(PAM)掺量分别取0.5%。和1.0% ;试样编号“BiPAMj”表示膨润土掺量为i，PAM掺量为j。试样初始含水量调节至液限，以保证模拟施工过程中竖向隔离工程屏障材料具有一定的流动性，满足施工泵送要求。硝酸铅污染液的铅离子浓度为60mmol/L。
[0048]图4是本发明中以聚丙烯酰胺作为黏合剂的竖向隔离工程屏障材料在硝酸铅污染液作用下抗渗性能验证结果。试验结果显示，相同孔隙比e条件下，两组试样在重金属铅的侵蚀作用下均能够保证良好的抗渗性能，渗透系数(k)小于10_9m/s。验证试验结果表明，以膨润土掺量为5%时，添加0.5%。至1.0%。的聚丙烯酰胺(PAM)作为黏合剂能够进一步提高竖向隔离工程屏障材料的抗渗要求及化学兼容性。
[0049]应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的【具体实施方式】，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。
【权利要求】
1.一种用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法，其特征在于，该施工方法包括以下步骤: 第一步:在污染场地外围区域的施工点位，沿竖向隔离工程屏障的延长方向依次插设至少5个箱型复合钢板桩(2)，两相邻箱型复合钢板桩(2)在端部连接，箱型复合钢板桩(2)的内腔中设置有用于泵送竖向隔离工程屏障材料的泵送软管(3 ); 第二步:拔出第一个插设的箱型复合钢板桩(2)，同时通过泵送软管(3)向箱型复合钢板桩(2)的内腔中泵送竖向隔离工程屏障材料，在拔出过程中底板(23)向下翻转打开，竖向隔离工程屏障材料落入土层中； 第三步:将拔出的第一个箱型复合钢板桩(2)插设至与最后一个箱型复合钢板桩(2)相邻的下一个施工点位； 第四步:重复第一步至第三步的流程，直至完成竖向隔离工程屏障一个立面的施工； 第五步:按照第一步至第四步的方法，完成竖向隔离工程屏障所有立面的施工，各立面首尾连接，构成一个完整的竖向隔离工程屏障。
2.按照权利要求1所述的用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法，其特征在于，所述箱型复合钢板桩(2)是由两个平行设置的热轧U型钢板桩(21)、两个侧板(22)和能向下翻转的底板(23)构成的箱型预制件，侧板(22)的两端设置有开口方向相反的半环形滑槽，侧板(22)通过所述半环形滑槽插入热轧U型钢板桩(21)端部的半环形锁口，与热轧U型钢板桩(21)固定连接，两个平行设置的热轧U型钢板桩(21)的底边之间连接设置有间隔排列且位于底板(23)上方的一组钢筋，钢筋之间为使竖向隔离工程屏障材料落入下方的缝隙； 所述第一步中，箱型复合钢板桩(2)插设到土层中后，拔出侧板(22)，然后插设下一个箱型复合钢板桩(2)，两相邻箱型复合钢板桩(2)之间通过热轧U型钢板桩(21)端部的半环形锁口连接固定。
3.按照权利要求1所述的用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法，其特征在于，所述箱型复合钢板桩(2)的内腔中预先铺设并固定泵送软管(3)，箱型复合钢板桩(2)插设到土层中后，将泵送软管(3)与竖向隔离工程屏障材料泵送设备(43)连接。
4.按照权利要求2所述的用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法，其特征在于，所述两个热轧U型钢板桩的间距为70 mm至150 mm。
5.按照权利要求1、2、3或4所述的用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法，其特征在于，所述竖向隔离工程屏障材料由污染场地周边未受污染的原位土、膨润土和黏合剂材料混合组成。
6.按照权利要求1、2、3或4所述的用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法，其特征在于，所述竖向隔离工程屏障材料的渗透系数小于10_9 m/s。
7.按照权利要求1、2、3或4所述的用于控制污染地下水的原位薄壁竖向屏障的施工方法，其特征在于，所述竖向隔离工程屏障材料的初始含水量调制根据实际施工中泵送设备稠度控制要求确定。
【文档编号】E02D31/00GK103953073SQ201410129893
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】杜延军, 范日东, 宋德君, 李仁民, 杨玉玲 申请人:东南大学