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        地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工中冷凍排管布置形式分析*

        2018-11-17 05:34:42
        城市軌道交通研究 2018年11期
        關(guān)鍵詞:聯(lián)絡(luò)管片圓形

        張 松

        (1. 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(石家莊鐵道大學(xué)), 050043, 石家莊;2. 北京中煤礦山工程有限公司, 100013, 北京; 3. 石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院, 050043, 石家莊∥工程師)

        目前,地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工在長(zhǎng)三角等地區(qū)一般采用凍結(jié)法。在長(zhǎng)度小于17 m的聯(lián)絡(luò)通道施工中,一般采用單側(cè)布置冷凍站,雙面鉆孔施工。其中,一條隧道內(nèi)施工大部分凍結(jié)孔(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“主凍結(jié)面”),另一條隧道施工下部?jī)膳哦档追忾]凍結(jié)孔以及可能增加的補(bǔ)孔(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“輔助凍結(jié)面”)。施工中,輔助凍結(jié)面主要依靠主凍結(jié)面凍結(jié)孔尾端的鹽水循環(huán)進(jìn)行凍結(jié),但由于鉆頭、單向閥等構(gòu)件位于凍結(jié)孔前段,造成輔助凍結(jié)面淺部?jī)鼋Y(jié)發(fā)展效果較差。為保證臨近管片位置保溫效果,一般采用緊貼管片布置冷板及保溫板進(jìn)行保溫。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工中出現(xiàn)問(wèn)題的常見(jiàn)原因是輔助凍結(jié)面靠近管片位置凍結(jié)效果難以滿足設(shè)計(jì)要求,以致在開(kāi)挖中某些點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)度不足,最終形成涌水通道,釀成事故。本文針對(duì)目前施工現(xiàn)狀,從冷凍排管的形式、流量、間距等方面進(jìn)行分析,選擇更為合適的冷凍排管相關(guān)參數(shù),以提高凍結(jié)施工的安全系數(shù)。

        1 冷凍排管形式

        目前,聯(lián)絡(luò)通道施工主要采用φ48 mm×3 mm的圓形焊接鋼管,偶有采用40 mm×20 mm×2 mm的矩形鋼管。這主要是由于圓形鋼管易于加工彎曲。大部分工地一般采用鋼管直接彎曲后與管片貼合,本文中,為確保圓形鋼管接觸面積,利用鄭州地鐵1號(hào)線凍結(jié)工地將圓形鋼管與管片貼合后,采用素混凝土填充空隙,形成45°~60°斜坡?tīng)钤龃蠼佑|面積,進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn),一旦鹽水溫度降低后,混凝土收縮變形,大量脫落,約保存40%左右。為能夠模擬實(shí)際工況,設(shè)定圓形凍結(jié)管充填素混凝土呈90°,矩形鋼管設(shè)定為直接全部貼合。具體布置形式見(jiàn)圖1。

        圖1 兩種冷凍排管布置形式

        2 尺寸及流量選擇

        冷凍排管內(nèi)鹽水的流動(dòng)主要分為層流及紊流,其中紊流的熱阻較小,導(dǎo)熱效率較層流高,約為層流的1.2~1.3倍[2]。因此,選擇積極凍結(jié)期間鹽水最主要維持區(qū)域-25 ℃(此段時(shí)間是凍結(jié)壁發(fā)展最為關(guān)鍵期間)以及開(kāi)挖期間鹽水溫度-28 ℃計(jì)算相關(guān)雷諾數(shù)Re。

        鹽水流動(dòng)狀態(tài)隨Re變化:Re∈[0,2 300), 鹽水處于層流狀態(tài);Re∈[2 300,13 800],鹽水處于層流向紊流轉(zhuǎn)化階段,但紊流狀態(tài)居多;Re∈(13 800,+∞),鹽水處于紊流狀態(tài)[3]。

        式中:

        ωbr——液體流速;

        dm——管子內(nèi)徑;

        rbr——鹽水密度;

        μbr——鹽水動(dòng)力黏度系數(shù);

        g——重力加速度。

        選取15 ℃時(shí)密度為1 260 kg/m3的鹽水,-25 ℃時(shí)μbr=1.5×10-3,-28 ℃時(shí)μbr=1.65×10-3,計(jì)算選用不同管型的雷諾數(shù)達(dá)到2 300所需的流量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

        由表1可以發(fā)現(xiàn),在達(dá)到最低雷諾數(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)的情況下,采用矩形鋼管單組冷凍排管大約可降低所需鹽水流量0.7 m3/h。在常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道施工中,冷凍排管一般設(shè)置兩組,每組50~70 m,因此,采用矩形鋼管情況下,可降低鹽水流量需求約1.4 m3/h。在實(shí)際測(cè)試中,輔助凍結(jié)面受透孔流量限制,鹽水流量一般維持在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間,各分組凍結(jié)孔流量維持在2.9~3.3 m3/h,因此有效壓縮冷凍排管的流量,可增加各分組流量。

        表1 不同管型的雷諾數(shù)達(dá)到2 300所需流量表

        3 間距選擇

        根據(jù)上海地區(qū)凍結(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范以及常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),冷凍排管間距一般不大于500 mm[4]。因此,選擇排管間距分別為500 mm、400 mm、300 mm進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算不同間距混凝土管片使用矩形冷凍排管12 h后的效果。數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可以發(fā)現(xiàn),采用不同間距冷凍排管布置時(shí),經(jīng)過(guò)12 h凍結(jié)后,排管間均可形成有效的低溫隔離帶,隔絕土體內(nèi)冷量外散。因此,冷凍排管布置可按相關(guān)規(guī)程上限500 mm間距進(jìn)行布設(shè),且適當(dāng)放大間距仍可滿足施工要求。計(jì)算結(jié)果也表明,單根冷凍管形式所產(chǎn)生的效率問(wèn)題對(duì)工程影響不大,相對(duì)常規(guī)40~50 d的積極凍結(jié)工期,不同間距冷凍排管在短期內(nèi)均可有效完成管片周?chē)禍?,從而使得管片溫度低于土體溫度,有效阻止土體冷量向外散失。

        4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

        上海軌道交通9號(hào)線三期工程某聯(lián)絡(luò)通道為上海地區(qū)常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道,其凍結(jié)孔布置剖面圖、平面圖如圖3、4所示。施工初期主凍結(jié)面未鋪設(shè)冷凍排管,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)凍結(jié)效果不理想。根據(jù)凍結(jié)效果,決定在主凍結(jié)面兩側(cè)增設(shè)冷凍排管,積極凍結(jié)第55天開(kāi)始布置冷凍排管,并進(jìn)行鹽水循環(huán),同時(shí)對(duì)側(cè)墻靠近冷凍排管位置凍結(jié)孔C2、C3淺孔(貼近管片位置)進(jìn)行測(cè)溫計(jì)觀察。測(cè)溫孔溫度變化如圖5所示。由圖可見(jiàn),自第56、57天開(kāi)始,兩個(gè)測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)溫度下降速度明顯加快。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察,冷凍排管循環(huán)鹽水3 h后可明確觀察到周?chē)芷杆俳Y(jié)霜,且隨著時(shí)間增加,結(jié)霜區(qū)域逐步擴(kuò)大。因此,鋪設(shè)冷凍排管后可有效降低附近淺部?jī)鼋Y(jié)壁溫度,提高凍結(jié)壁與管片交接面區(qū)域安全系數(shù)。

        a) 網(wǎng)格劃分示意圖

        圖3 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)管布置剖面圖

        圖5 測(cè)溫孔溫度變化曲線

        5 結(jié)論

        (1) 采用圓形鋼管制作冷凍排管時(shí)導(dǎo)熱效率高于矩形鋼管,但圓形鋼管和矩形鋼管的制冷排管均可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道管片降溫,因此二者效率差異可忽略不計(jì);且采用矩形鋼管制作冷凍排管可有效降低冷凍排管所需流量,確保輔助凍結(jié)面凍結(jié)孔流量,保證凍結(jié)效果,因此冷凍排管采用矩形形式更為有利。

        (2) 采用40 mm×20 mm矩形鋼管制作冷凍排管時(shí),鹽水流量易控制在不小于2.5 m3/h,以確保冷凍排管內(nèi)鹽水處于紊流狀態(tài)。

        (3) 冷凍排管線間距可根據(jù)施工處管片格倉(cāng)位置及凍結(jié)孔成孔孔位適當(dāng)放大,不必拘泥于“必須小于500 mm”,仍可滿足施工需求。

        (4) 對(duì)于夏季凍結(jié)效果較差情況,可在主凍結(jié)面布置少量冷凍排管,從而保證主面?zhèn)葔鼋Y(jié)壁發(fā)展,提高凍結(jié)壁與管片交接面位置安全系數(shù)。

        (收稿日期:2017-03-20)

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