徐建衛(wèi)

(中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司,北京 100043)

目前,我國(guó)地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工通常采用的方法有礦山法、凍結(jié)法以及機(jī)械法等,其中凍結(jié)法被廣泛應(yīng)用于涌水涌沙地層的聯(lián)絡(luò)通道工程施工中[1-5]。凍結(jié)法施工中的一項(xiàng)關(guān)鍵工作是鹽水系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),低溫鹽水作為冷媒,吸收地層內(nèi)的熱量并通過(guò)制冷循環(huán)將熱量散入大氣中,其在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)狀態(tài)對(duì)凍結(jié)傳熱效果產(chǎn)生直接影響[6-7]。工程實(shí)踐中經(jīng)常存在凍結(jié)管內(nèi)積氣現(xiàn)象而導(dǎo)致氯化鈣溶液循環(huán)不暢,若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理,會(huì)導(dǎo)致局部?jī)鼋Y(jié)壁薄弱而誘發(fā)涌水涌沙[8-9]。因此設(shè)計(jì)一套合理的凍結(jié)管路循環(huán)系統(tǒng)對(duì)確保凍結(jié)效果至關(guān)重要。

筆者以杭州機(jī)場(chǎng)線7標(biāo)火合區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道為例,進(jìn)行凍結(jié)鹽水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。該聯(lián)絡(luò)通道線間距為25.413 m,位于12-2含礫中砂和12-4圓礫層中,覆土厚度35.79 m。設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度3 m,采用雙排孔布置方式。凍結(jié)孔總數(shù)量為128個(gè),具體為:左線頂部21個(gè)凍結(jié)孔,側(cè)墻22個(gè)凍結(jié)孔,底部23 個(gè)凍結(jié)孔;右線頂部20 個(gè)凍結(jié)孔,側(cè)墻20個(gè)凍結(jié)孔,底部22個(gè)凍結(jié)孔。左、右線頂?shù)撞績(jī)鼋Y(jié)孔在聯(lián)絡(luò)通道中部交叉,側(cè)墻左線凍結(jié)孔布置于內(nèi)圈,終孔位于右線隧道管片處,側(cè)墻右線凍結(jié)孔布置于外圈,終孔位于左線隧道管片處。凍結(jié)管規(guī)格為?89 mm×8 mm,凍結(jié)管總延米數(shù)為1 771.80 m。根據(jù)總體工籌,將冷凍站布置在車站負(fù)四層,通過(guò)鹽水干管將鹽水從冷凍站輸送至聯(lián)絡(luò)通道工作面處,自冷凍站至工作面管路長(zhǎng)度為600 m,冷凍站鹽水箱液面高出聯(lián)絡(luò)通道處隧道中心線約14 m。

1 長(zhǎng)距離鹽水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 管路分組與流量計(jì)算

鹽水箱內(nèi)的低溫鹽水經(jīng)鹽水泵升壓進(jìn)入去路干管,經(jīng)干管輸送至工作面,并在工作面通過(guò)配液器將鹽水輸送到各個(gè)凍結(jié)管分組內(nèi),分組內(nèi)凍結(jié)管串聯(lián),各分組之間并聯(lián)。最后鹽水匯集到回路干管并回流至冷凍機(jī)組后進(jìn)入鹽水箱,形成鹽水系統(tǒng)循環(huán)。

鹽水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)首先確定管路分組、分組鹽水流量和總流量。各分組的凍結(jié)管總長(zhǎng)度宜相近。凍結(jié)孔單孔鹽水流量應(yīng)根據(jù)凍結(jié)管散熱要求、去回路鹽水溫差和凍結(jié)管直徑確定,凍結(jié)管內(nèi)鹽水流動(dòng)狀態(tài)宜處于層流與紊流之間[10-12]。凍結(jié)管路分組應(yīng)盡量使相鄰凍結(jié)孔在不同的分組中,這樣可以避免某一組循環(huán)效果差而導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域凍結(jié)壁薄弱。

本工程左、右線凍結(jié)孔數(shù)量分別為66 個(gè)和62個(gè)。左、右線凍結(jié)孔基本對(duì)稱,凍結(jié)孔延米數(shù)相近。側(cè)墻凍結(jié)孔長(zhǎng)度均在20 m 左右,頂?shù)撞块L(zhǎng)度6～15 m,側(cè)墻每3根凍結(jié)孔分為一組,頂?shù)撞?～6 根凍結(jié)孔分為一組,每組凍結(jié)孔長(zhǎng)度60～70 m,左、右線凍結(jié)孔均分為14 組。參考《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08—902—2016),凍結(jié)孔串聯(lián)長(zhǎng)度40～80 m 時(shí),單組流量5～8 m3/h 為宜[10]。本工程選取單組流量≥5 m3/h,則總循環(huán)流量≥140 m3/h。

1.2 管路內(nèi)壓頭損失及耐壓值驗(yàn)算

長(zhǎng)距離鹽水循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)控制干管上的壓頭損失并驗(yàn)算管路耐壓值。干管上壓頭損失過(guò)大時(shí),需提高鹽水泵供給壓力,易造成管路內(nèi)壓力過(guò)高、超過(guò)管路耐壓值,同時(shí)電機(jī)功率過(guò)大,浪費(fèi)電能。

可按式(1)計(jì)算鹽水干管和分組管路上的壓頭損失。

式中:h為壓頭損失,m;d為鹽水管的直徑,m;L為鹽水管的長(zhǎng)度,m;g為重力加速度,9.81 m/s2;ω為鹽水流速,m/s;λ為鹽水流動(dòng)阻力系數(shù)。

當(dāng)紊流時(shí),λ=;當(dāng)層流時(shí),。雷諾數(shù),其中:μ為鹽水動(dòng)力粘度系數(shù),Pa·s;ρ為鹽水密度,kg/m3。

造成長(zhǎng)距離鹽水輸送壓頭損失的主要因素有管路直徑和長(zhǎng)度、鹽水比重和流量、干管上的彎頭和閥門等[10-12],其中管路直徑是可調(diào)節(jié)的最主要因素。PE 鹽水管的常用外徑有160 mm、180 mm、200 mm、225 mm、250 mm 等,壁厚取8mm。根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鹽水干管直徑與鹽水壓頭損失

從表1可見(jiàn),隨著鹽水干管直徑的增大,干管上的壓頭損失減小。

耐壓值驗(yàn)算:市政凍結(jié)工程一般PE 鹽水管路運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中最大壓力≤0.5 MPa,工作面處最大壓力宜≤0.4 MPa。則應(yīng)滿足公式(2):

式中:Pmax為工作面最大允許壓力,m;h0為冷凍站高于工作面的高度,m。

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果,考慮冷凍站高于工作面約14 m,鹽水比重為1.265。按工作面壓力最大0.4 MPa進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)式(2)計(jì)算得h1≤17.1 m?？紤]到經(jīng)濟(jì)性,本工程鹽水干管的選擇?225 mm×8 mm 的PE管。

由于冷凍站與工作面之間高差較大、干管管路長(zhǎng)等原因,根據(jù)公式(2)計(jì)算h1較小時(shí),也可在回水干管上增加管道泵,能有效減小工作面處的循環(huán)水壓力。但由于兩個(gè)泵距離較遠(yuǎn),應(yīng)注意鹽水泵與管道泵之間的協(xié)同,否則容易因管道泵斷電或燒壞而使得管路內(nèi)壓力突然增大,超過(guò)管路耐壓值,造成鹽水漏失。

長(zhǎng)距離鹽水干管應(yīng)充分考慮鹽水降溫過(guò)程中管路的收縮,在管路中設(shè)置足夠的軟接頭或其他可伸縮裝置[13]。

1.3 透孔數(shù)量計(jì)算

根據(jù)鹽水干管直徑與左、右線分組情況,按透孔內(nèi)鹽水流速與干管流速相近原則,計(jì)算所需透孔數(shù)量。本工程左、右線分組數(shù)量相同,透孔輸送鹽水截面積取干管截面積一半即可。經(jīng)驗(yàn)算需6個(gè)透孔,其中3個(gè)進(jìn)水,3個(gè)回水。

1.4 鹽水泵選擇

根據(jù)管路上水頭總損失,確定鹽水泵揚(yáng)程,并根據(jù)流量和揚(yáng)程進(jìn)行鹽水泵的選型。由于目前并無(wú)設(shè)計(jì)專用的鹽水泵,通常采用清水泵代替。冷凍用鹽水比重一般在1.25～1.27之間,一般根據(jù)流量和揚(yáng)程確定水泵型號(hào)后,電機(jī)功率需加大約四分之一,否則水泵電機(jī)可能超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 凍結(jié)管內(nèi)積氣原因分析及處理

上傾角的凍結(jié)孔容易發(fā)生積氣現(xiàn)象,凍結(jié)管內(nèi)積氣如圖1所示。當(dāng)管內(nèi)積氣時(shí),首先氣體在供液管上部開(kāi)口端與凍結(jié)孔的環(huán)向空隙處聚集,ha為氣體柱的高度,P2為供液管與凍結(jié)管間環(huán)形空間積氣柱底部標(biāo)高處的壓力,P1為與P2同一標(biāo)高處供液管內(nèi)的液體壓力,根據(jù)流體力學(xué),當(dāng)管內(nèi)積氣時(shí),應(yīng)滿足公式(3)才能驅(qū)動(dòng)管內(nèi)液體流動(dòng):

圖1 凍結(jié)管內(nèi)積氣示意

根據(jù)公式(3),積氣越多,ha越大,為使得液體流動(dòng)需要的各分組內(nèi)的進(jìn)回水壓差越大。發(fā)生凍結(jié)管內(nèi)憋氣的原因是進(jìn)回水壓差不足以克服管內(nèi)積氣導(dǎo)致的壓頭損失。

分組管內(nèi)積氣如圖2所示?？紤]如圖2所示的極端情況,Pj為進(jìn)水端壓力,Ph為回水端壓力。假設(shè)分組管內(nèi)存氣體段高度分別為H1、H2和H3,高差ΔH=HPh-HPj,則有:

圖2 分組管內(nèi)積氣示意

由此分析,可得如下結(jié)論:

(1)凍結(jié)管積氣造成凍結(jié)管內(nèi)的鹽水循環(huán)時(shí) 壓頭損失;

(2)凍結(jié)管向上傾斜角度越大,凍結(jié)管長(zhǎng)度越大,越容易積氣;

(3)上傾角的凍結(jié)孔每個(gè)分組內(nèi)串聯(lián)凍結(jié)孔數(shù)量越多,越容易積氣。

為避免上傾角凍結(jié)管內(nèi)積氣現(xiàn)象,注意以下幾點(diǎn):

(1)在設(shè)計(jì)鹽水循環(huán)系統(tǒng)時(shí),凍結(jié)管路的進(jìn)、回水壓差不宜過(guò)小;

(2)設(shè)計(jì)時(shí)在保證凍結(jié)壁擴(kuò)展范圍的情況下,盡可能調(diào)整凍結(jié)孔布置方式,減小上傾角凍結(jié)孔的開(kāi)孔和終孔之間的高差;

(3)分組連接時(shí),上部?jī)鼋Y(jié)孔的回水閥門位置宜布置在集液管的上部;

(4)進(jìn)、回水的集、配液管在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中應(yīng)通過(guò)設(shè)置在頂部的放氣閥及時(shí)放氣。

實(shí)際工程中未必會(huì)出現(xiàn)圖2 所示的極端情況,在形成此工況前,當(dāng)鹽水流速較快時(shí),積氣可能部分隨水流沖走,但其揭示的規(guī)律能預(yù)防因積氣而導(dǎo)致的管路不循環(huán)現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)生。

一般凍結(jié)管路因積氣導(dǎo)致管路循環(huán)不暢時(shí),凍結(jié)管管頭處的結(jié)霜會(huì)融化,但有時(shí)卻不容易快速發(fā)現(xiàn)?？稍诨厮汗苌系姆纸M閥門處埋設(shè)測(cè)溫探頭,借助測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各分組的溫度變化情況,一旦發(fā)現(xiàn)回水溫度異常回升,立即采取措施處理,能對(duì)凍結(jié)效果起到良好的保障作用。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合杭州機(jī)場(chǎng)線7標(biāo)火合區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程長(zhǎng)距離鹽水循環(huán)系統(tǒng)的方案,指出了長(zhǎng)距離鹽水循環(huán)系統(tǒng)管路分組、鹽水管路設(shè)計(jì)以及鹽水泵選型等方面的原則和注意事項(xiàng)。在實(shí)際施工過(guò)程中,鹽水進(jìn)水溫度為-28 ℃,鹽水流量為142 m3/h,鹽水泵處進(jìn)水管壓力調(diào)節(jié)至0.30 MPa,實(shí)際工作面進(jìn)水壓力為0.41 MPa,工作面回水壓力約為0.32 Mpa。鹽水系統(tǒng)運(yùn)行正常,與計(jì)算值基本吻合。

本工程凍結(jié)管數(shù)量多、延米數(shù)長(zhǎng),容易導(dǎo)致積氣現(xiàn)象,施工過(guò)程中采取預(yù)防積氣措施。施工過(guò)程中各管路結(jié)霜良好,確保了凍結(jié)效果,為冷凍站布置距離工作面較遠(yuǎn)的凍結(jié)工程積累了經(jīng)驗(yàn);分析了凍結(jié)管路積氣的原因,總結(jié)了積氣預(yù)防方法,為凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工提供了可參考性的建議。