電伴熱技術(shù)在盾構(gòu)冬季始發(fā)中的應(yīng)用

李劍祥,丁修恒,吳艷青,楊 強(qiáng)

電伴熱技術(shù)在盾構(gòu)冬季始發(fā)中的應(yīng)用

李劍祥,丁修恒,吳艷青,楊 強(qiáng)

(中鐵六局集團(tuán)有限公司盾構(gòu)分公司,北京 100036)

盾構(gòu)冬季始發(fā)期間,循環(huán)水系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)中的水凍凝可導(dǎo)致系統(tǒng)管路堵塞、閥體卡滯、儀表失靈,盾構(gòu)無(wú)法調(diào)試。北京地鐵10號(hào)線二期07標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間工程引入電伴熱技術(shù),對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行加熱保溫,防止水凍凝,完成盾構(gòu)調(diào)試,實(shí)現(xiàn)冬季始發(fā)。

地鐵;盾構(gòu);電伴熱;加熱保溫;始發(fā);凍結(jié)

1 工程概況

北京地鐵10號(hào)線二期07標(biāo)區(qū)間工程包括角門東站—角門西站、角門西站—草橋站2個(gè)區(qū)間,其中角門東站—角門西站區(qū)間長(zhǎng)度為1 014.78m,角門西站—草橋站區(qū)間長(zhǎng)度為1 461.85m。工程投入2臺(tái)小松盾構(gòu)機(jī)(編號(hào)為:TM625PMM-10,11)進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工,2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)先后從角門東站西端頭始發(fā),向西掘進(jìn)到達(dá)角門西站東端頭后,盾構(gòu)機(jī)主體吊出,運(yùn)至西端頭下井,臺(tái)車拖拉過(guò)站。重新組裝后,二次始發(fā)掘進(jìn),至草橋站吊出。TM625PMM-10盾構(gòu)機(jī)進(jìn)場(chǎng)組裝時(shí)間為2011年12月6日,調(diào)試時(shí)間為2011年12月18日,計(jì)劃始發(fā)時(shí)間為2011年12月31日;TM625PMM-11盾構(gòu)機(jī)進(jìn)場(chǎng)組裝時(shí)間為2011年12月15日,調(diào)試時(shí)間為2011年12月28日,計(jì)劃始發(fā)時(shí)間為2012年1月10日。2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)時(shí)間正處于北京最寒冷的冬季,根據(jù)氣象部門報(bào)道和施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量,始發(fā)時(shí)的環(huán)境溫度最低為-16℃,平均為-11℃,始發(fā)井內(nèi)平均溫度-5℃。

2 小松盾構(gòu)機(jī)TM625PMM-10,11簡(jiǎn)介

小松盾構(gòu)機(jī)TM625PMM-10,11為開(kāi)挖直徑6 280mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī),由主機(jī)和6節(jié)臺(tái)車組成,總長(zhǎng)67.38m,具有開(kāi)挖系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、渣土改良系統(tǒng)、管片安裝系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)等基本功能。

3 盾構(gòu)始發(fā)條件

盾構(gòu)始發(fā)就是按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行端頭加固、托架鋪設(shè)、盾構(gòu)機(jī)組裝調(diào)試、反力架安裝、洞門破除、洞門簾布安裝、負(fù)環(huán)拼裝及試掘進(jìn)流程化施工等。其工藝流程見(jiàn)圖1。

根據(jù)始發(fā)工藝流程,2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)相繼完成安置始發(fā)托架、盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車進(jìn)場(chǎng)下井、盾構(gòu)機(jī)盾體進(jìn)場(chǎng)下井、端頭加固、加固效果檢驗(yàn)和盾構(gòu)機(jī)組裝調(diào)試(不通水調(diào)試),執(zhí)行至盾構(gòu)機(jī)通水調(diào)試開(kāi)始和反力架安裝與加固完成。盾構(gòu)始發(fā)井組裝如圖2所示。

在盾構(gòu)機(jī)通水調(diào)試階段,整部盾構(gòu)機(jī)除了前部的主機(jī)因自發(fā)熱能滿足內(nèi)部溫度0℃以上,后部連接橋和6節(jié)臺(tái)車都裸露,直接與冷空氣熱交換,溫度與外界溫度相同,則盾構(gòu)機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)和注漿系統(tǒng),因內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)是水或含水化合物,這些介質(zhì)在管路、閥和儀表內(nèi)發(fā)生凍凝,導(dǎo)致系統(tǒng)管路堵塞、閥體卡滯、儀表失靈等問(wèn)題,使調(diào)試無(wú)法正常進(jìn)行。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)流程

圖2 盾構(gòu)始發(fā)井組裝示意

針對(duì)上述低溫條件下易發(fā)生的問(wèn)題,施工單位組織科技攻關(guān),引入電伴熱技術(shù),對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)進(jìn)行電伴熱加熱保溫,防止水介質(zhì)凍凝,保證系統(tǒng)功能。

4 電伴熱設(shè)計(jì)與施工

4.1 電伴熱技術(shù)介紹

電伴熱技術(shù)的核心部件是溫控伴熱電纜(俗稱電伴熱帶)。將其安裝在管道和閥體外壁,利用其發(fā)出的電熱能量來(lái)補(bǔ)充管路內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)輸送過(guò)程中所散失的熱量,維持一定的溫度,達(dá)到保溫防凍目的。本工程采用自限溫型電伴熱帶,主要由發(fā)熱絲、2根平行金屬導(dǎo)線和絕緣護(hù)層構(gòu)成,當(dāng)在2根導(dǎo)線之間加上電源,那么電壓傳導(dǎo)至發(fā)熱絲,使發(fā)熱絲發(fā)熱。當(dāng)發(fā)熱絲持續(xù)發(fā)熱時(shí),發(fā)熱絲內(nèi)部電阻發(fā)生變化,隨溫度升高而降低,內(nèi)部通過(guò)的電流變小使其發(fā)熱量降低;當(dāng)發(fā)熱絲溫度降低時(shí),發(fā)熱絲內(nèi)部電阻變小,內(nèi)部通過(guò)的電流升高使其發(fā)熱量增加,最終使發(fā)熱溫度維持在設(shè)定溫度。因此,自限溫型電伴熱帶可以隨管道和閥體的溫度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率,將管道和閥體的溫度維持在設(shè)定溫度。

電伴熱技術(shù)輔助配件有:電源接線盒、三通接線盒、二通接線盒、尾端接線盒和溫度控制箱。電伴熱帶纏繞在被加熱體系上后,使用三通接線盒、二通接線盒和尾端接線盒相互連接形成回路,然后通過(guò)電源接線盒與溫度控制箱連接,通電后即可使電伴熱帶發(fā)熱,使系統(tǒng)正常工作。

電伴熱技術(shù)輔助材料有壓敏膠帶和泡沫橡塑保溫層。壓敏膠帶的作用是使電伴熱帶固定在管道上,且隨壓力的增加粘結(jié)力越大,能有效阻止因電伴熱帶擴(kuò)張力作用或管路溫度增加使電伴熱帶松動(dòng)。電伴熱系統(tǒng)屬于加熱系統(tǒng),外層鋪設(shè)保溫層,起到保溫作用。

4.2 電伴熱設(shè)計(jì)選型

需要電伴熱實(shí)現(xiàn)保溫的系統(tǒng)有循環(huán)水系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)。現(xiàn)以循環(huán)水系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)水管路從3號(hào)臺(tái)車的水泵出發(fā),經(jīng)過(guò)2號(hào)臺(tái)車、1號(hào)臺(tái)車和連接橋,進(jìn)入盾體后經(jīng)回水管路返回3號(hào)臺(tái)車。因盾體內(nèi)部電氣液壓系統(tǒng)發(fā)熱能維持盾體溫度在20℃,所以循環(huán)水管路需要電伴熱的部分只為3號(hào)臺(tái)車、2號(hào)臺(tái)車、1號(hào)臺(tái)車和連接橋段。管長(zhǎng)40m×2=80 m,管路上有8對(duì)法蘭,2個(gè)閘閥和8個(gè)管架。保溫材料為泡沫橡塑。

(1)第一步:計(jì)算溫差

其中,T0為水的維持溫度,根據(jù)工程溫度設(shè)定在10℃;Ta為工程實(shí)際外部環(huán)境溫度,為-20℃。

(2)第二步:計(jì)算管路散熱量

其中,λ為點(diǎn)半熱帶外層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù),取值為0.03;d為管徑,取38.1mm;δ為保溫材料厚度,取值為10mm。

(3)第三步:計(jì)算實(shí)際散熱量

其中,f為保溫系數(shù),泡沫橡塑材質(zhì)保溫材料保溫系數(shù)一般取值為1.4。

(4)第四步:選擇電伴熱帶型號(hào)

選用5BTV2-CT低溫型自限溫型,10℃時(shí),輸出功率16W/m,2條平行并列布置。

(5)第五步:計(jì)算電伴熱帶長(zhǎng)度

其中,L1為管路所需電熱帶長(zhǎng)度,L1=80×2= 160 m;L2為法蘭所需電伴熱帶長(zhǎng)度,每對(duì)法蘭需2倍管徑長(zhǎng)度,共8對(duì)法蘭,則L2=8×2×38.1×0.001= 0.61m;L3為閘閥所需電伴熱帶長(zhǎng)度,每個(gè)閘閥需1.5倍管徑長(zhǎng)度,共2個(gè)閘閥,則L3=2×1.5×38.1× 0.001=0.11 m;L4為管架所需電伴熱帶長(zhǎng)度,每個(gè)管架需6倍的管徑長(zhǎng)度,共8個(gè)管架,則L4=8×5×38.1× 0.001=1.52m。

按照以上選型方法分別對(duì)泡沫系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。得出各系統(tǒng)電伴熱帶用量,詳細(xì)見(jiàn)表1。

表1 單臺(tái)盾構(gòu)電伴熱帶用量

4.3 電伴熱帶安裝

電伴熱帶在管道上安裝采取平行對(duì)稱安裝。泡沫系統(tǒng)管道電伴熱帶布置方式為1條平行布置,循環(huán)水系統(tǒng)和加泥系統(tǒng)管道電伴熱帶布置方式為2條對(duì)稱平行布置,注漿系統(tǒng)管道電伴熱布置方式為3條對(duì)稱平行布置。

1條平行布置的電伴熱帶在法蘭、閘閥、支架的安裝方式如圖3～圖5所示。2條對(duì)稱在法蘭、閘閥、支架的安裝方式是在1條的基礎(chǔ)上添加第2條。3條對(duì)稱的電伴熱帶在法蘭、閘閥、支架的安裝方式是在1條的基礎(chǔ)上添加第2條和第3條,在此不贅述。

圖3 電伴熱帶在法蘭安裝

4.4 電伴熱電源設(shè)計(jì)及其連接

電伴熱帶型號(hào)為5BTV2-CT,其接入電源為220 V交流電,每回路最大長(zhǎng)度不超過(guò)100 m。為使電伴熱帶更好地發(fā)揮作用,專門針對(duì)性地設(shè)計(jì)了溫度控制箱。

本工程中,將溫度控制箱布置在3號(hào)臺(tái)車左側(cè),內(nèi)部設(shè)置15個(gè)回路。盾構(gòu)機(jī)有關(guān)系統(tǒng)管道上的電伴熱系統(tǒng)回路共計(jì)14個(gè),其中循環(huán)水系統(tǒng)5個(gè)回路、泡沫系統(tǒng)2個(gè)回路、加泥系統(tǒng)4個(gè)回路和注漿系統(tǒng)3個(gè)回路,備用1個(gè)回路。各回路都通過(guò)普通單相電源線接入溫度控制箱,則溫度控制箱投入工作14回路,1回路備用。如圖6所示。

圖4 電伴熱帶在閥體安裝

圖5 電伴熱帶在支架安裝

圖6 溫度控制箱

在溫度控制箱面板上有1個(gè)電伴熱系統(tǒng)專用溫度調(diào)節(jié)器,其溫度檢測(cè)來(lái)自其中1個(gè)電伴熱回路的系統(tǒng)溫度。根據(jù)設(shè)計(jì)原則,設(shè)定其上限溫度為10℃,則溫度控制箱輸出電流,使得14個(gè)電伴熱系統(tǒng)回路工作溫度穩(wěn)定在10℃。

5 效果驗(yàn)證

電伴熱技術(shù)在使用過(guò)程中,各電伴熱系統(tǒng)回路溫度都能控制在10℃左右,使得循環(huán)水系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了加熱保溫,防止了水介質(zhì)凍凝,保證了系統(tǒng)功能,盾構(gòu)機(jī)調(diào)試轉(zhuǎn)入下一環(huán)節(jié):通水調(diào)試。效果驗(yàn)證詳見(jiàn)表2。

TM625PMM-10盾構(gòu)機(jī)的調(diào)試于2011年12月28日結(jié)束,并于2011年12月30日經(jīng)受了業(yè)主、監(jiān)理和上級(jí)主管部門的整機(jī)聯(lián)動(dòng)調(diào)試檢查。TM625PMM-10盾構(gòu)機(jī)完全具備拼裝負(fù)環(huán)試掘進(jìn)的所有條件,并順利始發(fā),創(chuàng)造了北京地鐵二期工程率先冬季始發(fā)的記錄。TM625PMM-11盾構(gòu)機(jī)也于2012年1月10日具備始發(fā)條件,并順利始發(fā)。應(yīng)用電伴熱技術(shù),為循環(huán)水系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加熱保溫的2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)都順利的在冬季實(shí)現(xiàn)了始發(fā)。

表2 電伴熱應(yīng)用效果驗(yàn)證

6 結(jié)語(yǔ)

本工程中,為避免盾構(gòu)機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)等會(huì)因水凍凝,有針對(duì)性地引入電伴熱加熱保溫系統(tǒng),對(duì)盾構(gòu)機(jī)有關(guān)系統(tǒng)管路進(jìn)行加熱保溫處理,經(jīng)受住了嚴(yán)寒低溫的考驗(yàn),實(shí)踐證明是可行的,是科學(xué)的。

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App lication of Electric Heat Tracing Technology for Shield Launching in W inter

LIJian-xiang,DING Xiu-heng,WU Yan-qing,YANG Qiang
(Branch Company of Shield Machine,China Railway Sixth Engineering Bureau Group,Beijing 100036,China)

During launching of shield machine in winter,water freezing which may usually appear in water circulation system,foam system,mud adding system and grouting system will cause system pipeline plugging,valve body stagnating,instrument failure;and with such and such a fault,the shield machinecannot be debugged.To solve this problem,for the tunnel engineering of No.7 bidding section of second stage projects of Beijing Metro Line10,the electric heat tracing technologywas adopted to do heating and heat preservation for above-mentioned systems so as to preventwater from freezing.As a result,with this technology,the debugging and launching of the shield machine in winter have been achieved.

metro;shield machine;electric heat tracing;heating and heat preservation;launching of shieldmachine;freezing

U455.43

B

1004-2954(2013)07-0080-04

2012-01-18;

2012-12-24

李劍祥(1984—),男,工程師,2006年畢業(yè)于華東交通大學(xué),工學(xué)學(xué)士。