田敏哲
(中國(guó)鐵建十一局集團(tuán)第二工程有限公司,湖北 十堰 442013)
熱棒技術(shù)在多年凍土地層隧道施工中的應(yīng)用
田敏哲
(中國(guó)鐵建十一局集團(tuán)第二工程有限公司,湖北 十堰 442013)
根據(jù)熱棒的工作原理,利用熱棒制冷技術(shù)降低隧道凍土圍巖的溫度。結(jié)合青海省共和至玉樹(shù)公路姜路嶺隧道洞口段凍土地層熱棒施工,介紹了熱棒在隧道洞口凍土段的平面、橫斷面及監(jiān)測(cè)元件布設(shè)情況。通過(guò)采用凍土地層熱棒制冷控溫,對(duì)由于隧道開(kāi)挖后熱擾動(dòng)造成的凍土溫度的升高進(jìn)行有效控制,并使凍土及時(shí)回凍保持原狀,確保了隧道洞口段結(jié)構(gòu)安全。對(duì)以后高寒高海拔地區(qū)凍土地層的隧道洞口段施工具有推廣價(jià)值。
熱棒制冷 多年凍土 公路隧道 高海拔
青海省共和至玉樹(shù)公路通過(guò)多年凍土段,是青藏高原腹地大片連續(xù)多年凍土區(qū)逐漸向島狀多年凍土區(qū)過(guò)渡帶。沿線分布有大片連續(xù)或不連續(xù)多年凍土,多年凍土平均地溫高,正處于退化階段。姜路嶺隧道位于連續(xù)多年凍土區(qū)段,隧道高程在4 280 m以上。氣候特點(diǎn)為冬季寒冷漫長(zhǎng),多風(fēng)雪,易成雪災(zāi);夏季氣候涼爽,雨水較充足,終年霜雪不斷??諝庀”?,氣壓低含氧量少,大氣含氧量比平原地區(qū)低40%,缺氧嚴(yán)重。年平均氣溫 -4.2℃,年最高氣溫3.5℃,年最低溫度-30℃。多年凍土區(qū)上限1.6~2.2 m,下限28~42 m。
姜路嶺隧道左線長(zhǎng)2 925 m,右線長(zhǎng)2 845 m,進(jìn)出口均位于多年凍土區(qū),進(jìn)出口凍土段左線長(zhǎng)575 m,右線長(zhǎng)440 m。凍巖強(qiáng)度高,開(kāi)挖后凍巖融化,裂隙張開(kāi),強(qiáng)度降低。融沉類(lèi)型為融沉、強(qiáng)融沉。受反復(fù)凍融作用,開(kāi)挖后初期支護(hù)極易變形。為了確保洞口段凍土圍巖在開(kāi)挖后洞身穩(wěn)定及減少凍土層融化及凍土層上水對(duì)隧道施工的影響,采用熱棒群盡早使凍土熱融圈回凍,形成地下“凍土防滲幕”。同時(shí)降低凍土溫度,提高凍土強(qiáng)度,在隧道洞身周邊形成“凍土抵抗層”,以減輕凍結(jié)層上水的凍結(jié)壓力對(duì)隧道凍土段內(nèi)隔溫層及防水層造成影響。
熱棒制冷技術(shù)是一種利用液、汽相的轉(zhuǎn)換對(duì)流循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳輸而制冷的,是一種采用天然冷量無(wú)需外加動(dòng)力的制冷裝置,是無(wú)源冷卻系統(tǒng)中效果最好的裝置。具有傳熱能力強(qiáng)、傳熱溫差小、啟動(dòng)溫度低、均溫性能好、單向傳熱以及安全經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。它是由一根密封的鋼管制成,里面充以工質(zhì)。管的上部裝有散熱片,稱(chēng)之為冷凝段,置于地表以上空氣中;管的下部埋入地下多年凍土中,地下段稱(chēng)為蒸發(fā)段。在寒季來(lái)臨,空氣溫度降至低于地下多年凍土溫度時(shí),在蒸發(fā)段與冷凝段之間形成溫度差(冷凝段的溫度低于蒸發(fā)段的溫度),熱棒就會(huì)啟動(dòng)工作。蒸發(fā)段的液體工質(zhì)吸熱蒸發(fā)成氣體,在壓差的作用下,蒸汽沿管內(nèi)空隙上升至冷凝段,與管壁接觸放出汽化潛熱,冷凝成液體,在重力的作用下,冷凝液體工質(zhì)沿管壁回流蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā)(見(jiàn)圖1)。如此往復(fù)循環(huán),將地層中的熱量傳輸至大氣中,從而降低了多年凍土的地溫[1]。當(dāng)冷凝段溫度高于蒸發(fā)段的溫度時(shí),熱棒中液體工質(zhì)蒸發(fā)后形成的蒸汽到達(dá)冷凝器后不能冷凝,液體停止蒸發(fā),熱棒自動(dòng)停止工作。因此熱棒具有單向傳熱的特點(diǎn),大汽中熱量不能通過(guò)熱棒傳至凍土中。由于熱棒利用潛熱進(jìn)行熱量傳輸,故其傳輸效率極高。利用熱棒控溫技術(shù)對(duì)多年凍土地層進(jìn)行溫度控制,有效地防止了多年凍土發(fā)生融沉[2]。
圖1 熱棒工作原理示意(單位:m)
熱棒在隧道凍土地層中應(yīng)用,主要是利用熱棒對(duì)凍土地層進(jìn)行溫度控制,將其布設(shè)在隧道所處位置地表,蒸發(fā)段埋進(jìn)凍土地層,寬度超隧道最大寬度外3 m,縱向長(zhǎng)度根據(jù)隧道洞口段凍土圍巖長(zhǎng)度進(jìn)行控制。由于隧道洞頂標(biāo)高存在差異,因此按照熱棒平面布置圖進(jìn)行放點(diǎn),圖2為隧道左洞進(jìn)口的熱棒布置。蒸發(fā)段長(zhǎng)度4.5~11.0 m,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果確定。所采用熱棒冷凝段長(zhǎng)度2.5 m。橫斷面布置以隧道中線為中心,奇數(shù)排熱棒布設(shè)在隧道中線及兩側(cè)0,3,6,9 m處共7列。偶數(shù)排布設(shè)在距隧道中線向兩側(cè)1.5,4.5,7.5,10.5 m處共8列。排數(shù)根據(jù)隧道洞口段凍土圍巖長(zhǎng)度控制,熱棒橫斷面布置圖見(jiàn)圖3。
熱棒的布設(shè)間距根據(jù)修正的傅里葉方程計(jì)算,得到熱棒有效傳熱半徑為1.72 m。為了使熱棒制冷效果均一,熱棒工作形成的“凍土防滲幕”頂部在同一平面,盡量減少因冷卻不均而形成高低不平的人為上限在暖季對(duì)凍結(jié)層上水的阻滯。結(jié)合青藏鐵路和公路等工程熱棒使用效果,熱棒在平面上采用間距為3 m的梅花形布置[3]。
測(cè)溫元件分別布設(shè)在4個(gè)洞口熱棒布設(shè)區(qū)。每個(gè)洞口布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。測(cè)溫元件布設(shè)在每個(gè)洞口的同一排熱棒,可設(shè)置在第一排或靠近后排處任意一排。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面對(duì)隧道中心線處拱頂和隧道外側(cè)2處進(jìn)行監(jiān)測(cè),每處設(shè)3個(gè)測(cè)溫孔(分別距離熱棒0.5,1.0,1.5 m)。在測(cè)溫孔內(nèi)布設(shè)測(cè)溫元件(測(cè)溫元件采用熱敏電阻,電阻間距0.5 m)。具體布置參見(jiàn)圖2。
圖2 姜路嶺隧道左洞進(jìn)口側(cè)地表熱棒及測(cè)溫元件平面布置
圖3 隧道熱棒橫斷面布置(單位:m)
圖4 熱棒安裝工藝流程
表1 施工機(jī)械設(shè)備及儀器
1)施工準(zhǔn)備:①施工組織設(shè)計(jì)報(bào)審,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行施工技術(shù)及安全交底;②施工前對(duì)熱棒、測(cè)溫管埋設(shè)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確放樣,對(duì)設(shè)計(jì)地表高程進(jìn)行復(fù)測(cè),發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的地表高程變化情況,及時(shí)調(diào)整相關(guān)方案,保證施工的順利進(jìn)行;③選擇合適的熱棒、測(cè)溫管堆放場(chǎng)地,存放地應(yīng)緊靠施工現(xiàn)場(chǎng),盡量減少熱棒的倒運(yùn);④選擇合適的起吊設(shè)備,制作合適的輔助工具,搬運(yùn)、起吊安裝不得損壞散熱器及防腐涂層;⑤選擇合適的鉆孔機(jī)械,鉆孔直徑比熱棒管殼大5~8 cm;⑥備好鉆孔回填材料。
2)熱棒施工:①確定安裝熱棒的位置,對(duì)機(jī)械安置點(diǎn)及鉆孔位置的草皮進(jìn)行移植養(yǎng)護(hù)。②鉆孔直徑108 mm,鉆進(jìn)方法原則上采用干鉆,視地層情況亦可加入少量冷水,采用小循環(huán)鉆進(jìn),鉆孔深度比設(shè)計(jì)深度大10~20 cm。③鉆孔完成后,檢查孔徑和孔深,將鉆孔中泥漿清除干凈。④鉆孔檢查符合質(zhì)量要求后,將熱棒吊起插入鉆孔,檢查垂直度合格后進(jìn)行固定。⑤熱棒固定用灌中粗砂填充熱棒與孔壁之間的間隙,采用水中沉砂法,即先將冷水灌滿熱棒與孔壁間的空隙,再將中粗砂慢慢灌入,可分多次回填。施工過(guò)程中注意工具不要損壞熱棒外涂層。可采用土工布對(duì)地表以上1.5 m高范圍進(jìn)行包裹保護(hù),施工完后拆除。灌砂數(shù)量應(yīng)與設(shè)計(jì)數(shù)量相符,在回灌過(guò)程中孔中的水則會(huì)自孔內(nèi)溢出。回灌必須飽滿密實(shí),以減少蒸發(fā)段的熱阻,確保熱棒工作效率[4]。⑥固定熱棒的支撐物在填料凍結(jié)后拆除?;靥钅酀{回凍時(shí)間一般為5~7 d。⑦回填中粗砂凍結(jié)、熱棒安裝穩(wěn)固后,拆除支撐物。
熱棒安裝完成后(見(jiàn)圖5),對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行清理,將施工垃圾清理遠(yuǎn)運(yùn),集中處理或埋藏于地表以下,復(fù)原地表原狀。最后對(duì)熱棒施工進(jìn)行全面驗(yàn)收。
圖5 熱棒施工完成后現(xiàn)場(chǎng)照片
3)熱棒棒身垂直度允許偏差:棒身垂直度允許偏差為棒身長(zhǎng)度的1%,用經(jīng)緯儀或吊線測(cè)量,按100%進(jìn)行全面檢查。
4)熱棒安裝施工注意事項(xiàng):①熱棒的結(jié)構(gòu)、形狀、規(guī)格及工作性能達(dá)到《熱棒》(GB/T 27880—2011)[1]的有關(guān)要求。②熱棒運(yùn)至工地后,進(jìn)行外觀檢查和產(chǎn)品質(zhì)量抽查。熱棒的總長(zhǎng)度、直徑、散熱器的類(lèi)型及長(zhǎng)度、表面防腐、反射涂層的顏色及質(zhì)量應(yīng)符合規(guī)范要求。熱棒應(yīng)整齊規(guī)則地堆放并覆蓋。③熱棒的制作工藝比較復(fù)雜,殼體容器的密封要求十分嚴(yán)格,稍有滲漏熱棒將不能工作。在搬運(yùn)和安裝過(guò)程中,防止碰撞,保護(hù)防腐反射涂層。防腐反射涂層在施作過(guò)程中如有損壞,及時(shí)補(bǔ)涂。④熱棒的吊裝采用軟質(zhì)吊索,安裝過(guò)程中應(yīng)注意防止碰撞、摩擦棒身,在起吊安裝過(guò)程中對(duì)上部的散熱片要防止損壞。⑤熱棒安裝孔鉆孔時(shí)孔深要嚴(yán)格按測(cè)量交底進(jìn)行,以防鉆孔過(guò)深對(duì)隧道防排水系統(tǒng)造成破壞。⑥熱棒安裝固定到位后,應(yīng)及時(shí)采用中粗砂對(duì)熱棒與孔壁間的間隙進(jìn)行回灌。⑦熱棒安裝好后,做好相關(guān)防護(hù)工作,防止后期工作損壞熱棒。⑧監(jiān)測(cè)元件與設(shè)備在熱棒安裝時(shí)同時(shí)埋入。⑨由于施工所在區(qū)域多年凍土區(qū)生態(tài)環(huán)境極為脆弱,施工時(shí)應(yīng)采取草皮覆蓋保護(hù)、臨時(shí)移植養(yǎng)護(hù)等措施,同時(shí)嚴(yán)格限制臨時(shí)工程活動(dòng)范圍,盡可能減少對(duì)多年凍土生態(tài)環(huán)境的破壞。熱棒安裝完成的區(qū)域須盡快清除鉆渣等雜物,做到“工完、料凈、現(xiàn)場(chǎng)清”。對(duì)無(wú)法避免而受到破壞的地表區(qū)域,天氣回暖后要及時(shí)回植草皮,并進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)。
5)測(cè)溫孔施工注意事項(xiàng):①每個(gè)測(cè)溫管均高于原地面20 cm,以便后期埋設(shè)測(cè)溫線及保護(hù)管。②測(cè)溫孔的位置及深度均按照本方案的設(shè)計(jì)嚴(yán)格施作。③測(cè)溫孔垂直度允許偏差為孔深的1%。④測(cè)溫管埋設(shè)后,采用沉水法灌入中粗砂回填測(cè)溫管與孔壁之間的間隙,此過(guò)程中嚴(yán)格控制質(zhì)量,確保填飽滿密實(shí)。延伸的測(cè)溫管道要埋在地面以下,不得露出地面,管內(nèi)分段設(shè)置氈墊,以阻隔空氣流通,并將管口用棉紗封堵。⑤施工時(shí)嚴(yán)格限制臨時(shí)工程活動(dòng)范圍,盡可能減少對(duì)多年凍土生態(tài)環(huán)境的破壞,天氣回暖后要對(duì)施工破壞過(guò)的地表及時(shí)回植草皮,并進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)。
姜路嶺隧道洞口凍土段通過(guò)采用熱棒制冷技術(shù),有效地減緩了由于隧道施工對(duì)凍土的熱擾動(dòng)影響。經(jīng)過(guò)兩個(gè)冬夏的觀察,隧道初期支護(hù)及襯砌未出現(xiàn)變形破壞。施工時(shí)只是對(duì)暗洞洞口段多年凍土地層采用了熱棒冷凍防護(hù),對(duì)明洞明挖段邊坡在以后的施工中可以考慮采用熱棒制冷技術(shù)對(duì)凍土進(jìn)行防護(hù),熱棒布設(shè)不能影響明洞開(kāi)挖,以控制凍土開(kāi)挖后的熱融,確保邊坡的穩(wěn)定。
[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 27880—2011 熱棒[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.
[2]李瑞杰.青藏鐵路高含冰量地段半填半挖路基施工技術(shù)[J].山西建筑,2006,32(3):99-100.
[3]潘衛(wèi)東.熱棒技術(shù)加強(qiáng)高原凍土區(qū)路基熱穩(wěn)定性的應(yīng)用研究[J].冰川凍土,2003,25(4):433-438.
[4]侯憲軍.多年凍土區(qū)熱棒路基工作原理與施工技術(shù)[J].山西建筑,2008,34(4):285-286.
Application of thermosyphon technology to tunnel in permafrost region
TIAN Minzhe
(The Second Engineering Co.,Ltd.of China Railway Construction 11th Bureau Group,Shiyan Hubei 442013,China)
According to the working principle of thermoprobe,the temperature of tunnel surrounding rock can be reduced by using hot rod refrigeration.A case study was introduced in this paper.Take the construction of Jiang Lu-Ling tunnel entrance in Gonghe-Yushu Road in Qinghai as an example.The layout of the thermoprobes and monitoring elements in the frozen soil layer were introduced.With the thermoprobe cooling in the frozen layer,the temperature control was realized after the excavation of tunnels,which caused the thermal disturbance and the increase of layer temperature.Furthermore,it helped the frozen layer return back to the undisturbed situation and remain that,ensuring the safety of tunnel entrance section structure. This technology deserved widely use in the tunnel portal construction in the cold,high altitude region.
Thermoprobe cooling;Permafrost layer;Highway tunnel;High altitude
U455.49;TU475+.2
A
10.3969/j.issn.1003-1995.2014.10.08
1003-1995(2014)10-0032-04
2014-06-10;
2014-09-20
田敏哲(1980— ),男,陜西岐山人,高級(jí)工程師。
(責(zé)任審編 趙其文)