聯(lián)絡通道凍結法施工長距離鹽水循環(huán)系統(tǒng)方案研究

徐建衛(wèi)

(中鐵二十二局集團軌道工程有限公司,北京 100043)

目前,我國地鐵聯(lián)絡通道施工通常采用的方法有礦山法、凍結法以及機械法等,其中凍結法被廣泛應用于涌水涌沙地層的聯(lián)絡通道工程施工中[1-5]。凍結法施工中的一項關鍵工作是鹽水系統(tǒng)方案設計,低溫鹽水作為冷媒,吸收地層內的熱量并通過制冷循環(huán)將熱量散入大氣中,其在凍結管內循環(huán)狀態(tài)對凍結傳熱效果產生直接影響[6-7]。工程實踐中經常存在凍結管內積氣現(xiàn)象而導致氯化鈣溶液循環(huán)不暢,若不能及時發(fā)現(xiàn)并處理,會導致局部凍結壁薄弱而誘發(fā)涌水涌沙[8-9]。因此設計一套合理的凍結管路循環(huán)系統(tǒng)對確保凍結效果至關重要。

筆者以杭州機場線7標火合區(qū)間聯(lián)絡通道為例,進行凍結鹽水循環(huán)系統(tǒng)的設計,并通過實測數據分析凍結系統(tǒng)運行狀態(tài)。該聯(lián)絡通道線間距為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。設計凍結壁厚度3 m,采用雙排孔布置方式。凍結孔總數量為128個,具體為:左線頂部21個凍結孔,側墻22個凍結孔,底部23 個凍結孔;右線頂部20 個凍結孔,側墻20個凍結孔,底部22個凍結孔。左、右線頂底部凍結孔在聯(lián)絡通道中部交叉,側墻左線凍結孔布置于內圈,終孔位于右線隧道管片處,側墻右線凍結孔布置于外圈,終孔位于左線隧道管片處。凍結管規(guī)格為?89 mm×8 mm,凍結管總延米數為1 771.80 m。根據總體工籌,將冷凍站布置在車站負四層,通過鹽水干管將鹽水從冷凍站輸送至聯(lián)絡通道工作面處,自冷凍站至工作面管路長度為600 m,冷凍站鹽水箱液面高出聯(lián)絡通道處隧道中心線約14 m。

1 長距離鹽水循環(huán)系統(tǒng)設計計算

1.1 管路分組與流量計算

鹽水箱內的低溫鹽水經鹽水泵升壓進入去路干管,經干管輸送至工作面,并在工作面通過配液器將鹽水輸送到各個凍結管分組內,分組內凍結管串聯(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組后進入鹽水箱,形成鹽水系統(tǒng)循環(huán)。

鹽水循環(huán)系統(tǒng)設計應首先確定管路分組、分組鹽水流量和總流量。各分組的凍結管總長度宜相近。凍結孔單孔鹽水流量應根據凍結管散熱要求、去回路鹽水溫差和凍結管直徑確定,凍結管內鹽水流動狀態(tài)宜處于層流與紊流之間[10-12]。凍結管路分組應盡量使相鄰凍結孔在不同的分組中,這樣可以避免某一組循環(huán)效果差而導致整個區(qū)域凍結壁薄弱。

本工程左、右線凍結孔數量分別為66 個和62個。左、右線凍結孔基本對稱,凍結孔延米數相近。側墻凍結孔長度均在20 m 左右,頂底部長度6～15 m,側墻每3根凍結孔分為一組,頂底部4～6 根凍結孔分為一組,每組凍結孔長度60～70 m,左、右線凍結孔均分為14 組。參考《旁通道凍結法技術規(guī)程》(DG/TJ08—902—2016),凍結孔串聯(lián)長度40～80 m 時,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 管路內壓頭損失及耐壓值驗算

長距離鹽水循環(huán)系統(tǒng)應控制干管上的壓頭損失并驗算管路耐壓值。干管上壓頭損失過大時,需提高鹽水泵供給壓力,易造成管路內壓力過高、超過管路耐壓值,同時電機功率過大,浪費電能。

可按式(1)計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為鹽水流動阻力系數。

當紊流時,λ=;當層流時,。雷諾數,其中:μ為鹽水動力粘度系數,Pa·s;ρ為鹽水密度,kg/m3。

造成長距離鹽水輸送壓頭損失的主要因素有管路直徑和長度、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。根據公式(1)進行計算,結果見表1。

表1 鹽水干管直徑與鹽水壓頭損失

從表1可見,隨著鹽水干管直徑的增大,干管上的壓頭損失減小。

耐壓值驗算:市政凍結工程一般PE 鹽水管路運轉過程中最大壓力≤0.5 MPa,工作面處最大壓力宜≤0.4 MPa。則應滿足公式(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。

根據表1計算結果,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進行計算,根據式(2)計算得h1≤17.1 m?？紤]到經濟性,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、干管管路長等原因,根據公式(2)計算h1較小時,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。但由于兩個泵距離較遠,應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壓力突然增大,超過管路耐壓值,造成鹽水漏失。

長距離鹽水干管應充分考慮鹽水降溫過程中管路的收縮,在管路中設置足夠的軟接頭或其他可伸縮裝置[13]。

1.3 透孔數量計算

根據鹽水干管直徑與左、右線分組情況,按透孔內鹽水流速與干管流速相近原則,計算所需透孔數量。本工程左、右線分組數量相同,透孔輸送鹽水截面積取干管截面積一半即可。經驗算需6個透孔,其中3個進水,3個回水。

1.4 鹽水泵選擇

根據管路上水頭總損失,確定鹽水泵揚程,并根據流量和揚程進行鹽水泵的選型。由于目前并無設計專用的鹽水泵,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,一般根據流量和揚程確定水泵型號后,電機功率需加大約四分之一,否則水泵電機可能超負荷運轉。

2 凍結管內積氣原因分析及處理

上傾角的凍結孔容易發(fā)生積氣現(xiàn)象,凍結管內積氣如圖1所示。當管內積氣時,首先氣體在供液管上部開口端與凍結孔的環(huán)向空隙處聚集,ha為氣體柱的高度,P2為供液管與凍結管間環(huán)形空間積氣柱底部標高處的壓力,P1為與P2同一標高處供液管內的液體壓力,根據流體力學,當管內積氣時,應滿足公式(3)才能驅動管內液體流動:

圖1 凍結管內積氣示意

根據公式(3),積氣越多,ha越大,為使得液體流動需要的各分組內的進回水壓差越大。發(fā)生凍結管內憋氣的原因是進回水壓差不足以克服管內積氣導致的壓頭損失。

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

圖2 分組管內積氣示意

由此分析,可得如下結論:

(1)凍結管積氣造成凍結管內的鹽水循環(huán)時 壓頭損失;

(2)凍結管向上傾斜角度越大,凍結管長度越大,越容易積氣;

(3)上傾角的凍結孔每個分組內串聯(lián)凍結孔數量越多,越容易積氣。

為避免上傾角凍結管內積氣現(xiàn)象,注意以下幾點:

(1)在設計鹽水循環(huán)系統(tǒng)時,凍結管路的進、回水壓差不宜過小;

(2)設計時在保證凍結壁擴展范圍的情況下,盡可能調整凍結孔布置方式,減小上傾角凍結孔的開孔和終孔之間的高差;

(3)分組連接時,上部凍結孔的回水閥門位置宜布置在集液管的上部;

(4)進、回水的集、配液管在運轉過程中應通過設置在頂部的放氣閥及時放氣。

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

一般凍結管路因積氣導致管路循環(huán)不暢時,凍結管管頭處的結霜會融化,但有時卻不容易快速發(fā)現(xiàn)。可在回水集液管上的分組閥門處埋設測溫探頭,借助測溫系統(tǒng)實時監(jiān)測各分組的溫度變化情況,一旦發(fā)現(xiàn)回水溫度異?；厣?立即采取措施處理,能對凍結效果起到良好的保障作用。

3 結 論

本文結合杭州機場線7標火合區(qū)間聯(lián)絡通道工程長距離鹽水循環(huán)系統(tǒng)的方案,指出了長距離鹽水循環(huán)系統(tǒng)管路分組、鹽水管路設計以及鹽水泵選型等方面的原則和注意事項。在實際施工過程中,鹽水進水溫度為-28 ℃,鹽水流量為142 m3/h,鹽水泵處進水管壓力調節(jié)至0.30 MPa,實際工作面進水壓力為0.41 MPa,工作面回水壓力約為0.32 Mpa。鹽水系統(tǒng)運行正常,與計算值基本吻合。

本工程凍結管數量多、延米數長,容易導致積氣現(xiàn)象,施工過程中采取預防積氣措施。施工過程中各管路結霜良好,確保了凍結效果,為冷凍站布置距離工作面較遠的凍結工程積累了經驗;分析了凍結管路積氣的原因,總結了積氣預防方法,為凍結法聯(lián)絡通道凍結施工提供了可參考性的建議。