頂管工程接收井出機洞口水平冷凍工藝設計及實施研究

申 志

(河南省河川工程監理有限公司,河南 鄭州 450016)

1 工程特點及地質條件

2 出機洞口冷凍工藝設計

2.1 凍結壁設計

本項目頂管接收設計采用水平凍結孔加固地層形成杯形凍結壁的方法。根據本項目特征,該凍結設計的杯形凍結壁為Ⅰ類凍結壁,頂管接收期間承擔封水作用。設計有效凍結壁厚度2 m,杯長10 m。凍結壁設計中,其溫度平均值應控制在-10℃及以內,和維護結構之間的交界位置溫度平均值應控制在-5℃及以內。對于加固之后的土體,其單軸抗壓強度應達到4.0 MPa及以上,其彎折抗拉強度應達到1.8 MPa及以上,抗剪強度應達到1.5 MPa及以上,見圖1。

圖1 頂管接收凍結壁剖面圖

2.2 凍結孔、測溫孔布置情況

頂管接收水平凍土帷幕按照杯壁凍結壁為Ⅰ類凍結壁設計,洞門圈外共布置冷凍器24個,開孔間距約0.73～0.76 m。凍結孔開孔布置,見圖2。

圖2 頂管接收發凍結孔開孔位置圖

為實現凍結溫度實際變化情況的準確掌握,將三個測溫孔布設在洞門窗外,分別是c1、c2和c3,主要對凍結壁自身厚度、溫度平均值、和墻體交界面位置的溫度、臨近頂進區域地層的具體凍結情況等進行監測。將現場實際情況作為依據,對溫孔的位置、數量及其角度進行調整,用以全面檢測凍結壁與墻體交界處凍結效果。

2.3 其它凍結施工參數

對接收井側面場地進行平整處理,將一個冷凍站布設其中,以下是其凍結工藝的主要參數:

(1)在積極凍結終期,鹽水溫度設計為-28℃及以下,7 d凍結溫度應低于-18℃。

(2)通過孔內串聯和組內并聯形式將凍結管設置在凍結孔中,對于水平凍結孔,其串聯累計長度為50～60 m;單孔凍結孔中的鹽水流量應控制在5 m3/h及以上。

(3)凍結孔、測溫孔內凍結管均采用Φ89×8 mm的20#優質低碳無縫鋼管制作。

(4)需冷量計算

Q=mc×π×d×k×H

=5.3×104Kcal/h(單洞)

式中:mc為鹽水系統冷量損失系數,取1.2,d為凍結管外直徑,0.089 m,k為凍結管散熱系數,取320 Kcal/m2h,H為凍結管總長度,設計總長度為480 m(單個洞口為240 m)。

(5)凍結站中的裝機冷藏室:按凍結冷量需求計算以及快凍要求,將兩套170WDEDD冷凍機設置其中,一套開啟一套備用,在工況條件下,每一臺機組的制冷量約10.3×104kcal/h。

2.4 凍結設計中的施工參數

頂管機的主要凍結施工設計參數,見表1。

表1 單洞門頂管機主要接收凍結參數表

3 冷凍工藝實施過程

3.1 施工工藝

凍結孔施工→安裝凍結器→開機積極凍結→凍結達到設計條件→頂管機靠近地下連續墻→頂管機推出工作井,通過凍結壁→頂進結束持續冷凍→完成接收(洞門圈密封完成),停凍、封孔。

3.2 施工風險及措施

(1)鉆孔過程中可能出現嚴重涌水涌砂冒泥等不利現象。應對措施是采用安裝孔口壓緊密封裝置、保壓鉆進及注漿充填凍結器環形空間封孔等措施。

(2)拔出凍結管時出現凍結管斷裂。應對措施是內圈需拔出的凍結管、測溫管均采用整根凍結管下放,不存在管材對接焊縫。外圈凍結管采用螺紋絲扣+對焊連接。

(3)頂管機被凍住。應對措施是在頂管機機通過凍結壁過程中,頂管機端部刀盤應保持轉動狀態,當必須停止時也應保證每間隔2 min左右轉動一次。

3.3 凍結設備選型及安裝

3.3.1 凍結制冷設備選型與管路設計

(1)在站臺附近布置一個凍結站。以下為一個凍結站的凍結系統設計。

(2)冷凍站選用170WDEDD或相當制冷能力的冷凍機組3套(其中1套備用),單臺冷凍機組其最大制冷量為10.3×104kcal/h,冷凍機組電機總功率為136 kW。

(3)選擇三臺ISW150-315型鹽水循環泵,兩臺開啟一臺備用,揚程是50 m,流量是200 m3/h,總電動功率是15 kW。

(4)選擇兩臺ISW100-160型冷卻水循環泵,一臺開啟一臺備用,揚程是32 m,流量是100 m3/h,總電動功率是4.0 kW。

(5)選擇三臺60T規格的玻璃鋼冷卻塔,單機總功率是4.0 kW。

(6)設置兩個鹽水箱,單箱容量是3.3 m3。

(7)選擇159×5 mm型鋼管作為集配液管和鹽水干管,用高壓膠管連接凍結管和集配液圈。

(8)將控制閥門、溫度傳感器和壓力表安裝在鹽水管路去回路上,將液面指示器安裝在鹽水箱上。

(9)將閥門安裝在凍結器和配液圈之間,用來控制凍結器內的鹽水流量。

(10)通過串聯法連接凍結器,每一組水平凍結孔的累計串聯長度控制在50～60 m。

(11)將凍結站中的冷卻水供水量設計為10 m3/h。

(12)冷凍機油選擇N46型,冷凍劑選擇R22型。

(13)將鹽水比重控制在1.260～1.265之間。

3.3.2 凍結站設置和設備安裝

在凍結站中,主要的設備有清水池、冷卻塔、鹽水泵、鹽水箱、冷凍機組、配電柜等,所有設備都應嚴格按照使用說明書進行安裝。

3.3.3 連接管路和安裝測試儀表

在地面管架上鋪設冷卻水和鹽水管,通過法蘭進行連接。按規范安裝流量計、壓力表和溫度計。對鹽水管路進行試漏和清洗處理,然后通過聚苯乙烯泡沫塑料做好保溫工作,其保溫層厚度控制在50 mm,再包裹上塑料薄膜作為防潮層。通過耐高壓膠管來連接凍結管和級配液管。

通過軟質泡沫塑料對冷凍機組中的低溫管路和蒸發器進行保溫處理,通過厚度是50 mm的聚苯乙烯泡沫塑料對鹽水干管和鹽水箱進行保溫處理。

3.3.4 氯化鈣溶解和充氟加油

將1/4左右的清水注入鹽水箱,開泵循環,將氯化鈣固體逐步加入其中,一直到鹽水濃度符合設計要求為止。氯化鈣溶解時,需將其中的雜質過濾去除。鹽水箱中的鹽水不可太滿,以防凍結管內的鹽水在回流過程中從鹽水箱溢出。

冷凍機加油以及機組充氟應嚴格按使用說明書操作,先對制冷系統進行檢漏,再通過空氣進行沖洗,確認系統沒有滲漏問題后才可以進行加油和充氟。

3.3.5 系統試運行和積極凍結

完成設備安裝后應及時做好調試與試運行工作。試運行過程中,應隨時進行溫度和壓力等參數調節,讓機組中的各項技術參數都與設計標準相符。凍結中,需定期對凍結壁擴張、鹽水流量以及鹽水溫度等進行監測,加強凍結時溫度(測溫孔)的實時監測,及時分析采集數據,在必要的情況下,需要對凍結系統工作參數進行適當調整。在系統正常運行后,便會進入到積極凍結狀態。在此過程中,需依據凍結設計要求,合理控制其冷凍參數,使鹽水溫度在7 d以內降低到-18℃以下;在進行15 d積極凍結之后,鹽水溫度需要降低到-24℃以下;拆除接收井中的平壓水抽排頂管機頭時,應使鹽水溫度降低到-28℃以下,去、回路鹽水溫差不大于2℃。

3.3.6 頂管機頂進出洞要求

洞口冷凍系統工作正常,經觀測鹽水溫度降至-28℃以下,冷凍區土體平均溫度-10℃以下,且頂管機出洞后保持上述情況5 d以上,方可進行接收井內排水,并在排水過程中加強觀察洞口有無滲水、涌水情況,如冷凍效果良好,則盡快吊出機頭,并盡快完成后續管道連接及孔口封堵施工。具體接收條件見表2。

表2 頂管接收條件

3.3.7 系統運行監測

(1)監測去路和回路中的鹽水溫度

將數字溫度傳感器以及水銀精密溫度傳感器安裝到去路和回路中的鹽水干管上,每2 h進行一次溫度測量。

(2)監測凍結器中的鹽水流量

將鹽水流量計串聯在集液圈上,對回路凍結器中的鹽水流量進行測量。測量時間主要選擇在開凍時或有問題發生時。

(3)監測凍結器中的鹽水溫度

將數字式溫度傳感器安裝到每一個凍結器回路上,對其回路中的鹽水溫度進行測量。

(4)將液面監測裝置以及報警裝置安裝到鹽水箱中。

(5)監測測溫孔溫度

根據設計要求每座洞門設置測溫孔3個。測溫頻率為積極凍結期1次/天,溫度量測用儀表為多點半導體測溫儀,精度為0.06℃。

(6)監測鹽水的進水溫度以及回水溫度

將溫度監測點布設在鹽水干管中的進水區域以及回水區域,其監測頻率需要和測溫孔的監測頻率保持一致,采用18B20型溫度傳感器進行測量。

4 冷凍效果

根據冷凍方案實施進行施工,經監測達到要求后,通過接收井內降水及頂管機機頭拆除、后續管道安裝過程中,出機洞口無涌水、滲水情況發生,洞口封閉良好,土體穩定,達到了預定目標。通過對冷凍效果的分析,說明該項目頂管工程接收井出機洞口水平冷凍工藝設計及實施是合適的、適應的。

5 結語

通過對引江濟淮工程一處河道穿越項目的頂管工程接收井出機洞口采取冷凍工藝,解決了頂管機頭出洞時的洞口封閉和土體穩定問題,且在該工程實施中取得了成功經驗,從而說明了在高水頭、強滲漏地域采用冷凍工藝來處理和解決滲漏問題也是一種較為適用的方案之一,為頂管工程出機洞口的防滲漏處理積累的了成功的施工經驗。