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      清華園隧道能源管片設計、制作及安裝盾構機方案

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-18 09:02:33    瀏覽次數:17    評論:0
      導讀

      土建工程中的隧道結構兼作淺層地熱換熱構件時被稱作能源隧道。盾構隧道中可先將熱交換管安裝在預制管片中形成能源管片,現場施工時將各管片連接形成回路,這種隧道稱為能源盾構隧道。文章基于國外已有的2個能源盾構隧道管片施工和安裝研究實例,結合京張鐵路清華園隧道3環27個能源管片的設計、制作及安裝工作,從管材的選

      0 引言

      目前,我國建筑能耗約占全國能源消費總量的20%,以燃燒煤炭為主的采暖方式是導致近些年我國各地出現“霧霾”的主要原因之一[1]。尋求綠色的建筑供暖方案已成為當下能源行業的關鍵性議題。使用地源熱泵采集淺層地溫能是一種可行的解決方案,其能效比一般在4左右。在建筑物基礎構件(如樁)、地下結構物(如隧道)中布置有熱交換管的能源地下結構,代替地源熱泵系統中的鉆孔埋管地下換熱器,能夠減少地源熱泵系統初期投資成本,有效節省地下空間資源。這一技術受到越來越多的學者和工程師的重視。

      奧地利和瑞士的巖土工程師在20世紀80年代將能源地下結構的概念應用于工程實踐,將熱交換管布設在建筑基礎底板和樁基中進行換熱[2]。近些年,國內也有不少能源樁的工程實踐案例,多所高校先后開展了能源樁的試驗及理論研究,對能源樁的熱交換管布設方式、換熱性能影響因素以及熱力耦合問題進行了現場試驗和數值模擬研究[3-7]。 2018年7月1日,住建部發布的行業標準《樁基地熱能利用技術標準》開始實施,標志著我國地下結構淺層地溫能的利用步入了新階段。

      利用城市地表以下分布廣泛的地鐵隧道兼作地下換熱器,不僅可以解決地鐵在運行過程中廢熱滯留的問題,將隧道內部廢熱通過襯砌傳遞到巖土體中,還可以在冬季提取廢熱和淺層地溫能用于周邊建筑供暖,同時達到巖土體的冷熱平衡[8]。山嶺公路隧道也可以在冬季利用其中段儲存的熱量來為洞口及路面除冰或進行水溝保溫[9-10]。目前相關研究在我國尚處于起步階段。

      熱交換管在能源管片中的安裝,與在樁基或NATM隧道襯砌等地下換熱器中不同,需將熱交換管路截斷后布置在預制管片中,并預留管片間熱交換管的連接空間,待管片安裝完成后使用可靠的方式重新連接。換熱系統使用年限越長,對管路的整體性和可靠性要求越高。因此,熱交換管的連接是能源管片制作和安裝的核心。實現熱交換管便捷可靠的連接是盾構隧道獲取淺層地溫能的基礎,也是能源管片規?;褂玫闹匾U?。

      本文結合國外已有的2個能源盾構隧道工程案例中能源管片的實現方法,對新京張鐵路清華園隧道能源管片設計、制作和安裝中的相關問題進行總結,并對能源管片的規?;┕っ媾R的問題進行討論。

      1 國內外已有能源盾構隧道概述

      目前已知國內外在盾構隧道管片中埋設熱交換管的有奧地利Jenbach隧道、意大利都靈地鐵隧道和我國新京張鐵路清華園隧道3處。英國倫敦Crossrail地鐵線在設計階段也考慮采用此種方式進行地熱利用[8],但在實際施工中并未使用。

      三者均采用將熱交換管分段鋪設在預制管片中,在管片安裝后將管路再次連接的方式。圖1為能源管片及其熱交換管連接示意圖,不同預制管片中的熱交換管在管片預留空間處完成連接,并與主管相連形成回路。因此,管片間熱交換管的連接是能源盾構隧道施工的關鍵。

      圖1 能源管片及其熱交換管連接示意圖[11]
      Fig. 1 Schematic diagram of TES and the connection of its heat exchange pipes[11]

      1.1 奧地利Jenbach隧道概況

      奧地利研究人員于2008年在Jenbach隧道中設計了管片埋管換熱系統[12-14],將管片換熱系統獲取的熱量通過救援隧道和豎井引出(如圖2所示),每個采暖季可為附近公建提供40 kW的熱量。

      圖2 Jenbach隧道能源管片試驗段
      Fig. 2 TES in Jenbach Tunnel

      該隧道采用“7+1”模式拼裝,隧道直徑為12 m,管片厚50 cm,環寬2 m,試驗段平均埋深為27 m。能源段共27環,總長54 m。熱交換管采用如圖3所示的方式布設,總長度超過4 700 m。換熱系統運行期間可提供10~20 W/m2的換熱功率。換熱試驗發現,考慮熱交換管內部流體雷諾數對換熱效率的影響,雷諾數從1 200增加到4 200時,換熱功率由10 W/m2提升至16 W/m2。

      圖3 Jenbach隧道能源管片布管示意圖
      Fig. 3 Layout of TES heat exchange pipes of Jenbach Tunnel

      1.2 意大利都靈地鐵隧道概況

      2016年,意大利都靈理工大學學者對在都靈地鐵1號線中使用管片埋管換熱系統的可行性進行了數值研究[15-16]; 2017年,在地鐵隧道中安裝了2環能源管片并進行了現場換熱試驗,試驗段位置如圖4所示。

      圖4 都靈地鐵隧道能源管片試驗段位置
      Fig. 4 TES location in Torino Metro Line No.1

      該隧道采用“5+1”模式拼裝,隧道直徑為7.7 m,管片厚30 cm,環寬1.4 m,試驗段平均埋深20 m。試驗段2環共2.8 m,熱交換管布設在管片內外兩側,如圖5所示。

      圖5 都靈地鐵隧道能源管片布管示意圖
      Fig. 5 Layout of TES heat exchange pipes in Torino Metro Line No.1

      該地區地下水豐富,實際測得的換熱功率高達48.7 W/m2,與文獻[15]中數值模擬的預期換熱功率50 W/m2相近。分析換熱功率較高的原因,一是試驗場地地下水條件良好,利于圍巖換熱;二是采用雙層布管的方式增加了換熱面積。

      1.3 清華園隧道概況

      清華園隧道是新建北京至張家口鐵路全線唯一采用盾構法施工的隧道。線路自北京北站向北在DK13+400處進入清華園隧道,依次下穿學院南路、北三環、知春路(地鐵10號線)、北四環、成府路、雙清路,于DK19+420處出地面,包括明挖段1 571.5 m和盾構段4 448.5 m。

      清華園隧道采用2臺?12.2 m泥水平衡盾構掘進,隧道外徑為12.2 m,內徑為11.1 m,管片厚55 cm,環寬2 m,采用“6+2+1”模式拼裝,混凝土設計強度為C50。

      場地層巖以第四系全新統人工堆積層雜填土和第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)黏性土、粉土、砂類土、圓礫土及卵石土為主。

      清華園隧道在連續3環管片中布置熱交換管,并在中間環布設溫度及應變傳感器以監測溫度和應變。試驗段位于里程DK13+800處,在北京市海淀區學院南路附近,如圖6所示,隧道頂部埋深約10 m。

      圖6 清華園隧道能源管片試驗段位置
      Fig. 6 TES location in Qinghuayuan Tunnel

      2 能源管片中熱交換管的選用與布設

      能源管片中熱交換管的選用、布設與連接是盾構法能源隧道設計的關鍵。1個管片中布設的熱交換管的長度非常有限,需結合管片模板來布置;在管片預制完成后,需考慮熱交換管在同環管片間、環與環之間如何連接;接頭要能夠承受隧道施工和運行的不利影響(如施工中錯臺和縱/環縫張開等),需具有足夠的變形能力。

      2.1 熱交換管材料的選擇

      GB 50366—2009《地源熱泵系統工程技術規范》推薦在地埋管換熱系統中使用聚乙烯管(PE)和聚丁烯管(PB)。用于地暖或地源熱泵的聚乙烯管主要有過氧交聯聚乙烯管(PE-Xa)、耐熱聚乙烯管(PE-RT)和高密度聚乙烯管(HDPE)3類,三者熱物性差距不大,導熱率都在0.4 W/(m·℃)左右。

      PE-Xa管的柔韌性好,易于彎曲,但只能使用金屬管件通過機械連接,而其他2種可使用同質管件進行熱熔連接;PE-RT管常用作地暖管,然而家庭裝修的鋪設環境較隧道工程現場環境要好很多,在隧道施工中容易將PE-RT管刮壞,影響其長期使用性能;HDPE管既可使用同質管材熱熔連接,也可使用機械接頭連接,且其密度較高受劃痕影響較小,更適合于隧道現場施工。3種管材均為聚乙烯材料,其彈性模量、橫向及縱向斷裂伸長率相近,斷裂伸長率均大于300%,能夠承受隧道施工和運行產生的不利變形,不會影響管材的正常使用。

      奧地利研究人員選擇直徑20 mm、厚2 mm的PE-Xa管進行試驗,并與德國Rehau公司聯合開發了一種PE-Xa管的快速連接機械接頭,在Jenbach隧道中進行了首次使用,如圖7(a)所示[12]。在都靈地鐵隧道試驗中采用了類似的接頭連接技術,但具體實現方式不同,如圖7(b)所示[15]。后者在連接時可對連接段管長進行調整,更便于施工;但是,已查閱文獻中沒有給出連接接頭對管片模板的設計要求,也沒有給出對接頭的連接可靠性、使用壽命等性能的論證分析。

      圖7 熱交換管機械連接
      Fig. 7 Mechanical connection of heat exchange pipes

      連接管片間的熱交換管時,熱交換管的一端固定在管片的預留空間內,另一端在管片內部且不可伸長,使用機械接頭時對預留空間內熱交換管的長度要求較為嚴格,都靈地鐵隧道采用雙接頭的連接方式,應該是為了解決這個問題??紤]到要在既有管片模具基礎上預制能源管片,而采用熱熔連接對熔接長度的要求相對寬松,且完成熱熔后管路的一體性也能夠得到保證,故清華園隧道采用熱熔方式完成管片間的熱交換管連接。此外,熱熔接頭材料的一體性強,能夠承受隧道施工過程中的不利變形。

      在清華園隧道管片制作過程中,預留空間受鋼筋籠的限制,允許的最大尺寸為10 cm×10 cm×8 cm?;谏鲜隹紤],本次試驗選擇外徑25 mm、厚2.3 mm的HDPE管。圖8為熱熔連接完成現場圖。

      圖8 熱交換管熱熔連接
      Fig. 8 Fusion connection of heat exchange pipes

      2.2 布管方式的選擇

      熱交換管一般采用彎曲排布的方式,布管間距、彎頭數量對換熱功率的影響目前主要以有限元模擬的方法來進行定量分析。在隧道襯砌中,當熱交換管的間距在40~50 cm時,單位長度熱交換管的換熱功率最高[17]。由于流體在管道中通過彎曲處時可能積攢氣泡,而氣泡的存在會影響換熱介質的流動從而降低其換熱效率,因此應盡量減少管道的彎曲。預制管片環向長度往往是縱向的2倍,因此彎頭采用沿環向布管的方式更少。國外2個實例中布管間距設置為25~30 cm,單位長度熱交換管的換熱功率有所下降,但總換熱功率增加。兩者之間存在相互制約的關系,實際布管方式還需考慮工程實際需求。

      清華園隧道管片環向長度約為4.5 m,縱向長度約為2 m,采用環向布管方式,管間距設計為45 cm,距管片邊緣距離最短為10 cm。連接端設在管片環向中部,如圖9所示,圖中網格狀底線為配筋,邊界為結構投影線。

      圖9 清華園隧道能源管片布管方式(單位: mm)
      Fig. 9 Layout of TES heat exchange pipes in Qinghuayuan Tunnel(unit: mm)

      3 清華園隧道能源管片預制

      將熱交換管按設計要求綁在鋼筋籠的同時,還需在管片的環向中部預留出熱交換管后期連接的空間,這是能源管片預制中必須解決的問題。

      3.1 熱交換管的實際布設

      熱交換管通過塑料扎帶固定在鋼筋籠上,根據實際配筋情況,熱交換管的實際布設間距約為44 cm,1塊管片中熱交換管的布設量約為20 m。為方便熱交換管的后期連接,預留空間均設置在管片短邊中間處。

      在實際安裝過程中,熱交換管在鋼筋籠制作完成后綁扎于鋼筋籠內側,由于在其中穿行阻力較大,實際布管難以保證各彎曲處的彎角相同,且受鋼筋籠的限制,彎曲半徑較小時可能會使熱交換管被壓扁,因此,實際布管尺寸相比圖9會存在一定誤差。實際布管情況如圖10所示。

      圖10 實際布管情況
      Fig. 10 Actual layout of heat exchange pipes

      3.2 預留連接空間的實現

      相鄰管片熱交換管的連接在管片連接完成后進行,需在管片預制過程中留出熱交換管引出和連接的空間,同時預留空間尺寸需便于工人操作。同時,預留空間尺寸受配筋和保護層厚度的限制,各向不得超過10 cm。

      利用原有管片模板進行能源管片制作時,可通過在鋼筋籠環向兩側點焊定位盒來預留空間。定位盒為10 cm×10 cm×8 cm的空心長方體,其靠近鋼筋籠外表面的2個面用于現場連接操作,沿管片環向的1面中心留有1個直徑26 mm的圓孔,熱交換管從此處穿出,兩側面需進行切角以保證能與模板緊密貼合。定位盒布置如圖11所示。

      圖11 模板中定位盒布置
      Fig. 11 Layout of positioning box-out

      管片脫模后對應定位盒的預留空間如圖12所示,分別是定位牢固和不牢固發生偏移的情況。由于定位盒點焊在鋼筋籠上,固定不夠牢靠,因而在振搗過程中定位盒可能發生松動而偏離預定位置,導致預留口發生位置偏移。由于定位盒偏移后連接空間變小,使得交換管的連接不易操作,只能將突出部分混凝土切割掉。

      圖12 定位盒定位正常及偏移情況
      Fig. 12 Normal and offset of positioning box

      為保證熱交換管連接的可靠性,預制時熱交換管引出長度應適當長于定位盒長度,在連接時稍作修剪,熱熔效果更好。

      3.3 管片的成型與養護

      熱交換管布置好后,在管片澆筑前需檢驗其通暢性及氣密性,檢查合格后用套頭封閉端頭,以防止在混凝土澆筑及振搗過程中漿液流入管路,后期凝固發生堵管現象。

      內設熱交換管的管片與其他常規管片一樣,使用C50纖維混凝土,澆搗結束后靜養2 h,然后開始蒸養,蒸養最高溫度不超過 60 ℃,升溫速度不宜超過15 ℃/h,恒溫2 h,在恒溫時相對濕度不小于90%,降溫速度不易超過10 ℃/h。當管片蒸養達到規定的強度后,可脫模并在自然條件下靜停。

      4 能源管片現場安裝

      能源管片脫模后如圖13所示,在管片廠靜停56 d強度達到要求后,運送至現場進行安裝。能源管片安裝時,由于增加了熱交換管的連接,需考慮預留連接空間對盾構工作的影響。此外,熱交換管的連接也要考慮如何做到不影響盾構掘進。

      圖13 能源管片成品
      Fig. 13 TES before installation

      4.1 管片就位

      能源管片的現場安裝與普通管片相近,通過真空吸盤移動到預設位置后使用螺栓將其固定。由于能源管片內側表面有開口,分別為中段布置傳感器的開口和兩端熱交換管預留連接空間的開口,而開口可能影響真空吸盤的真空度,因此,吸起時需在開口處進行填充并用膠布進行封閉。封閉后管片可正常拼裝?,F場安裝情況如圖14所示。

      圖14 能源管片現場安裝
      Fig. 14 Installation of TES

      4.2 熱交換管連接

      不同管片間熱交換管的連接原計劃在管片安裝完成后實施。盾構每環掘進時間約為2 h,而熱交換管使用熱熔連接較慢,1環9個接頭約需3 h。1環管片安裝完成后盾構軌道隨盾構掘進前移,管片鋪設后即作為軌道支座,此時接頭被盾構遮擋,故沒有條件完成所有熱交換管的連接。盾構管片運輸裝置遮擋管片接頭的情況如圖15所示。因此,將接頭分為2部分: 1)首先連接會被盾構和箱涵遮擋的接頭,這些接頭在箱涵安裝后會被永久性遮擋,3環共9個接頭,按照被盾構遮擋的順序現場判斷連接順序,1個接頭的連接時間約為20 min; 2)剩余18個接頭在完成箱涵鋪設后,利用現場的施工臺架進行連接。

      圖15 管片接頭被遮擋
      Fig. 15 Covered segment joints

      在接頭連接時,操作面并不理想,如圖16所示。圖16(a)操作面位于下端弧面,站立不便;圖16(b)操作面位于臺架上,在高處進行熱熔作業相對困難。盾構設有用于螺栓連接的操作面(階梯),應有類似的操作面以便于熱交換管連接。

      圖16 接頭連接操作面
      Fig. 16 Operating surface of pipe joint connection

      現場同一環的熱交換管連接完成后有1處開口,方便后續不同試驗工況中環與環之間串聯或并聯連接。對各環分別進行打壓試驗,各環流通性良好,且未見接頭處發生滲水現象。實際安裝結果也表明施工對接頭處完整性并無影響。

      5 對能源管片規?;谱髋c安裝的思考

      如前所述,目前國內外實際運行的能源盾構隧道僅奧地利Jenbach隧道1處,北京清華園隧道的3環和意大利都靈地鐵隧道的2環均為試驗研究使用。但是,隨著能源問題日益嚴峻,盾構隧道獲取淺層地溫能作為一種可行的能源方案,使得能源管片的規?;a也將提上日程。

      本次能源管片制作中,采用定位盒預留連接空間、選用熱熔接頭進行現場連接的方式,僅適合試驗用途的小規模管片制作,在施工過程中發現了不少具體問題,筆者由此對盾構隧道中大批量使用能源管片可能遇到的困難和問題以及解決方法進行了思考。

      5.1 管片間熱交換管的連接方式

      管片間熱交換管連接的可靠性與便捷性是影響能源管片大批量使用的關鍵因素。如按本試驗中的連接方式進行大規模安裝,將增加隧道建設的成本并延長工期,需要進一步改進。

      由于管路連接空間有限,因此方便快捷的機械接頭應是首選,PE-Xa管質地較軟更易于操作;同時,應借助管片螺栓連接的操作面實現管片螺栓連接與熱交換管連接同步進行。

      機械接頭的缺點是兩端管材固定,接頭安裝時管材無法與接頭壓緊,可能留有縫隙。在能源管片規?;a之前,還需對機械接頭進行改良和可靠性測試。

      5.2 管片模板的改進

      本文管片間熱交換管連接處的預留空間通過在鋼筋籠上焊接定位盒實現,與模板之間仍存在空隙,漏漿的情況難以避免,因此,在熱交換管端頭處還需做好防止堵管的工作。

      在實際操作中,定位盒制作精度要求較高,成本不可忽略,且與鋼筋籠焊接時誤差不可避免,這在機械化的盾構施工中是不可接受的。

      可見,制作新的滿足能源管片熱交換管連接要求的管片模板,是能源管片大規模生產所必需的。

      5.3 熱交換管的布設

      布設熱交換管應與鋼筋籠的制作同步,防止摩擦阻力阻礙熱交換管穿行,也避免產生刮痕。

      熱交換管端頭處預留空間的開口會影響盾構真空吸盤的正常工作,因此,要把定位盒設置在真空吸盤區域外的位置。

      總之,本次能源管片的制作雖然是針對試驗研究,但是遇到的問題對規?;芷谱魇怯薪梃b的。能源管片的規?;谱?需結合現有的管片制作工藝和盾構施工要求,結合管片中和管片間熱交換管的布設與連接特點,研發便捷可靠的連接接頭,并改進管片模具,使管片間熱交換管的連接能夠在管片安裝的同時完成。

      6 結論與討論

      利用淺層地溫能的能源盾構隧道是一種新型的綠色能源利用技術。新京張鐵路清華園隧道是我國首例能源盾構隧道。本文以清華園隧道能源管片為研究對象,結合國外僅有的2個工程研究實例,對能源管片的制作與安裝進行了總結梳理,對管片中熱交換管的布置、能 源管片的預制及現場安裝進行了詳細說明。

      管片間熱交換管連接的可靠性與便捷性是能源盾構隧道得以大規模應用的關鍵因素。本文涉及的3環能源管片制作體量小,制作施工方法并不完全適用于規?;墓芷a。能源管片的規?;褂秒x不開管片制作方法及施工工藝的不斷改進。本文結合此次制作安裝過程中具體的實現方法,對能源管片的規?;谱髋c安裝提出了一些建議,希望對今后能源管片的大規模施工有借鑒作用。

      致謝

      感謝京張鐵路清華園隧道的設計單位中鐵工程設計咨詢公司、管片生產單位北京中鐵房山橋梁有限公司、施工單位中鐵十四局清華園隧道2標段項目部在試驗立項、管片制作及安裝過程中的大力幫助。

      尤其感謝劉方、劉建友、高少彬、谷雨、張清陽、姜亮、陳新強、杜貴新及歐鵬江等在課題進展的各個階段對筆者的大力幫助!

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      (文/小編)
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