顶管工程接收井出机洞口水平冷冻工艺设计及实施研究

申 志

(河南省河川工程监理有限公司,河南 郑州 450016)

1 工程特点及地质条件

2 出机洞口冷冻工艺设计

2.1 冻结壁设计

本项目顶管接收设计采用水平冻结孔加固地层形成杯形冻结壁的方法。根据本项目特征,该冻结设计的杯形冻结壁为Ⅰ类冻结壁,顶管接收期间承担封水作用。设计有效冻结壁厚度2 m,杯长10 m。冻结壁设计中,其温度平均值应控制在-10℃及以内,和维护结构之间的交界位置温度平均值应控制在-5℃及以内。对于加固之后的土体,其单轴抗压强度应达到4.0 MPa及以上,其弯折抗拉强度应达到1.8 MPa及以上,抗剪强度应达到1.5 MPa及以上,见图1。

图1 顶管接收冻结壁剖面图

2.2 冻结孔、测温孔布置情况

顶管接收水平冻土帷幕按照杯壁冻结壁为Ⅰ类冻结壁设计,洞门圈外共布置冷冻器24个,开孔间距约0.73～0.76 m。冻结孔开孔布置,见图2。

图2 顶管接收发冻结孔开孔位置图

为实现冻结温度实际变化情况的准确掌握,将三个测温孔布设在洞门窗外,分别是c1、c2和c3,主要对冻结壁自身厚度、温度平均值、和墙体交界面位置的温度、临近顶进区域地层的具体冻结情况等进行监测。将现场实际情况作为依据,对温孔的位置、数量及其角度进行调整,用以全面检测冻结壁与墙体交界处冻结效果。

2.3 其它冻结施工参数

对接收井侧面场地进行平整处理,将一个冷冻站布设其中,以下是其冻结工艺的主要参数:

(1)在积极冻结终期,盐水温度设计为-28℃及以下,7 d冻结温度应低于-18℃。

(2)通过孔内串联和组内并联形式将冻结管设置在冻结孔中,对于水平冻结孔,其串联累计长度为50～60 m;单孔冻结孔中的盐水流量应控制在5 m3/h及以上。

(3)冻结孔、测温孔内冻结管均采用Φ89×8 mm的20#优质低碳无缝钢管制作。

(4)需冷量计算

Q=mc×π×d×k×H

=5.3×104Kcal/h(单洞)

式中:mc为盐水系统冷量损失系数,取1.2,d为冻结管外直径,0.089 m,k为冻结管散热系数,取320 Kcal/m2h,H为冻结管总长度,设计总长度为480 m(单个洞口为240 m)。

(5)冻结站中的装机冷藏室:按冻结冷量需求计算以及快冻要求,将两套170WDEDD冷冻机设置其中,一套开启一套备用,在工况条件下,每一台机组的制冷量约10.3×104kcal/h。

2.4 冻结设计中的施工参数

顶管机的主要冻结施工设计参数,见表1。

表1 单洞门顶管机主要接收冻结参数表

3 冷冻工艺实施过程

3.1 施工工艺

冻结孔施工→安装冻结器→开机积极冻结→冻结达到设计条件→顶管机靠近地下连续墙→顶管机推出工作井,通过冻结壁→顶进结束持续冷冻→完成接收(洞门圈密封完成),停冻、封孔。

3.2 施工风险及措施

(1)钻孔过程中可能出现严重涌水涌砂冒泥等不利现象。应对措施是采用安装孔口压紧密封装置、保压钻进及注浆充填冻结器环形空间封孔等措施。

(2)拔出冻结管时出现冻结管断裂。应对措施是内圈需拔出的冻结管、测温管均采用整根冻结管下放,不存在管材对接焊缝。外圈冻结管采用螺纹丝扣+对焊连接。

(3)顶管机被冻住。应对措施是在顶管机机通过冻结壁过程中,顶管机端部刀盘应保持转动状态,当必须停止时也应保证每间隔2 min左右转动一次。

3.3 冻结设备选型及安装

3.3.1 冻结制冷设备选型与管路设计

(1)在站台附近布置一个冻结站。以下为一个冻结站的冻结系统设计。

(2)冷冻站选用170WDEDD或相当制冷能力的冷冻机组3套(其中1套备用),单台冷冻机组其最大制冷量为10.3×104kcal/h,冷冻机组电机总功率为136 kW。

(3)选择三台ISW150-315型盐水循环泵,两台开启一台备用,扬程是50 m,流量是200 m3/h,总电动功率是15 kW。

(4)选择两台ISW100-160型冷却水循环泵,一台开启一台备用,扬程是32 m,流量是100 m3/h,总电动功率是4.0 kW。

(5)选择三台60T规格的玻璃钢冷却塔,单机总功率是4.0 kW。

(6)设置两个盐水箱,单箱容量是3.3 m3。

(7)选择159×5 mm型钢管作为集配液管和盐水干管,用高压胶管连接冻结管和集配液圈。

(8)将控制阀门、温度传感器和压力表安装在盐水管路去回路上,将液面指示器安装在盐水箱上。

(9)将阀门安装在冻结器和配液圈之间,用来控制冻结器内的盐水流量。

(10)通过串联法连接冻结器,每一组水平冻结孔的累计串联长度控制在50～60 m。

(11)将冻结站中的冷却水供水量设计为10 m3/h。

(12)冷冻机油选择N46型,冷冻剂选择R22型。

(13)将盐水比重控制在1.260～1.265之间。

3.3.2 冻结站设置和设备安装

在冻结站中,主要的设备有清水池、冷却塔、盐水泵、盐水箱、冷冻机组、配电柜等,所有设备都应严格按照使用说明书进行安装。

3.3.3 连接管路和安装测试仪表

在地面管架上铺设冷却水和盐水管,通过法兰进行连接。按规范安装流量计、压力表和温度计。对盐水管路进行试漏和清洗处理,然后通过聚苯乙烯泡沫塑料做好保温工作,其保温层厚度控制在50 mm,再包裹上塑料薄膜作为防潮层。通过耐高压胶管来连接冻结管和级配液管。

通过软质泡沫塑料对冷冻机组中的低温管路和蒸发器进行保温处理,通过厚度是50 mm的聚苯乙烯泡沫塑料对盐水干管和盐水箱进行保温处理。

3.3.4 氯化钙溶解和充氟加油

将1/4左右的清水注入盐水箱,开泵循环,将氯化钙固体逐步加入其中,一直到盐水浓度符合设计要求为止。氯化钙溶解时,需将其中的杂质过滤去除。盐水箱中的盐水不可太满,以防冻结管内的盐水在回流过程中从盐水箱溢出。

冷冻机加油以及机组充氟应严格按使用说明书操作,先对制冷系统进行检漏,再通过空气进行冲洗,确认系统没有渗漏问题后才可以进行加油和充氟。

3.3.5 系统试运行和积极冻结

完成设备安装后应及时做好调试与试运行工作。试运行过程中,应随时进行温度和压力等参数调节,让机组中的各项技术参数都与设计标准相符。冻结中,需定期对冻结壁扩张、盐水流量以及盐水温度等进行监测,加强冻结时温度(测温孔)的实时监测,及时分析采集数据,在必要的情况下,需要对冻结系统工作参数进行适当调整。在系统正常运行后,便会进入到积极冻结状态。在此过程中,需依据冻结设计要求,合理控制其冷冻参数,使盐水温度在7 d以内降低到-18℃以下;在进行15 d积极冻结之后,盐水温度需要降低到-24℃以下;拆除接收井中的平压水抽排顶管机头时,应使盐水温度降低到-28℃以下,去、回路盐水温差不大于2℃。

3.3.6 顶管机顶进出洞要求

洞口冷冻系统工作正常,经观测盐水温度降至-28℃以下,冷冻区土体平均温度-10℃以下,且顶管机出洞后保持上述情况5 d以上,方可进行接收井内排水,并在排水过程中加强观察洞口有无渗水、涌水情况,如冷冻效果良好,则尽快吊出机头,并尽快完成后续管道连接及孔口封堵施工。具体接收条件见表2。

表2 顶管接收条件

3.3.7 系统运行监测

(1)监测去路和回路中的盐水温度

将数字温度传感器以及水银精密温度传感器安装到去路和回路中的盐水干管上,每2 h进行一次温度测量。

(2)监测冻结器中的盐水流量

将盐水流量计串联在集液圈上,对回路冻结器中的盐水流量进行测量。测量时间主要选择在开冻时或有问题发生时。

(3)监测冻结器中的盐水温度

将数字式温度传感器安装到每一个冻结器回路上,对其回路中的盐水温度进行测量。

(4)将液面监测装置以及报警装置安装到盐水箱中。

(5)监测测温孔温度

根据设计要求每座洞门设置测温孔3个。测温频率为积极冻结期1次/天,温度量测用仪表为多点半导体测温仪,精度为0.06℃。

(6)监测盐水的进水温度以及回水温度

将温度监测点布设在盐水干管中的进水区域以及回水区域,其监测频率需要和测温孔的监测频率保持一致,采用18B20型温度传感器进行测量。

4 冷冻效果

根据冷冻方案实施进行施工,经监测达到要求后,通过接收井内降水及顶管机机头拆除、后续管道安装过程中,出机洞口无涌水、渗水情况发生,洞口封闭良好,土体稳定,达到了预定目标。通过对冷冻效果的分析,说明该项目顶管工程接收井出机洞口水平冷冻工艺设计及实施是合适的、适应的。

5 结语

通过对引江济淮工程一处河道穿越项目的顶管工程接收井出机洞口采取冷冻工艺,解决了顶管机头出洞时的洞口封闭和土体稳定问题,且在该工程实施中取得了成功经验,从而说明了在高水头、强渗漏地域采用冷冻工艺来处理和解决渗漏问题也是一种较为适用的方案之一,为顶管工程出机洞口的防渗漏处理积累的了成功的施工经验。