京滬高鐵上海虹橋站地源熱泵地埋管施工研究

劉森成

(上海市安裝工程有限公司,上海 200080)

1 工程概況

京滬高速鐵路上海虹橋站是上海虹橋交通樞紐核心區(qū)的重點(diǎn)工程,本工程建筑面積24萬(wàn)m2,空調(diào)面積約16.5萬(wàn)m2,采用垂直雙U并聯(lián)型埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng),地源井孔徑110～130mm,鉆孔深度92m,有效深度90m,在南北2～15號(hào)站臺(tái)下面鉆孔1960個(gè),水平管采用PE100d63管,垂直管采用PE100d32,共敷設(shè)垂直管(PE100d32)36萬(wàn)m,水平管(PE100d63)2.5萬(wàn)m,DN400二次熱鍍鋅鋼管3000m,7個(gè)垂直孔組成一個(gè)小支路,每個(gè)站臺(tái)敷設(shè)10個(gè)回路,敷設(shè)在南北無(wú)站臺(tái)柱雨棚14個(gè)站臺(tái)的下部,每個(gè)回路均連接至綜合管溝DN400總管。夏季總冷負(fù)荷19977kW,冬季總熱負(fù)荷7126kW。本地源熱泵系統(tǒng)為高鐵主站房和南北輔樓提供冬季供暖全部熱量,夏季與離心式冷水機(jī)組聯(lián)合工作,用于補(bǔ)峰和夜間或過渡季低負(fù)荷情況下使用。

2 工程實(shí)施概況

2.1 施工基本流程

地源熱泵地埋管施工程序如圖1。

施工前應(yīng)熟悉掌握埋管區(qū)域的工程勘察資料、設(shè)計(jì)文件和施工圖紙,并完成施工方案,同時(shí)應(yīng)充分了解埋管場(chǎng)地內(nèi)已有地下管線。中鐵24局分批次滿足“三通一平”要求,以方便鉆孔施工,場(chǎng)地內(nèi)設(shè)泥漿池。成井過程應(yīng)由專業(yè)施工隊(duì)伍技術(shù)人員進(jìn)行監(jiān)督、監(jiān)理旁站,選用站臺(tái)中間線作為現(xiàn)場(chǎng)的永久目標(biāo)進(jìn)行定位放線,為滿足換熱需要,鉆孔間距為4m×5m。

2.2 材料選擇與制作過程的施工控制

2.2.1 原材料的選擇

圖1 地源熱泵地埋管施工程序

地埋管的質(zhì)量對(duì)地埋管換熱系統(tǒng)至關(guān)重要。地埋管應(yīng)采用化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大、流動(dòng)阻力小的塑料管材及管件,本工程采用高密度聚乙烯管(HDPE),垂直管采用D32(PE100)HDPE管承壓2.5MPa的高密度聚乙烯管材。熱熔連接,管件與管材為同廠出的相同材料,進(jìn)場(chǎng)時(shí),地埋管具有質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告和生產(chǎn)廠的合格證,管材的公稱壓力及使用溫度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。管材每盤管道長(zhǎng)度控制在92m,進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的材料逐件檢查,管子進(jìn)場(chǎng)時(shí)輕拿輕放,嚴(yán)禁遇明火并防止利器損壞管子。豎直地埋管的U形彎管接頭,選用定型的U形彎頭成品件,管道和管件均遮光保存,防止太陽(yáng)暴曬(圖2)。

圖2 準(zhǔn)備下管的高密度聚乙烯管

2.2.2 U型管制作過程控制

HDPE管的預(yù)制是將需要下井的PE管、成品連接件制作成型,其形狀呈U型,因此簡(jiǎn)稱為U型管換熱器,為防止其受損,下部端頭采用多層膠帶進(jìn)行下管臨時(shí)保護(hù),所有垂直及水平管道采用熱熔方法連接,管道連接以管道制造商和熱熔焊機(jī)的技術(shù)要求為基礎(chǔ),操作工人經(jīng)考試和技術(shù)評(píng)定合格后的管道工操作;地埋管采用切割器垂直切割,并用干毛巾將管口擦拭干凈,管材插入加熱套時(shí)要用手握緊,緩慢移動(dòng)、嚴(yán)禁旋轉(zhuǎn),加熱、冷卻時(shí)間應(yīng)符合要求,焊接完成后應(yīng)檢查焊瘤形狀是否均勻、有無(wú)污染。U型管的組對(duì)長(zhǎng)度預(yù)留1.5～2.0m,滿足與環(huán)路接管連接的要求,HDPE管進(jìn)行壓力試驗(yàn)并一直保壓,避免陽(yáng)光直射發(fā)生熱變形及老化(圖3、圖4、表1)。

圖3 U型管專用接頭

表1 PE管熱熔連接技術(shù)要求

圖4 PE水平管連接

2.2.3 地埋管系統(tǒng)施工過程控制

鉆孔施工主要分為定孔位及鉆孔兩部分,定孔位由技術(shù)人員定位,旁站監(jiān)理予以審核監(jiān)督,鉆孔前精確定位,允許偏差為5cm,施工過程中隨時(shí)檢查鉆進(jìn)垂直度以確保地源孔垂直度,鉆桿每下進(jìn)10m后須進(jìn)行鉆機(jī)本體水平度復(fù)核。當(dāng)誤差大于5‰時(shí),必須進(jìn)行調(diào)整,避免深度交叉損壞已完成的地源管,鉆孔深度由鉆桿長(zhǎng)度來(lái)控制,鉆井深度控制在92m,以確保下管90m深度的設(shè)計(jì)要求。垂直鉆孔的不垂直度控制在2.5%以內(nèi)。

2.2.4 下管過程

U形管安裝在成孔后立即進(jìn)行,由于鉆孔完畢后孔內(nèi)存有大量泥漿,對(duì)下管造成一定的困難,泥漿會(huì)影響孔洞的有效深度,因此U型管管內(nèi)充水保壓防止上浮,同時(shí)在孔口設(shè)置橡膠墊以防止U型管下管過程中受損,本工程采取機(jī)械下管方式,下管過程中,U形管內(nèi)保持0.4MPa壓力,每隔2m設(shè)置固定管卡,使進(jìn)出水管隔離,防止短路降低熱交換的效果,對(duì)連接水平管的2m長(zhǎng)管道盤在管口,灌漿回填完成后用細(xì)沙覆蓋予以保護(hù)。

2.2.5 回灌過程控制

垂直地埋管換熱器安裝完畢后,立即用灌漿材料回灌封孔。灌漿應(yīng)從鉆孔底部開始,自下而上,密實(shí)無(wú)空腔。回填工序也稱為灌漿封井,正確的回填要達(dá)到兩個(gè)目的,要強(qiáng)化埋管與鉆孔壁之間的傳熱和實(shí)現(xiàn)密封的作用,避免地下含水層受到地表水等可能的污染。根據(jù)設(shè)計(jì)要求配比回填物料。回填物中不得含有大粒徑的顆粒,采用泥漿泵灌漿。回填時(shí)必須根據(jù)灌漿速度的快慢將灌漿管逐步抽出使混合漿自下而上回灌封井,確保回灌密實(shí),無(wú)空腔,減少傳熱熱阻。當(dāng)上返泥漿密度與灌注材料的密度相同時(shí),回填過程結(jié)束后封孔。回填完后將留在地面的管道管口進(jìn)行封堵保護(hù)并進(jìn)行標(biāo)記,防止后續(xù)施工造成損壞。

2.2.6 水平管施工

水平管在站臺(tái)基礎(chǔ)上方,管道下方墊10cm細(xì)沙,同時(shí)水平管留有一定的膨脹收縮空間以應(yīng)對(duì)熱脹冷縮,本工程施工中防止無(wú)站臺(tái)柱雨棚上部腳手架等墜落物體損壞水平管,同時(shí)管道不應(yīng)有折斷、扭結(jié)等問題,轉(zhuǎn)彎處應(yīng)光滑,并采取水泥墩固定。水平地埋管安裝完畢后的四周用細(xì)沙保護(hù),同時(shí)應(yīng)對(duì)每根管進(jìn)行打壓試驗(yàn),并在墊層實(shí)施過程中進(jìn)行保壓以保證水平管處于完好狀態(tài)(圖5)。

圖5 綜合管溝內(nèi)PE管集分水器

2.2.7 管道試壓

本工程地源熱泵側(cè)工作壓力為0.8MPa,試驗(yàn)壓力應(yīng)為工作壓力的1.5倍即1.4MPa,垂直管上部壓力為1.4MPa時(shí),90m深的管底即為2.3MPa,故我們垂直管試壓壓力表保持在1.0MPa,以防對(duì)管道造成損壞。用手動(dòng)泵緩慢升壓,升壓過程中應(yīng)隨時(shí)觀察與檢查,不得有滲漏。地源熱泵地埋管系統(tǒng)設(shè)置在站臺(tái)板下方,一旦損壞幾乎無(wú)法修復(fù),故整個(gè)施工過程中都保壓進(jìn)行半成品的保護(hù),并派專人監(jiān)測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)那個(gè)支路泄壓,立即查明原因,予以修復(fù)(圖6)。

圖6 水平管保壓

2.2.8 管道系統(tǒng)施工驗(yàn)收

地源熱泵系統(tǒng)的后續(xù)集分水器連接、設(shè)備運(yùn)輸和吊裝、設(shè)備基礎(chǔ)施工、熱泵機(jī)組安裝、水系統(tǒng)管道安裝、閥門安裝、管道保溫施工、整體運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)試等工作應(yīng)符合相關(guān)專業(yè)規(guī)范要求。在驗(yàn)收時(shí)應(yīng)注意管材、管件等材料應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,質(zhì)保資料齊全;鉆孔、水平埋管的位置和深度,地埋管的直徑、壁厚及長(zhǎng)度均應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求;回填料及其配比應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求;水壓試驗(yàn)應(yīng)全部合格。

3 施工中出現(xiàn)的問題與對(duì)策

3.1 施工現(xiàn)場(chǎng)泥漿的處理

鉆孔過程中產(chǎn)生大量的泥漿,本工程施工區(qū)域上方即為未來(lái)的高鐵站站臺(tái),泥漿必須清理,否則容易引起不均勻沉降。為滿足未來(lái)站臺(tái)的使用要求,每個(gè)站臺(tái)準(zhǔn)備3個(gè)泥漿池,大小為2m×1m×1m,泥漿外運(yùn)處理。

3.2 鉆孔

本區(qū)域土質(zhì)較好,但靠近站房?jī)蓚?cè)局部區(qū)域?yàn)榛娱_挖后回填,鉆孔最大的難度是穿越流沙和廢棄混凝土基礎(chǔ),本工程13個(gè)孔井遇到此類問題,與設(shè)計(jì)協(xié)商溝通后在4號(hào)站臺(tái)外側(cè)增設(shè)孔井解決此類問題,故鉆孔前應(yīng)充分了解地質(zhì)情況,做好應(yīng)對(duì)困難的準(zhǔn)備。

3.2 U型管制作及下管

U型管制作的主要問題U型管底部保護(hù)措施不到位、U型管兩支管無(wú)可靠措施分離、熱熔接頭連接質(zhì)量差等問題,這需要施工方提前確定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)格控制制作質(zhì)量。垂直管應(yīng)保持一根整管,杜絕中間接頭出現(xiàn),水平管與垂直管及水平管之間的管接口的熱熔連接是最重要的,一旦接口出現(xiàn)問題,該孔井就廢掉。下管過程中,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察,井口與管道的摩擦較為嚴(yán)重,對(duì)地埋管損壞較大,建議在井口與管道之間鋪設(shè)橡膠墊等摩擦力小的物體,保護(hù)下管管道外壁。

3.3 回灌

回灌工作對(duì)整個(gè)地埋管系統(tǒng)的最終效果影響非常大,同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克?009年5月做的熱響應(yīng)測(cè)試報(bào)告說(shuō)明,回填非常重要,回填出現(xiàn)問題,嚴(yán)重影響熱交換效率。施工方常常不按要求制配回填料,且沒有采用機(jī)械灌漿以保證灌漿密實(shí),常常采用原漿回填,也使得回灌工作形同虛設(shè),回灌效果差,因此施工方應(yīng)嚴(yán)格按方案要求實(shí)施回灌工作。國(guó)家應(yīng)根據(jù)各地方土質(zhì)情況特點(diǎn),盡快出臺(tái)地源熱泵施工及驗(yàn)收規(guī)范,而不僅僅是技術(shù)規(guī)范,應(yīng)根據(jù)全國(guó)地質(zhì)情況的不同,出臺(tái)具體的回灌要求和回填料的具體配比。回灌配料比及回灌過程建議設(shè)為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)并監(jiān)理旁站予以全程監(jiān)督。

3.4 水平管埋設(shè)

水平管施工主要問題是對(duì)管周圍細(xì)沙保護(hù)問題重視不夠,不能滿足規(guī)范要求從而影響了水平管的保護(hù)管理,因此施工方應(yīng)加強(qiáng)墊層施工前的隱蔽驗(yàn)收。同時(shí)對(duì)鐵路工程地源熱泵的施工時(shí),僅僅是敷沙保護(hù)水平管是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,應(yīng)覆土保護(hù)至少50cm厚,已確保水平管不被墜落物體打擊損壞。水平管敷設(shè)在基本站臺(tái)下2.5m左右,在整個(gè)覆土過程中,嚴(yán)密觀察每個(gè)回路保壓情況,一旦出現(xiàn)保壓失敗現(xiàn)象,立即查明原因,如果在站臺(tái)大理石鋪砌完成后,才發(fā)現(xiàn)該問題,需開挖2.5m厚的土層,查明原因及其困難,并且維修成本高昂,所以在本工程中,水平和垂直管的保護(hù)非常關(guān)鍵。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)高鐵上海虹橋站地源熱泵地埋管系統(tǒng)中高密度聚乙烯管道敷設(shè)工作的施工控制要點(diǎn)及易出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié)。該項(xiàng)目還未投入使用,目前正在前期調(diào)試工作,具體運(yùn)行參數(shù)待調(diào)試試運(yùn)行完后后調(diào)試報(bào)告中給出,由于項(xiàng)目存在特征差異(含江南和長(zhǎng)江以北區(qū)域),不能一概而論,但地源熱泵作為一個(gè)新技術(shù),施工方應(yīng)結(jié)合工程實(shí)例,并按照國(guó)家規(guī)程及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置施工控制點(diǎn),以保證最終使用效果。為在全國(guó)范圍內(nèi)推廣該技術(shù)提供一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和施工方法。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50366-2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[2]上海虹橋站工程項(xiàng)目管理部.京滬高速鐵路上海虹橋站新建工程地埋管熱響應(yīng)測(cè)試報(bào)告[R].上海:同濟(jì)大學(xué),2009.