地?zé)崂眯投軜?gòu)法隧道施工探索
——以清華園隧道能源管片設(shè)計(jì)、制作及安裝為例

祝振南, 郭紅仙,

(1. 清華大學(xué)土木工程系, 北京 100084; 2. 清華大學(xué) 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

0 引言

目前,我國(guó)建筑能耗約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%,以燃燒煤炭為主的采暖方式是導(dǎo)致近些年我國(guó)各地出現(xiàn)“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(dāng)下能源行業(yè)的關(guān)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(chǔ)構(gòu)件(如樁)、地下結(jié)構(gòu)物(如隧道)中布置有熱交換管的能源地下結(jié)構(gòu),代替地源熱泵系統(tǒng)中的鉆孔埋管地下?lián)Q熱器,能夠減少地源熱泵系統(tǒng)初期投資成本,有效節(jié)省地下空間資源。這一技術(shù)受到越來(lái)越多的學(xué)者和工程師的重視。

奧地利和瑞士的巖土工程師在20世紀(jì)80年代將能源地下結(jié)構(gòu)的概念應(yīng)用于工程實(shí)踐,將熱交換管布設(shè)在建筑基礎(chǔ)底板和樁基中進(jìn)行換熱[2]。近些年,國(guó)內(nèi)也有不少能源樁的工程實(shí)踐案例,多所高校先后開展了能源樁的試驗(yàn)及理論研究,對(duì)能源樁的熱交換管布設(shè)方式、換熱性能影響因素以及熱力耦合問(wèn)題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[3-7]。 2018年7月1日,住建部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《樁基地?zé)崮芾眉夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》開始實(shí)施,標(biāo)志著我國(guó)地下結(jié)構(gòu)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?lián)Q熱器,不僅可以解決地鐵在運(yùn)行過(guò)程中廢熱滯留的問(wèn)題,將隧道內(nèi)部廢熱通過(guò)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(shí)達(dá)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(chǔ)存的熱量來(lái)為洞口及路面除冰或進(jìn)行水溝保溫[9-10]。目前相關(guān)研究在我國(guó)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?lián)Q熱器中不同,需將熱交換管路截?cái)嗪蟛贾迷陬A(yù)制管片中,并預(yù)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(tǒng)使用年限越長(zhǎng),對(duì)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(shí)現(xiàn)熱交換管便捷可靠的連接是盾構(gòu)隧道獲取淺層地溫能的基礎(chǔ),也是能源管片規(guī)模化使用的重要保障。

本文結(jié)合國(guó)外已有的2個(gè)能源盾構(gòu)隧道工程案例中能源管片的實(shí)現(xiàn)方法,對(duì)新京張鐵路清華園隧道能源管片設(shè)計(jì)、制作和安裝中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié),并對(duì)能源管片的規(guī)模化施工面臨的問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 國(guó)內(nèi)外已有能源盾構(gòu)隧道概述

目前已知國(guó)內(nèi)外在盾構(gòu)隧道管片中埋設(shè)熱交換管的有奧地利Jenbach隧道、意大利都靈地鐵隧道和我國(guó)新京張鐵路清華園隧道3處。英國(guó)倫敦Crossrail地鐵線在設(shè)計(jì)階段也考慮采用此種方式進(jìn)行地?zé)崂肹8],但在實(shí)際施工中并未使用。

三者均采用將熱交換管分段鋪設(shè)在預(yù)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(yù)制管片中的熱交換管在管片預(yù)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(gòu)隧道施工的關(guān)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(shè)計(jì)了管片埋管換熱系統(tǒng)[12-14],將管片換熱系統(tǒng)獲取的熱量通過(guò)救援隧道和豎井引出(如圖2所示),每個(gè)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(yàn)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(huán)寬2 m,試驗(yàn)段平均埋深為27 m。能源段共27環(huán),總長(zhǎng)54 m。熱交換管采用如圖3所示的方式布設(shè),總長(zhǎng)度超過(guò)4 700 m。換熱系統(tǒng)運(yùn)行期間可提供10～20 W/m2的換熱功率。換熱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),考慮熱交換管內(nèi)部流體雷諾數(shù)對(duì)換熱效率的影響,雷諾數(shù)從1 200增加到4 200時(shí),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(xué)學(xué)者對(duì)在都靈地鐵1號(hào)線中使用管片埋管換熱系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了數(shù)值研究[15-16]; 2017年,在地鐵隧道中安裝了2環(huán)能源管片并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)換熱試驗(yàn),試驗(yàn)段位置如圖4所示。

圖4 都靈地鐵隧道能源管片試驗(yàn)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(huán)寬1.4 m,試驗(yàn)段平均埋深20 m。試驗(yàn)段2環(huán)共2.8 m,熱交換管布設(shè)在管片內(nèi)外兩側(cè),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(qū)地下水豐富,實(shí)際測(cè)得的換熱功率高達(dá)48.7 W/m2,與文獻(xiàn)[15]中數(shù)值模擬的預(yù)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(yàn)場(chǎng)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(gòu)法施工的隧道。線路自北京北站向北在DK13+400處進(jìn)入清華園隧道,依次下穿學(xué)院南路、北三環(huán)、知春路(地鐵10號(hào)線)、北四環(huán)、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(gòu)段4 448.5 m。

清華園隧道采用2臺(tái)?12.2 m泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn),隧道外徑為12.2 m,內(nèi)徑為11.1 m,管片厚55 cm,環(huán)寬2 m,采用“6+2+1”模式拼裝,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50。

清華園隧道在連續(xù)3環(huán)管片中布置熱交換管,并在中間環(huán)布設(shè)溫度及應(yīng)變傳感器以監(jiān)測(cè)溫度和應(yīng)變。試驗(yàn)段位于里程DK13+800處,在北京市海淀區(qū)學(xué)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(yàn)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(shè)

能源管片中熱交換管的選用、布設(shè)與連接是盾構(gòu)法能源隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1個(gè)管片中布設(shè)的熱交換管的長(zhǎng)度非常有限,需結(jié)合管片模板來(lái)布置;在管片預(yù)制完成后,需考慮熱交換管在同環(huán)管片間、環(huán)與環(huán)之間如何連接;接頭要能夠承受隧道施工和運(yùn)行的不利影響(如施工中錯(cuò)臺(tái)和縱/環(huán)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(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》推薦在地埋管換熱系統(tǒng)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(guò)氧交聯(lián)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(dǎo)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(guò)機(jī)械連接,而其他2種可使用同質(zhì)管件進(jìn)行熱熔連接;PE-RT管常用作地暖管,然而家庭裝修的鋪設(shè)環(huán)境較隧道工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要好很多,在隧道施工中容易將PE-RT管刮壞,影響其長(zhǎng)期使用性能;HDPE管既可使用同質(zhì)管材熱熔連接,也可使用機(jī)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(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)率相近,斷裂伸長(zhǎng)率均大于300%,能夠承受隧道施工和運(yùn)行產(chǎn)生的不利變形,不會(huì)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(jìn)行試驗(yàn),并與德國(guó)Rehau公司聯(lián)合開發(fā)了一種PE-Xa管的快速連接機(jī)械接頭,在Jenbach隧道中進(jìn)行了首次使用,如圖7(a)所示[12]。在都靈地鐵隧道試驗(yàn)中采用了類似的接頭連接技術(shù),但具體實(shí)現(xiàn)方式不同,如圖7(b)所示[15]。后者在連接時(shí)可對(duì)連接段管長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整,更便于施工;但是,已查閱文獻(xiàn)中沒有給出連接接頭對(duì)管片模板的設(shè)計(jì)要求,也沒有給出對(duì)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(jī)械連接Fig. 7 Mechanical connection of heat exchange pipes

連接管片間的熱交換管時(shí),熱交換管的一端固定在管片的預(yù)留空間內(nèi),另一端在管片內(nèi)部且不可伸長(zhǎng),使用機(jī)械接頭時(shí)對(duì)預(yù)留空間內(nèi)熱交換管的長(zhǎng)度要求較為嚴(yán)格,都靈地鐵隧道采用雙接頭的連接方式,應(yīng)該是為了解決這個(gè)問(wèn)題。考慮到要在既有管片模具基礎(chǔ)上預(yù)制能源管片,而采用熱熔連接對(duì)熔接長(zhǎng)度的要求相對(duì)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(qiáng),能夠承受隧道施工過(guò)程中的不利變形。

在清華園隧道管片制作過(guò)程中,預(yù)留空間受鋼筋籠的限制,允許的最大尺寸為10 cm×10 cm×8 cm。基于上述考慮,本次試驗(yàn)選擇外徑25 mm、厚2.3 mm的HDPE管。圖8為熱熔連接完成現(xiàn)場(chǎng)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(shù)量對(duì)換熱功率的影響目前主要以有限元模擬的方法來(lái)進(jìn)行定量分析。在隧道襯砌中,當(dāng)熱交換管的間距在40～50 cm時(shí),單位長(zhǎng)度熱交換管的換熱功率最高[17]。由于流體在管道中通過(guò)彎曲處時(shí)可能積攢氣泡,而氣泡的存在會(huì)影響換熱介質(zhì)的流動(dòng)從而降低其換熱效率,因此應(yīng)盡量減少管道的彎曲。預(yù)制管片環(huán)向長(zhǎng)度往往是縱向的2倍,因此彎頭采用沿環(huán)向布管的方式更少。國(guó)外2個(gè)實(shí)例中布管間距設(shè)置為25～30 cm,單位長(zhǎng)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(guān)系,實(shí)際布管方式還需考慮工程實(shí)際需求。

清華園隧道管片環(huán)向長(zhǎng)度約為4.5 m,縱向長(zhǎng)度約為2 m,采用環(huán)向布管方式,管間距設(shè)計(jì)為45 cm,距管片邊緣距離最短為10 cm。連接端設(shè)在管片環(huán)向中部,如圖9所示,圖中網(wǎng)格狀底線為配筋,邊界為結(jié)構(gòu)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(yù)制

將熱交換管按設(shè)計(jì)要求綁在鋼筋籠的同時(shí),還需在管片的環(huán)向中部預(yù)留出熱交換管后期連接的空間,這是能源管片預(yù)制中必須解決的問(wèn)題。

3.1 熱交換管的實(shí)際布設(shè)

熱交換管通過(guò)塑料扎帶固定在鋼筋籠上,根據(jù)實(shí)際配筋情況,熱交換管的實(shí)際布設(shè)間距約為44 cm,1塊管片中熱交換管的布設(shè)量約為20 m。為方便熱交換管的后期連接,預(yù)留空間均設(shè)置在管片短邊中間處。

在實(shí)際安裝過(guò)程中,熱交換管在鋼筋籠制作完成后綁扎于鋼筋籠內(nèi)側(cè),由于在其中穿行阻力較大,實(shí)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(shí)可能會(huì)使熱交換管被壓扁,因此,實(shí)際布管尺寸相比圖9會(huì)存在一定誤差。實(shí)際布管情況如圖10所示。

圖10 實(shí)際布管情況Fig. 10 Actual layout of heat exchange pipes

3.2 預(yù)留連接空間的實(shí)現(xiàn)

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

利用原有管片模板進(jìn)行能源管片制作時(shí),可通過(guò)在鋼筋籠環(huán)向兩側(cè)點(diǎn)焊定位盒來(lái)預(yù)留空間。定位盒為10 cm×10 cm×8 cm的空心長(zhǎng)方體,其靠近鋼筋籠外表面的2個(gè)面用于現(xiàn)場(chǎng)連接操作,沿管片環(huán)向的1面中心留有1個(gè)直徑26 mm的圓孔,熱交換管從此處穿出,兩側(cè)面需進(jìn)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(duì)應(yīng)定位盒的預(yù)留空間如圖12所示,分別是定位牢固和不牢固發(fā)生偏移的情況。由于定位盒點(diǎn)焊在鋼筋籠上,固定不夠牢靠,因而在振搗過(guò)程中定位盒可能發(fā)生松動(dòng)而偏離預(yù)定位置,導(dǎo)致預(yù)留口發(fā)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(yù)制時(shí)熱交換管引出長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)長(zhǎng)于定位盒長(zhǎng)度,在連接時(shí)稍作修剪,熱熔效果更好。

3.3 管片的成型與養(yǎng)護(hù)

熱交換管布置好后,在管片澆筑前需檢驗(yàn)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(guò)程中漿液流入管路,后期凝固發(fā)生堵管現(xiàn)象。

內(nèi)設(shè)熱交換管的管片與其他常規(guī)管片一樣,使用C50纖維混凝土,澆搗結(jié)束后靜養(yǎng)2 h,然后開始蒸養(yǎng),蒸養(yǎng)最高溫度不超過(guò) 60 ℃,升溫速度不宜超過(guò)15 ℃/h,恒溫2 h,在恒溫時(shí)相對(duì)濕度不小于90%,降溫速度不易超過(guò)10 ℃/h。當(dāng)管片蒸養(yǎng)達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度后,可脫模并在自然條件下靜停。

4 能源管片現(xiàn)場(chǎng)安裝

能源管片脫模后如圖13所示,在管片廠靜停56 d強(qiáng)度達(dá)到要求后,運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。能源管片安裝時(shí),由于增加了熱交換管的連接,需考慮預(yù)留連接空間對(duì)盾構(gòu)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(gòu)掘進(jìn)。

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(xiàn)場(chǎng)安裝與普通管片相近,通過(guò)真空吸盤移動(dòng)到預(yù)設(shè)位置后使用螺栓將其固定。由于能源管片內(nèi)側(cè)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(yù)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(shí)需在開口處進(jìn)行填充并用膠布進(jìn)行封閉。封閉后管片可正常拼裝。現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖14所示。

圖14 能源管片現(xiàn)場(chǎng)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(jì)劃在管片安裝完成后實(shí)施。盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間約為2 h,而熱交換管使用熱熔連接較慢,1環(huán)9個(gè)接頭約需3 h。1環(huán)管片安裝完成后盾構(gòu)軌道隨盾構(gòu)掘進(jìn)前移,管片鋪設(shè)后即作為軌道支座,此時(shí)接頭被盾構(gòu)遮擋,故沒有條件完成所有熱交換管的連接。盾構(gòu)管片運(yùn)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(huì)被盾構(gòu)和箱涵遮擋的接頭,這些接頭在箱涵安裝后會(huì)被永久性遮擋,3環(huán)共9個(gè)接頭,按照被盾構(gòu)遮擋的順序現(xiàn)場(chǎng)判斷連接順序,1個(gè)接頭的連接時(shí)間約為20 min; 2)剩余18個(gè)接頭在完成箱涵鋪設(shè)后,利用現(xiàn)場(chǎng)的施工臺(tái)架進(jìn)行連接。

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

在接頭連接時(shí),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(tái)架上,在高處進(jìn)行熱熔作業(yè)相對(duì)困難。盾構(gòu)設(shè)有用于螺栓連接的操作面(階梯),應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)同一環(huán)的熱交換管連接完成后有1處開口,方便后續(xù)不同試驗(yàn)工況中環(huán)與環(huán)之間串聯(lián)或并聯(lián)連接。對(duì)各環(huán)分別進(jìn)行打壓試驗(yàn),各環(huán)流通性良好,且未見接頭處發(fā)生滲水現(xiàn)象。實(shí)際安裝結(jié)果也表明施工對(duì)接頭處完整性并無(wú)影響。

5 對(duì)能源管片規(guī)模化制作與安裝的思考

如前所述,目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際運(yùn)行的能源盾構(gòu)隧道僅奧地利Jenbach隧道1處,北京清華園隧道的3環(huán)和意大利都靈地鐵隧道的2環(huán)均為試驗(yàn)研究使用。但是,隨著能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻,盾構(gòu)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(guī)模化生產(chǎn)也將提上日程。

本次能源管片制作中,采用定位盒預(yù)留連接空間、選用熱熔接頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)連接的方式,僅適合試驗(yàn)用途的小規(guī)模管片制作,在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了不少具體問(wèn)題,筆者由此對(duì)盾構(gòu)隧道中大批量使用能源管片可能遇到的困難和問(wèn)題以及解決方法進(jìn)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(guān)鍵因素。如按本試驗(yàn)中的連接方式進(jìn)行大規(guī)模安裝,將增加隧道建設(shè)的成本并延長(zhǎng)工期,需要進(jìn)一步改進(jìn)。

由于管路連接空間有限,因此方便快捷的機(jī)械接頭應(yīng)是首選,PE-Xa管質(zhì)地較軟更易于操作;同時(shí),應(yīng)借助管片螺栓連接的操作面實(shí)現(xiàn)管片螺栓連接與熱交換管連接同步進(jìn)行。

機(jī)械接頭的缺點(diǎn)是兩端管材固定,接頭安裝時(shí)管材無(wú)法與接頭壓緊,可能留有縫隙。在能源管片規(guī)模化生產(chǎn)之前,還需對(duì)機(jī)械接頭進(jìn)行改良和可靠性測(cè)試。

5.2 管片模板的改進(jìn)

本文管片間熱交換管連接處的預(yù)留空間通過(guò)在鋼筋籠上焊接定位盒實(shí)現(xiàn),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(shí)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(shí)誤差不可避免,這在機(jī)械化的盾構(gòu)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(guī)模生產(chǎn)所必需的。

5.3 熱交換管的布設(shè)

布設(shè)熱交換管應(yīng)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(chǎn)生刮痕。

熱交換管端頭處預(yù)留空間的開口會(huì)影響盾構(gòu)真空吸盤的正常工作,因此,要把定位盒設(shè)置在真空吸盤區(qū)域外的位置。

總之,本次能源管片的制作雖然是針對(duì)試驗(yàn)研究,但是遇到的問(wèn)題對(duì)規(guī)模化管片制作是有借鑒的。能源管片的規(guī)模化制作,需結(jié)合現(xiàn)有的管片制作工藝和盾構(gòu)施工要求,結(jié)合管片中和管片間熱交換管的布設(shè)與連接特點(diǎn),研發(fā)便捷可靠的連接接頭,并改進(jìn)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(shí)完成。

6 結(jié)論與討論

利用淺層地溫能的能源盾構(gòu)隧道是一種新型的綠色能源利用技術(shù)。新京張鐵路清華園隧道是我國(guó)首例能源盾構(gòu)隧道。本文以清華園隧道能源管片為研究對(duì)象,結(jié)合國(guó)外僅有的2個(gè)工程研究實(shí)例,對(duì)能源管片的制作與安裝進(jìn)行了總結(jié)梳理,對(duì)管片中熱交換管的布置、能 源管片的預(yù)制及現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。

管片間熱交換管連接的可靠性與便捷性是能源盾構(gòu)隧道得以大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。本文涉及的3環(huán)能源管片制作體量小,制作施工方法并不完全適用于規(guī)模化的管片生產(chǎn)。能源管片的規(guī)模化使用離不開管片制作方法及施工工藝的不斷改進(jìn)。本文結(jié)合此次制作安裝過(guò)程中具體的實(shí)現(xiàn)方法,對(duì)能源管片的規(guī)模化制作與安裝提出了一些建議,希望對(duì)今后能源管片的大規(guī)模施工有借鑒作用。

致謝

感謝京張鐵路清華園隧道的設(shè)計(jì)單位中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢公司、管片生產(chǎn)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(biāo)段項(xiàng)目部在試驗(yàn)立項(xiàng)、管片制作及安裝過(guò)程中的大力幫助。

尤其感謝劉方、劉建友、高少彬、谷雨、張清陽(yáng)、姜亮、陳新強(qiáng)、杜貴新及歐鵬江等在課題進(jìn)展的各個(gè)階段對(duì)筆者的大力幫助!