电伴热技术在盾构冬季始发中的应用

李剑祥,丁修恒,吴艳青,杨 强

电伴热技术在盾构冬季始发中的应用

李剑祥,丁修恒,吴艳青,杨 强

(中铁六局集团有限公司盾构分公司,北京 100036)

盾构冬季始发期间,循环水系统、泡沫系统、加泥系统和注浆系统中的水冻凝可导致系统管路堵塞、阀体卡滞、仪表失灵,盾构无法调试。北京地铁10号线二期07标段盾构区间工程引入电伴热技术,对上述系统进行加热保温,防止水冻凝,完成盾构调试,实现冬季始发。

地铁;盾构;电伴热;加热保温;始发;冻结

1 工程概况

北京地铁10号线二期07标区间工程包括角门东站—角门西站、角门西站—草桥站2个区间,其中角门东站—角门西站区间长度为1 014.78m,角门西站—草桥站区间长度为1 461.85m。工程投入2台小松盾构机(编号为:TM625PMM-10,11)进行盾构隧道施工,2台盾构机先后从角门东站西端头始发,向西掘进到达角门西站东端头后,盾构机主体吊出,运至西端头下井,台车拖拉过站。重新组装后,二次始发掘进,至草桥站吊出。TM625PMM-10盾构机进场组装时间为2011年12月6日,调试时间为2011年12月18日,计划始发时间为2011年12月31日;TM625PMM-11盾构机进场组装时间为2011年12月15日,调试时间为2011年12月28日,计划始发时间为2012年1月10日。2台盾构机的始发时间正处于北京最寒冷的冬季,根据气象部门报道和施工现场实际测量,始发时的环境温度最低为-16℃,平均为-11℃,始发井内平均温度-5℃。

2 小松盾构机TM625PMM-10,11简介

小松盾构机TM625PMM-10,11为开挖直径6 280mm的土压平衡盾构机,由主机和6节台车组成,总长67.38m,具有开挖系统、出渣系统、渣土改良系统、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统、测量导向系统等基本功能。

3 盾构始发条件

盾构始发就是按照设计要求进行端头加固、托架铺设、盾构机组装调试、反力架安装、洞门破除、洞门帘布安装、负环拼装及试掘进流程化施工等。其工艺流程见图1。

根据始发工艺流程,2台盾构机相继完成安置始发托架、盾构机台车进场下井、盾构机盾体进场下井、端头加固、加固效果检验和盾构机组装调试(不通水调试),执行至盾构机通水调试开始和反力架安装与加固完成。盾构始发井组装如图2所示。

在盾构机通水调试阶段,整部盾构机除了前部的主机因自发热能满足内部温度0℃以上,后部连接桥和6节台车都裸露,直接与冷空气热交换,温度与外界温度相同,则盾构机循环水系统、泡沫系统、加泥系统和注浆系统,因内部流动介质是水或含水化合物,这些介质在管路、阀和仪表内发生冻凝,导致系统管路堵塞、阀体卡滞、仪表失灵等问题,使调试无法正常进行。

图1 盾构始发流程

图2 盾构始发井组装示意

针对上述低温条件下易发生的问题,施工单位组织科技攻关,引入电伴热技术,对循环水系统、泡沫系统、加泥系统和注浆系统进行电伴热加热保温,防止水介质冻凝,保证系统功能。

4 电伴热设计与施工

4.1 电伴热技术介绍

电伴热技术的核心部件是温控伴热电缆(俗称电伴热带)。将其安装在管道和阀体外壁,利用其发出的电热能量来补充管路内流动介质输送过程中所散失的热量,维持一定的温度,达到保温防冻目的。本工程采用自限温型电伴热带,主要由发热丝、2根平行金属导线和绝缘护层构成,当在2根导线之间加上电源,那么电压传导至发热丝,使发热丝发热。当发热丝持续发热时,发热丝内部电阻发生变化,随温度升高而降低,内部通过的电流变小使其发热量降低;当发热丝温度降低时,发热丝内部电阻变小,内部通过的电流升高使其发热量增加,最终使发热温度维持在设定温度。因此,自限温型电伴热带可以随管道和阀体的温度变化自动调节输出功率,将管道和阀体的温度维持在设定温度。

电伴热技术辅助配件有:电源接线盒、三通接线盒、二通接线盒、尾端接线盒和温度控制箱。电伴热带缠绕在被加热体系上后,使用三通接线盒、二通接线盒和尾端接线盒相互连接形成回路,然后通过电源接线盒与温度控制箱连接,通电后即可使电伴热带发热,使系统正常工作。

电伴热技术辅助材料有压敏胶带和泡沫橡塑保温层。压敏胶带的作用是使电伴热带固定在管道上,且随压力的增加粘结力越大,能有效阻止因电伴热带扩张力作用或管路温度增加使电伴热带松动。电伴热系统属于加热系统,外层铺设保温层,起到保温作用。

4.2 电伴热设计选型

需要电伴热实现保温的系统有循环水系统、泡沫系统、加泥系统和注浆系统。现以循环水系统为例进行设计选型。

循环水系统进水管路从3号台车的水泵出发,经过2号台车、1号台车和连接桥,进入盾体后经回水管路返回3号台车。因盾体内部电气液压系统发热能维持盾体温度在20℃,所以循环水管路需要电伴热的部分只为3号台车、2号台车、1号台车和连接桥段。管长40m×2=80 m,管路上有8对法兰,2个闸阀和8个管架。保温材料为泡沫橡塑。

(1)第一步:计算温差

其中,T0为水的维持温度,根据工程温度设定在10℃;Ta为工程实际外部环境温度,为-20℃。

(2)第二步:计算管路散热量

其中,λ为点半热带外层保温材料的导热系数,取值为0.03;d为管径,取38.1mm;δ为保温材料厚度,取值为10mm。

(3)第三步:计算实际散热量

其中,f为保温系数,泡沫橡塑材质保温材料保温系数一般取值为1.4。

(4)第四步:选择电伴热带型号

选用5BTV2-CT低温型自限温型,10℃时,输出功率16W/m,2条平行并列布置。

(5)第五步:计算电伴热带长度

其中,L1为管路所需电热带长度,L1=80×2= 160 m;L2为法兰所需电伴热带长度,每对法兰需2倍管径长度,共8对法兰,则L2=8×2×38.1×0.001= 0.61m;L3为闸阀所需电伴热带长度,每个闸阀需1.5倍管径长度,共2个闸阀,则L3=2×1.5×38.1× 0.001=0.11 m;L4为管架所需电伴热带长度,每个管架需6倍的管径长度,共8个管架,则L4=8×5×38.1× 0.001=1.52m。

按照以上选型方法分别对泡沫系统、加泥系统和注浆系统进行设计。得出各系统电伴热带用量,详细见表1。

表1 单台盾构电伴热带用量

4.3 电伴热带安装

电伴热带在管道上安装采取平行对称安装。泡沫系统管道电伴热带布置方式为1条平行布置,循环水系统和加泥系统管道电伴热带布置方式为2条对称平行布置,注浆系统管道电伴热布置方式为3条对称平行布置。

1条平行布置的电伴热带在法兰、闸阀、支架的安装方式如图3～图5所示。2条对称在法兰、闸阀、支架的安装方式是在1条的基础上添加第2条。3条对称的电伴热带在法兰、闸阀、支架的安装方式是在1条的基础上添加第2条和第3条,在此不赘述。

图3 电伴热带在法兰安装

4.4 电伴热电源设计及其连接

电伴热带型号为5BTV2-CT,其接入电源为220 V交流电,每回路最大长度不超过100 m。为使电伴热带更好地发挥作用,专门针对性地设计了温度控制箱。

本工程中,将温度控制箱布置在3号台车左侧,内部设置15个回路。盾构机有关系统管道上的电伴热系统回路共计14个,其中循环水系统5个回路、泡沫系统2个回路、加泥系统4个回路和注浆系统3个回路,备用1个回路。各回路都通过普通单相电源线接入温度控制箱,则温度控制箱投入工作14回路,1回路备用。如图6所示。

图4 电伴热带在阀体安装

图5 电伴热带在支架安装

图6 温度控制箱

在温度控制箱面板上有1个电伴热系统专用温度调节器,其温度检测来自其中1个电伴热回路的系统温度。根据设计原则,设定其上限温度为10℃,则温度控制箱输出电流,使得14个电伴热系统回路工作温度稳定在10℃。

5 效果验证

电伴热技术在使用过程中,各电伴热系统回路温度都能控制在10℃左右,使得循环水系统、泡沫系统、加泥系统和注浆系统实现了加热保温,防止了水介质冻凝,保证了系统功能,盾构机调试转入下一环节:通水调试。效果验证详见表2。

TM625PMM-10盾构机的调试于2011年12月28日结束,并于2011年12月30日经受了业主、监理和上级主管部门的整机联动调试检查。TM625PMM-10盾构机完全具备拼装负环试掘进的所有条件,并顺利始发,创造了北京地铁二期工程率先冬季始发的记录。TM625PMM-11盾构机也于2012年1月10日具备始发条件,并顺利始发。应用电伴热技术,为循环水系统、泡沫系统、加泥系统和注浆系统实现加热保温的2台盾构机都顺利的在冬季实现了始发。

表2 电伴热应用效果验证

6 结语

本工程中,为避免盾构机循环水系统、泡沫系统、加泥系统和注浆系统等会因水冻凝,有针对性地引入电伴热加热保温系统,对盾构机有关系统管路进行加热保温处理,经受住了严寒低温的考验,实践证明是可行的,是科学的。

[1] 杨林,常永平.冬季施工制作方法[M].北京:化学工业出版社,2011.

[2] 江玉生,等.盾构始发与到达—端头加固理论研究与工程实践[M].北京:人民交通出版社,2012.

[3] 江玉生,等.盾构始发技术[M].北京:人民交通出版社,2011.

[4] 张长国,喻岩.新型的管道防冻——电伴热保温施工技术[J].国防交通工程与技术,2005(02):61-63.

[5] 丁根生,吴正祥,等.电伴热工程设计与安装应用经验探讨[J].机电信息,2011(21):173-175.

[6] 刘宏宁.管道电伴热及其安装介绍[J].机电信息,2009(30): 22-24.

[7] 刘雅丹,李贵林.北京地铁10号线盾构隧道小半径曲线始发施工监管实践[J].铁道标准设计,2008(12):3-5.

[8] 房安民,钱新,王岩.复杂场地条件下盾构进洞端头井加固技术[J].铁道标准设计,2010(3):98-100.

[9] 段志宏.水平深孔注浆在地铁盾构端头加固中的应用[J].铁道标准设计,2010(10):119-121.

[10]李宏安,赵德海.北京地铁10号线区间隧道盾构施工质量控制要点[J].铁道标准设计,2008(12):76-78.

[11]宋克志,朱建德,等.无水砂卵石地层盾构机的选型[J].铁道标准设计,2004(11):51-54.

App lication of Electric Heat Tracing Technology for Shield Launching in W inter

LIJian-xiang,DING Xiu-heng,WU Yan-qing,YANG Qiang
(Branch Company of Shield Machine,China Railway Sixth Engineering Bureau Group,Beijing 100036,China)

During launching of shield machine in winter,water freezing which may usually appear in water circulation system,foam system,mud adding system and grouting system will cause system pipeline plugging,valve body stagnating,instrument failure;and with such and such a fault,the shield machinecannot be debugged.To solve this problem,for the tunnel engineering of No.7 bidding section of second stage projects of Beijing Metro Line10,the electric heat tracing technologywas adopted to do heating and heat preservation for above-mentioned systems so as to preventwater from freezing.As a result,with this technology,the debugging and launching of the shield machine in winter have been achieved.

metro;shield machine;electric heat tracing;heating and heat preservation;launching of shieldmachine;freezing

U455.43

B

1004-2954(2013)07-0080-04

2012-01-18;

2012-12-24

李剑祥(1984—),男,工程师,2006年毕业于华东交通大学,工学学士。