青藏鐵路高原多年凍土區(qū)熱棒施工技術(shù)

xx鐵路高原多年凍土區(qū)熱棒施工技術(shù)一、工程概況：xx鐵路由xx省會(huì)xx至xx自治區(qū)首府xx全長(zhǎng)1956km，其中西寧至xx西部重鎮(zhèn)格爾木市（簡(jiǎn)稱西格段）長(zhǎng)846km，已于1979年建成，1984年交付使用。格爾木至拉薩（簡(jiǎn)稱格拉段）位于xx高原腹地，全長(zhǎng)約1142km，其中約547km穿越多年凍土地帶，全線海拔高程大于4000m地段約960km，線路最高海拔為5072m，是目前世界上穿越高原、高寒缺氧及連續(xù)性永久地區(qū)最長(zhǎng)的鐵路，凍土問(wèn)題是修建xx鐵路最主要的技術(shù)難題。我局擔(dān)負(fù)施工的十二標(biāo)段位于可可西里無(wú)人區(qū)的五道梁，轄區(qū)長(zhǎng)度29.176公里，地處xx高原腹地，多年凍土區(qū)，地貌上呈溝梁相間。植被覆蓋率10～30%，地層主要為：粉質(zhì)粘土，礦砂、角礫土、泥巖夾礫巖、層狀分布于局部地層中，土體多為層狀冰構(gòu)造，含粒壯冰夾含土冰層透鏡體，弱凍脹，上限以下為富冰，飽冰凍土，Ⅳ級(jí)軟石融汽，上限以上松散稍密，潮濕Ⅰ級(jí)松土；地表水主要為沖溝中的季節(jié)性流水，主要受大氣降水補(bǔ)給，水質(zhì)較好，地下水主要為暖季分布的凍結(jié)層上水，雨季匯水量大，屬于低溫穩(wěn)定凍土區(qū)(TCP-W)，局部屬于低溫基本不穩(wěn)定區(qū)，凍土上限1.5～6.5m。凍土的凍脹，融沉現(xiàn)象將會(huì)造成路基的沉陷變形，邊坡熱融滑塌，涵洞開(kāi)裂等破壞現(xiàn)象，保持多年凍土的穩(wěn)定是解決凍土問(wèn)題的關(guān)鍵，利用熱棒技術(shù)是防治凍土病害的一種有效措施。2003年9月我局管段補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)熱棒5200根，熱棒設(shè)于橫向路肩1.0m處，熱棒與豎直線成13°角，插入路基長(zhǎng)度9.5m，地面以上外露2.5m。二、熱棒技術(shù)簡(jiǎn)介：工作原理：熱棒是一種利用液汽相的轉(zhuǎn)換對(duì)流循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳輸?shù)南到y(tǒng)，用來(lái)冷卻地基，防止發(fā)生地基凍脹和融沉變形，保證凍土地基的穩(wěn)定，是無(wú)源冷卻系統(tǒng)中熱量傳輸效率最高的裝置。熱棒是兩層密封的管子，管中裝有液體工質(zhì)。管的上部裝有散熱質(zhì)，叫散熱段；管的下部嵌入多年凍土中，叫蒸發(fā)段。在寒冬季節(jié)，由于空氣溫度低于多年凍土溫度，熱管中的液體工質(zhì)吸收多年凍土中的熱量，蒸發(fā)汽體（吸收汽化潛能），蒸汽在壓差的驅(qū)動(dòng)下，沿?zé)峁苤行耐ǖ老蛏狭鲃?dòng)至熱管上部（冷凝段）后，遇到較冷的管壁放出汽化潛熱，冷凝成液體，液體工質(zhì)薄膜在重力的作用下，沿管壁流回蒸發(fā)段再蒸發(fā)，如此循環(huán)把地基多年凍土中的熱量源源不斷地傳到大氣中。在溫暖季節(jié)，空氣溫度高于多年凍土溫度，液體工質(zhì)蒸發(fā)的蒸汽到熱管上部（冷凝段）后，由于管壁溫度較高，蒸汽不能冷凝，達(dá)到汽液相平衡后，液體停止蒸發(fā)，熱管停止工作（熱管的單向傳熱特性），這樣大氣中的熱量就不會(huì)通過(guò)熱管傳到多年凍土中。如此往復(fù)循環(huán)，將地層中的熱量傳輸至大氣中，從而降低了多年凍土的地溫，防止多年凍土發(fā)生融化，改善地基土體的力學(xué)特征。無(wú)機(jī)傳熱技術(shù)：采用多種無(wú)機(jī)元素的混合物作為導(dǎo)熱介質(zhì)，將該介質(zhì)灌注在諸如管狀或板狀的腔體內(nèi)，經(jīng)真空處理且密封形成可具傳熱特性的元件。無(wú)機(jī)傳熱元件的重要特性在于能夠通過(guò)特有的一種方式在傳熱元件內(nèi)腔表面形成三個(gè)基本層，其每層平均厚度在0.008～0.012mm。三個(gè)基本層的主要作用表現(xiàn)在：能夠有效減緩腔體內(nèi)材料的腐蝕與氧化，并可阻止腔體材料自身所產(chǎn)生的氫氧元素，從而有效提高傳熱元件的性能穩(wěn)定性，延緩使用壽命。無(wú)機(jī)傳熱介質(zhì)為液態(tài)混合物，介質(zhì)受熱激發(fā)后會(huì)迅速汽化并沿著內(nèi)腔壁不斷將受熱端熱能向冷端傳送，元件表面所顯示的溫度差可以判定元件具有良好的傳熱性能，元件表面均布的測(cè)點(diǎn)顯示：溫度沿軸向表現(xiàn)出正弦波分布的特性，熱阻幾乎為零。在各種情況下，無(wú)機(jī)傳熱元件內(nèi)的無(wú)機(jī)傳熱介質(zhì)受熱后，產(chǎn)生分子的震蕩、摩擦，激發(fā)產(chǎn)生的熱能快速并呈波狀傳遞。這樣可將由元件的一端迅速傳向另一端，在整個(gè)傳熱過(guò)程中，元件的表面呈現(xiàn)出熱阻趨于零的特性。由于無(wú)機(jī)傳熱元件主要是通過(guò)腔體內(nèi)部的無(wú)機(jī)介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱過(guò)程，傳熱能力遠(yuǎn)高于普通金屬材料。其等效導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)金屬銀的25000倍。無(wú)機(jī)傳熱元件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：?jiǎn)?dòng)迅速、傳熱速度快。熱阻小、均溫性好定量導(dǎo)熱系數(shù)為3.2×106W/m.℃沿傳熱元件軸向溫度差趨于零，這樣可使元件的表面溫度基本保持一致傳熱能力大，軸向熱流密度27.2MW/m2,徑向熱流密度157kW/m2.運(yùn)用溫度范圍廣，工質(zhì)工作溫度范圍在-60—1000℃，元件工作溫度范圍可達(dá)材料使用溫度極限。與材料相容性好操作壓力低工質(zhì)壽命長(zhǎng)適用于高寒地區(qū)運(yùn)用行業(yè)面廣三、熱棒施工：1、施工準(zhǔn)備工程施工前，對(duì)運(yùn)輸?shù)缆贰⑺?、電源、照明做到三通一平，?zhǔn)備好細(xì)砂、吊車等主要機(jī)具材料及勞動(dòng)力。鉆孔后，孔周邊0.5M范圍內(nèi)的泥土和雜物及時(shí)清理干凈并外運(yùn)處理?？赘浇坏糜凶璧K熱棒吊裝的施工材料和雜物。安裝工序中有固定裝置、保溫、儀表監(jiān)控、電極防腐等要求，在安裝地點(diǎn)采取相應(yīng)的措施后，方可進(jìn)行相應(yīng)的工序施工。氣象條件不適合設(shè)備安裝的要求（如陽(yáng)關(guān)太強(qiáng)或雨雪大風(fēng)天氣），需臨時(shí)存放時(shí)，保護(hù)好縶棒，遠(yuǎn)離火源、防止陽(yáng)光直曬，用隔熱熱材料將熱棒封蓋。用其它設(shè)備、結(jié)構(gòu)作為起搬運(yùn)設(shè)備的承力點(diǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行核對(duì)，對(duì)12米長(zhǎng)的熱棒，一般采用吊車或采用井字架配合卷?yè)P(yáng)機(jī)安裝，吊點(diǎn)位于棒的上端。；2、開(kāi)箱檢查和保管設(shè)備開(kāi)箱按下列項(xiàng)目進(jìn)行檢查，并應(yīng)作出記錄：熱棒外觀檢驗(yàn),外表不得有裂紋、凹坑等缺陷，必須清除如毛刺等物，以防傷手。箱號(hào)、箱數(shù)以及包裝情況；設(shè)備的名稱、型號(hào)和規(guī)格；裝箱清單、設(shè)備技術(shù)文件、資料以及專用工具；設(shè)備有無(wú)缺損件，表面有無(wú)損壞和銹蝕等。設(shè)備及其零、部件和專用工具，均應(yīng)妥善保管，如在短期內(nèi)不進(jìn)行安裝工作，則應(yīng)對(duì)熱棒采取保護(hù)措施，遠(yuǎn)離火源、防止陽(yáng)光直曬，用隔熱熱材料將熱棒封蓋。以防止因溫度過(guò)高而損壞熱棒。在采取保護(hù)措施后，方可施工。不得使其變形、損壞、銹蝕、錯(cuò)亂或丟失。鉆孔φ89熱棒產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)：冷凝段散熱器長(zhǎng)度2.3m，冷凝段散熱面積不小于5.8m2，片厚度不小于1.9m2，冷凝器采用高頻電阻焊螺旋翅片，翅片外圓表面平整，無(wú)開(kāi)口。熱棒外表面應(yīng)嚴(yán)格處理，使其具有良好的反射、輻射及防腐蝕性能；熱棒力學(xué)強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度σs>290Mmm2,抗拉強(qiáng)度σb>480Mmm2,傳入率σ5>23%，抗彎截面模量大于30441mm3，采用的熱棒型號(hào)應(yīng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不小于1個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)檢驗(yàn)證明其熱工特性穩(wěn)定，有效傳熱半徑不小于1.5m。3、鉆孔根據(jù)設(shè)計(jì)與熱棒施工工序的要求，待路基整治改建結(jié)束以后，在路基邊坡上稍做平整，利用工程鉆機(jī)（XY-4或長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)），施工斜孔，然后將熱棒置入，采用干鉆法施工，嚴(yán)禁向孔內(nèi)加入泥漿或水。a、熱樁埋置點(diǎn)定位：依據(jù)設(shè)計(jì)要求采用經(jīng)緯儀放樣定位，平整場(chǎng)地，立起鉆架，開(kāi)鉆。b、熱棒埋置角度控制：MD--50全液壓動(dòng)力頭式錨桿鉆機(jī)角度變化范圍大，角度底盤裝有刻度表，可以控制鉆機(jī)進(jìn)度；XY--4液壓鉆機(jī)采用立軸轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整角度，采用導(dǎo)斜量角器定位，準(zhǔn)確省時(shí)；長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)采用制作調(diào)整法，調(diào)正螺桿角度；鉆機(jī)地坐下鋪設(shè)聚氨脂板，防止熱量傳入路基，破壞凍土的穩(wěn)定。c、鉆進(jìn)角度控制：開(kāi)也時(shí)采用導(dǎo)向裝置，用慢速鉆進(jìn)，液壓給進(jìn)加壓，保證鉆孔角度，為了避免鉆進(jìn)時(shí)鉆頭下府，鉆孔都必須預(yù)留一個(gè)傾角13度角。d、鉆頭采用及鉆進(jìn)方法：MD--50全液壓動(dòng)力頭式錨桿鉆機(jī)可采用普通合金鉆頭回轉(zhuǎn)取芯鉆進(jìn)；礦石含量較高的的松散地層可采用跟管鉆進(jìn)，以保證孔壁平滑。XY--1液壓鉆在孔壁較穩(wěn)定的地層中鉆進(jìn)時(shí)可采用一般合金鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，在松散易踏孔地層中鉆進(jìn)可采用內(nèi)管超前的施工方法，即內(nèi)管前端裝鉆頭先回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，外管不回轉(zhuǎn)隨之壓入的一種雙管施工方法。e、鉆機(jī)固定：一般采用較簡(jiǎn)單的地錨固定法；在地層較復(fù)雜，特別難鉆，鉆面震撼較大的情況下，必須采用鋼繩固定，或支架支撐，避免發(fā)生意外。熱棒安裝前，鉆孔位置、鉆孔數(shù)量、鉆孔傾角以設(shè)計(jì)為準(zhǔn)，鉆孔直徑150mm，孔凈深9.5米，偏差不得超過(guò)±20mm，孔直線偏差≯5mm，孔間距3米，偏差不得超過(guò)4mm,分別布置在兩側(cè)路肩，孔口周邊不能有局部跨踏。鉆探砂土就地堆放備用。鉆孔施工完成后，應(yīng)及時(shí)起吊熱棒進(jìn)行安裝。如不能安裝，則應(yīng)采取臨時(shí)措施保護(hù)鉆孔，如用泡沫墊將孔口掩蓋，防止孔內(nèi)落入雜物等。4、工件起吊與回填熱棒安裝前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)熱棒管道的防腐、保溫、防水層的處理等以及相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行檢查。利用鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)按設(shè)計(jì)吊點(diǎn)拴牢并將熱棒吊起，在人工輔助下插入鉆孔，或采用吊車吊裝，吊裝繩宜采用尼龍吊裝索，同時(shí)在繩扣處應(yīng)軟質(zhì)墊片保護(hù)，同時(shí)布置陰極保護(hù)線，并用砂料充填初步固定，回填砂料使其達(dá)到密實(shí)，在充填砂料的同時(shí)向孔內(nèi)灌水，若用流動(dòng)性較好的細(xì)砂土則不必灌水，同時(shí)將熱棒按外傾13℃要求調(diào)整安裝角度，待調(diào)整好插入深度以及角度后，進(jìn)行永久性固定。在考慮吊裝時(shí)，還需要結(jié)合工件的強(qiáng)度、鋼度、局部穩(wěn)定性等選擇最有利的受力位置，必要時(shí)應(yīng)采取：補(bǔ)強(qiáng)加固措施，確保安全施工。搬運(yùn)、吊裝過(guò)程中要防止外力作用使翅片變形。應(yīng)注意不要壓傷和擦傷工件（尤其是上部的翅片部分），應(yīng)避免損壞散熱翅片和外保護(hù)層。在吊裝單支熱棒時(shí)，利用熱棒本身頂部端蓋的環(huán)行槽作為受力點(diǎn)進(jìn)行吊時(shí)（設(shè)計(jì)吊點(diǎn)），考慮熱棒的長(zhǎng)度為12米，應(yīng)采取必要的防護(hù)措施，防止因設(shè)備的搖擺而發(fā)生危險(xiǎn)。單件吊裝重量不超過(guò)500Kg，但要求吊車吊臂起吊高度不低于14米。熱棒吊裝置入孔后，用篩過(guò)的細(xì)砂土回填熱棒與孔之間的間隙，可以根據(jù)天氣的情況分多次回填，全每次都要求回填密實(shí)，允許采取其它措施幫助回填土密實(shí)，如：拘搗實(shí)或加≯５０攝氏度的熱水，注意不要損壞防腐層。用細(xì)砂土回填熱棒與孔之間的間隙，要求回填密實(shí)，注意回填時(shí)不要損壞銅芯電纜焊點(diǎn)和防腐層。5、清理場(chǎng)地與驗(yàn)收熱棒安裝完成后，對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行清理，將施工垃圾清理遠(yuǎn)運(yùn)或埋藏于地表以下，并恢復(fù)路基邊坡原狀。最后對(duì)熱棒施工進(jìn)行全面驗(yàn)收。檢驗(yàn)熱棒安裝應(yīng)整齊劃一，安裝后所有熱棒的高度差不大于２０mm，路基同側(cè)的熱棒應(yīng)在同一平面內(nèi)，平整度不大于２０mm。測(cè)量放樣、備料等施工準(zhǔn)備測(cè)量放樣、備料等施工準(zhǔn)備鉆孔吊裝就位砂土回填施工場(chǎng)地清理及全面驗(yàn)收檢查、保管熱棒熱棒安裝工序圖四、幾點(diǎn)體會(huì)：1.熱棒是一種無(wú)源冷卻系統(tǒng)，不需動(dòng)力的節(jié)能裝置，在寒季施工，可防