浅谈青藏铁路多年冻土区热管施工技术陈德志

浅谈青藏铁路多年冻土区热管施工技术陈德志

陈德志

中铁二十一局集团第四工程有限公司甘肃省730000

摘要：既有青藏铁路32公里长的路基采用了热管技术措施，取得了基底地温降低、冻土上限上升的良好效果，确保了多年冻土地段路基的稳定。

关键词：青藏铁路；多年冻土区；热管；技术措施

1.工程概况

青藏铁路格尔木至拉萨段扩能改造工程清水桥车站，属楚玛尔河高平原区，含冰量冻土，局部为含土冰层，为保护多年冻土需采取有效的保护多年冻土技术措施。k1016+270~k1017+416段路基两侧护道中心、护道坡脚各设一排热管加强冻土保护，热管沿线路纵向间距2.8m。

2.工程地质

冻土是指温度≤0℃并含有冰的各类土壤。冻结状态持续多年（3年以上）不融化的冻土，称多年冻土。冻土由固体矿颗粒、粘塑性冰包裹体、液相水（未冻水和强结合水）和气态包裹体（水汽和空气）组成。冻土的稳定性不仅取决于冻土本身的性质，也取决于外部的温度和环境。

3.热管工作原理

青藏铁路冻土路基工程中广泛应用的低温热管，其中本工程中采用Φ89mm热管。

热管工作原理是利用管内介质的气液两相转换，依靠冷凝器和蒸发器之间的温差，通过对流循环来实现热量传导的系统。当大气温度低于冻土低温时，热管自动开始工作，当大气温度高于冻土地温，热管自动停止工作，不会将大气中的热量带入地基，收到了基底低温降低、冻土上限上升的良好效果。

Φ89mm热管是密闭真空腔体注入液氨构成，以液氨做工作介质的重力热管。管的下端为蒸发段（吸热段），上端为冷凝段（放热段），根据实际工程要求，在两段中间布置绝热段，制造时管内抽真空并充入适量的液氨后密封，使用时热量从热源通过吸热段管壁传给液氨，液氨在蒸发段内蒸发，蒸汽从蒸发段流到冷凝段，并在冷凝段内凝结，热量通过放热段管壁传给冷源，冷凝段凝结的液氨靠重力返回吸热段。通过以上循环，热源热量源源不断地流向冷源。由于管内液氨需靠重力循环，所以该元件使用时只能是热源在下端、冷源在上端。即传热具有单向性，不可逆向传热。

在寒季，由于空气温度低于多年冻土的温度，蒸发器中液体工作介质吸收多年冻土中的热量而蒸发，蒸汽在管内压差的驱动下沿热管中心通道向上流动至冷凝器，与相对温度较低的冷凝器管壁接触后放出汽化潜热冷凝成液体，液体工作介质在重力作用下沿管壁流回蒸发器再蒸发，如此循环即将多年冻土中的热量源源不断地传到大气中。在暖季，由于空气温度高于多年冻土温度，热管中的液体工作介质蒸发后形成的蒸汽到达冷凝器后不能冷凝，液体停止蒸发，热管停止工作，因此大气中的热量不能通过热管传至冻土中，从而保持冻土良好的冻结状态。

4.热管施工工艺

4.1热管布置

Φ89mm热管施工技术要求沿线路纵向间距2.8m，路基两侧护道中心、护道坡脚各设一排。

4.2施工工艺流程

图3.热管施工工艺流程

4.3施工程序

施工程序为：平整场地→测量放线→钻机就位→钻孔→清孔→热管安装→热管固定→解除固定。

4.4操作要点

4.4.1施工准备及平整场地

施工前，应选择热管堆放场地，场地尽量靠近施工现场，以减少热管的搬运距离。

备好钻孔回填材料，并加以覆盖，防止受到污染。

施工前，应根据热管直径选择合适直径的钻头，钻头宜比热管直径大5—8cm。

4.4.2测量放样

曲线段用全站仪放出每个孔的中心位置，直线段每50m用全站仪放出两端控制位置，然后用钢尺按设计距离依次放出每个孔中心位置，并用木桩对孔位加以标识并固定。中心位置偏差控制在±2cm以内。

4.4.3钻机就位

钻机就位前，对钻孔前的各项准备工作进行检查，包括主要机具设备的检查和维修。移动式空压机可就近放置，但放置位置以不影响热管施工为宜。

钻机就位时履带底部基础应垫平夯实，以保持钻机稳定。不得产生位移和沉陷。

4.4.4钻孔

钻孔宜根据地质情况尽量采用快速施工法，以减少对多年冻土的扰动。

钻机钻孔采用潜孔钻机干钻法施工。

钻孔深度应比设计深度大10—20cm，如冻土中含有细砂夹层，可根据砂层厚度适当加深。

4.4.5清孔

钻孔完成后，应尽快对钻孔进行孔径、孔深和垂直度（倾斜度）检查，并将钻孔中钻渣（或泥浆）清除干净。

清孔采用加大空压机空气压力，同时上下提动钻头，利用压缩空气将孔内的钻渣（或泥浆）吹出孔外。

对孔径和孔深不符合要求的孔应采用扫孔和补钻的方法进行处理。

如果钻孔的垂直度（倾斜度）不符合要求，则应将原孔回填并用木棍或竹竿捣实后，重新钻孔。

4.4.6热管安装

钻孔经检验合格后，即可安装热管。

热管由人工搬运至孔位，采用简易扒杆或小吨位吊车将热管吊起，人工配合缓慢插人孔中。经垂直度（倾斜度）检查合格后，用三脚架进行临时固定。

热管安装时，应根据地形的起伏，适当调整热管顶部的标高，使整体线形平顺、美观。

4.4.7热管固定

热管安装后，应及时对其进行永久性固定。

热管的固定一般采用水中沉沙法或砂浆回填法。

4.4.8水中沉沙法

即先用冷水灌满钻孔，然后将提前备好的中粗砂（细度模数2.1-3.7）徐徐灌入热管与孔壁之间的空隙中，直至砂灌到孔口为止。灌砂过程中，应尽量放慢灌砂速度，防止因灌砂过快，导致孔内局部堵塞，造成回填不密实，影响热管稳定性。

4.4.9砂浆回填法

即用砂浆对热管和孔壁之间的空隙进行回填。回填时，每50cm左右，用钢筋捣固密实。

4.4.10解除固定

当回填料充分冻结或达到设计规定的强度后，即可将固定热管的临时支撑解除。水中沉沙法的填砂回冻时间一般为5～7天，砂浆则一般为3天。

5.施工注意事项

热管的长度、直径、规格、工作性能、散热器长度、表面防腐、反射涂层等的性能指标必须符合设计要求。

热管施工宜选在寒季或寒暖过渡时期。气温过高不但会破坏冻土的原状特性，而且会使热管施工过程复杂化，造成塌孔和堵孔的现象发生。

热管运输时，应对其进行妥善的保护。运输车厢上应放置基座方木，每捆热管之间均应安置防震方木，并固定牢靠。运输车辆行驶速度应缓慢、平稳，避免热管因碰撞导致翅片破坏、防腐反射涂层损伤或热管棒体破裂，导致工质流出而报废。

搬运、起吊、安装时，应轻拿轻放，不得损坏翅片及防腐反射涂层。施工现场热管的堆放场地应紧靠施工现场，尽量减少热管的搬运距离。热管存放时，应注意相邻热管翅片间保持一定间隔，防止出现因翅片咬齿、挤压造成翅片倒伏。热管上严禁堆放重物，避免热管发生弯曲。不得在热管上施焊、动火，防止因热管内的工质受热膨胀而发生爆炸。

热管安装到位后应及时按设计要求对热管周缘进行回填。回填时，不得随意填充。回填灌砂（砂浆）应密实，砂的粒径、级配应符合设计要求。实际灌砂（砂浆）体积不得小于理论体积。回填材料中不得含有泥土、油污、石块、木屑等杂物。

热管周缘的回填物在回冻或达到设计强度前，不得拆除临时固定支撑。

热管施工完毕后，路基施工作业会受到一定限制。施工机械作业时，应有专人指挥，防止损坏热管。

6.结论

青藏铁路开通运营及线路维护10年的热管技术经验告诉我们，采用热管技术对多年冻土路基的地基稳定有较好的效果，青藏铁路格尔木至拉萨段扩能改造工程清水桥车站路基热管施工技术是在吸取青藏铁路工程经验的基础上，从设计和施工两个方面对热管在多年冻土区应用的进一步提升，使热管技术在多年冻土区铁路工程建设上日趋成熟。

参考文献：

[1]李训华，李训良，邹积宁.冻土的形成、危害及防治措施.黑龙江交通科技

[2]郭宏新，原思成，张鲁新.青藏铁路低温热管应用的能量基础条件.东南大学学报

[3]杨永平，魏庆朝，周顺华.张鲁新.热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究.岩土工程学报