Приветствую Вас, дорогие и уважаемые читатели сайта “world-engineer.ru”. Это статья включает в себя текст документа ЦПИ-22 Переходы железных дорог трубопроводами разработанная Министерством путей сообщения Российской Федерации (МПС России) принятая 17.03.1995 г. №ЦПИ-22. Весь текст взят полностью из неё.
1. Общие положения
1.1. Требованиями настоящего отраслевого нормативного документа следует руководствоваться при проектировании переходов железных дорог трубопроводами различного назначения — тепловые сети, нефтепродуктопроводы, нефтепроводы, газопроводы, канализационные трубопроводы, водопроводы наружных сетей водоснабжения и др., а также при проектировании и осуществлении мероприятий по устранению деформаций железнодорожного земляного полотна, возникающих в местах существующих пересечений с этими инженерными коммуникациями.
1.2. Переходы железнодорожных линий трубопроводами необходимо предусматривать путем надземной прокладки (на опорах или эстакадах) или подземной — под земляным полотном. При этом должна быть учтена перспектива укладки дополнительных (вторых, третьих и четвертых) главных путей или развития станций.
1.3. К переходам газопроводов, нефтепроводов, нефтепродуктопроводов и т.п. следует предъявлять требования как к участкам повышенной категории.
1.4. При уширении земляного полотна под укладку дополнительных главных путей или развитии станций рабочий трубопровод в месте пересечения должен быть реконструирован или переустроен (на новой оси) с учетом соответствующего увеличения длины участка повышенной категории и, при необходимости, подвергнут гидроиспытанию. Защитная труба должна быть, соответственно, удлинена.
1.5. В районах распространения вечномерзлых грунтов переходы трубопроводами через железные дороги на перегонах и станциях следует осуществлять, как правило, надземной прокладкой по эстакадам. Подземную прокладку в указанных районах можно предусматривать в непросадочных при оттаивании грунтах основания. На участках с залеганием просадочных при оттаивании грунтов на глубине менее 25 м подземная прокладка разрешается при проектировании специальных мероприятий по предупреждению оттаивания и осадки на основе теплотехнических расчетов.
1.6. При проектировании подземного перехода железной дороги трубопроводами на участках с залеганием в земляном полотне грунтов, подверженных морозному пучению, необходимо выполнять теплотехнические расчеты для предупреждения недопустимых нарушений режима температуры и морозного пучения этих грунтов. Неравномерное пучение железнодорожного пути в продольном профиле обусловлено разницей в глубинах промерзания-оттаивания грунта над трубопроводом и вне зоны его теплового влияния. К подверженным морозному пучению грунтам железнодорожного земляного полотна следует относить следующие их виды: глинистые (глины, суглинки, супеси); крупнообломочные с глинистым заполнителем при содержании частиц размером менее 0,1 мм в количестве более 20% по массе; легковыветривающиеся породы (аргиллиты, алевроиты, мергели, сланцы) в зоне активного выветривания; пылеватые пески при насыщении их водой; торфы и заторфованные грунты.
При подземном переходе железных дорог рабочий трубопровод должен быть заключен в защитную трубу (канал, тоннель). Укладка трубопровода непосредственно в грунт недопустима. Теплотехническим расчетом необходимо определить параметры заложения трубопровода (глубину заложения от подошвы рельсов до верха защитной трубы и температуру воздуха в защитной трубе), при которых сезонные деформации пути от морозного пучения будут равномерными, не превышающими установленных норм содержания для данного класса пути.
При устройстве подземных переходов или ликвидации пучин на существующих пересечениях тепловое влияние трубопроводов на морозное пучение грунтов железнодорожного земляного полотна может быть устранено следующими способами:
— заглубление трубопроводов на расчетную величину;
— уменьшение потерь тепла тепловой изоляцией рабочих трубопроводов;
— отвод избыточного тепла из защитной трубы с помощью естественной приточно-вытяжной вентиляции;
— вырезка и замена пучинистого грунта на дренирующий по расчету во всей зоне сезонного промерзания-оттаивания с продольными сопряжениями; тепловая изоляция из пенопласта с продольными сопряжениями.
Каждый из этих способов может быть применен как самостоятельное мероприятие или в комплексе с другими способами.
1.7. При подземном переходе эксплуатируемых железнодорожных линий трубопроводами открытый способ проходки, как правило, не допускается.
1.8. При постройке железных дорог над существующими трубопроводами рабочий трубопровод в месте пересечения следует заключать в защитную трубу. Замена защитной трубы или рабочего трубопровода должна выполняться в соответствии с требованиями настоящих норм.
1.9. Трубопроводы следует располагать под земляным полотном железной дороги вне горловины станции на расстоянии от стрелочных переводов и других пересечений пути не менее 20 м. Минимальное расстояние от трубопроводов до искусственных сооружений (мостов, водопропускных труб и т.д.) необходимо предусматривать в соответствии со степенью их опасности для нормальной эксплуатации железной дороги, но не менее 30 м, до мест присоединения отсасывающих кабелей к рельсам электрифицированных железных дорог — 10 м, до опор контактной сети — 3 м.
1.10. Конструкция перехода через железную дорогу должна обеспечивать возможность периодических осмотров, текущего ремонта, отключения и опорожнения трубопроводов. На переходах газопроводов, нефтепродуктопроводов и т.п. необходимо дополнительно предусматривать устройства по оповещению и блокировке движения поездов в случае возникновения опасности.
1.11. При подземной прокладке на перегонах и станциях трубопровод должен быть заключен в защитную трубу (канал, тоннель). На пересечениях с трубопроводами, транспортирующими взрыво- или огнеопасные продукты (газ, нефть и др.), конец защитной трубы следует располагать не менее чем в 50 м от подошвы откоса насыпи или бровки откоса выемки, а при наличии водоотводных сооружений — от крайнего водоотводного сооружения, а на пересечениях с водопроводами, линиями канализации, тепловыми сетями и т.п. — не менее чем на 10 м с каждой стороны.
Расстояние по вертикали от верха защитной трубы (канала, тоннеля) до подошвы рельса железных дорог следует принимать не менее 2 м, а при устройстве перехода методом прокола или горизонтального бурения — 3 м. Верх защитной трубы должен располагаться, кроме того, на 1,5 м ниже дна водоотводных сооружений или подошвы насыпи. Устройство переходов в теле насыпи запрещается.
Заглубление трубопроводов, пересекающих земляное полотно, сложенное пучинистыми грунтами, следует определять расчетом, исходя из условий, при которых исключается влияние тепловыделений или стока тепла на равномерность морозного пучения грунта. При невозможности обеспечить заданный температурный режим за счет заглубления трубопроводов, должна предусматриваться вентиляция защитной трубы (канала, тоннеля), замена или тепловая изоляция пучинистого грунта на участке пересечения, надземная прокладка трубопроводов на эстакаде или в самонесущем футляре.
1.12. При подземном пересечении железных дорог на участках насыпей высотой более 6 м, а также на косогорных участках (с уклоном круче 1:5) проект пересечения должен предусматривать дополнительные мероприятия по обеспечению устойчивости земляного полотна. В глубоких выемках подземное или надземное пересечение железных дорог трубопроводами выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов.
1.13. Передача нагрузки на рабочий трубопровод от веса вышележащего грунта и подвижного состава не допускается, защитная труба и ее соединения должны быть водонепроницаемы и рассчитаны на восприятие веса вышележащего грунта и подвижной нагрузки от 4-х осного грузового вагона 30 тс/ось. Размеры поперечного сечения защитной трубы следует принимать с учетом устройства тепловой изоляции рабочих трубопроводов. При отводе избыточного тепла из тоннеля — защитной трубы живое сечение его должно обеспечивать потребный расход воздуха при естественной приточно-вытяжной вентиляции.
1.14. Длина защитной трубы зависит от количества путей на участке перехода рабочих отметок земляного полотна, конструкции водоотводных сооружений и расположения колодцев.
1.15. Расстояние от подошвы рельса до верха защитной трубы при расположении в земляном полотне пучинистых грунтов определяют теплотехническим расчетом, методика которого приведена в настоящем документе.
1.16. При невозможности понижения температуры воздуха в защитной трубе до требуемой величины устраивают естественную приточно-вытяжную вентиляцию. Защитная труба является вентиляционным тоннелем и концы ее примыкают к камерам, расположенным по обе стороны земляного полотна. Над камерами сооружают приточную и вытяжную шахты. Приточная и вытяжная шахты систем вентиляции должны сообщаться только с наружным воздухом и вентилируемым тоннелем. Вентилируемый тоннель наглухо отделяют от каналов подходной магистральной части трубопровода вентиляционными перегородками.
1.17. Расстояние от места понижения давления газа до подземного перехода газопроводом железной дороги следует назначать из расчета недопущения отрицательной температуры газа в месте перехода в годовом цикле.
2. Исходные данные для проектирования переходов железных дорог трубопроводами
2.1. Проектирование пересечений земляного полотна трубопроводами и теплотехнический расчет производят на основании данных:
— топографического плана участка перехода, поперечного профиля земляного полотна, а также схемы путей и размещения различных железнодорожных устройств вблизи места перехода;
— инженерно-геологических разрезов по оси трубопровода и железной дороги;
— состава, свойств и напластований грунтов земляного полотна и его основания;
— данных о глубине грунтовых вод и их режиме;
— лабораторного исследования грунтов;
— многолетних среднемесячных данных о температуре воздуха в зимний период;
— данных о величине равномерного морозного пучения грунтов земляного полотна в месте перехода.
2.2. На стадии технико-экономического обоснования вариантов перехода допускается принимать ориентировочные величины пучения грунтов земляного полотна равные 20-40 мм для европейской части Российской Федерации и 60-80 мм для дорог Урала, Сибири и Дальнего Востока. При инженерно-геологическом обследовании величину равномерного пучения пути определяют по результатам двух нивелирований пути. Первое нивелирование выполняют осенью с наступлением отрицательной температуры воздуха, а второе — в период максимального промерзания грунта. Как исключение, может быть допущено проведение первого нивелирования в период максимального промерзания грунта, а второго — после полного оттаивания грунта до начала летних путевых работ. Путь нивелируют по головкам рельсов в закрепленных через 5 м точках с привязкой их к невыпучивающемуся реперу по программе Приложения 1 Технических указаний по устранению пучин и просадок железнодорожного пути ЦП-4369, утвержденных МПС 07.03.86г., М., 1987. Протяженность участка нивелирования принимают равной 150 м (по 75 м от оси проектируемого перехода в каждую сторону). В качестве наблюденной величины равномерного пучения принимают максимальное ее значение на участке нивелирования. Расчетную величину этого параметра определяют в соответствии с требованиями Технических указаний ЦП4369.
2.3. Глубину промерзания грунтов земляного полотна определяют расчетом по номограммам в соответствии с методикой, изложенной в Технических указаниях ЦП/4369.
2.4. Уровень грунтовых вод (УГВ) устанавливают в скважинах глубиной не менее 4,5 м, которые закладывают на обочине земляного полотна и за его пределами (за бровкой выемки, в основании насыпи). УГВ измеряют до его полного установления. При необходимости скважины на этот период оборудуют фильтром. 2.5. Пробы грунта для лабораторного анализа его физических свойств (естественная влажность грунта, влажность на пределах пластичности, гранулометрический состав, плотность и др.) отбирают по программе Технических указаний ЦП-4369. По данным анализов грунты классифицируют в соответствии с ГОСТ 25100-82 «Грунты. Классификация».
2.6. После устройства подземного перехода железной дороги трубопроводом в конце зимнего периода проверяют соответствие температуры воздуха в защитной трубе ее расчетному значению. Если измеренная величина превышает расчетную больше, чем на 5%, то принимают дополнительные меры для снижения температуры воздуха в защитной трубе.
Температуру воздуха в защитной трубе (температуру ее поверхности) определяют в конце зимы вытяжными термометрами, размещаемыми внутри трубы. Температура поверхности трубопровода может быть измерена также термометрами, которые устанавливают в скважине, закладывают в сечении по оси трубопровода.
2.7. Организация инженерно-геологических работ на пути, обеспечение безопасности движения поездов, безопасности людей, ограждение сигналами мест производства инженерно-геологических выработок и т.п. определяются совместно ответственными представителями проектной организации и дистанции пути в зависимости от местных условий и объемов работ.
2.8. Проект перехода трубопровода под железной дорогой должен быть согласован главным инженером железной дороги. На согласование представляют следующие материалы:
— общий вид перехода в плане с указанием точного места перехода (км, пикет, плюс);
— продольные и поперечные профили по осям трубопровода и земляного полотна с соответствующими инженерно-геологическими разрезами и конструкцией перехода;
— теплотехнический расчет трубопровода, пересекающего земляное полотно;
— схемы и графики производства работ с указанием мероприятий по обеспечению безопасности движения поездов во время производства работ.
Согласованные проекты перехода трубопроводов через железную дорогу следует учитывать в специальных журналах с указанием места пересечения (перегон, км, пикет, плюс) и основных характеристик перехода.
Работы в полосе отвода могут производиться только после согласования проекта под обязательным техническим надзором дистанции пути, а при необходимости — дистанции сигнализации и связи и других линейных подразделений железной дороги.
3. Методика теплотехнического расчета трубопроводов при подземном переходе железных дорог
3.1. Характеристики расчетных климатических районов
3.1.1. Допустимая глубина заложения трубопровода h и температура воздуха в защитной трубе (кожухе) t(k), при которой сезонные деформации пути (морозное пучение грунтов и осадка при оттаивании) не будут превышать установленных норм текущего содержания, определяются в зависимости от климатических условий.
Рис.1. Расчетная схема рабочего трубопровода в защитной трубе при пересечении земляного полотна
Расчетным климатическим параметром является многолетняя средняя сумма градусо-суток отрицательных температур наружного воздуха Омега, 0С сутки. Общая сеть железных дорог Российской Федерации подразделяется на следующие расчетные климатические районы:
N района | I | II | III | IV |
Омега, 0С сутки | ≤1000 | 1000-1600 | 1600-2200 | 2200-3400 |
Значения Омега определяют по данным ближайшей метеостанции. В качестве расчетного принимают период максимального промерзания грунта (март-апрель).
3.1.2. Температуру грунтов земляного полотна t(гр) на различной глубине от верха балластной призмы в расчетных климатических районах устанавливают по данным табл. 1.
Таблица 1
Глубина, м | Температура грунта t(гр), 0С, для климатических районов | |||
I | II | III | IV | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
2 | 2,1 | 0,6 | 0,2 | -1,8 |
3 | 4,0 | 1,9 | 1,2 | -0,1 |
4 | 5,5 | 3,3 | 2,2 | 0,1 |
5 | 6,8 | 4,1 | 2,9 | 0,3 |
6 | 7,6 | 4,7 | 3,4 | 0,5 |
7 | 8,2 | 5,2 | 8,9 | 0,7 |
8 | 8,4 | 5,4 | 4,2 | 0,9 |
9 | 8,5 | 5,6 | 4,3 | 1,1 |
3.1.3. Расчетную температуру наружного воздуха в период максимального промерзания грунта t(пр) принимают по табл.2.
Таблица 2
Расчетный климатический район | I | II | III | IV |
Расчетная температура наружного воздуха t(пр), 0С | -1 | -7 | -10 | -12 |
3.2. Глубина заложения и температура воздуха защитной трубы
3.2.1. Глубину заложения трубопроводов от подошвы рельсов до верха защитной трубы определяют в зависимости от класса пути, расчетной величины пучения Р(р) и уровня залегания грунтовых вод (УГВ). Для путей 1-3 классов допустимые значения h и t(к) устанавливают по табл. 3-6, 4-5 классов — по табл. 7-10. Верхнее значение величины в таблицах дано для условий глубокого расположения грунтовых вод (УГВ находится на глубине в полтора раза больше глубины промерзания Z(пр)), нижнее значение соответствует УГВ < 1,5*Z(пр).
Таблица 3
Температура воздуха в защитной трубе t(к), 0С | Глубина заложения трубопровода h, м для I климатического района под путями 1-3 классов при величине пучения Р(р), мм | |
до 20 | более 20 | |
4 | 2,7 | 2,9 |
6 | 3,7 | 3,9 |
| 8 | 4,6 | 4,8 |
10 | 5,5 | 5,7 |
12 | 6,3 | 6,6 |
| 14 | 7,1 | 7,4 |
16 | 7,9 | 8,2 |
Таблица 4
Температура воздуха в защитной трубе t(к), 0С | Глубина заложения трубопровода h, м для II климатического района под путями 1-3 классов при величине пучения Р(р), мм | |||
до 20 | 20-40 | 40-60 | более 60 | |
4 | 2,4 | 2,5 | 2,7 | 2,9 |
2,9 | 3,1 | 3,2 | 3,2 | |
6 | 2,9 | 3,2 | 3,5 | 3,7 |
| 3,6 | 3,9 | 4,1 | 4,4 | |
8 | 3,3 | 3,6 | 4,1 | 4,5 |
4,3 | 4,8 | 5,2 | 5,5 | |
10 | 3,9 | 4,3 | 4,8 | 5,1 |
| 4,9 | 5,5 | 6,0 | 6,3 | |
12 | 4,5 | 4,9 | 5,4 | 5,8 |
| 5,5 | 6,3 | 6,8 | 7,3 | |
14 | 4,9 | 5,3 | 6,0 | 6,4 |
| 6,1 | 7,0 | 7,4 | 8,0 | |
16 | 5,3 | 5,8 | 6,5 | 7,0 |
| 6,4 | 7,5 | 7,8 | 8,4 | |
Таблица 5
Температура воздуха в защитной трубе t(к), 0С | Глубина заложения трубопровода h, м для III климатического района под путями 1-3 классов при величине пучения Р(р), мм | |||
до 40 | 40-60 | 60-80 | более 80 | |
4 | 2,2 | 2,5 | 2,6 | 2,8 |
| 3,1 | 3,8 | 4,3 | 4,8 | |
6 | 2,7 | 3,1 | 3,4 | 3,6 |
| 3,8 | 4,7 | 5,2 | 6,0 | |
8 | 3,1 | 3,6 | 4,0 | 4,3 |
| 4,3 | 5,4 | 6,1 | 7,1 | |
10 | 3,5 | 4,1 | 4,5 | 4,9 |
| 4,8 | 6,0 | 7,0 | 8,2 | |
12 | 3,8 | 4,5 | 4,9 | 5,5 |
| 5,2 | 6,7 | 7,8 | — | |
14 | 4,0 | 4,8 | 5,4 | 5,9 |
| 5,5 | 7,2 | 8,5 | — | |
16 | 4,3 | 5,2 | 5,8 | 6,3 |
| 5,7 | 7,7 | — | — | |
Таблица 6
Температура воздуха в защитной трубе t(к), 0С | Глубина заложения трубопровода h, м для IV климатического района под путями 1-3 классов при величине пучения Р(р), мм | |||
до 40 | 40-60 | 60-80 | более 80 | |
4 | 2,0 | 2,2 | 2,4 | 2,5 |
| 2,9 | 3,5 | 3,9 | 4,5 | |
6 | 2,3 | 2,7 | 3,1 | 3,4 |
| 3,5 | 4,2 | 4,9 | 5,5 | |
8 | 2,7 | 3,2 | 3,7 | 4,0 |
| 4,0 | 4,9 | 5,6 | 6,4 | |
10 | 2,8 | 3,7 | 4,2 | 4,5 |
| 4,5 | 5,5 | 6,4 | 7,2 | |
12 | 3,0 | 4,0 | 4,7 | 5,0 |
| 4,9 | 6,0 | 7,1 | 8,1 | |
14 | 3,2 | 4,4 | 5,0 | 5,5 |
| 5,1 | 6,4 | 7,4 | 8,7 | |
16 | 3,4 | 4,7 | 5,3 | 6,0 |
| 5,3 | 6,8 | 7,7 | — | |
Таблица 7
Температура воздуха в защитной трубе t(к), 0С | Глубина заложения трубопровода h, м для I климатического района под путями 4-5 классов при величине пучения Р(р), мм | |
до 20 | более 20 | |
4 | 2,6 | 2,7 |
6 | 3,5 | 3,7 |
8 | 4,4 | 4,6 |
10 | 5,3 | 5,4 |
12 | 5,9 | 6,2 |
14 | 6,6 | 7,0 |
16 | 7,4 | 7,7 |
18 | 8,1 | 8,4 |
Таблица 8
Температура воздуха в защитной трубе t(к), 0С | Глубина заложения трубопровода h, м для II климатического района под путями 4-5 классов при величине пучения Р(р), мм | |
до 40 | более 40 | |
4 | 2,2 | 2,5 |
| 2,8 | 2,5 | |
6 | 2,6 | 3,3 |
| 3,4 | 3,8 | |
8 | 3,0 | 3,8 |
| 3,9 | 4,6 | |
10 | 3,4 | 4,4 |
| 4,4 | 5,4 | |
12 | 3,8 | 5,0 |
| 4,8 | 6,2 | |
14 | 4,1 | 5,5 |
| 5,3 | 7,0 | |
16 | 4,5 | 5,9 |
| 5,6 | 7,6 | |
18 | 4,8 | 6,2 |
| 5,8 | 7,9 | |
Таблица 9
Температура воздуха в защитной трубе t(к), 0С | Глубина заложения трубопровода h, м для III климатического района под путями 4-5 классов при величине пучения Р(р), мм | |
до 60 | более 60 | |
4 | 2,2 | 2,6 |
| 3,1 | 4,0 | |
6 | 2,6 | 3,0 |
| 3,5 | 4,4 | |
8 | 2,8 | 3,3 |
| 3,7 | 4,8 | |
10 | 3,0 | 3,6 |
| 3,7 | 5,2 | |
12 | 3,2 | 3,8 |
| 3,9 | 5,4 | |
14 | 3,4 | 4,1 |
| 4,0 | 5,7 | |
16 | 3,6 | 4,4 |
| 4,1 | 6,0 | |
18 | 3,8 | 4,6 |
| 4,2 | 6,2 | |
Таблица 10
Температура воздуха в защитной трубе t(к), 0С | Глубина заложения трубопровода h, м для IV климатического района под путями 4-5 классов при величине пучения Р(р), мм | |
до 60 | более 60 | |
4 | 2,0 | 2,5 |
| 3,0 | 3,8 | |
6 | 2,3 | 2,8 |
| 3,1 | 3,9 | |
8 | 2,5 | 3,0 |
| 3,4 | 4,0 | |
10 | 2,7 | 3,2 |
| 3,3 | 4,3 | |
12 | 2,8 | 3,4 |
| 3,5 | 4,4 | |
14 | 3,0 | 3,7 |
| 3,6 | 4,5 | |
16 | 3,2 | 4,0 |
| 3,7 | 4,6 | |
18 | 3,4 | 4,2 |
| 3,8 | 4,7 | |
Расчетную величину пучения Р(р), глубину залегания грунтовых вод (УГВ) и глубину промерзания грунтов земляного полотна Z(пр) определяют по материалам инженерно-геологического обследования участка перехода в соответствии с требованиями пп.2.2-2.4 настоящего документа.
3.2.2. Пример. Необходимо определить глубину заложения трубопровода в III климатическом районе, Омега = 2000 0С сутки, под путями 1 класса при расчетной температуре воздуха в защитной трубе t(к) = 10 0С. Инженерно-геологическим обследованием установлено глубокое залегание грунтовых вод и расчетная величина пучения в пределах 40-60 мм. По данным табл.5 находим расчетную глубину заложения трубопровода до верха защитной трубы h = 4,1 м.
4. Баланс тепла в защитной трубе
4.1. Тепло, поступающее от одного или нескольких рабочих трубопроводов в защитную трубу (см. рис.1), отводится через массив грунта в окружающую среду. Из уравнения баланса тепла:
при заданной температуре транспортируемой жидкости или газа t(Ti), 0C и соответствующей изоляции рабочих трубопроводов с термическим сопротивлением R(изi), м*ч 0C определяют температуру воздуха t(к) в защитной трубе. В уравнении (1):
D — диаметр кожуха, м;
t(гр) — температура грунта на уровне защитной трубы, 0C, принимаемая по данным табл.1;
К — коэффициент теплопередачи, ккал/м2*ч 0C.
Расчет выполняется для участка трубопровода длиной 1 м.
4.2. Суммарное термическое сопротивление слоев изоляции и поверхности рабочего трубопровода:
где: λ(из1), λ(из2),… λ(изn) – коэффициент теплопроводности слоев изоляции, ккал/м*ч 0C;
d2, d3, … d(n+1) – наружные диаметры слоев изоляции, м;
d1, d2, … dn – внутренние диаметры слоев изоляции, м;
а – коэффициент теплоотдачи на поверхности ккал/м2*ч 0C.
4.3. Коэффициент теплопередачи К находят из выражения:
Bi = (K*D) / λ(гр) (3)
где: Bi — безразмерный критерий Био;
λ(гр) — коэффициент теплопроводности грунта, ккал/м*ч 0C.
Критерий B(i) устанавливают по графической зависимости Bi = f(h/D), приведенной на рис.2.
Рис. 2. График зависимости критерия Bi от параметра h/D
4.4. Глубину заложения трубопровода h определяют путем последовательного приближения. При выбранной ориентировочно величине h по формуле (1) рассчитывают температуру воздуха в кожухе t(к). По этому значению t(к) определяют по табл. 3-10 уточненную глубину заложения трубопровода. При расхождении рассчитанного и допустимого значения температур по табл. 3-10 более 5% расчет повторяют.
4.5. Пример теплотехнического расчета трубопровода при подземном переходе железной дороги. Проектируется переход железной дороги теплопроводом под путями 2 класса во II климатическом районе. Многолетняя средняя сумма градусо-суток отрицательных температур воздуха Омега = 1500 0С сутки. Рабочий трубопровод диаметром d(1) = 200 мм располагается в защитной трубе диаметром 1200 мм. Поданным инженерно-геологического обследования земляное полотно сложено суглнками. Грунтовые воды располагаются глубоко. Расчетная величина пучения составляет Р(р) = 50 мм.
Температура теплоносителя в рабочем трубопроводе t(т) = 95 0С. Он изолирован минеральной ватой слоем 160 мм и асбоцементным покрывающим слоем 20 мм, который армирован металлической сеткой.
Определим суммарное термическое сопротивление изоляции и поверхности рабочего трубопровода по формуле (2), приняв расчетную теплопроводность изоляции по Приложению 14 СНиП 2.04.07-86 «Тепловые сети»:
Принимаем первоначально глубину заложения трубопровода h = 5 м. Температура грунта на уровне оси защитной трубы (h + D/2) равна 4,4 0С (см. табл.1).
Из формулы (3) найдем коэффициент теплопередачи К при h/D = 4,17 и критерии Био B(i) = 0,55, определенном по графику рис.2
К = (0,55*2,0) / 1,2 = 0,92 ккал/м2*ч 0С
Из уравнения баланса тепла (1) температура воздуха в защитной трубе:
При глубине заложения трубопровода h = 5 м в соответствии с табл.4 для Р(р) = 50 мм температура воздуха в защитной трубе должна составлять 10,8 0С. Расхождение с полученной расчетом из уравнения теплового баланса величиной t(к) = 11,3 0С составляет менее 5%.
Таким образом, проектом принимают глубину заложения трубопровода от верха балластного слоя до верха защитной трубы h = 5 м.
При невозможности устройства подземного перехода на расчетной глубине предусматривают отвод избыточного тепла из защитной трубы вентиляцией или выводят пучинистые грунты земляного полотна из зоны сезонного промерзания-оттаивания в соответствии с требованиями Технических указаний ЦП/4369.
5. Расчет отвода избыточного тепла из защитной трубы
5.1. При укладке защитной трубы на меньшей, по сравнению с определенной расчетом, глубине к фронту промерзания будет поступать избыточное количество тепла. Глубина промерзания грунта над трубой уменьшится и на пути образуется пучинная впадина. Для отвода избыточного тепла может быть применена приточно-вытяжная вентиляция. Ее параметры устанавливают из уравнения теплового баланса:
где L – количество воздуха, необходимого для отвода избыточного тепла, выделяемого трубопроводами на длину 1 м, м3/ч*м;
γ – плотность воздуха, кг/м3;
С – удельная теплоемкость воздуха, ккал/кг 0С;
t(ух) – температура воздуха, уходящего из вытяжной шахты, 0С;
t(пр) – температура приточного наружного воздуха, 0С.
5.2. Температуру приточного наружного воздуха в расчетных климатических районах принимают по данным табл.2. Температура уходящего воздуха равна:
t(ух) = 2 t(к) – t(пр) (5)
5.3. При заданной глубине заложения трубопровода допустимую температуру воздуха в защитной трубе t(к) принимают в соответствии с требованиями п.3.2 настоящего документа. Из уравнения теплового баланса (4) определяют количество воздуха L, необходимого для отвода избыточного тепла на длине 1 м.
5.4. Удельную теплоемкость воздуха С принимают равной 0,24 ккал/кг 0С. Его плотность γ при температуре t(к) определяют по данным табл. 11.
Таблица 11
t(к), 0С | -10 | -5 | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
γ, кг/м3 | 1,347 | 1,320 | 1,293 | 1,270 | 1,247 | 1,226 | 1,205 | 1,184 | 1,165 |
5.5. Расчетное количество воздуха по всей длине тоннеля – защитной трубы составляет:
Кв = L * lпр, м3/ч, (6)
где lпр – приведенная длина системы вентиляции, м:
lпр = (l + h1 + h3)*β
l, h1, h3 – линейные размеры системы вентиляции (рис. 3), м:
β – коэффициент, равный 1,2.
6. Аэродинамический расчет системы вентиляции
6.1. При заданных конструктивных параметрах системы вентиляции аэродинамическим расчетом требуется определить возможность работы естественной вентиляции в расчетный период. Расчетная схема представлена на рис.3. Расчетом устанавливают аэродинамические потери давления на преодоление сил трения и местных сопротивлений по участкам: тоннеле – защитной трубе, приточной шахте, вытяжной шахте.
Рис. 3. Схема к аэродинамическому расчету системы вентиляции защитного кожуха
6.2. Потери давления на каждом расчетном участке:
где lуч – расчетная длина участка, м
λ – коэффициент трения;
dг – гидравлический диаметр, м;
V – скорость движения воздуха, м/с;
g – ускорение силы тяжести, м/с2;
Σε – сумма местных сопротивлений.
Значения λ и Σε принимают по табл.12.
Таблица 12
Расчетные участки | λ | Σε |
Защитная труба | 0,055 | 1 |
| Приточная шахта | 0,021 | 7 |
| Вытяжная шахта | 0,021 | 10 |
6.3. Скорость движения воздуха в защитной трубе:
V = Кв/3600*Fж.с., м/с (8)
Fж.с. — площадь живого сечения в тоннеле – защитной трубе, м2
Fж.с. = Fк – Fзап.
Fк – площадь поперечного сечения защитной трубы, м2;
Fзап. – площадь поперечного сечения заполняющих защитную трубы коммуникаций, м2.
Значения (V2 /2g)* γ приведены в табл. 13.
Таблица 13
V, м/с | (V2 /2g)* γ, кгс/м2 |
0,1 | 0,00065 |
0,2 | 0,00258 |
0,3 | 0,0058 |
| 0,4 | 0,0103 |
0,5 | 0,0161 |
0,6 | 0,0232 |
0,7 | 0,0316 |
0,8 | 0,0413 |
0,9 | 0,0522 |
1,0 | 0,0645 |
1,1 | 0,0780 |
| 1,2 | 0,0930 |
1,3 | 0,1090 |
1,4 | 0,1265 |
1,5 | 0,1450 |
1,6 | 0,1650 |
6.4. Гидравлический диаметр расчетного участка:
dг = 4*Fж.с. / (Рк + ΣРзап.) (9)
Рк – периметр расчетного участка – защитной трубы или шахты, м;
ΣРзап. – суммарный периметр коммуникаций, заполняющих расчетный участок, м.
6.5. Суммарные потери давления расчетных участков не должны превышать 90% гравитационного давления:
ΣНуч≤0,9*Нест. (10)
Гравитационное давление
Нест. = (h1 + h2/2)*(γпр – γух) (11)
(h1 + h2/2) – расстояние по вертикали от оси вентилируемой защитной трубы (в сечении по оси земного полотна) до устья вытяжной шахты, м;
γпр, γух – плотность, соответственно, приточного и уходящего воздуха, кг/м3, принимаемая по табл. 11.
При выполнении условия (10) естественная приточно-вытяжная вентиляция обеспечит расчетный расход воздуха в защитной трубе и температура воздуха здесь не поднимается выше расчетного значения t(к), которое соответствует заданной глубине заложения трубопровода.
6.6. Пример теплотехнического расчета трубопровода при подземном переходе железной дороги с отводом избыточного тепла приточно-вытяжной вентиляцией. Железнодорожный путь 3 класса в III климатическом районе пересекает паропровод диаметром d(1) = 500 мм с температурой теплоносителя t(т) =250 0С. Он располагается в защитной трубе диаметром D = 1400 мм. В земляном полотне, представленном нулевым, местом, залегают суглинки. Расчетная величина их пучения при промерзании по материалам инженерного геологического обследования составляет Р(р) = 70 мм. Грунтовые воды залегают глубоко. В теплоизоляционном покрытии рабочего трубопровода предусмотрены маты минераловатные прошивные толщиной 100 мм с покровным материалом из стеклоткани. Глубина заложения трубопровода принята h = 4,5 м. По табл.5 определяем, что в данных условиях температура воздуха в защитной трубе не должна превышать 10 0С. Расчетная температура наружного (приточного) воздуха в III районе равна t(пр) = – 10 0С.
Рабочий трубопровод заключают в защитную трубу на протяжении 100 м. Высота приточной и вытяжной шахт над уровнем земли равна, соответственно, 1,5 и 2 м. Сечение каждой из них составляет 2,5×2,5 м.
Из уравнения теплового баланса (4) с использованием формул (2) и (5) находим количество воздуха, необходимое для отвода избыточного тепла из тоннеля защитной трубы на длине 1 м:
Общее расчетное количество вентиляционного воздуха, требующееся для отвода избыточного тепла из тоннеля – защитной трубы, составляет:
Кв = L*(l + h1 + h3)*1,2 = 24*(100 + 7,2 + 6,7)*1,2 = 3280 м3/ч
Выполним аэродинамический расчет с целью определения возможности работы вентиляции с расчетным расходом К(в).
Гравитационное давление определяем по формуле (11):
Нест = 7,2 * (1,347 – 1,165) = 1,310 кгс/м2
Скорость движения воздуха в тоннеле – защитной трубе находим из выражения (8):
V = 3280/3600 *3,14*(0,72 – 0,352) = 0,79 м/с
И по табл.13 определяем (V /2g)* γ = 0,0405 кгс/м2.
гидравлический диаметр тоннеля защитной трубы составляет по формуле (9):
dгT = 4*3,14*(0,72 – 0,352) / 3,14*(1,4 + 0,7) = 0,7 м
гидравлический диаметр шахты:
dгШ = 4*(2,5*2,5 – 3,14*0,352) / (4*2,5 + 3,14*0,7) = 1,92м
Потери давления по участкам определяем по формуле (7):
в тоннеле — защитной трубе:
Нтон =0,0405*[100*(0,055/0,7) + 1] = 0,360 кгс/м2
в приточной шахте при скорости движения воздуха:
Vш = 3280 / 3600*(2,5*2,5 – 3,14*0,352) = 0,155 м/с
(V /2g)* γ = 0,00175 кгс/м2
Нпр.ш = 0,00175*[6,7*(0,021/1,92) + 7] = 0,012 кгс/м2
в вытяжной шахте:
Нвыт.ш = 0,00175*[7,2*(0,021/1,92) + 10] = 0,018 кгс/м2
Суммарные потери давления в системе вентиляции составляют:
ΣНуч = 0,390 кгс/м2
Что меньше 0,9Нест = 0,9 * 1,310 = 1,179 кгс/м2.
Таким образом, выполнено условие по формуле (10) и температура воздуха в защитной трубе при глубине заложения трубопровода h = 4,5 м не превысит требуемого значения t(к) = 10 0С. Указанные параметры заложения трубопровода принимаются в проекте перехода через железную дорогу.
7. Мероприятия по устранению пучин в местах расположения трубопроводов
7.1. Мероприятия по ликвидации пучин, связанных с нарушениями температурного режима земляного полотна трубопроводами, зависят от инженерно-геологических условий и местных условий перехода. Их назначают на основе инженерно-геологического обследования пучинного участка и технико-экономического сравнения вариантов.
7.2. Для проектирования мероприятий по устранению пучин в местах существующих пересечений земляного полотна трубопроводами должны быть получены следующие данные:
— план участка перехода с указанием на нем водоотводов, подземных трубопроводов и других сооружений;
— продольные и поперечные профили пучинных участков с инженерно-геологическими данными и данными по глубине расположения трубопровода, температуре воздуха в защитной трубе, диаметре труб;
— характеристики района по среднемесячному ходу температуры наружного воздуха и глубине промерзания подрельсового основания;
— материалы нивелирования пучинного участка по программе Приложения 1 Технических указаний ЦП/4369;
— заключение об инженерно-геологическом обследовании участка.
Глубину промерзания грунтов земляного полотна определяют бурением по оси пути в период максимального промерзания. Для этого закладывают одну или две скважины на смежном с трубопроводом участке равномерного пучения на расстоянии 50-60 м от оси трубопровода, а также не менее двух скважин на пучине (одну скважину в сечении по оси трубопровода и одну — непосредственно за пределами пучинной впадины).
7.3. Для устранения пучин в местах расположения трубопроводов устраивают противопучинные подушки из природных материалов или тепловую изоляцию из пенопласта из расчета полного выведения пучинных грунтов земляного полотна из зоны промерзания-оттаивания. Требования к условиям применения, материалам подушек и тепловой изоляции, а также методы расчета этих конструкций даны в Технических указаниях по устранению пучин и просадок железнодорожного пути ЦП/4369.
7.4. Равномерное промерзание грунтов земляного полотна, при котором сезонные деформации пути не будут превышать установленных норм, может быть достигнуто в местах существующих переходов за счет понижения температуры воздуха в защитной трубе до величины, «предусмотренной методикой теплотехнического расчета, приведенной в настоящем документе (п.3). Для понижения температуры рабочие трубопроводы могут быть покрыты дополнительным слоем изоляции. В защитной трубе при достаточном живом сечении может также дополнительно устраиваться естественная приточно-вытяжная вентиляция с надстроенными над камерами шахтами.
7.5. При отрицательной температуре газа вблизи мест понижения его давления необходимо дополнительно устраивать устройства, обеспечивающие положительную температуру газа на участке подземного перехода газопроводами через железную дорогу во всем годовом цикле.