一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统及其施工方法

摘要

本发明公开了一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统及其施工方法，该系统从外向内依次包括初期支护结构和防水板及二次衬砌结构，初期支护结构上向外侧设置有若干锚杆、超导热管及采热装置，超导热管由三通或双通接头连接，相邻三通接头通过超导热管连接，超导热管、三通接头及双通接头内填充有超导热材料。本发明在隧道结构的基础上增加热量自平衡系统，并在超导热管、三通接头及双通接头内填充超导热材料，让隧道高温区的热量导向隧道洞口等低温的冻害常发区，既解决了隧道高温区的散热问题，又解决了隧道低温区的冻害问题，且成本适中、施作简单、维护方便。

权利要求

1.一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统，其特征在于，从外向内依次包括初期支护结构（5）和防水板及二次衬砌结构（8），所述初期支护结构（5）上向外侧设置有若干锚杆（4）、超导热管（2）及采热装置（1），所述超导热管（2）端部嵌有所述采热装置（1），所述超导热管（2）下端设置有三通接头（6），所述三通接头（6）设置在所述初期支护结构（5）和所述防水板及二次衬砌结构（8）之间，相邻所述三通接头（6）通过所述超导热管（2）和双通接头（9）连接，所述超导热管（2）、所述双通接头（9）和所述三通接头（6）内填充有超导热材料（3），所述初期支护结构（5）和所述防水板及二次衬砌结构（8）之间设置有放热板（7）。

2.如权利要求1所述的寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统，其特征在于，所述采热装置（1）直径大于所述超导热管（2）直径。

3.如权利要求1所述的寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统，其特征在于，隧道纵向的所述三通接头（6）和所述超导热管（2）与隧道断面的所述三通接头（6）、所述超导热管（2）和所述双通接头（9）连接为一个整体。

4.如权利要求1所述的寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统，其特征在于，所述超导热材料（3）的导热系数大于1.2×107 W/(m·K)。

5.如权利要求1-4任一项所述的寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统的施工方法，其特征在于，依次包括以下步骤：（1）在工厂预制相应形状的三通接头、双通接头、超导热管及嵌有采热装置超导热管，并在其内部预填充超导热材料；

（2）开挖隧道，施作喷射混凝土、锚杆，然后铺设低温段处管道以及放热板，进行隧道放热段的施工；

（3）分割面附近的过渡段，沿隧道纵向铺设填充有超导热材料的超导热管、双通接头和三通接头；

（4）施工至高温段处时，施作初期支护结构，然后在初期支护结构上打孔，嵌入端部嵌有采热装置的超导热管，再连接其他超导热管和三通接头，直至将整个隧道断面轮廓的管道连接成整体；

（5）将边墙处的三通接头与纵向的超导热管连接，再将纵向的超导热管用双通接头拼接；

（6）高温段处管道连接完成后，在低温段防水板及二次衬砌结构工序施作前，自边墙两侧将放热板连接至纵向的超导热管上，并将隧道断面的放热板施作完成，形成一个整体。

6.如权利要求5所述的寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统的施工方法，其特征在于，先施作低温段管道，再施作高温段管道。

7.如权利要求5所述的寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统的施工方法，其特征在于，所述超导热管和所述三通接头形状、位置与隧道开挖断面形状一致。

说明书

一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统及其施工方法

技术领域

[0001] 本发明属于隧道技术领域，具体涉及到一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统及其施工方法。

背景技术

[0002] 我国幅员辽阔，不同地区气候差异较大，季节性冻土地区覆盖范围广阔。而寒冷低温下的冻融循环，致使这些地区的隧道工程容易发生不同程度的冻害。在隧道工程中，施工或者荷载原因可能导致混凝土结构内部尤其是表面附近产生收缩裂缝或荷载裂缝。一旦周围岩土中的裂隙水或孔隙水逐渐侵入衬砌的这些裂缝，并在冬季低温下结冰膨胀，致使裂缝进一步扩大，便容易发生衬砌开裂、渗水、拱顶挂冰和路面结冰等冻害。另外，冻害时常在洞口段发生，而隧道中部埋深较大的位置，又因地热而导致衬砌、隧道内温度过高，需要花费大量人力、物力进行散热。

[0003] 目前，针对寒区隧道冻害这一现象的控制措施主要有两种，一种是通过电缆等热源，将其埋入隧道衬砌内以对隧道衬砌表面进行主动加热，这种方法虽然简单直接，但是需要大量的电力以及维护成本，同时也有发生火灾的安全隐患；另一种则是通过衬砌装饰层内放置隔温层来进行保温，这种方法属于被动保温，效果不佳，且成本高昂。针对埋深较大的隧道段散热措施主要是通过轴流风机引起空气流动进行主动散热，这种方法同样需要大量的电力以及维护成本，且空气导热性差，导致这种方法散热效果亦不够理想。故此时急需一种成本适中、施作简单、维护方便的设施，既能对高温区进行有效散热，又能对低温区进行加热升温。

发明内容

[0004] 针对上述不足，本发明提供一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统及其施工方法，在隧道结构的基础上增加热量自平衡系统，并在三通接头和双通接头内填充超导热材料，让隧道高温区的热量导向隧道洞口等低温的冻害常发区，既解决了隧道高温区的散热问题，又解决了隧道低温区的冻害问题，且成本适中、施作简单、维护方便。

[0005] 为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统，从外向内依次包括初期支护结构和防水板及二次衬砌结构，初期支护结构上向外侧设置有若干锚杆、超导热管及采热装置，超导热管下端设置有三通接头，三通接头设置在初期支护结构和防水板及二次衬砌结构之间，超导热管下端均设置有三通接头，相邻三通接头通过超导热管和双通接头连接，超导热管、双通接头和三通接头内填充有超导热材料，初期支护结构和防水板及二次衬砌结构之间设置有放热板。

[0006] 进一步，采热装置直径大于超导热管直径。

[0007] 进一步，采热装置与围岩的接触面积需尽可能大。采热装置应采用导热性好、易加工的材料，包括但不限于不锈钢、合金钢等。

[0008] 进一步，三通接头和双通接头内部应选用常用的超导热无机材料，且该材料的导热性能应尽可能地高。视工程具体情况，条件允许时，高温段的三通接头和双通接头在保证其导热性、抗腐蚀性、耐热性、刚度等指标达到要求的情况下，可采用常见的PVC材料，以降低成本提高经济性。

[0009] 进一步，低温段的放热板应采用材质均匀、导热性较好且热量散布均匀的复合式放热版，视具体情况，也可采用钢丝网等进行代替。

[0010] 进一步，隧道纵向的三通接头和超导热管与隧道断面的三通接头、超导热管和双通接头连接为一个整体。

[0011] 进一步，超导热材料的导热系数大于1.2×107W/(m·K)。

[0012] 进一步，三通接头和双通接头的管直径、所需无机材料量应视隧道高、低温段温差而定，温差越大，其直径越大、所需材料越多。

[0013] 进一步，高温段隧道断面的管道应置于初期支护结构与防水板及二次衬砌结构之间，周围尽可能留有空隙(即管道周围有导热性较差的空气)，以保证高温段的热量尽可能低损耗地传输至低温段；低温段隧道断面的管道亦置于初期支护结构与防水板、二次衬砌之间。

[0014] 进一步，考虑到隧道纵向及部分隧道断面尺寸较大，若直接采用超导热管会导致其长度过长，不便于管道的运输和安装。故纵向超导热管之间采用双通接头进行拼接。

[0015] 上述导热型拼装式隧道的施工方法，依次包括以下步骤：

[0016] (1)在工厂预制相应形状的三通接头、双通接头、超导热管及嵌有采热装置的超导热管，并在其内部预填充超导热材料；

[0017] (2)开挖隧道，施作喷射混凝土、锚杆等初期支护结构，然后铺设低温段处管道以及放热板，进行隧道放热段(冻害易发段)的施工；

[0018] (3)分割面附近的过渡段，沿隧道纵向铺设填充有超导热材料的超导热管、双通接头和三通接头；

[0019] (4)施工至高温段处时，施作初期支护结构，然后在初期支护结构上打孔，嵌入端部嵌有采热装置的超导热管，再连接其他超导热管和三通接头，直至将整个隧道断面轮廓的管道连接成整体；

[0020] (5)将边墙处纵向的三通接头与纵向的超导热管连接，再将纵向的超导热管用双通接头拼接；

[0021] (6)高温段处管道连接完成后，在低温段防水板及二次衬砌结构等工序施作前，自边墙两侧将放热板连接至纵向的超导热管上，并将隧道断面的放热板施作完成，形成一个整体(放热板也可与高温段处管道同时施工)。

[0022] 进一步，结合具体工程情况，可先施作低温段管道，再施作高温段管道。

[0023] 进一步，充分利用隧道深埋段的地热能，使之以热超导的形式自行传导至洞口低温段，从而防止冻害的发生。

[0024] 进一步，超导热管和三通接头形状、位置与隧道开挖断面形状一致。

[0025] 综上所述，本发明具有以下优点：

[0026] 1、隧道中间高温段由于地热所积累的热量，首先通过采热装置传输到双通接头内的超导热材料，起到对高温段围岩及隧道结构降温的作用。由于热量由高温处向低温处传递，且超导热材料导热性极好(导热系数1.2×107W/(m·K)以上)、热阻几乎为零，故高温段超导热材料所接收到的热量迅速向低温段的超导热材料传递，热量将加热放热板，进而加热初期支护与二次衬砌。通过这一系列的热量传递，最终达到对高温区的降温和对洞口等低温区的加热的效果。

[0027] 2、高温段围岩中的热量通过采热装置传递指超导热材料，超导热材料将热量沿着管道传输至低温段后又可继续吸收热量，如此循环往复可使高温段围岩中的热量减少、温度降低；

[0028] 3、由于隧道中间段(高温段)和隧道洞口部分段(低温段)具有较大的温差，加之超导热材料良好的导热性，管道中的热量迅速由高温区向低温区传输，使自身的热量均匀散布，不会产生热量集中；

[0029] 4、超导热材料热阻几乎为零，而管道接触的空气导热系数极小(约为0.024W/(m·K))，故热量传输过程中损失少，低温区接收的热量较多，对初期支护、二次衬砌的加热效果较好。

[0030] 5、采用双通接头对超导热管进行连接，使对超导热管的规格要求降低，便于其运输及安装。

附图说明

[0031] 图1为本发明采热端、放热端整体三维示意图；

[0032] 图2为隧道高温段断面管道安装整体示意图；

[0033] 图3为隧道纵向管道安装局部示意图；

[0034] 图4为隧道低温段断面管道安装整体示意图；

[0035] 其中，1、采热装置；2、超导热管；3、超导热材料；4、锚杆；5、初期支护结构；6、三通接头；7、放热板；8、防水板及二次衬砌结构；9、双通接头。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0037] 本发明的一个实施例中，如图1-4所示，提供了一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统，从外向内依次包括初期支护结构5和防水板及二次衬砌结构8，初期支护结构5上向外侧设置有若干锚杆4、超导热管2及采热装置1，超导热管2下端设置有三通接头6，三通接头6设置在初期支护结构5和防水板及二次衬砌结构8之间，超导热管2下端均设置有三通接头6，相邻三通接头6通过超导热管2和双通接头9连接，超导热管2、双通接头9和三通接头6内填充有超导热材料3，初期支护结构5和防水板及二次衬砌结构8之间设置有放热板7。采热装置1与围岩的接触面积应尽可能大，且需采用导热性良好、易加工的材料制成。

[0038] 双通接头9和三通接头6内部应选用常用的超导热无机材料，且该材料的导热性能应尽可能地高。视工程具体情况，条件允许时，高温段的双通接头9和三通接头6在保证其导热性、抗腐蚀性、耐热性、刚度等指标达到要求的情况下，可采用常见的PVC材料，以降低成本提高经济性；低温段的放热板7应采用导热性好且放热均匀的材料制成，以保证对初期支护结构5、防水板及二次衬砌结构8的加热效果。隧道纵向的双通接头9和三通接头6与隧道断面的双通接头9和三通接头6连接为一个整体。超导热材料3的导热系数大于1.2×107W/(m·K)。双通接头9和三通接头6的管直径、所需无机材料量应视隧道高、低温段温差而定，温差越大，其直径越大、所需材料越多。

[0039] 高温段隧道断面的管道应置于初期支护结构5与防水板及二次衬砌结构8之间，管道四周应尽可能地留有空气包裹，以保证高温段的热量尽可能低损耗地传输至低温段。低温段隧道断面的放热板7置于初期支护结构5与防水板及二次衬砌结构8之间，以使高温段的热量可以低损耗、均匀地加热初期支护结构5与二次衬砌结构。

[0040] 上述寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统的施工方法，依次包括以下步骤：

[0041] (1)在工厂预制相应形状的三通接头6、双通接头9、超导热管2及嵌有采热装置1的超导热管2，并在其内部预填充超导热材料3；

[0042] (2)开挖隧道，施作喷射混凝土、锚杆4等初期支护结构5，然后铺设低温段处管道以及放热板7，进行隧道放热段的施工；

[0043] (3)分割面附近的过渡段，沿隧道纵向铺设填充有超导热材料的超导热管2、双通接头9和三通接头6；

[0044] (4)施工至高温段处时，施作初期支护结构5，然后在初期支护结构5上打孔，嵌入端部嵌有采热装置1的超导热管2，再连接其他超导热管2和三通接头6，直至将整个隧道断面轮廓的管道连接成整体；

[0045] (5)将边墙处纵向的三通接头6与纵向的超导热管2连接，再将纵向的超导热管2用双通接头9拼接；

[0046] (6)高温段处管道连接完成后，在低温段防水板及二次衬砌结构8等工序施作前，自边墙两侧将放热板7连接至纵向的超导热管2上，并将隧道断面的放热板7施作完成，形成一个整体(放热板7也可与高温段处管道同时施工)。

[0047] 同时，结合具体工程情况，可先施作低温段管道，再施作高温段管道。超导热管2和三通接头6形状、位置与隧道开挖断面形状一致。

[0048] 隧道中间高温段由于地热所积累的热量，首先通过采热装置1传输到超导热管2内的超导热材料3，起到对高温段围岩及隧道结构降温的作用。由于热量由高温处向低温处传递，且超导热材料3导热性极好(导热系数1.2×107W/(m·K)以上)、热阻几乎为零，故高温段超导热材料3所接收到的热量迅速向低温段的超导热材料3传递，热量将加热放热板7，进而加热初期支护结构5与二次衬砌。通过这一系列的热量传递，最终达到对高温区的降温和对洞口等低温区的加热的效果。

[0049] 虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。