CN113339873B - 一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统及方法，该系统包括取热系统、控制传输系统和加热系统；取热系统包括取热隧洞及安装于取热隧洞内的空气源热泵机组，取热隧道于主隧道围岩温度较高部分开挖修建，且通过换热管与空气接触，吸收空气的热量；加热系统设置于主隧道洞口处的二衬与保温层之间及排水沟内，加热系统包括衬砌供热管及排水沟供热管；取热系统借助空气源取热，通过控制传输系统传输至加热系统的衬砌供热管及水沟供热管，实现为衬砌及排水沟的供热与保温。本发明将高地温与抗防冻相结合，对于高海拔寒区高地温隧道有极大实际应用价值；且主动供热方法可以有效解决隧道冻害问题。
Description
技术领域
本发明涉及隧道运营环境安全技术领域，具体涉及一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统及方法。
背景技术
近年来，随着我国经济社会的高速发展，隧道建设也在蓬勃发展。随着川藏铁路的建设，在高海拔寒冷地区出现许多高埋深的超长隧道，这些地区地质复杂，气候恶劣，冻害是隧道建设最显著的问题之一。
根据国内外隧道研究报道，隧道冻害主要表现为衬砌挂冰、洞顶吊冰柱、水沟冻结等，影响行车安全；冰冻引发各种冻胀，反复冰融变化造成衬砌混凝土表面风化严重，拱顶开裂，对隧道衬砌结构的长期稳定构成潜在威胁。针对寒区隧道的冻害防治问题，目前各国常用的方式是在初衬与二次衬砌之间或二次衬砌表面敷设保温隔热层，这种方式无法完全杜绝隧道的冻害问题，当隧道环境温度过低时，其经济价值和防冻效果并不理想。防寒门虽然防冻效果比较好，但由于开启和关闭不便，并不适用于行车密度较大的高速铁路和高速公路隧道。实践证明，主动供热方法能够有效解决寒区隧道冻害问题。多国都考虑过采用加热器或加热电缆对隧道进行加热，但是因其能耗巨大无法普遍应用。我国的夏才初、张国柱研究了在隧道初支和防水板之间敷设热交换管取热，利用地温能加热隧道衬砌及排水沟，并应用于中国林场隧道。综合来看，地源热泵系统受到施工复杂、初始投资较大以及后期难以维修养护的限制。目前，对于存在高地温的寒区隧道，急需一种高效节能的方法，将地层高温热能用于隧道防治冻害。
发明内容
本发明的目的是提供一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统及方法，针对高海拔寒区高地温隧道，利用深部岩层中的高温热能防治隧道冻害，解决衬砌及保温水沟的防冻问题。本发明可稳定利用深部高温岩体的热能来整治隧道的冻害问题，同时保证隧道施工和运营安全并便于养护维修。
本发明通过下述技术方案实现：
一方面，本发明提供了一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统，该系统包括取热系统、控制传输系统和加热系统，所述取热系统连接控制传输系统，所述控制传输系统连接加热系统；
所述取热系统包括取热隧洞及安装于所述取热隧洞内的空气源热泵机组，所述取热隧洞于主隧道围岩温度较高部分开挖修建，且通过换热管与空气接触，吸收空气的热量；所述加热系统设置于主隧道洞口处的二衬与保温层之间及排水沟内，所述加热系统包括衬砌供热管及排水沟供热管，即衬砌供热管及排水沟供热管敷设于主隧道洞口附近二次衬砌与保温层之间以及排水沟内；
所述取热系统借助空气源取热，通过控制传输系统传输至加热系统的衬砌供热管及排水沟供热管，实现为衬砌及排水沟的供热与保温。
工作原理是：空气源热泵机组安装于取热隧洞内，空气源热泵机组制取的热水输送至控制室内的保温水箱中储存起来，在冷天需要供热时，将热水介质由供水管道输送至主隧道洞口处的加热系统，对衬砌供热管及排水沟供热管进行加热，实现衬砌及排水沟的供热与保温；衬砌供热管及排水沟供热管内释放完热量的冷水经回水管道回到空气源热泵机组重新加热，进行下次循环。本发明系统将高地温与抗防冻相结合，取热系统借助空气源取热，通过控制传输系统传输至加热系统的衬砌供热管及排水沟供热管，实现为衬砌及排水沟的供热与保温。而传统换热管方式需要通过钻孔等方式将取热管道埋设在隧道支护结构背后，难以进行维修养护，受地下水侵蚀、冷热循环、年久老化等因素影响，换热管一旦失效，系统将无法工作。而本发明采用安装空气源热泵机组的新型取热方法，投资较低且取热管直接在地下隧洞内取热，便于后期维修养护；同时高地温隧道地下空间空气温度一般可以达到30-40℃左右，空气源热泵机组在此环境中取热，能效系数(COP)可达5.0以上，对于高海拔寒区高地温隧道有极大实际应用价值；且主动供热方法可以有效解决隧道冻害问题，保障列车行车安全。
本发明有效利用高温围岩热能解决隧道冻害问题，极大减少能源消耗，能源消耗为清洁能源，不对当地自然环境产生影响。
作为进一步地优选方案，所述取热隧洞于主隧道围岩温度较高部分开挖修建，洞室内环境温度保持在30℃-40℃；
所述取热隧洞规模尺寸由主隧道最大供热负荷确定。
主隧道供热负荷Q由公式(1)计算得：
Q＝qT+ql (1)
式中：qT为围岩防冻所需的热量；ql为输热管道热损失。
围岩防冻所需的热量qT由公式(2)计算得：
式中：L0为加热系统敷设长度，单位为m；ΔT为隧道内空气与围岩的温差，单位为℃；λ1、λ2、λ3分别为围岩、保温材料和衬砌的导热系数，单位为W/(m2·℃)；R为隧道断面等效半径，单位为m；hw为围岩冻结深度，单位为m；hc为混凝土衬砌厚度，单位为m；hδ为保温层厚度，单位为m。
输热管道热损失ql由公式(3)、公式(4)计算得：
式中：Lp为输热管长度，单位为m；Tin为管内流体温度，单位为℃；Tout为隧道内环境温度，单位为℃；R为输热管总热阻，单位为m·℃/W；ra、rb为输热管内径及保温层外径，单位为m；λp、λE为保温材料及混凝土盖板导热系数，单位为W/(m2·℃)；α1为管外空气与保温层对流传热系数，单位为W/(m2·℃)；α2为地沟内空气向地沟内表面放热系数，单位为W/(m2·℃)；l为管中心至地表面高度，单位为m；dN为地沟当量直径，单位为m。
作为进一步地优选方案，所述空气源热泵机组由大型商用空气源热泵主机组装而成，所述空气源热泵机组的机组功率及数量由主隧道最大供热负荷确定。
作为进一步地优选方案，所述加热系统设置于主隧道距离洞口一定距离范围内，该距离范围内围岩冻结深度大于临界冻结深度hw0，当冻结深度超过这一值(临界冻结深度hw0)，只通过保温层无法有效防治冻害，需要通过主动加热对隧道结构进行加热防治冻害。
临界冻结深度hw0由公式(5)计算得：
式中：λ1、λ2、λ3分别为围岩、保温材料和衬砌的导热系数，单位为W/(m2·℃)；R为隧道断面等效半径，单位为m；hw为围岩冻结深度，单位为m；hc为混凝土衬砌厚度，单位为m；hδ为保温层厚度，单位为m。
作为进一步地优选方案，所述控制传输系统包括控制室、保温水箱、循环泵、供水管道及回水管道，所述控制室内安装有保温水箱，循环泵；
所述空气源热泵机组的第一端口(第一端口作为热水口)连接保温水箱，所述保温水箱通过供水管道分别连接衬砌供热管及排水沟供热管；
所述衬砌供热管及排水沟供热管均通过回水管道连接保温水箱，所述保温水箱连接循环泵，所述循环泵连接空气源热泵机组的第二端口(第二端口作为冷水口)。
作为进一步地优选方案，所述控制室内还安装有水温监测装置，所述水温监测装置(可以采用水温传感器)用于监测保温水箱、衬砌供热管及排水沟供热管的温度。
作为进一步地优选方案，所述供水管道、回水管道均采用无缝钢管，且直径为100mm，厚度为5mm。
作为进一步地优选方案，所述供水管道、回水管道外部均铺设一层厚度为20mm的聚苯乙烯泡沫保护层；
所述供水管道、回水管道内的介质均添加防冻剂。
作为进一步地优选方案，所述衬砌供热管于衬砌表面沿主隧道轴线环向串联，且以一定间距布置多组供热管；所述排水沟供热管纵向并联设置两根加热管。
作为进一步地优选方案，所述衬砌供热管采用直径20mm的耐热聚乙烯管(PE-RT管)，所述衬砌供热管内的传热介质为添加防冻剂的液态水。
另一方面，本发明还提供了一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻方法，该方法应用于所述的一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统；该方法包括：
供热控制阶段：热泵机组制取的热水储存于控制室内安装的保温水箱中，在冷天需要供热时，将热水介质由供水管道输送至主隧道洞口处的加热系统，对衬砌供热管及排水沟供热管进行加热，实现衬砌及排水沟的供热与保温；
冷水返回阶段：衬砌供热管及排水沟供热管内释放完热量的冷水经回水管道回到空气源热泵机组重新加热，进行下次循环；其中：
循环泵提供循环动力，并控制空气源热泵机组送水的频率及流速。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种寒区高地温新型防寒抗冻系统将高地温与抗防冻相结合，对于高海拔寒区高地温隧道有极大实际应用价值；且主动供热方法可以有效解决隧道冻害问题，有效保障列车行车安全。
2、本发明一种寒区高地温新型防寒抗冻系统有效利用高温围岩热能解决隧道冻害问题，极大减少能源消耗，能源消耗为清洁能源，不对当地自然环境产生影响。
3、本发明系统及方法，采用安装空气源热泵机组的新型取热方法，投资较低且便于后期维修养护。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统结构示意图。
图2为本发明一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统工作原理图。
附图标记及对应的零部件名称：
1-主隧道；2-取热系统；3-控制传输系统；4-加热系统；5-取热隧洞；6-控制室；7-空气源热泵机组；8-循环泵；9-保温水箱；10-供水管道；11-回水管道；12-衬砌供热管；13-排水沟供热管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1、图2所示，本发明一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统，该系统包括取热系统2、控制传输系统3和加热系统4，所述取热系统2连接控制传输系统3，所述控制传输系统3连接加热系统4；
所述取热系统2包括取热隧洞5及安装于所述取热隧洞5内的空气源热泵机组7，空气源热泵机组7可以包括多组空气源热泵；所述取热隧洞5于主隧道1围岩温度较高部分开挖修建，且通过换热管与空气接触，吸收空气的热量；其中：
所述取热隧洞5于主隧道1围岩温度较高部分开挖修建，洞室内环境温度保持在30℃-40℃；所述取热隧洞5规模尺寸由主隧道1最大供热负荷确定。
所述空气源热泵机组7由大型商用空气源热泵主机组装而成，所述空气源热泵机组7的机组功率及数量由主隧道1最大供热负荷确定。
所述控制传输系统3包括控制室6、保温水箱9、循环泵8、供水管道10及回水管道11，所述控制室6内安装有保温水箱9，循环泵8；
所述空气源热泵机组7的第一端口(第一端口作为热水口)连接保温水箱9，所述保温水箱9通过供水管道10分别连接衬砌供热管12及排水沟供热管13；
所述衬砌供热管12及排水沟供热管13均通过回水管道11连接保温水箱9，所述保温水箱9连接循环泵8，所述循环泵8连接空气源热泵机组7的第二端口(第二端口作为冷水口)。
所述加热系统4设置于主隧道1洞口处的二衬与保温层之间及排水沟内，所述加热系统4包括衬砌供热管12及排水沟供热管13，即衬砌供热管12及排水沟供热管13敷设于主隧道1洞口附近二次衬砌与保温层之间以及排水沟内；其中：
所述衬砌供热管12于衬砌表面沿主隧道1轴线环向串联，且以一定间距布置多组供热管；所述排水沟供热管13纵向并联设置两根加热管。
本实施例中，所述加热系统4设置于主隧道1距离洞口一定距离范围内，该距离范围内围岩冻结深度大于临界冻结深度hw0，当冻结深度超过这一值(临界冻结深度hw0)，只通过保温层无法有效防治冻害，需要通过主动加热对隧道结构进行加热防治冻害。
临界冻结深度hw0由公式(5)计算得：
式中：λ1、λ2、λ3分别为围岩、保温材料和衬砌的导热系数，单位为W/(m2·℃)；R为隧道断面等效半径，单位为m；hw为围岩冻结深度，单位为m；hc为混凝土衬砌厚度，单位为m；hδ为保温层厚度，单位为m。
本实施例中，所述衬砌供热管12及排水沟供热管13均为软管；具体实施时，所述衬砌供热管12采用直径20mm的耐热聚乙烯管(PE-RT管)，所述衬砌供热管12内的传热介质为添加防冻剂的液态水。
所述取热系统2借助空气源取热，通过控制传输系统3传输至加热系统4的衬砌供热管12及排水沟供热管13，实现为衬砌及排水沟的供热与保温。
本实施例中，所述控制室6内还安装有水温监测装置，所述水温监测装置(可以采用水温传感器用于监测保温水箱9、衬砌供热管12及排水沟供热管13的温度。
本实施例中，所述供水管道10、回水管道11均采用无缝钢管，且直径为100mm，厚度为5mm。
本实施例中，所述供水管道10、回水管道11外部均铺设一层厚度为20mm的聚苯乙烯泡沫保护层；
所述供水管道10、回水管道11内的介质均添加防冻剂。
具体实施时：参见图1，一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统各系统位置分布情况如下：取热系统2的取热隧洞5在隧道施工时修建于主隧道1中部可提供稳定高温的围岩内；控制传输系统3的控制室6同样位于主隧道1中部，控制热水介质的储存及循环；加热系统4位于主隧道1洞口附近，敷设长度依据隧道实际防冻要求而定。
参见图2，一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统工作原理如下：
空气源热泵机组7安装于取热隧洞5内，空气源热泵机组7制取的热水输送至控制室6内的保温水箱9中储存起来，在冷天需要供热时，将热水介质由供水管道10输送至主隧道1洞口处的加热系统4，对衬砌供热管12及排水沟供热管13进行加热，实现衬砌及排水沟的供热与保温；衬砌供热管12及排水沟供热管13内释放完热量的冷水经回水管道11回到空气源热泵机组7重新加热，进行下次循环。
本发明一种寒区高地温新型防寒抗冻系统将高地温与抗防冻相结合，取热系统2借助空气源取热，通过控制传输系统3传输至加热系统4的衬砌供热管12及排水沟供热管13，实现为衬砌及排水沟的供热与保温。而传统换热管方式需要通过钻孔等方式将取热管道埋设在隧道支护结构背后，难以进行维修养护，受地下水侵蚀、冷热循环、年久老化等因素影响，换热管一旦失效，系统将无法工作。而本发明采用安装空气源热泵机组的新型取热方法，投资较低且便于后期维修养护；同时高地温隧道地下空间空气温度一般可以达到30-40℃左右，空气源热泵机组在此环境中取热，能效系数(COP)可达5.0以上，对于高海拔寒区高地温隧道有极大实际应用价值；且主动供热方法可以有效解决隧道冻害问题，保障列车行车安全。
本发明有效利用高温围岩热能解决隧道冻害问题，极大减少能源消耗，能源消耗为清洁能源，不对当地自然环境产生影响。
实施例2
如图1、图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻方法，该方法应用于实施例1所述的一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统；该方法包括：
供热控制阶段：热泵机组7制取的热水储存于控制室6内安装的保温水箱9中，在冷天需要供热时，将热水介质由供水管道10输送至主隧道1洞口处的加热系统4，对衬砌供热管12及排水沟供热管13进行加热，实现衬砌及排水沟的供热与保温；
冷水返回阶段：衬砌供热管12及排水沟供热管13内释放完热量的冷水经回水管道11回到空气源热泵机组7重新加热，进行下次循环；其中：
循环泵8提供循环动力，并控制空气源热泵机组7送水的频率及流速。
该系统及方法节能高效，克服了高寒地区能源紧张问题，同时便于维修养护，对于高海拔寒区高地温隧道的防寒抗冻体系设计具有较高应用价值及重要指导意义。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统，其特征在于，该系统包括取热系统(2)、控制传输系统(3)和加热系统(4)，所述取热系统(2)连接控制传输系统(3)，所述控制传输系统(3)连接加热系统(4)；
所述取热系统(2)包括取热隧洞(5)及安装于所述取热隧洞(5)内的空气源热泵机组(7)，所述取热隧洞(5)于主隧道(1)围岩温度高的部分开挖修建，且通过换热管与空气接触，吸收空气的热量；所述加热系统(4)设置于主隧道(1)洞口处的二衬与保温层之间及排水沟内，所述加热系统(4)包括衬砌供热管(12)及排水沟供热管(13)；
所述取热系统(2)借助空气源取热，通过控制传输系统(3)传输至加热系统(4)的衬砌供热管(12)及排水沟供热管(13)，实现为衬砌及排水沟的供热与保温；
所述取热隧洞(5)于主隧道(1)围岩温度高的部分开挖修建，洞室内环境温度保持在30℃-40℃；
所述取热隧洞(5)规模尺寸由主隧道(1)最大供热负荷确定；
主隧道(1)供热负荷Q由公式(1)计算得：
Q＝qT+ql (1)
式中：qT为围岩防冻所需的热量；ql为输热管道热损失；
围岩防冻所需的热量qT由公式(2)计算得：
式中：L0为加热系统敷设长度；ΔT为隧道内空气与围岩的温差；λ1、λ2、λ3分别为围岩、保温材料和衬砌的导热系数；R为隧道断面等效半径；hw为围岩冻结深度；hc为混凝土衬砌厚度；hδ为保温层厚度；
输热管道热损失ql由公式(3)、公式(4)计算得：
式中：Lp为输热管长度；Tin为管内流体温度；Tout为隧道内环境温度；R为输热管总热阻；ra、rb为输热管内径及保温层外径；λp、λE为保温材料及混凝土盖板导热系数；α1为管外空气与保温层对流传热系数；α2为地沟内空气向地沟内表面放热系数；l为管中心至地表面高度；dN为地沟当量直径；
所述加热系统(4)设置于主隧道距离洞口一定距离范围内，该距离范围内围岩冻结深度大于临界冻结深度hw0，当冻结深度超过临界冻结深度hw0，只通过保温层无法有效防治冻害，需要通过主动加热对隧道结构进行加热防治冻害；
临界冻结深度hw0由公式(5)计算得：
式中：λ1、λ2、λ3分别为围岩、保温材料和衬砌的导热系数；R为隧道断面等效半径；hw为围岩冻结深度；hc为混凝土衬砌厚度；hδ为保温层厚度；
所述空气源热泵机组(7)由大型商用空气源热泵主机组装而成，所述空气源热泵机组(7)的机组功率及数量由主隧道(1)最大供热负荷确定；
所述控制传输系统(3)包括控制室(6)、保温水箱(9)、循环泵(8)、供水管道(10)及回水管道(11)，所述控制室(6)内安装有保温水箱(9)，循环泵(8)；
所述空气源热泵机组(7)的第一端口连接保温水箱(9)，所述保温水箱(9)通过供水管道(10)分别连接衬砌供热管(12)及排水沟供热管(13)；
所述衬砌供热管(12)及排水沟供热管(13)均通过回水管道(11)连接保温水箱(9)，所述保温水箱(9)连接循环泵(8)，所述循环泵(8)连接空气源热泵机组(7)的第二端口。
2.根据权利要求1所述的一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统，其特征在于，所述控制室(6)内还安装有水温监测装置，所述水温监测装置用于监测保温水箱(9)、衬砌供热管(12)及排水沟供热管(13)的温度。
3.根据权利要求1所述的一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统，其特征在于，所述供水管道(10)、回水管道(11)均采用无缝钢管，且直径为100mm，厚度为5mm。
4.根据权利要求1或3所述的一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统，其特征在于，所述供水管道(10)、回水管道(11)外部均铺设一层厚度为20mm的聚苯乙烯泡沫保护层；
所述供水管道(10)、回水管道(11)内的介质均添加防冻剂。
5.根据权利要求1所述的一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统，其特征在于，所述衬砌供热管(12)于衬砌表面沿主隧道(1)轴线环向串联，且固定间距布置多组供热管；所述排水沟供热管(13)纵向并联设置两根加热管；
所述衬砌供热管(12)采用直径20mm的耐热聚乙烯管，所述衬砌供热管(12)内的传热介质为添加防冻剂的液态水。
6.一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻方法，其特征在于，该方法应用于如权利要求1至5中任一所述的一种寒区高地温隧道新型防寒抗冻系统；该方法包括：
供热控制阶段：热泵机组(7)制取的热水储存于控制室(6)内安装的保温水箱(9)中，在冷天需要供热时，将热水介质由供水管道(10)输送至主隧道(1)洞口处的加热系统(4)，对衬砌供热管(12)及排水沟供热管(13)进行加热，实现衬砌及排水沟的供热与保温；
冷水返回阶段：衬砌供热管(12)及排水沟供热管(13)内释放完热量的冷水经回水管道(11)回到空气源热泵机组(7)重新加热，进行下次循环；其中：
循环泵(8)提供循环动力，并控制空气源热泵机组(7)送水的频率及流速。
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