CN108952806B - 高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，其由主动保温系统和被动保温系统组成；主动保温系统包括热源供应装置、热源循环管路、集热装置、补水管路、供暖循环管路和供暖管道；被动保温系统包括设在隧道中心排水管四周的中心排水管防冻层，以及设在隧道侧沟四周的侧沟防冻层，以及设在隧道环向盲管和纵向盲管外侧的盲管防冻层。本发明的优点在于能够满足保证月平均气温在‑15℃地区隧道排水系统水流通畅不结冰所需要的热量需求，同时加入无机纳米真空绝热保温板作为被动保温措施，有效解决高寒严寒地区隧道排水系统防冻问题。另外，整体系统施工面积小、施工方便、成本低，以及环保高效、结构和功能的稳定性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及隧道排水保温防冻技术领域，具体涉及高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统。
背景技术
我国铁路发展迅速，在中东部发达地区发展基本成熟的情况下开始向西北、西南、东北等欠发达地区发展。西北和东北属于严寒地区，大部分区域最冷月平均气温低于-10℃，众多地区大量存在着3-6个月的季节性冻土。在这种严寒地区建设铁路隧道对防排水保温的要求极高，否则便会出现隧道内水流和围岩积水冻结，进而引起隧道拱部挂冰、围岩冻胀、衬砌胀裂、隧底冰锥、水沟冰塞、线路冻起等影响安全运营和建筑物正常使用的各种病害。
现行的对于隧道内防排水保温防冻的设计主要为：
中心深埋水沟及隧底横沟均需设置在当地最大冻结线以下，一般需要深挖至设计仰供下1.5m以上；对环向盲管，深埋保温盲沟开槽设置在初支之外的深槽内，一般深挖深度达初支面向围岩深入到1.2m以上；对于纵向盲管采用硬质聚氨酯保温板保温的设计；侧沟采用双层盖板保温侧沟设计，在极严寒地区采用电伴热面板加热的方式来加热侧沟，从而保证侧沟内温度高于冰点。
以上设计存在很大的不足与缺陷：
中心深埋水沟及隧底横沟均需设置在当地最大冻结线以下，在较差地层如软岩地层施工时，初期支护仰拱无法及时封闭，容易导致初期支护变形过大甚至开裂；在较好地层施工时，则必须采用爆破手段才能保证功能所需要的设计深度，但又容易危及拱墙稳定性。同时，施工难度大，工作量大。深埋保温盲沟开槽设置在初支之外的深槽内，在较差地层施工时，只能在初期支护施工完成以后，再回头掏槽施工保温盲沟，会剪断初期支护连接筋并凿除部分超前支护；在较好地层施工时，保温盲沟的埋设深度难以保证或者会严重影响盲沟沟槽两侧钢架的稳定性；环向深埋盲管与隧道横沟以及深埋水沟的施工极大影响隧道内工序安排，隧道内空间有限，造成施工进度较慢。硬质聚氨酯保温板厚度厚且无柔韧性，铺设过程中存在空洞，不仅保温性能无法保证，还会造成二衬空洞，影响结构安全性。而且硬质聚氨酯易吸水老化，使用年限短。侧沟双层盖板设计很难起到保温效果，还会造成后期侧沟清理困难；电伴热板虽然能提供热源，但是其使用寿命短、造价高，后期运营需要手动控制，为维护增加难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，其解决了严寒地区隧道排水系统保温、防冻效果差的问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，由主动保温系统和被动保温系统组成；
所述主动保温系统包括热源供应装置、热源循环管路、集热装置、补水管路、供暖循环管路和供暖管道，所述热源供应装置通过热源循环管路与集热装置连接，所述补水管路一端与外界水源连接，另一端与集热装置连接，所述供暖管道铺设于隧道的侧壁和底部，供暖管道通过供暖循环管路与集热装置连接；
所述被动保温系统包括设在隧道中心排水管四周的中心排水管防冻层，以及设在隧道侧沟四周的侧沟防冻层，以及设在隧道环向盲管和纵向盲管外侧的盲管防冻层。
进一步改进在于，所述热源供应装置选自太阳能集热板或空气能机组。
进一步改进在于，所述集热装置为不锈钢储水箱，且不锈钢储水箱设有内置的电热管和外置的电热锅炉。
进一步改进在于，所述供暖管道为PE材料结构，其至少铺设在隧道的中心排水管四周、拱脚纵向盲管两侧、环向盲管两侧、排水侧沟底部。
进一步改进在于，所述主动保温系统还包括温度传感器、热源电磁阀和温控器，所述温度传感器设在集热装置内，所述热源电磁阀设在热源循环管路上，所述温控器的信号输入端与温度传感器连接，温控器的信号输出端与热源电磁阀连接。
进一步改进在于，所述主动保温系统还包括补水电磁阀和水位控制器，所述补水电磁阀设置于补水管路上，所述水位控制器设于集热装置内，水位控制器的控制端与补水电磁阀连接。
进一步改进在于，所述主动保温系统还包括供暖电磁阀和定时器，所述供暖电磁阀设在供暖循环管路上，所述定时器的控制端与供暖电磁阀连接。
进一步改进在于，所述中心排水管防冻层由c20混凝土管座、碎石过滤层、内保温混凝土、无机纳米真空绝热保温层和外保温混凝土从下往上依次铺设组成，且中心排水管穿插在c20混凝土管座和碎石过滤层之间。
进一步改进在于，所述侧沟防冻层由设在侧沟底部和侧壁的无机纳米真空绝热保温板壁，以及设在侧沟顶部的无机纳米真空绝热保温盖板组成。
进一步改进在于，所述盲管防冻层由设在环向盲管和纵向盲管外侧的无机纳米真空绝热保温板组成。
本发明的有益效果在于：采用太阳能或空气能等自然能源进行主动供热保温，能够满足保证月平均气温在-15℃地区隧道排水系统水流通畅不结冰所需要的热量需求，同时加入无机纳米真空绝热保温板作为被动保温措施，有效解决高寒严寒地区隧道排水系统防冻问题。另外，整体系统施工面积小、施工方便、成本低，以及环保高效、结构和功能的稳定性强等优点。
附图说明
图1为主动保温系统的结构示意图；
图2为隧道中心排水管的供暖管道及中心排水管防冻层铺设结构示意图；
图3为隧道侧沟的供暖管道及侧沟防冻层铺设结构示意图；
图4为隧道环向盲管或纵向盲管的盲管防冻层铺设结构示意图；
图5为隧道环向盲管或纵向盲管的供暖管道铺设结构示意图；
图中：1-热源供应装置，2-热源循环管路，3-集热装置，4-补水管路，5-供暖循环管路，6-供暖管道，7-电热管，8-电热锅炉，9-温度传感器，10-热源电磁阀，11-温控器，12-补水电磁阀，13-水位控制器，14-供暖电磁阀，15-定时器，16-c20混凝土管座，17-碎石过滤层，18-内保温混凝土，19-无机纳米真空绝热保温层，20-外保温混凝土，21-无机纳米真空绝热保温板壁，22-无机纳米真空绝热保温盖板，23-无机纳米真空绝热保温板。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，由主动保温系统和被动保温系统组成。
其中，主动保温系统包括热源供应装置1、热源循环管路2、集热装置3、补水管路4、供暖循环管路5和供暖管道6，热源供应装置1通过热源循环管路2与集热装置3连接，用于为集热装置3提供热源，补水管路4一端与外界水源(自来水)连接，另一端与集热装置3连接，用于为集热装置3补充水位，供暖管道6铺设于隧道的侧壁和底部，供暖管道6通过供暖循环管路5与集热装置3连接。
具体的，热源供应装置1选自太阳能集热板或空气能机组。当使用太阳能集热板时，利用太阳能为供暖循环管路5内的循环水不断提供热量，当使用空气能机组时，利用空气能为供暖循环管路5内的循环水不断提供热量。
集热装置3为不锈钢储水箱，且不锈钢储水箱设有内置的电热管7和外置的电热锅炉8。太阳能集热板或空气能机组供热装置原则能满足最不利条件下(即太阳能完全无法提供热量的条件下)系统水位正常运行，但是效率有所降低。为此，采用在不锈钢储水箱上内置电热管7和外置两台电热锅炉8，两者相结合的方式进行辅助加热，其中内置的电热管7保证水箱供热基础水位及水箱内防冻，两台电热锅炉8外置保证供热温度。
热源供应装置1循环加热，加上电热管7和电热锅炉8的辅助热源，使得整个系统能够满足保证月平均气温在-15℃地区隧道排水系统水流通畅不结冰所需要的热量需求。
主动保温系统还包括温度传感器9、热源电磁阀10和温控器11，温度传感器9设在集热装置3内，热源电磁阀10设在热源循环管路2上，温控器11的信号输入端与温度传感器9连接，温控器11的信号输出端与热源电磁阀10连接。其中，温度传感器9型号可以为DS18B20，其用于实时检测集热装置3内的温度，热源电磁阀10的型号可以为106XNP，用于控制热源循环管路2的通断，温控器11的型号可以为NHR-8100/8700，用于获取温度传感器9的检测温度值，再根据温度值控制热源电磁阀10的开闭。通常，水箱水温可在35℃-60℃之间任意设定，当水温低于所设定温度时，热源电磁阀10开启，热源供应装置1工作，为水箱内的循环水加热，当达到所设定温度时，热源电磁阀10关闭，这样就能保证集热装置3全天候储存和供用热水。
主动保温系统还包括补水电磁阀12和水位控制器13，补水电磁阀12设置于补水管路4上，水位控制器13设于集热装置3内，水位控制器13的控制端与补水电磁阀12连接。补水电磁阀12的型号可以是106XNP，用于控制补水管路4的通断，水位控制器13的型号可以是61F-G3，其用于检测集热装置3内的水位值，并根据水位值控制补水电磁阀12的开闭，从而实现储水箱的自动补水，储水箱补满水后补水电磁阀12关闭，自动停止补水。
主动保温系统还包括供暖电磁阀14和定时器15，供暖电磁阀14设在供暖循环管路5上，定时器15的控制端与供暖电磁阀14连接。供暖电磁阀14的型号可以是106XNP，其用于控制供暖循环管路5的通断，定时器15可以采用集成有单片机、晶振装置、时间设定装置、显示装置和输出驱动装置等结构的定时器(例如公开号为CN201436606U的专利文献中公开的电磁阀专用定时器)。使用时，可通过定时器15任意设定时间段供热水，当到达供热水的时间时，控制供暖电磁阀14打开出热水，到达关闭时间段时，控制供暖电磁阀14关闭。
特别的，供暖管道6为PE材料结构，其至少铺设在隧道的中心排水管四周、拱脚纵向盲管两侧、环向盲管两侧、排水侧沟底部。被动保温系统包括设在隧道中心排水管四周的中心排水管防冻层，以及设在隧道侧沟四周的侧沟防冻层，以及设在隧道环向盲管和纵向盲管外侧的盲管防冻层。
结合图2所示，展示的是中心排水管的供暖管道6以及中心排水管防冻层的铺设结构。供暖管道6铺设在中心排水管四周，补充了管内流水散出热量；中心排水管防冻层由c20混凝土管座16、碎石过滤层17、内保温混凝土18、无机纳米真空绝热保温层19和外保温混凝土20从下往上依次铺设组成，且中心排水管穿插在c20混凝土管座16和碎石过滤层17之间，减少了热量散失以及防止洞内低温对中心排水管的影响。
结合图3所示，展示的是侧沟的供暖管道6以及侧沟防冻层的铺设结构。供暖管道6铺设在侧沟的底部；侧沟防冻层由设在侧沟底部和侧壁的无机纳米真空绝热保温板壁21，以及设在侧沟顶部的无机纳米真空绝热保温盖板22组成。无机纳米真空绝热保温板壁21采用1.5cm厚度设计，对自然能供热段进行保温，同时向内延伸1km长度，对内部水流进行保温。
结合图4和图5所示，对环向盲管或纵向盲管的防冻设计采用一根盲管两侧配置两根供暖管道6，并排安装于初支与防水层之间；盲管防冻层由设在环向盲管和纵向盲管外侧的无机纳米真空绝热保温板23组成。无机纳米真空绝热保温板23的宽幅为1.5m，阻隔洞内冷空气进入并对散热管进行保温。
需要说明的是，上述提到的无机纳米真空绝热保温板(壁、层、盖板等)是由纳米复合芯材真空绝热材料(VIP)制成。VIP保温材料具有优异的绝热性能，其导热系数可低至4mW/m·K，以常用的保温材料聚氨酯(PU)作对比，PU的导热系数一般在20-30mW/m·K，即VIP保温材料的保温性能是PU材料的5-6倍。此外，VIP还具有轻质、A级阻燃、性能稳定、无毒无害、不透水等特点，具有环保和高效节能的特性，是目前世界上最先进的高效保温材料。采用VIP保温材料能够有效解决高寒严寒地区隧道排水系统防冻问题。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，其特征在于：由主动保温系统和被动保温系统组成；
所述主动保温系统包括热源供应装置（1）、热源循环管路（2）、集热装置（3）、补水管路（4）、供暖循环管路（5）和供暖管道（6），所述热源供应装置（1）通过热源循环管路（2）与集热装置（3）连接，所述补水管路（4）一端与外界水源连接，另一端与集热装置（3）连接，所述供暖管道（6）铺设于隧道的侧壁和底部，供暖管道（6）通过供暖循环管路（5）与集热装置（3）连接；
所述被动保温系统包括设在隧道中心排水管四周的中心排水管防冻层，以及设在隧道侧沟四周的侧沟防冻层，以及设在隧道环向盲管和纵向盲管外侧的盲管防冻层；所述侧沟防冻层由设在侧沟底部和侧壁的无机纳米真空绝热保温板壁（21），以及设在侧沟顶部的无机纳米真空绝热保温盖板（22）组成，所述盲管防冻层由设在环向盲管和纵向盲管外侧的无机纳米真空绝热保温板（23）组成。
2.根据权利要求1所述的高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，其特征在于：所述热源供应装置（1）选自太阳能集热板或空气能机组。
3.根据权利要求1所述的高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，其特征在于：所述集热装置（3）为不锈钢储水箱，且不锈钢储水箱设有内置的电热管（7）和外置的电热锅炉（8）。
4.根据权利要求1所述的高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，其特征在于：所述供暖管道（6）为PE材料结构，其至少铺设在隧道的中心排水管四周、拱脚纵向盲管两侧、环向盲管两侧、排水侧沟底部。
5.根据权利要求1所述的高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，其特征在于：所述主动保温系统还包括温度传感器（9）、热源电磁阀（10）和温控器（11），所述温度传感器（9）设在集热装置（3）内，所述热源电磁阀（10）设在热源循环管路（2）上，所述温控器（11）的信号输入端与温度传感器（9）连接，温控器（11）的信号输出端与热源电磁阀（10）连接。
6.根据权利要求1所述的高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，其特征在于：所述主动保温系统还包括补水电磁阀（12）和水位控制器（13），所述补水电磁阀（12）设置于补水管路（4）上，所述水位控制器（13）设于集热装置（3）内，水位控制器（13）的控制端与补水电磁阀（12）连接。
7.根据权利要求1所述的高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，其特征在于：所述主动保温系统还包括供暖电磁阀（14）和定时器（15），所述供暖电磁阀（14）设在供暖循环管路（5）上，所述定时器（15）的控制端与供暖电磁阀（14）连接。
8.根据权利要求1所述的高寒严寒地区隧道排水防冻集成系统，其特征在于：所述中心排水管防冻层由c20混凝土管座（16）、碎石过滤层（17）、内保温混凝土（18）、无机纳米真空绝热保温层（19）和外保温混凝土（20）从下往上依次铺设组成，且中心排水管穿插在c20混凝土管座（16）和碎石过滤层（17）之间。
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- 2018-09-07 CN CN201811041710.3A patent/CN108952806B/zh active Active
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