CN111963196B - 一种用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，包括初期支护、防水层、风冷除热层、持力层和若干个温度传感器；初期支护包括若干根锚杆和喷射的混凝土；初期支护上敷设防水层，位于所述防水层上设置风冷除热层；风冷除热层上设置持力层；在隧道衬砌内部每间隔100m埋设温度传感器。本发明可实现对衬砌内部温度的监测与控制，具有散热效果好、工艺简单、可操作性高的特点。
Description
技术领域
本发明属于隧道散热的技术领域，具体涉及一种用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统。
背景技术
随着我国交通基础设施的不断完善，在西部艰险山区规划或者修建了大量隧道工程，其中包含了大量穿越复杂地质的深埋长大隧道。这些隧道在修建和运营过程可能会面临各种特殊地质的挑战，高地温便是其中较为突出的一个。如拉萨至日喀则铁路便出现了6座高地温隧道，其中吉沃希嘎隧道钻孔内最高温度达65.4℃；高黎贡山隧道最高地下水温达102℃；川藏线桑珠岭隧道探孔内温度最高可达89℃。可以预见，随着川藏铁路的修建，大量隧道穿越横断山脉等造山带，将会随之遇到更多的高地温地质问题。
高地温对于隧道工程的不利影响体现在建设与运营的各个阶段。在建设期，高温环境会降低人员和机械的工作效能，同时还会降低围岩的力学性能，提高隧道修建的难度；在运营期，高地温会影响初期支护与围岩之间的粘结力，同时，高温环境会降低衬砌混凝土的力学性能，加速混凝土的劣化，影响衬砌结构耐久性；在内外温差作用下，衬砌结构内部将产生不均匀的温度应变，产生拉应力，导致混凝土开裂，且这种由内部温度应力导致的开裂难以通过增大衬砌厚度或者配筋量的方式避免。再者，高地温会引起隧道内运营温度过高，高温高湿的内部环境不仅会影响机械设备的使用寿命，还会降低通行人员的舒适度。
目前对于高地温隧道所采取的应对方法均为被动降温法，即通过在隧道内部埋置隔热层或者散热体的方法来起到温控作用，起到一定效果的同时也存在一些问题，如隔热层一般为有机高分子材料，通常夹在隧道衬砌内部，老化后隔热性能降低且难以更换，还会影响衬砌结构的整体性；钢制散热体虽然不存在老化问题，但仅利用钢材本身的导热性能进行散热，其效果难以保证。为了满足高地温隧道的建设需求，保证高地温隧道运营耐久性，迫切需要一种可控可调的衬砌散热系统。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，以解决现有高地温隧道缺少可控可调的衬砌散热系统的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其包括初期支护、防水层、风冷除热层、持力层和若干个温度传感器；初期支护包括若干根锚杆和喷射的混凝土；初期支护上敷设防水层，位于防水层上设置风冷除热层；风冷除热层上设置持力层；在隧道衬砌内部每间隔100m埋设温度传感器。
优选地，初期支护喷射的混凝土厚度为10～20cm。
优选地，风冷除热层的厚度为20～30cm。
优选地，持力层为钢筋混凝土，其厚度为20～30cm。
优选地，风冷除热层包括若干根纵向冷却管；纵向冷却管埋设于陶粒混凝土中；陶粒混凝土中掺设钢纤维，并在陶粒混凝土与钢筋混凝土交界面处进行凿毛处理。
优选地，纵向冷却管在风冷除热层内单层布置，纵向冷却管为薄壁钢管，其直径为10～15cm；在纵向冷却管跨越衬砌接缝处设置柔性接头；纵向冷却管穿过嵌缝材料，并在冷却管与嵌缝材料接触面处涂抹专用胶，除热层与持力层交界处设置横向止水条。
优选地，计算纵向冷却管的直径和数量，包括：
S1、根据地层导温系数确定围岩变温带范围l，并分别计算持力层表面、持力层与风冷除热层交界面、风冷除热层与初期支护交界面、初期支护与围岩交界面、围岩变温带与恒温带交界面距隧道中心的当量半径r1、r2、r3、r4、r5；
S2、根据降温需求目标选定设置纵向冷却管前后持力层表面降温幅度ΔT，计算冷却管需带走的热流量ΔQ：
其中，L为高地温段长，λ1为钢筋混凝土导热系数，λ2为陶粒混凝土导热系数，λ3为喷射混凝土导热系数，λ4为围岩导热系数，h1为持力层表面与隧道内空气的对流换热系数；
S3、根据冷却管进出口空气平均温差ΔTf，拟定纵向冷却管直径d和冷却管数量n，并计算需风量Va和风速v：
其中，ρa为空气密度，cp为空气比热；
S4、根据风速v计算雷诺数Re，并进一步计算求得空气与管壁之间的对流换热系数h：
其中：μ为空气动力粘性系数，Pr为空气普兰特数，k为空气的热传导率；
S5、根据空气与纵向冷却管管壁的平均温差ΔTw，纵向冷却管直径d和冷却管数量n需满足下式：
S6、验证S3中拟定的纵向冷却管直径d和数量n，是否满足式(6)，若不满足，则进行冷却管直径d和冷却管数量n的调整试算，直至满足为止；若满足，则初步得到纵向冷却管的直径和数量。
优选地，在隧道的送风断面处设置两根横向进风管和一根环向进风管，横向进风管与环向进风管两端相连，且与一根埋设于隧道底部的纵向进风管相连通；气流通过设置于隧道外的轴流风机经纵向进风管、横向进风管压入环向进风管，并流入纵向冷却管。
优选地，隧道出风断面处布设两根横向出风管和一根环向出风管，横向出风管与环向出风管两端相连，且与一根纵向出风管相连通；气流从纵向冷却管流出，经环向出风管、横向出风管流入纵向出风管，并从设置于隧道外部的出风口流出。
优选地，环向进风管与环向出风管沿环向分段设置，且各段管道在工厂预制；所述环向进风管、环向出风管分段处设置可通过螺栓相连接头；所述环向进风管、环向出风管与纵向冷却管相连之处开设孔洞，并通过焊接将纵向冷却管固定安装于环向进风管和环向出风管之间。
本发明提供的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，具有以下有益效果：
本发明在衬砌内部埋设有纵向冷却管，利用外部风机压入空气进行强制对流换热，相比于被动降温法，其内部风流速度可控，散热效果有保证。同时，在该衬砌结构中，埋设有温度传感器，根据传感器温度读数控制送风的轴流风机开启时间和风机转速，实现对衬砌温度进行动态监测控制，降低能耗。
附图说明
图1为用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统的风冷散热衬砌结构横断面。
图2为用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统的风流管道布置形式。
图3为用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统的衬砌接缝部位构造。
其中，1、初期支护；2、防水层；3、风冷除热层；3-1、纵向冷却管；3-2、柔性接头；3-3、专用胶；3-4、陶粒混凝土；4、持力层；5、温度传感器；6-1、纵向进风管；6-2、纵向出风管；7-1、横向进风管；7-2、横向出风管；8-1、环向进风管；8-2、环向出风管；9、横向止水条；10、嵌缝材料。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1和图3，本方案的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，包括初期支护1、防水层2、风冷除热层3、持力层4和若干个温度传感器5。
初期支护1由锚杆与喷射混凝土组成，喷射混凝土的厚度为10～20cm。
在初期支护1上敷设防水层2，初期支护1和防水层2的设置方式与常规复合式衬砌相同，不需要特殊处理。
在防水层2上设置风冷除热层3，风冷除热层3上设置持力层4。风冷除热层3的厚度20～30cm，风冷除热层3由陶粒混凝土3-4、纵向冷却管3-1组成，纵向冷却管3-1埋设于陶粒混凝土3-4中，在陶粒混凝土3-4中掺有钢纤维，且其与持力层4钢筋混凝土交界面进行凿毛处理，以保证与钢筋混凝土持力层4的良好传力。
在陶粒混凝土3-4中掺有钢纤维可以有效承担部分围岩荷载，且通过凿毛除热层内表面增强衬砌整体性。在降低钢筋混凝土层厚度的情况下，保证衬砌结构的整体承载能力不降低，从而避免设置除热层造成的隧道扩挖。
纵向冷却管3-1在风冷除热层3内单层布置，纵向冷却管3-1为薄壁钢管，其直径为10～15cm。
参考图2，纵向冷却管3-1与环向进风管8-1、环向出风管8-2通过焊接的方式相连通，环向进风管8-1、环向出风管8-2在左右拱脚部位分别与横向进风管7-1、横向出风管7-2连通，横向进风管7-1、横向出风管7-2与纵向进风管6-1、纵向出风管6-2分别通过三通相连。且横向进风管7-1、横向出风管7-2、纵向进风管6-1、纵向出风管6-2的埋置深度与位置应根据隧道排水设施的埋设位置进行调整，以避免冲突。
管道架设完成后，浇筑掺有钢纤维的陶粒混凝土3-4，覆盖环向进风管8-1、环向出风管8-2和纵向冷却管3-1，同时在隧道衬砌内部每间隔100m埋设温度传感器5，待陶粒混凝土3-4凝固后，将其内表面打毛，在其上模筑20～30cm厚的钢筋混凝土衬砌。
采用陶粒混凝土3-4浇筑，陶粒混凝土3-4的保温和耐热性能较好，可以有效隔绝热量向钢筋混凝土持力层4传递。作为纵向冷却管3-1的薄壁钢管导热性能好，热量能很快被管内气流带走，在设计时只需选定若干参数，即可估算出冷却管的布设参数，同时，冷却管在变形缝处设置有相应的连接构件以及防水构造，避免对隧道防水造成影响。
参考图3，纵向冷却管3-1在衬砌接缝处设置有柔性接头3-2，以防衬砌变形对冷却管造成破坏，纵向冷却管3-1穿过嵌缝材料10，并且在与嵌缝材料10的接触面涂抹专用胶3-3，使其紧密连接，同时在接缝部位陶粒混凝土3-4与钢筋混凝土交界处，设置横向止水条9，以防接缝漏水。
纵向冷却管3-1的直径和数量的计算步骤，包括：
S1、根据地层导温系数确定围岩变温带范围l，并分别计算持力层4表面、持力层4与风冷除热层3交界面、风冷除热层3与初期支护1交界面、初期支护1与围岩交界面、围岩变温带与恒温带交界面距隧道中心的当量半径r1、r2、r3、r4、r5；
S2、根据降温需求目标选定设置纵向冷却管3-1前后持力层4表面降温幅度ΔT，计算冷却管需带走的热流量ΔQ：
其中，L为高地温段长，λ1为钢筋混凝土导热系数，λ2为陶粒混凝土3-4导热系数，λ3为喷射混凝土导热系数，λ4为围岩导热系数，h1为持力层表面与隧道内空气的对流换热系数；S3、根据冷却管进出口空气平均温差ΔTf，拟定纵向冷却管3-1直径d和冷却管数量n，并计算需风量Va和风速v：
其中，ρa为空气密度，cp为空气比热；
S4、根据风速v计算雷诺数Re，并进一步计算求得空气与管壁之间的对流换热系数h：
其中：μ为空气动力粘性系数，Pr为空气普兰特数，k为空气的热传导率；
S5、根据空气与纵向冷却管3-1管壁的平均温差ΔTw，纵向冷却管3-1直径d和冷却管数量n需满足下式：
S6、验证S3中拟定的纵向冷却管3-1直径d和数量n，是否满足式(6)，若不满足，则进行冷却管直径d和冷却管数量n的调整试算，直至满足为止；若满足，则初步得到纵向冷却管3-1的直径和数量。
风冷除热层3可根据高地温段的分布情况灵活布置。若整条隧道衬砌均需降温散热，风冷除热层3全长设置，送风断面设置在隧洞入口处，纵向冷却管3-1尽头可直接与隧道出口外界空气相连通，即不设置出风断面管道；当隧道内部某一段衬砌需降温散热时，可仅在需要散热的地段设置除热层，此时送风断面设置在隧道内部，风流通过隧道外轴流风机压入，依次经纵向进风管6-1、横向进风管7-1、环向进风管8-1，进入纵向冷却管3-1中。
从纵向冷却管3-1末段流出的热空气依次经环向出风管8-2、横向出风管7-2、纵向出风管6-2，从设置在隧道外部的纵向出风管6-2末端出口流出。
为节约能耗，通过埋设的温度传感器5读数控制送风风机的开关时间与转速，当温度较高时，开启风机或者调高转速，当温度较低时，关闭风机或者调低转速。
本发明初期支护1和防水层2可以用传统方法设置，送风断面和出风断面的环向钢管在工厂中分段预制，在现场可快速架设，施工冷风除热层时，只需固定好管道位置，便可采用模板台车分层进行陶粒混凝土3-4浇筑，最后再在其上浇筑钢筋混凝土。本发明可实现对衬砌内部温度的监测与控制，具有散热效果好、工艺简单、可操作性高的特点。
虽然结合附图对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做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：包括初期支护、防水层、风冷除热层、持力层和若干个温度传感器；所述初期支护包括若干根锚杆和喷射的混凝土；所述初期支护上敷设防水层，位于所述防水层上设置风冷除热层；所述风冷除热层上设置持力层；在隧道衬砌内部每间隔100m埋设温度传感器；
在隧道的送风断面处设置两根横向进风管和一根环向进风管，所述横向进风管与环向进风管两端相连，且与一根埋设于隧道底部的纵向进风管相连通；气流通过设置于隧道外的轴流风机经纵向进风管、横向进风管压入环向进风管，并流入纵向冷却管；
所述隧道出风断面处布设两根横向出风管和一根环向出风管，横向出风管与环向出风管两端相连，且与一根纵向出风管相连通；气流从纵向冷却管流出，经环向出风管、横向出风管流入纵向出风管，并从设置于隧道外部的出风口流出；
所述环向进风管与环向出风管沿环向分段设置，且各段管道在工厂预制；所述环向进风管、环向出风管分段处设置可通过螺栓相连接头；所述环向进风管、环向出风管与纵向冷却管相连之处开设孔洞，并通过焊接将纵向冷却管固定安装于环向进风管和环向出风管之间。
2.根据权利要求1所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：所述初期支护喷射的混凝土厚度为10～20cm。
3.根据权利要求1所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：所述风冷除热层的厚度为20～30cm。
4.根据权利要求1所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：所述持力层为钢筋混凝土，其厚度为20～30cm。
5.根据权利要求1所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：所述风冷除热层包括若干根纵向冷却管；所述纵向冷却管埋设于陶粒混凝土中；所述陶粒混凝土中掺设钢纤维，并在陶粒混凝土与钢筋混凝土交界面处进行凿毛处理。
6.根据权利要求5所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：所述纵向冷却管在风冷除热层内单层布置，纵向冷却管为薄壁钢管，其直径为10～15cm；在所述纵向冷却管跨越衬砌接缝处设置柔性接头；所述纵向冷却管穿过嵌缝材料，并在纵向冷却管与嵌缝材料接触面处涂抹专用胶，所述除热层与持力层交界处设置横向止水条。
7.根据权利要求6所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于，计算纵向冷却管的直径和数量，包括：
S1、根据地层导温系数确定围岩变温带范围l，并分别计算持力层表面、持力层与风冷除热层交界面、风冷除热层与初期支护交界面、初期支护与围岩交界面、围岩变温带与恒温带交界面距隧道中心的当量半径r1、r2、r3、r4、r5；
S2、根据降温需求目标选定设置纵向冷却管前后持力层表面降温幅度ΔT，计算冷却管需带走的热流量ΔQ：
其中，L为高地温段长，λ1为钢筋混凝土导热系数，λ2为陶粒混凝土导热系数，λ3为喷射混凝土导热系数，λ4为围岩导热系数，h1为持力层表面与隧道内空气的对流换热系数；
S3、根据冷却管进出口空气平均温差ΔTf，拟定纵向冷却管直径d和冷却管数量n，并计算需风量Va和风速v：
其中，ρa为空气密度，cp为空气比热；
S4、根据风速v计算雷诺数Re，并进一步计算求得空气与管壁之间的对流换热系数h：
其中：μ为空气动力粘性系数，Pr为空气普兰特数，k为空气的热传导率；
S5、根据空气与纵向冷却管管壁的平均温差ΔTw，纵向冷却管直径d和冷却管数量n需满足下式：
S6、验证S3中拟定的纵向冷却管直径d和数量n，是否满足式(6)，若不满足，则进行冷却管直径d和冷却管数量n的调整试算，直至满足为止；若满足，则初步得到纵向冷却管的直径和数量。
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