CN113417695B - 寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置及方法，其中，调控装置包括保温层通风系统和温度数据采集分析系统；保温层通风系统包括安装于隧道内离壁式保温结构的内壁的通风单元和控制单元；温度数据采集分析系统包括洞外气象站温度计和安装于离壁式保温结构的内壁的温度数据处理器。本发明将正积温原理与通风调控理念创造性地应用于寒区隧道的保温防冻中，通过通风单元将隧道内温度较高的空气引入空气层中，从而在隧道衬砌和围岩中储蓄热量以达到隧道防冻保温的效果；本发明采用通风单元向空气层输送空气，可充分利用隧道净空以内、限界以外的空间；本发明装置及方法的长期可靠性及防冻效果均优于电缆加热技术和防寒保温门。

Description

寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道冻害防控领域，具体是一种寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置及方法。

背景技术

目前寒区隧道衬砌及围岩的常用防冻保暖措施主要为敷设保温层、电缆加热法等。敷设保温层目前作为大多数寒区隧道的保温措施，虽然能减缓围岩与隧道内冷空气的热交换、减小围岩冻融圈、减轻隧道冻害，但是并不能阻止围岩最终冻结。电缆加热法对电热器件及相应配套设施要求较高，能耗大、管理复杂且运营成本高，有很大的局限性。通风系统作为将隧道内有害气体排出洞外的一种换气系统，在隧道工程中被广泛采用，而离壁式保温结构作为寒区隧道保温层的一种常见结构，也已在寒区隧道工程中被广泛采用，离壁式保温结构通过其与衬砌之间形成的空气层，达到保温效果。但在寒冷地区，现有的防冻保暖结构的冻害防控效果有限，隧道内的围岩面临着在低温环境下逐渐冻结并导致隧道出现不同程度冻害的问题。

减少寒区隧道冻害防控措施的工程投资和运行费用、增加寒区隧道冻害防控效果的一个方向是调控通风技术。防寒保温门作为一种隧道通风调控保温技术，目前已有工程实际运用。防寒保温门是一种在冬季阻挡冷空气侵入隧道的冻害防控技术，它可以减缓和阻止冷空气对流作用造成的隧道洞内热量散失，进而提高冬季隧道内空气温度、减小围岩冻融圈、减轻隧道冻害。但是由于防寒保温门频繁的开闭导致保温效果变差、达不到防治冻害的预期效果，且保温门的使用会影响交通的正常运行。

发明内容

为了解决寒区隧道围岩在低温环境下冻结的问题，克服现有防冻保温技术在适用性、长周期的可靠性及经济合理性等方面的不足，本发明提出一种寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置及方法，通过离壁式保温结构与调控通风联合作用进行隧道冻害防控，适用范围更广、成本和运行费用更低、对交通影响更小、保温效果更好。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，包括保温层通风系统和温度数据采集分析系统；所述的保温层通风系统包括通风单元和控制单元，所述的通风单元和控制单元分别安装于隧道内离壁式保温结构的内壁，所述的通风单元和控制单元布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，并不受交通的影响，所述的通风单元用于根据所述的控制单元的指令向离壁式保温结构与衬砌之间形成的空气层输送暖空气以提高空气层的温度，从而在隧道衬砌和围岩中储蓄热量；所述的温度数据采集分析系统包括洞外气象站温度计和温度数据处理器，所述的温度数据处理器安装于离壁式保温结构的内壁，所述的洞外气象站温度计布置在隧道洞口外，所述的洞外气象站温度计用于采集隧道洞口外的气温数据并将采集的气温数据传送给所述的温度数据处理器，所述的温度数据处理器用于处理气温数据、根据设定的启动温度值判断气温高低并将判断结果以指令的形式发送给所述的控制单元，由所述的控制单元控制所述的通风单元的启闭。

本发明寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置安装搭建完成后，使用过程中，当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值时，即满足通风调控要求，温度数据处理器将开启通风单元的指令发送给控制单元，开启通风单元，让隧道内温度较高的空气通过通风单元引入离壁式保温结构与衬砌之间的空气层，提高空气层的温度，从而在隧道衬砌和围岩中储蓄热量；而在隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值时，温度数据处理器将关闭通风单元的指令发送给控制单元，关闭通风单元，以减少带入到隧道衬砌和围岩中的冷量，防止产生负温累积，以达到隧道防冻的效果。

本发明通过开启通风单元的方式来提高空气层的温度，从而在隧道衬砌和围岩中储蓄热量，能耗很小，且冻害防控效果好。与传统的电缆加热技术相比，大大降低了运营费用，且电缆加热技术需配备专门的电缆短路监测器、报警器、温控器等，控制系统复杂，失效风险高，失效后果十分严重，而本发明仅需通过温度数据处理器和控制单元来控制通风单元的启闭，简单有效。与传统的防寒保温门相比，本发明无需加设保温门，当隧道洞口外的气温满足通风调控要求时，可以不受车流影响地将洞外热量带入洞内，不影响交通正常运行，工程投资较低。从长期防冻效果来看，本发明的经济性和可靠性均优于电缆加热技术和防寒保温门。

本发明在适用性及经济性方面有着巨大的优势。对于已建隧道，本发明仅需在既有离壁式保温结构的上增设通风单元、布置温度数据处理器和控制单元，无需对隧道进行过多的改造，费用增加较低。对于拟在建隧道，本发明可在隧道施工期增设通风单元，费用及施工复杂性较已建隧道低，适用范围广且经济合理，同时对相应配套设施要求低，能耗小、管理方便且运营成本低。

本发明在长期可靠性及防冻效果方面有着巨大的优势。本发明建设难度小、失效风险低、不影响交通的正常运行并不受交通的影响，通过将隧道内温度较高的空气引入离壁式保温结构与衬砌之间的空气层，提高空气层的温度，从而在隧道衬砌和围岩中储蓄热量的方式，其长期可靠性及防冻效果均优于电缆加热技术和防寒保温门。

作为优选，所述的洞外气象站温度计布置在离隧道洞口100m范围内。

作为优选，所述的通风单元为通风罩，所述的通风罩布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，所述的通风罩的入风口朝向隧道内通风机的出风口，所述的通风罩的出风口经通风罩导风管与所述的空气层相通，所述的控制单元包括通风罩控制器和通风罩开关，所述的通风罩的出风口处安装有启闭门，所述的启闭门的启闭由所述的通风罩开关控制。本技术方案中，采用通风罩将隧道内温度较高的空气引入离壁式保温结构的空气层中，通风罩控制器接收温度数据处理器发送的指令来控制通风罩开关，进而控制启闭门的启闭。当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值时，温度数据处理器将开启通风罩的指令发送给通风罩控制器；而在隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值时，温度数据处理器将关闭通风罩的指令发送给通风罩控制器。

作为优选，所述的通风罩包括罩体、宽口端和窄口端，所述的宽口端和所述的窄口端分别设置在所述的罩体的两侧，所述的宽口端为所述的通风罩的入风口，所述的窄口端为所述的通风罩的出风口，所述的启闭门安装于所述的窄口端。上述通风罩的宽口端增大了进风面积和进风量，有利于提高通风效率。

作为优选，所述的通风罩由钢结构制作而成，所述的通风罩的外侧设置有保温单元，以延长通风罩使用寿命，并提高通风罩本身的保温效果。

作为优选，所述的通风罩的数量为多组，多组通风罩沿隧道的长度方向以100～200m的间隔布设，每组通风罩包括沿隧道的周向间隔布设的多个通风罩。通风罩采用上述分段布置方式，可充分利用隧道内的空间，通过多个通风罩将隧道内温度较高的空气快速、均匀地送入离壁式保温结构与衬砌之间的空气层中，保证离壁式保温结构与衬砌之间的空气层通风顺畅。

作为优选，所述的通风单元为局部风机，所述的局部风机布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，所述的局部风机的出风口经局部风机导风管与所述的空气层相通，所述的控制单元包括局部风机控制器，所述的局部风机的启闭由所述的局部风机控制器控制。本技术方案中，采用局部风机将隧道内温度较高的空气引入离壁式保温结构的空气层中，局部风机控制器接收温度数据处理器发送的指令来控制局部风机的启闭。当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值时，温度数据处理器将开启局部风机的指令发送给局部风机控制器；而在隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值时，温度数据处理器将关闭局部风机的指令发送给局部风机控制器。

作为优选，所述的局部风机的数量为多组，多组局部风机沿隧道的长度方向以100～200m的间隔布设，每组局部风机包括沿隧道的周向间隔布设的多台局部风机。局部风机采用上述分段布置方式，可保证离壁式保温结构与衬砌之间的空气层通风顺畅。

一种利用上述装置实施的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控方法，寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置安装搭建完成后，在温度数据处理器上设定通风单元的启动温度值，当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值时，温度数据处理器向控制单元发出开启指令，由控制单元控制通风单元开启；当隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值时，温度数据处理器向控制单元发出关闭指令，由控制单元控制通风单元关闭。

作为优选，将隧道的当量直径记为D，将通风单元的横向通风面积记为S，S满足以下要求：当D≤10m时，S≥1.2m²；当10m＜D≤16m时，S≥2.0m²。对通风单元的横向通风面积进行上述限定，目的是为了保证能够提供足够的风量将离壁式保温结构与衬砌之间的空气层内原有空气排出，从而保证正积温通风调控效果。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：1）本发明将正积温原理与通风调控理念创造性地应用于寒区隧道的保温防冻中，通过通风单元将隧道内温度较高的空气引入离壁式保温结构的空气层中，从而在隧道衬砌和围岩中储蓄热量以达到隧道防冻保温的效果；2）本发明采用通风单元向空气层输送空气，可充分利用隧道净空以内、限界以外的空间，建设难度小，可大幅降低建设成本、运行费用及能源消耗；3）本发明装置易于管理、失效风险低、不影响交通的正常运行并不受交通的影响，本发明装置及方法的长期可靠性及防冻效果均优于电缆加热技术和防寒保温门。

附图说明

图1为安装有实施例1的正积温通风调控装置的隧道的局部纵剖面示意图；

图2为安装有实施例1的正积温通风调控装置的隧道的横剖面示意图；

图3为实施例1中通风罩的外观示意图；

图4为安装有实施例2的正积温通风调控装置的隧道的局部纵剖面示意图；

图5为安装有实施例2的正积温通风调控装置的隧道的横剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，如图1和图2所示，包括保温层通风系统和温度数据采集分析系统；保温层通风系统包括通风单元和控制单元，通风单元和控制单元分别安装于隧道内离壁式保温结构1的内壁，通风单元和控制单元布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，并不受交通的影响，通风单元用于根据控制单元的指令向离壁式保温结构1与衬砌2之间形成的空气层3输送暖空气以提高空气层的温度，从而在隧道衬砌和围岩中储蓄热量，衬砌2铺设于围岩18的内壁；温度数据采集分析系统包括洞外气象站温度计4和温度数据处理器5，温度数据处理器5安装于离壁式保温结构1的内壁，洞外气象站温度计4布置在隧道洞口外的离隧道洞口100m范围内，洞外气象站温度计4用于采集隧道洞口外的气温数据并将采集的气温数据传送给温度数据处理器5，温度数据处理器5用于处理气温数据、根据设定的启动温度值判断气温高低并将判断结果以指令的形式发送给控制单元，由控制单元控制通风单元的启闭。

实施例1中，通风单元为通风罩6，通风罩6布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，通风罩6由钢结构制作而成，通风罩6的外侧设置有保温单元（图中未示出），通风罩6的入风口朝向隧道内通风机13的出风口，通风罩6的出风口经通风罩导风管10与空气层3相通，控制单元包括通风罩控制器7和通风罩开关8，通风罩控制器7经传输线9与洞外气象站温度计4相连，通风罩控制器7经通风罩连接线11与通风罩开关8相连，通风罩6的出风口处安装有启闭门12，启闭门12的启闭由通风罩开关8控制。

实施例1中，如图3所示，通风罩6包括罩体61、宽口端62和窄口端63，宽口端62和窄口端63分别设置在罩体61的两侧，宽口端62为通风罩6的入风口，窄口端63为通风罩6的出风口，启闭门12安装于窄口端63。

实施例1中，通风罩6的数量为多组，多组通风罩沿隧道的长度方向以100～200m的间隔布设，每组通风罩包括沿隧道的周向间隔布设的6个通风罩6，如图2所示。

利用实施例1的装置实施的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控方法，即：寒区隧道离壁式保温结构1的正积温通风调控装置安装搭建完成后，在温度数据处理器5上设定通风单元的启动温度值为5℃，当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值5℃时，温度数据处理器5向控制单元发出开启指令，由控制单元控制通风单元开启；当隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值5℃时，温度数据处理器5向控制单元发出关闭指令，由控制单元控制通风单元关闭。其中，为了保证能够提供足够的风量将离壁式保温结构1与衬砌2之间的空气层3内原有空气排出，6个通风罩6的总的横向通风面积应满足以下要求：将隧道的当量直径记为D，将6个通风罩6的总的横向通风面积记为S，S应满足以下要求：当D≤10m时，S≥1.2m²；当10m＜D≤16m时，S≥2.0m²。

实施例2的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，与实施例1的区别在于，实施例2中，如图4和图5所示，通风单元为局部风机14，局部风机14布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，局部风机14的出风口经局部风机导风管15与空气层3相通，控制单元包括局部风机控制器16，局部风机14的启闭由局部风机控制器16控制，局部风机控制器16控制经局部风机连接线17与局部风机14相连，局部风机控制器16经传输线19与洞外气象站温度计4相连；局部风机14的数量为多组，多组局部风机沿隧道的长度方向以100～200m的间隔布设，每组局部风机包括沿隧道的周向间隔布设的4台局部风机14，如图5所示。为了保证能够提供足够的风量将离壁式保温结构1与衬砌2之间的空气层3内原有空气排出，当隧道的当量直径D不超过10m时，每台局部风机14的口径不小于600mm；当隧道的当量直径D超过10m且不超过16m时，每台局部风机14的口径不小于800mm。

以上实施例1和实施例2中，温度数据处理器5采用外购的常规PLC控制器，通风罩控制器7采用外购的常规开关控制器，局部风机控制器16采用外购的常规风机控制器，通风罩导风管10采用预制钢套保温管。

以上实施例1和实施例2是两套不完全相同的技术方案，彼此独立，在实际应用于中，可根据各隧道不同的气候环境及工程措施等进行比选。

Claims (10)

1.寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，其特征在于，包括保温层通风系统和温度数据采集分析系统；所述的保温层通风系统包括通风单元和控制单元，所述的通风单元和控制单元分别安装于隧道内离壁式保温结构的内壁，所述的通风单元和控制单元布置于隧道建筑限界之外，所述的通风单元用于根据所述的控制单元的指令向离壁式保温结构与衬砌之间形成的空气层输送暖空气以提高空气层的温度，从而在隧道衬砌和围岩中储蓄热量；所述的温度数据采集分析系统包括洞外气象站温度计和温度数据处理器，所述的温度数据处理器安装于离壁式保温结构的内壁，所述的洞外气象站温度计布置在隧道洞口外，所述的洞外气象站温度计用于采集隧道洞口外的气温数据并将采集的气温数据传送给所述的温度数据处理器，所述的温度数据处理器用于处理气温数据、根据设定的启动温度值判断气温高低并将判断结果以指令的形式发送给所述的控制单元，由所述的控制单元控制所述的通风单元的启闭。

2.根据权利要求1所述的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，其特征在于，所述的洞外气象站温度计布置在离隧道洞口100m范围内。

3.根据权利要求1所述的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，其特征在于，所述的通风单元为通风罩，所述的通风罩布置于隧道建筑限界之外，所述的通风罩的入风口朝向隧道内通风机的出风口，所述的通风罩的出风口经通风罩导风管与所述的空气层相通，所述的控制单元包括通风罩控制器和通风罩开关，所述的通风罩的出风口处安装有启闭门，所述的启闭门的启闭由所述的通风罩开关控制。

4.根据权利要求3所述的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，其特征在于，所述的通风罩包括罩体、宽口端和窄口端，所述的宽口端和所述的窄口端分别设置在所述的罩体的两侧，所述的宽口端为所述的通风罩的入风口，所述的窄口端为所述的通风罩的出风口，所述的启闭门安装于所述的窄口端。

5.根据权利要求3或4所述的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，其特征在于，所述的通风罩由钢结构制作而成，所述的通风罩的外侧设置有保温单元。

6.根据权利要求3或4所述的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，其特征在于，所述的通风罩的数量为多组，多组通风罩沿隧道的长度方向以100～200m的间隔布设，每组通风罩包括沿隧道的周向间隔布设的多个通风罩。

7.根据权利要求1所述的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，其特征在于，所述的通风单元为局部风机，所述的局部风机布置于隧道建筑限界之外，所述的局部风机的出风口经局部风机导风管与所述的空气层相通，所述的控制单元包括局部风机控制器，所述的局部风机的启闭由所述的局部风机控制器控制。

8.根据权利要求7所述的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置，其特征在于，所述的局部风机的数量为多组，多组局部风机沿隧道的长度方向以100～200m的间隔布设，每组局部风机包括沿隧道的周向间隔布设的多台局部风机。

9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的装置实施的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控方法，其特征在于，寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控装置安装搭建完成后，在温度数据处理器上设定通风单元的启动温度值，当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值时，温度数据处理器向控制单元发出开启指令，由控制单元控制通风单元开启；当隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值时，温度数据处理器向控制单元发出关闭指令，由控制单元控制通风单元关闭。

10.根据权利要求9所述的寒区隧道离壁式保温结构的正积温通风调控方法，其特征在于，将隧道的当量直径记为D，将通风单元的横向通风面积记为S，S满足以下要求：当D≤10m时，S≥1.2m²；当10m＜D≤16m时，S≥2.0m²。

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