CN113982670A - 基于形状记忆合金的新型隧道结构 - Google Patents

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宋程鹏
黎心海
于德涌
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李建雨
曲长余
康福禄
张世坤
张玉桥
杨旭东
余海波
章新生
赵晓明
张红星
王峥峥
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Dalian University of Technology
China Tiesiju Civil Engineering Group Co Ltd CTCE Group
Shenzhen Municipal Design and Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，包括记忆合金管片，所述记忆合金管片包括记忆合金排烟管，所述记忆合金排烟管为双程记忆合金，其常温状态下为实心结构，高温状态下为纵向伸长的空心管状结构。通过本申请火灾应急盾构管片大大改善火灾情况下隧道内部的恶劣状态，有利于火灾的及时扑救和隧道内人员的及时疏散，降低隧道结构破坏的风险，节省隧道运营投资，从隧道内部火灾严重性的根源解决问题，适合大规模推广。

Description

基于形状记忆合金的新型隧道结构
技术领域
本发明涉及地下工程技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金的新型隧道结构。
背景技术
随着盾构隧道技术的成熟，盾构隧道迅速发展，已经占据了隧道施工建设的主要地位，隧道的需求量也正在不断增加。但是隧道在投入使用的过程中，也存在很多问题，在高寒低温地区往往由于冻胀引起隧道管片变形，最终导致隧道承重能力减弱，减短其使用寿命。对于高温环境，尤其是对于防火应急措施一直都是隧道运营过程中需要面对的难题。
隧道火灾不同于地面建筑火灾情况，隧道具有更高的密闭性，内部含氧量低，在发生火灾时，导致其燃烧物无法充分燃烧，产生大量不完全燃烧产物，进而产生大量有毒烟雾和气体，这些有毒烟雾在隧道封闭的空间内迅速聚集，并且温度快速升高；在这种状态下，隧道内部的环境将会变得十分恶劣，往往造成火灾无法及时扑救，长时间高温又会导致隧道衬砌管片变形破坏，承重结构一旦破坏，隧道将会有局部坍塌的风险，造成人民生命和财产的损失，同时也为隧道运营造成难以估量的损失。
现今对于隧道火灾的防范处理措施主要有以下几点：一、采用耐高温混凝土材料；二、对隧道不同区间设置防火隔离；三、完善安全疏散设计和消防报警设计；四、设置自然通风口和排烟风机。但是这些防范处理措施效果并不显著，所以重新寻找一种隧道防火应急措施将具有重要意义。
发明内容
本发明目的是提供一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，其在高寒低温环境下能稳固减小由于冻胀引起的隧道变形，当隧道内出现火灾时，可以自动将隧道内产生的烟雾和有毒气体排出，进而避免承重结构被破坏。
为了实现上述目的，本申请提供一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，包括记忆合金管片，所述记忆合金管片包括记忆合金排烟管，所述记忆合金排烟管为双程记忆合金，其常温状态下为实心结构，高温状态下为纵向伸长的空心管状结构。
进一步的，所述记忆合金管片还包括混凝土管片，多个所述混凝土管片拼接在一起形成隧道内壁。
进一步的，多排所述记忆合金排烟管呈弧形贯通设置在混凝土管片上。
进一步的，还包括排烟装置，所述排烟装置包括集烟管和地埋排烟烟囱，每个所述记忆合金排烟管均连接至对应的集烟管上，所述集烟管设置在隧道内壁上方且与地埋排烟烟囱相连。
进一步的，所述记忆合金排烟管的数量和管径根据下式进行设定：
Figure BDA0003285160030000021
S为排烟口面积(m),Q为排烟量(m3/h),v为风速(m/s)；根据排烟口面积决定每根记忆合金排烟管的管径以及数量。
更进一步的，所述地埋排烟烟囱露出地面头部位置装有风机，将隧道内烟雾和有毒气体抽出排放。
更进一步的，位于隧道拱顶的混凝土管片中呈径向设有多排记忆合金排烟管。
作为更进一步的，处于隧道同一纵切面的记忆合金排烟管连接至同一个集烟管上。
作为更进一步的，所述混凝土管片采用耐高温混凝土管片。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本申请能够有效安全的将隧道内部的大量烟雾和有毒气体排出，减小甚至避免烟雾和气体在隧道内聚集，并且通过记忆合金的导热性能将隧道内部的热量导向隧道外。通过本申请火灾应急盾构管片大大改善火灾情况下隧道内部的恶劣状态，有利于火灾的及时扑救和隧道内人员的及时疏散，降低隧道结构破坏的风险，节省隧道运营投资，从隧道内部火灾严重性的根源解决问题，适合大规模推广。
附图说明
图1为新型隧道结构纵切面结构示意图；
图2为其中一排排烟装置的分布图；
图中序号说明：1、地表排烟头；2风机；3、排烟口；4、地埋排烟烟囱；5、集烟管；6、记忆合金排烟管；7、混凝土管片；8、盾构隧道。
具体实施方式
本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1
如图1-2所示，本实施例提供一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，包括记忆合金管片和排烟装置；所述记忆合金管片包括记忆合金排烟管6和混凝土管片7；所述记忆合金排烟管6沿隧道径向方向设置在混凝土管片7中，当烟雾和有毒气体上浮到隧道顶部，通过所述记忆合金排烟管6排到外部。所述排烟装置包括集烟管和地埋排烟烟囱4。所述集烟管5紧挨着安装在混凝土管片7上方(隧道外表)，并与记忆合金排烟管6连接，常温时记忆合金为实心，集烟管5与隧道不连通。当隧道内发生火灾，温度上升使得记忆合金排烟管6变成空心管状结构与集烟管5连通，所述集烟管5再与地埋排烟烟囱4相连，进而实现隧道内部与地面的连通；所述地埋排烟烟囱4露出地面的端部设有地表排烟头1，设置地表排烟头具有防雨水倒灌，防泥沙石块进入的能力，地表排烟头1下方为多个排烟口，所述地表排烟头1内安装有风机2，能将管内的气体往外部抽送，风机的型号根据所需要的风速确定。通过上述结构共同实现将盾构隧道8内的烟雾和有毒气体及时排出，避免隧道内救援环境恶化或改善隧道内救援环境。
所述记忆合金排烟管为双程记忆合金，常温状态(低于40°)下为实心结构，高温状态(高于200°)下为纵向伸长的空心管状结构。使用前在高温状态下将记忆合金做成管状结构，然后在常温状态下让其变成直径相同的实心管状。这样双程记忆合金就能记忆高温和常温两种状态下的形状，当外界温度到达两种极限温度(变态温度)时，记忆合金自动记忆并且恢复该温度下的形状。
将盾构隧道的拱顶位置都设置为记忆合金管片，其记忆合金排烟管沿隧道切向布置，并且每排记忆合金排烟管沿着隧道径向方向设置，其内部端处于隧道内部空间，外部端与集烟管相连，处于集烟管内部。
优选的，通过公式
Figure BDA0003285160030000051
获得记忆合金排烟管的数量和管径，是为了使得建设过程更经济，设计时需要隧道到达多大的排烟量，确定风机的功率后就能知道记忆合金排烟管需要的总横截面，也就能定量的确定需要设置多少根记忆合金排烟管。
高寒低温地区，往往由于隧道裂缝处产生冻胀而引起隧道变形，在本申请盾构隧道8结构中，低温环境下形状记忆合金排烟管6为实心状态，并且隧道和排烟装置通过记忆合金排烟管6连接在一起，通过排烟装置可以对隧道结构进行稳固，减小隧道变形量。
当隧道内发生火灾时，由于隧道内封闭的空间和较低的含氧量，产生大量的未完全燃烧产物，同时产生大量的烟雾和有毒气体，这些烟雾和有毒气体在隧道封闭的空间内聚集，使得隧道内的温度逐渐升高，当达到记忆合金排烟管6高温状态时，混凝土管片内实心的记忆合金排烟管变化成纵向伸长的空心管，使得隧道内空间与隧道外的集烟管5连通，并且通过地埋排烟烟囱4连通地表；隧道内烟雾和有毒气体通过拱顶的记忆合金排烟管6流向集烟管5，同时地表排烟头1内的风机2启动进行抽排，将集烟管5内的烟雾和有毒气体排向地表。并且由于混凝土的导热性很差，隧道内的热量将通过记忆合金排烟管6向隧道外疏散，经过一段时间的烟雾排放和热量疏散，使得隧道内部火灾部分状况得以改善，有助于隧道内火灾的扑救；当火灾完全扑救后，火灾区温度逐渐降低至常温状态时，记忆合金排烟管6恢复常温时的实心状态，将隧道内部与集烟管5空间隔断，避免杂物从集烟管5进入隧道内。该装置的实现过程简单方便，经济有效，对于隧道内火灾的应急具有显著的作用，实现有效快速自动处理火灾现场，保证隧道安全的目的。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，其特征在于，包括记忆合金管片，所述记忆合金管片包括记忆合金排烟管，所述记忆合金排烟管为双程记忆合金，其常温状态下为实心结构，高温状态下为纵向伸长的空心管状结构。
2.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，其特征在于，所述记忆合金管片还包括混凝土管片，多个所述混凝土管片拼接在一起形成隧道内壁。
3.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，其特征在于，多排所述记忆合金排烟管呈弧形贯通设置在混凝土管片上。
4.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，其特征在于，还包括排烟装置，所述排烟装置包括集烟管和地埋排烟烟囱，每个所述记忆合金排烟管均连接至对应的集烟管上，所述集烟管设置在隧道内壁上方且与地埋排烟烟囱相连。
5.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，其特征在于，所述记忆合金排烟管的数量和管径根据下式进行设定：
Figure FDA0003285160020000011
S为排烟口面积(m),Q为排烟量(m3/h),
Figure FDA0003285160020000012
为风速(m/s)；根据排烟口面积决定每根记忆合金排烟管的管径以及数量。
6.根据权利要求4所述一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，其特征在于，所述地埋排烟烟囱露出地面头部位置装有风机，将隧道内烟雾和有毒气体抽出排放。
7.根据权利要求2所述一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，其特征在于，位于隧道拱顶的混凝土管片中呈径向设有多排记忆合金排烟管。
8.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，其特征在于，处于隧道同一纵切面的记忆合金排烟管连接至同一个集烟管上。
9.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金的新型隧道结构，其特征在于，所述混凝土管片采用耐高温混凝土管片。
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