CN115029978B - 一种空心桩冻土路基空间弥散式通风管道系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种空心桩冻土路基空间弥散式通风管道系统及施工方法，包括横纵相交的水平通风管，与水平通风管相交的竖向空心管桩，横向通风管两端设置有空气抽吸设备及自动温控风门；竖向空心管桩内部和预制通风管节内部设置搅拌叶片；水平通风管之间铺设块石，水平通风管与块石上部铺设保温板。本发明将冷空气由进风口主动引入，经过横向通风管带动搅拌叶片的转动，加强竖向薄壁空心桩空气交换，经过内部管网的循环后由出风口排出，实现对路基下部土体进行平面式降温，有效解决多年冻土区冻土路基由下部冻土融化、上限下降、不均匀沉降、路基通风效率低、容易受堵塞失效等引起路基灾害问题，确保道路工程运行的长期稳定性。

Description

一种空心桩冻土路基空间弥散式通风管道系统及施工方法

技术领域

本发明涉及多年冻土路基维护领域，尤其涉及一种空心桩冻土路基空间弥散式通风管道系统及施工方法。

背景技术

我国是世界第三大冻土国家，超过国土面积22％的地区分布着不同厚度的多年冻土层。近年来，随着公路建设的不断发展，这些地区公路里程不断增加，由于黑色路面吸热造成的该地区路基、路面病害问题日渐突出。

通过采用保护冻土工程措施，主动冷却冻土基础，是保证冻土工程长期安全运营、稳定的关键途径。在这些措施中，有效调控冻土工程的对流换热措施，是一种保护冻土基础重要的工程措施。该类措施通过有效促进冬季、或夜晚低温环境条件下基础与外界环境的换热过程，有效抑制暖季、或白天高温环境条件下基础的换热过程，由此达到冷能在路基内部不断存储、冻土地温的不断降低、基础稳定性不断增强的目的。

在道路路基内部设置通风管，使得路基内部与周围环境空气之间产生对流换热作用，及时将路基吸收的热量及时散出，由此达到降温的目的。因此，通风路基是多年冻土区保护冻土的一种重要工程措施。但是，由于结构型式的不同、通风管管壁换热性能的不同都将对路基的整体换热效能产生重要影响.由此，其就成为诸多技术关注和研发的重点.虽然相关技术具有一定的新颖性，但在实际应用中尚存在不同问题，仍需要进行研发。现有技术存在的问题主要为:

虽然在路基下方间隔布置了通风管，在通风管之上设置保温材料，能够起一定的保冷、隔热作用，但是该调控路基对下部土体降温方式仍为垂直路基的间隔、线式降温模式，不仅会引起多年冻土上限、地温场沿公路走向的起伏、不均匀变化，并导致路基开裂等潜在工程病害，且降温效果难以满足实际工程的需要。

因此，为满足多年冻土区修筑高速公路的实际工程需要，面对地温整体、均匀、有效调控的特殊要求，不断进行技术创新、进步，是解决工程难题的关键途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种空心桩冻土路基空间弥散式通风管道系统及施工方法，在冬季最大限度的引入外界冷量对下部多年冻土进行整体、平面式降温，在暖季关闭管口，避免外界热空气进入路基，设置多重隔热部位，保持下部冻土的稳定性。

本发明所采用的技术方案是：

一种空心桩冻土路基空间弥散式通风管道系统，包括竖向薄壁通风管桩、横向通风管、纵向通风管、保温板、太阳能板以及太阳能充电、蓄电设备；

每一层通风管网由多个纵向通风管、多个横向通风管纵横交错分布，并相互连通；每一个通风管相交的节点处设有预制通风管节；纵向通风管、横向通风管为水平通风管；

上一层的通风管网中的预制通风管节为上部预制通风管节，下一层的通风管网中的预制通风管节为下部预制通风管节；

上部预制通风管节与下部预制通风管节之间通过竖向连接管连接；

所述竖向薄壁通风管桩连接在下部预制通风管节下方，竖向薄壁通风管桩内设置有搅拌叶片，所述搅拌叶片和下部预制通风管节、竖向连接管以及上部预制通风管节内部的搅拌叶片嵌合；竖向薄壁通风管桩延伸到多年冻土层附近。

所述搅拌叶片的材料选用纤维增强塑料(FRP)。

所述横向通风管两端分别为进风口和出风口，进风口和出风口均为180°U形管形状；进风口和出风口处竖直向下，形状设置为圆台形；进风口和出风口设有空气抽吸设备和自动温控风门；

所述纵向通风管端部设置有外置堵头；

所述通风管网上方设有保温板、太阳能板。

所述预制通风管节通过管箍或预留螺纹孔相连接；

所述预制通风管节与通风管相连接的部位设置有密封胶圈；

所述太阳能充电、蓄电设备布设在进风口、出风口附近。

所述横向通风管、纵向通风管和竖向连接管均由多节短管组成，为PVC管、混凝土管或钢管。

所述纵向通风管、横向通风管的内径为0.3～0.8m，管壁厚度不小于1.2mm；

所述竖向薄壁通风管桩的内径是0.4～0.8m，管壁厚度不小于1.2mm；

所述进风口和出风口伸出路基长度为0.8m；

所述的一种空心桩冻土路基空间弥散式通风管道系统的施工方法，由以下步骤实现：

S1、当路基填筑至天然地表以上0.5～1.5m时，开始在路基顶面开槽，预留桩孔，水平通风管的内径为0.3～0.8m，竖向薄壁通风管桩的内径是0.4～0.8m；

S2、沿开好的横槽、纵槽、桩孔进行布管，PVC管件由预制好的接头进行连接，管道连接部位设置有密封垫圈；

S3、横向通风管布设间距为1.5m，纵向通风管距离边坡坡脚lm，布设间距为1～1.5m，进风口和出风口伸出路基长度为0.8m；

S4、纵向通风管两端管口设置外堵头，将系统封闭；

S5、上下两层通风管网的间距为1～1.5m；

S6、在横向通风管和纵向通风管之间的矩形区域，设置块石或块碎石，其厚度与水平通风管的外径相一致；

S7、保温板是指聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或者几种组合，其厚度为10～50cm，其埋设位置距水平通风管顶部0.0～1.0m；

S8、上层通风管网上方覆盖50cm填土，山压路机静压遍后方可开震动碾压；

S9、竖向薄壁通风管桩和竖向连接管设置有搅拌叶片，竖向薄壁通风管桩延伸到多年冻土层附近。

S10、进风口和出风口安装空气抽吸设备及自动温控风门，并布设太阳能充电、蓄电设备。

S11、自动温控风门的温度控制阈范围为-5℃～5℃。自动温控风门根据环境气温和时间变化，自动开启、或关闭，高于温度控制阈值风门关闭，低于温度控制阈值风门开启。当风门开启时抽吸气设备开始工作，当风门关闭时，抽吸气设备停止工作。

S12、路基边坡上部设置有太阳能板，上部太阳能板有效吸收太阳对路基的热辐射，所述太阳能板、太阳能充电、蓄电设备和空气抽吸设备以及自动温控风门通过导线进行连接；将太阳能转化为电能传输到充电、蓄电设备中，对空气抽吸设备及自动温控风门进行供电。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、平面、整体式新型降温方式的实现。

通常的通风管路基降温方式是沿着通风管对周围土体进行线式降温，这样在路基走向上表现出较不平整的地温分布，容易出现路面波浪起伏问题。而本发明由于横向通风管、纵向通风管以及竖向连接管的交错布置，使得外界冷量能比较均匀地扩散到路基内部，使得路基的降温可以平面、整体进行，根本解决公路、特别是高速公路整体、均匀降温的关键技术难题。

2、降温效能的大幅提高。

由于竖向薄壁通风管桩深入至冻土层附近，较水平管道的热传导降温，这种方式对下部冻土的散热更直接，且竖向薄壁通风管桩与接头内部设置了叶片装置，能够增大管道系统内的对流，加强散热，降温效能在很大程度上得以提高；同时由于暖季风门的关闭，以及太阳能板，保温板，通风管的多层隔热效能，都使得暖季的热量难以进入路基的内部，冬季储藏的冷能得到最大程度保护。因此，通过冬季降温、暖季隔热双重效能的提升和组合，可以大幅提升本发明的降温效能。

3、路基稳定性的大幅增加。

以往工程措施作用下的次生工程病害主要来源于地温场，特别是0℃等值线的平整性、均匀性。因此，对于高等级公路，降温过程中0℃等值线变化过程的平整性、均匀性直接影响冻土路基工程的稳定性。由于本发明降温、隔热的双重平整性，都使得地温场的平稳性大幅提高。同时由于降温效能的提升、冻土基础强度相应增强，都使得路基稳定性大幅增加。

4、工程结构简单、有效缩短施工周期。

与块石路基、或块石与通风管复合等工程措施相比，本发明仅为通风管、块石层单一层面的工程建材的铺设，所需要的管件都可进行预制，其上层的保温材料铺设也相对简便，这些都使得工程建设周期大幅缩短。

5、有效降低工程建设成本。

由于青藏高原脆弱生态环境的限制，所需块石需要单独开采、长距离运输，材料成本在整个工程中的占比很大。由于本发明大量缩减石材的使用，增加的通风管、保温材料、风门的成本相对低廉，因此，可有效降低工程建设的综合成本。

附图说明

图1是本发明的剖面图结构示意图；

图2是本发明的平面结构示意图；

图3是本发明的管道系统空间视图；

图4是本发明的下预制通风管节空间视图；

图5是本发明的上预制通风管节空间视图；

图6是本发明的下预制通风管节内部视图；

图7是本发明竖向连接管内视图；

图8是本发明竖向薄壁通风管桩内部视图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

如图1、图2所示的一种空心桩冻土路基空间弥散式通风管道系统，包括竖向薄壁通风管桩1、横向通风管4、纵向通风管3、保温板7、太阳能板8以及太阳能充电、蓄电设备；

如图3所示，每一层通风管网由多个纵向通风管3、多个横向通风管4纵横交错分布，并相互连通；每一个通风管相交的节点处设有预制通风管节；纵向通风管3、横向通风管4 为水平通风管；横向通风管4沿垂直路基9走向设置。

上一层的通风管网中的预制通风管节为上部预制通风管节6，下一层的通风管网中的预制通风管节为下部预制通风管节2；如图4和图5所示。

上部预制通风管节6与下部预制通风管节2之间通过竖向连接管5连接；

所述竖向薄壁通风管桩1连接在下部预制通风管节2下方，竖向薄壁通风管桩1内设置有第一搅拌叶片11，所述第一搅拌叶片11和下部预制通风管节2内第二搅拌叶片21、竖向连接管5内的第三搅拌叶片51以及上部预制通风管节6内部的第四搅拌叶片嵌合；如图6、图7和图8所示。

所述搅拌叶片的材料选用纤维增强塑料(FRP)，质量轻，强度高，易加工，当空气抽吸设备启动时，能够比较轻易地进行转动，加强内部对流，使外界冷空气更均匀地扩散到管网系统中，更均匀地对路基进行整体降温，更直接地对下部冻土进行交换散热。

所述横向通风管4两端分别为进风口42和出风口43，进风口42和出风口43均为180°U 形管形状；进风口42和出风口43设有空气抽吸设备41和自动温控风门44；

所述纵向通风管3端部设置有外置堵头；

所述通风管网上方设有保温板7、太阳能板8。

施工时：

S1、当路基9填筑至天然地表以上0.5～1.5m时，开始在路基9顶面开槽，预留桩孔，水平通风管的内径为0.3～0.8m，竖向薄壁通风管桩1的内径是0.4～0.8m；

S2、沿开好的横槽、纵槽、桩孔进行布管，PVC管件由预制好的接头进行连接，管道连接部位设置有密封垫圈；

S3、横向通风管4布设间距为1.5m，纵向通风管3距离边坡坡脚lm，布设间距为1～1.5m，进风口42和出风口43伸出路基9长度为0.8m；

S4、纵向通风管3两端管口设置外堵头，将系统封闭；

S5、上下两层通风管网的间距为1～1.5m；

S6、在横向通风管4和纵向通风管3之间的矩形区域，设置块石或块碎石，其厚度与水平通风管的外径相一致；

S7、保温板7是指聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或者几种组合，其厚度为10～50cm，其埋设位置距水平通风管顶部0.0～1.0m；

S8、上层通风管网上方覆盖50cm填土，山压路机静压遍后方可开震动碾压；

S9、竖向薄壁通风管桩1和竖向连接管5设置有搅拌叶片，竖向薄壁通风管桩1延伸到多年冻土层附近。

S10、进风口42和出风口43安装空气抽吸设备41及自动温控风门44，并布设太阳能充电、蓄电设备。

S11、自动温控风门44的温度控制阈范围为-5℃～5℃。自动温控风门44根据环境气温和时间变化，自动开启、或关闭，高于温度控制阈值风门关闭，低于温度控制阈值风门开启。当风门开启时抽吸气设备开始工作，当风门关闭时，抽吸气设备停止工作。

S12、路基9边坡上部设置有太阳能板8，上部太阳能板8有效吸收太阳对路基9的热辐射，将太阳能转化成电能存储在蓄电设备中，对空气抽吸设备41及自动温控风门44进行供电。

本发明的工作原理：

这种设有通风管、保温板7的通风路基9从对流和热传导两方面进行综合调控，其工作过程为：

冬季和夏季夜间低温环境下，横向通风管4的进口和出口处的自动控温风门自动打开，抽气和吸气设备启动，将冷空气通过预设管道引入路基9体内，在接头处，外界进入的空气会带动接头和竖向薄壁通风管桩1内叶片的转动，加强对流，将冻土层的热空气带出，从而达到降低路基9温度、保持冻土层稳定性的效果。且由于管道纵横交错，冷空气在管道系统中进行扩散，实现对路基9呈现整体、平面式降温的效果，且由直接竖向深入冻土层附近的管道，降温效果较水平管道的热传导降温更直接，效果更明显。

夏季高温环境条件下，上部太阳能板8有效吸收太阳对路基9的热辐射，太阳能板8与路基9之间的缝隙可以增加空气自然对流，对路基9进行降温。黑色路面吸收的热量保温板 7可有效阻止热量进行下传，横向通风管4的自动温控风门44自动关闭，阻止外界热空气进入，通风管内的空气形成双层空气层，由于空气热传导能力较差，可有效阻止上部热量的下渗。

Claims (2)

1.一种空心桩冻土路基空间弥散式通风管道系统，其特征在于：包括竖向薄壁通风管桩（1）、横向通风管（4）、纵向通风管（3）、保温板（7）、太阳能板（8）以及太阳能充电、蓄电设备；

每一层通风管网由多个纵向通风管（3）、多个横向通风管（4）纵横交错分布，并相互连通；每一个通风管相交的节点处设有预制通风管节；纵向通风管（3）、横向通风管（4）为水平通风管；

上一层的通风管网中的预制通风管节为上部预制通风管节（6），下一层的通风管网中的预制通风管节为下部预制通风管节（2）；

上部预制通风管节（6）与下部预制通风管节（2）之间通过竖向连接管（5）连接；

所述竖向薄壁通风管桩（1）连接在下部预制通风管节（2）下方，竖向薄壁通风管桩（1）内设置有搅拌叶片，所述搅拌叶片和下部预制通风管节（2）、竖向连接管（5）以及上部预制通风管节（6）内部的搅拌叶片嵌合；

所述横向通风管（4）两端分别为进风口（42）和出风口（43），进风口（42）和出风口（43）均为180°U形管形状；进风口（42）和出风口（43）设有空气抽吸设备（41）和自动温控风门（44）；

所述纵向通风管（3）端部设置有外置堵头；

通风管网上方设有保温板（7）、太阳能板（8）；

所述横向通风管（4）、纵向通风管（3）和竖向连接管（5）均由多节短管组成，为PVC管、混凝土管或钢管；

所述纵向通风管（3）、横向通风管（4）的内径为0.3~0.8m，管壁厚度不小于1.2mm；

所述竖向薄壁通风管桩（1）的内径是0.4~0.8m，管壁厚度不小于1.2mm；

所述进风口（42）和出风口（43）伸出路基（9）长度为0.8m。

2.根据权利要求1所述的一种空心桩冻土路基空间弥散式通风管道系统的施工方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

S1、当路基（9）填筑至天然地表以上0.5~1.5m时，开始在路基（9）顶面开槽，预留桩孔，水平通风管的内径为0.3~0.8m，竖向薄壁通风管桩（1）的内径是0.4~0.8m；

S2、沿开好的横槽、纵槽、桩孔进行布管，PVC管件由预制好的接头进行连接，管道连接部位设置有密封垫圈；

S3、横向通风管（4）布设间距为1.5m，纵向通风管（3）距离边坡坡脚lm，布设间距为1~1.5m，进风口（42）和出风口（43）伸出路基（9）长度为0.8m；

S4、纵向通风管（3）两端管口设置外堵头，将系统封闭；

S5、上下两层通风管网的间距为1~1.5m；

S6、在横向通风管（4）和纵向通风管（3）之间的矩形区域，设置块石或块碎石，其厚度与水平通风管的外径相一致；

S7、保温板（7）是指聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或者几种组合，其厚度为10~50cm，其埋设位置距水平通风管顶部0.0~1.0m；

S8、上层通风管网上方覆盖50cm填土，山压路机静压遍后方可开震动碾压；

S9、竖向薄壁通风管桩（1）和竖向连接管（5）设置有搅拌叶片，竖向薄壁通风管桩（1）延伸到多年冻土层附近；

S10、进风口（42）和出风口（43）安装空气抽吸设备（41）及自动温控风门（44），并布设太阳能充电、蓄电设备；

S11、自动温控风门（44）的温度控制阈范围为-5℃~5℃；自动温控风门（44）根据环境气温和时间变化，自动开启、或关闭，高于温度控制阈值风门关闭，低于温度控制阈值风门开启；当风门开启时抽吸气设备开始工作，当风门关闭时，抽吸气设备停止工作；

S12、路基（9）边坡上部设置有太阳能板（8），上部太阳能板（8）有效吸收太阳对路基（9）的热辐射，将太阳能转化成电能存储在蓄电设备中，对空气抽吸设备（41）进行供电；

所述太阳能板（8）、太阳能充电、蓄电设备和空气抽吸设备（41）以及自动温控风门（44）通过导线进行连接。