CN115095375A - 一种寒区高速铁路隧道口泄压组合式风幕隔冷装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道冻害防治相关技术领域，并公开了一种寒区高速铁路隧道口泄压组合式风幕隔冷装置，其包括风幕进风口、风幕风道、风幕出风口和风幕风机，并通过将隧道泄压缓冲孔在隧道内侧的开口与风幕进风口相结合，同时依靠风幕风机的可操控开闭来执行不同的工作模式：其中譬如当夜间列车通过较少时，开启风幕风机来抽吸和增压气流，从而形成隔冷风幕；而譬如当日间列车通过较多时，关闭风幕风机，进入风幕风道的气流在列车驶入隧道所产生的活塞流气压作用下自动喷出，从而形成隔冷风幕。本发明还公开了相应的方法。通过本发明，能够更有效地解决现有寒区高速铁路隧道冻害问题，同时具备结构紧凑、高效节能、便于操控和环境适应性好等优点。

Description

一种寒区高速铁路隧道口泄压组合式风幕隔冷装置及方法

技术领域

本发明属于隧道冻害防治相关技术领域，更具体地，涉及一种寒区高速铁路隧道口泄压组合式风幕隔冷装置及方法。

背景技术

世界各国均由修建于寒区的铁路隧道，这些寒区隧道受外部环境影响，或多或少出现了冻害问题。根据相关资料统计，建设于寒区的铁路隧道半数以上发生了不同程度的冻害，其中部分隧道冻害程度较为严重。近年来，这些日益突出的寒区隧道冻害问题逐渐引起重视。

具体而言，寒区隧道口冷空气流入隧道后会造成隧道衬砌降温，埋于隧道衬砌后的排水管道会发生冻结破坏，导致隧道内的水无法顺利排出。水结冰引起衬砌开裂及挂冰、路面结冰等一系列的冻害问题，既对隧道结构造成严重破坏，也给铁路运营埋下重大安全隐患。

针对以上隧道口冻害问题，以往已采取了许多治理方法，如铺设保温层、加电热板等，但效果仍然有限。近年来，我国在寒区建设的铁路隧道逐年增多，大量高速铁路投入运营，相应亟需解决寒区高速铁路隧道口的冻害问题。专利检索发现，现有技术已经提出了少量采用风幕来防止隧道口冻害的方案。例如，CN202011242580.7提出了一种隧道高压风幕实验装置、方法和系统，CN201710333747.2公开了一种隧道横洞独立加压送风系统以及送风方法，CN201810171427.6提出了一种寒区高速铁路隧道空气幕试验装置及试验方法，等等。

然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍然存在以下的缺陷或不足：首先，现有类风幕形式均仅能实现简单的空气隔绝或烟雾隔绝功能，对寒区高铁隧道自身的工作特点考虑不足，例如当日间高速列车通过频率较高时，若开启风幕则对列车运行及泄压孔布置有影响，若关闭风幕则随频繁通过的列车进入隧道的冷空气将无法有效阻隔，传统形式的风幕处于两难境地；其次，现有类风幕形式通常耗能偏大，且对寒区恶劣环境的复杂影响因素考虑不足，实际工作上容易出现故障，安装施工及操控不便，并导致最终的隔冷效果不佳。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或需求，本发明的目的在于提供一种寒区高速铁路隧道口泄压组合式风幕隔冷装置及方法，其中通过对整个装置的构造组成重新进行设计，同时围绕一些关键模块的具体结构特别是风幕隔冷装置的工作机理等多方面进行针对性改进，相应能够更加有效地解决现有寒区高速铁路隧道冻害问题，同时具备结构紧凑、高效节能、便于操控和环境适应性好等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种寒区高速铁路隧道口泄压组合式风幕隔冷装置，其特征在于，该装置成对布置在隧道口的两侧，并包括风幕进风口、风幕风道、风幕出风口和风幕风机，其中：

所述风幕进风口利用贯穿隧道混凝土壁的泄压缓冲孔的隧道内侧开口而构成，用于将隧道内的空气导入后分为两路气流，其中一路气流进入所述风幕风道，另外一路气流经由所述泄压缓冲孔流向隧道外；

所述风幕风道开设在隧道混凝土壁中，它的一端与所述风幕进风口相连通，另外一端与设置在隧道口处的所述风幕出风口相连通；

所述风幕风机安装在所述风幕风道的内部且可操控地开启或关闭，其中当该风幕风机被开启时，进入所述风幕风道的气流被抽吸和增压，然后经由所述风幕出风口喷出以在隧道口形成隔冷风幕；而当该风幕风机被关闭时，进入所述风幕风道的气流在高速列车驶入隧道所产生的活塞流气压作用下，经由所述风幕出风口自动喷出以在隧道口形成隔冷风幕。

作为进一步优选地，所述泄压缓冲孔上优选设置有压差控制阀，当流入隧道内的气流超过隧道外压力且达到压差预设值时，该压差控制阀打开泄压将这部分气流导向隧道外。

作为进一步优选地，所述压差预设值优选为600Pa～2000Pa。

作为进一步优选地，所述风幕风道优选由金属材质制成，该风幕风道旁的混凝土部分在工厂预制或者在现场施工并预埋螺栓。

作为进一步优选地，所述风幕风机的风机增压值优选为600Pa～2000Pa。

作为进一步优选地，所述风幕出风口采用条缝形风口的形式，并且其主要参数指标优选设计如下：风口宽度为10cm～30cm，出风速度为20m/s～50m/s，风幕出风口略偏向隧道外方向且与其横截面呈15°～40°的角度。

作为进一步优选地，处于隧道口两侧的所述风幕进风口、风幕风道和风幕出风口均关于隧道中轴面对称布置。

作为进一步优选地，所述隧道口优选将其截面扩大为矩形，同时在其最外端面再缩小为原形状。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的风幕隔冷方法，其特征在于，所述装置被布置在寒区高速铁路的隧道口处，然后可根据不同工况分别采取不同的工作模式运行：

第一工作模式，在该模式下所述风幕风机开启，从所述风幕进风口进入所述风幕风道的气流被抽吸和增压，然后经由所述风幕出风口喷出，由此在隧道口形成隔冷风幕；

第二工作模式，在该模式下所述风幕风机关闭，从所述风幕进风口进入所述风幕风道的气流，在高速列车驶入隧道所产生的活塞流气压作用下经由所述风幕出风口自动喷出，由此在隧道口形成隔冷风幕。

作为进一步优选地，上述方法还包括第三工作模式，在该模式下所述压差控制阀打开泄压，由此将压力超过隧道外压力且达到压差预设值的一部分气流导向隧道外。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：

(1)本发明结合寒区高速铁路隧道的环境及运行特点进行考虑，在揭示寒区隧道冻害产生机理基础上，充分利用日间列车进入隧道活塞气流的能量，通过对不同工况条件设置多种工作模式，自动与电动相结合，以明显较低的能耗减少外部冷空气的流入，从而有效防治隧道冻害；

(2)本发明的风幕隔冷装置充分利用高速铁路隧道口贯穿混凝土壁的泄压缓冲孔，通过泄压孔在隧道内侧的开口与风幕进风口合二为一，使得风幕隔冷装置结构紧凑，风幕兼具冷风阻隔和泄压缓冲两种功能，操控较为方便，尤其适用于寒区高速铁路隧道口之类对象的冻害防治应用场合；

(3)本发明还对风幕隔冷装置的一些关键部件如风幕进风口、风幕风机、风幕出风口的具体结构及工作参数进行了改进，较多的室内试验及数值模拟结果表明，风幕隔冷装置在这些具体结构和工作参数下能够更好的实现对隧道截面的封闭，显著提高隧道口的综合隔冷效果。

附图说明

图1是用于示范性说明本发明的风幕隔冷装置在寒区高速铁路隧道口单侧布置的示意图；

图2是用于示范性显示按照本发明的风幕隔冷装置的结构剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-隧道混凝土壁；2-风幕进风口；3-压差控制阀；4-风幕风机；5-风幕出风口；6-风幕风道；7-泄压缓冲孔；8-气流；9-隧道中轴面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是用于示范性说明本发明的风幕隔冷装置在寒区高速铁路隧道口单侧布置的示意图。如图1所示，该装置主要包括风幕进风口2、风幕风道6、风幕出风口5和风幕风机4等组件，下面将逐一进行具体解释说明。

本发明中，风幕进风口2优选可直接由贯穿隧道混凝土壁1的泄压缓冲孔7在隧道内侧的开口而构成，并用于将隧道内的空气导入后分为两路气流，其中一路气流进入风幕风道6，另外一路气流经由泄压缓冲孔7流向隧道外。

风幕风道6开设在隧道混凝土壁1中，它的一端与风幕进风口2相连通，另外一端与设置在隧道口处的风幕出风口5相连通。此外，在风幕风道6的内部，还安装有风幕风机4，并且该风幕风机4可操控地开启或关闭。

例如，当该风幕风机4被开启时，进入风幕风道6的气流被抽吸和增压，然后经由风幕出风口5喷出，由此能够在隧道口形成隔冷风幕；而当该风幕风机4被关闭时，进入风幕风道6的气流可在高速列车驶入隧道所产生的活塞流气压作用下，经由风幕出风口5自动喷出，由此同样能够在隧道口形成隔冷风幕。

通过以上构思，正是意识到寒区高速铁路隧道口冻害的根源是外部冷空气的流入，因此本发明区别于传统风幕隔冷装置，一方面将高速铁路隧道口自身所设置的用于缓解列车通过时气流增压用途的泄压孔充分利用起来，并将其与风幕进风口合并设计，这样高速列车进入隧道时高压气流既可以通过合用风口流向隧道外，也可以通过合用风口进入风幕风道，从风幕出风口喷出形成阻隔风幕。

另一方面，本发明中还充分利用高速列车进入隧道时的活塞流动能，将泄压缓冲孔与风幕进风口合并设计，形成半电动、半自动相组合的风幕隔冷装置阻挡外部冷空气侵入隧道，以传统风幕50％左右的能耗，即可防治寒区高速铁路隧道口的冻害。

更具体地，隧道截面通常为圆冠形或马蹄形，而风幕进风口、风幕出风口都是平直的；为方便本发明的风幕隔冷装置的安装，在隧道出口段优选将截面扩大为矩形，而在最外出口端面上将截面缩小为原形状。这样风幕隔冷装置可以安装在矩形截面段两侧的竖直面上。

按照本发明的一个优选实施例，风幕隔冷装置成对布置在隧道两侧，如图1中即以隧道中轴面9为对称面，另一侧的泄压缓冲孔、风幕进风口、风幕风道，风机、风幕出风口均与该侧对称。

再次查看图1，风幕进风口2的位置既是风幕进风口，也是泄压缓冲孔进风口，是一组合用风口。空气从风幕进风口2进入后可以有两条通道，一条是进入风幕风道6，由风幕出风口5喷出，形成风幕气流，另一条则是通过泄压缓冲孔7流向隧道外。按照本发明的另一优选实施例，所述泄压缓冲孔7上优选设置有压差控制阀3，当流入隧道内的气流超过隧道外压力且达到压差预设值时，该压差控制阀3打开泄压将这部分气流导向隧道外。所述压差预设值优选为600Pa～2000Pa。

参看图2，对于风幕风道6而言，其譬如由金属材料制成，该风幕风道旁的混凝土部分可以在工厂预制，也可以在现场施工并预埋螺栓等以便后续安装。风幕风机4也在工厂中预制并安装在风道中。按照本发明的另一优选实施例，所述风幕风机的风机增压值优选为600Pa～2000Pa，该风机增压值与前述压差控制阀相当。

按照本发明的另一优选实施例，所述风幕出风口5可采用条缝形风口的形式，并且其主要参数指标优选设计如下：风口宽度为10cm～30cm，出风速度为20m/s～50m/s，风幕出风口略偏向隧道外方向且与其横截面呈15°～40°的角度。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的风幕隔冷方法，其特征在于，所述装置被布置在寒区高速铁路的隧道口处，然后可根据不同工况分别采取不同的工作模式运行：

第一工作模式，在该模式下风幕风机4开启，从风幕进风口2进入风幕风道6的气流被抽吸和增压，然后经由风幕出风口5喷出，由此在隧道口形成隔冷风幕；

第二工作模式，在该模式下风幕风机4关闭，隧道内空气在高速列车驶入隧道所产生的活塞流气压作用下，从风幕进风口2进入风幕风道6，经由风幕出风口5自动喷出，由此在隧道口形成隔冷风幕。

此外，按照本发明的另一优选实施例，上述方法还可以包括第三工作模式，在该模式下压差控制阀3打开泄压，由此将压力超过隧道外压力且达到压差预设值的一部分气流导向隧道外。

下面将具体解释说明按照本发明的工作过程。

本发明通过在隧道口设置泄压组合式高压风幕隔冷装置，将隧道口的泄压缓冲孔与风幕进风口合并设计，风幕风道中设置有风幕风机，风幕出风口譬如为条缝形喷嘴；当在风幕进风口与风幕出风口之间有一定压差时，风幕风道内会形成空气流动，在风幕出风口形成封闭气流，阻隔外部冷空气进入隧道，防治隧道口冻害。

换而言之，按照本发明的风幕隔冷装置在风幕风机作用下，抽吸合用风口处(泄压孔进风口与风幕进风口合并设计)的空气，从风幕出风口喷出高速气流，在隧道口形成封闭气幕，阻挡隧道外冷空气流入；而当停止风幕风机作用时候，可譬如利用日间高速列车引起的活塞气流，隧道内空气通过合用风口进入风幕风道，从风幕出风口喷出形成封闭气幕，从而阻挡随列车进入隧道的冷空气。

更具体地，按照本发明的风幕隔冷装置可以在通电后由风幕风机带动运行，也可以在不通电的情形下由风幕进风口处的高压气流驱动自动工作，具体举例譬如如下：夜间一般列车较少，风幕风机4接通电源，在风幕风机4带动下工作，从风幕进风口2抽吸空气，经风幕风机4增压后由风幕出风口5喷出，形成封闭气流；日间一般列车通过频率较高时，列车进入隧道时活塞气流在风幕进风口2位置产生高压，高压空气进入风幕风道6，从风幕出风口5喷出，此时风幕无需供电，高压空气直接进入风幕进风口(合用风口)，经风幕风道6从风幕出风口5喷出气流形成风幕。

综上，按照本发明的泄压组合式风幕隔冷装置整体结构紧凑、功能多样且安装及操控方便，仅依靠少量组件的操作即可顺利实现不同工作模式的切换，是一种能源高效利用、高质量的风幕隔冷手段，因而尤其适用于寒区高速铁路隧道口之类对象的冻害防治应用场合，并具备广阔的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种寒区高速铁路隧道口泄压组合式风幕隔冷装置，其特征在于，该装置成对布置在隧道口的两侧，并包括风幕进风口(2)、风幕风道(6)、风幕出风口(5)和风幕风机(4)，其中：

所述风幕进风口(2)利用贯穿隧道混凝土壁(1)的泄压缓冲孔(7)的隧道内侧开口而构成，用于将隧道内的空气导入后分为两路气流，其中一路气流进入所述风幕风道(6)，另外一路气流经由所述泄压缓冲孔(7)流向隧道外；

所述风幕风道(6)开设在隧道混凝土壁(1)中，它的一端与所述风幕进风口(2)相连通，另外一端与设置在隧道口处的所述风幕出风口(5)相连通；

所述风幕风机(4)安装在所述风幕风道(6)的内部且可操控地开启或关闭，其中当该风幕风机(4)被开启时，进入所述风幕风道(6)的气流被抽吸和增压，然后经由所述风幕出风口(5)喷出以在隧道口形成隔冷风幕；而当该风幕风机(4)被关闭时，进入所述风幕风道(6)的气流在高速列车驶入隧道所产生的活塞流气压作用下，经由所述风幕出风口(5)自动喷出以在隧道口形成隔冷风幕。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泄压缓冲孔(7)上优选设置有压差控制阀(3)，当流入隧道内的气流超过隧道外压力且达到压差预设值时，该压差控制阀(3)打开泄压将这部分气流导向隧道外。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述压差预设值优选为600Pa～2000Pa。

4.如权利要求1-3任意一项所述的装置，其特征在于，所述风幕风道(6)优选由金属材质制成，该风幕风道旁的混凝土部分在工厂预制或者在现场施工并预埋螺栓。

5.如权利要求1-4任意一项所述的装置，其特征在于，所述风幕风机(4)的风机增压值优选为600Pa～2000Pa。

6.如权利要求1-5任意一项所述的装置，其特征在于，所述风幕出风口(5)采用条缝形风口的形式，并且其主要参数指标优选设计如下：风口宽度为10cm～30cm，出风速度为20m/s～50m/s，风幕出风口略偏向隧道外方向且与其横截面呈15°～40°的角度。

7.如权利要求1-6任意一项所述的装置，其特征在于，处于隧道口两侧的所述风幕进风口(2)、风幕风道(6)和风幕出风口(5)均关于隧道中轴面对称布置。

8.如权利要求1-7任意一项所述的装置，其特征在于，所述隧道口优选将其截面扩大为矩形，同时在其最外端面再缩小为原形状。

9.一种采用如权利要求2-8任意一项所述的装置实现寒区高速铁路隧道口风幕隔冷的方法，其特征在于，所述装置被布置在寒区高速铁路的隧道口处，然后可根据不同工况分别采取不同的工作模式运行：

第一工作模式，在该模式下所述风幕风机(4)开启，从所述风幕进风口(2)进入所述风幕风道(6)的气流被抽吸和增压，然后经由所述风幕出风口(5)喷出，由此在隧道口形成隔冷风幕；

第二工作模式，在该模式下所述风幕风机(4)关闭，从所述风幕进风口(2)进入所述风幕风道(6)的气流，在高速列车驶入隧道所产生的活塞流气压作用下经由所述风幕出风口(5)自动喷出，由此在隧道口形成隔冷风幕。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，上述方法还包括第三工作模式，在该模式下所述压差控制阀(3)打开泄压，由此将压力超过隧道外压力且达到压差预设值的一部分气流导向隧道外。

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