CN116517577A - 适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统及其安装方法，其中系统包括相变混凝土支护结构和地源热泵系统两部分。相变混凝土支护结构安装于高地温段，由相变混凝土，温度传感器和温度显示器组成，其中相变传感器可对相变混凝土支护结构温度进行实时监测并在温度显示器上呈现出平均温度；地源热泵系统由水泵、主水管和若干组热交换管组成。系统运行过程中，通过相变混凝土支护结构平均温度与相变温度范围的联动反馈，来优化调节系统的运营模式，实现系统可持续性运营。本发明通过相变混凝土与地源热泵技术的结合，综合利用了相变材料的隔热储能特性和地源热泵技术的运能特性，实现了对高地温隧道的工程热害控制和地热能提取利用。

Description

适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统及其安装方法

技术领域

本发明涉及一种多功能复合的隧道支护系统，尤其是涉及一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统及其安装方法。

背景技术

修建隧道是克服高程障碍，提升交通运输效率的重要方法。随着我国中西部交通的大力发展，该地区已出现大量埋深大、里程长的隧道，其中高地温环境已成为了该类隧道建设过程中常见的、巨大的工程难题。高地温环境不仅造成施工环境恶劣，极大地降低施工效率，同时会对结构安全性造成影响，例如：在支护结构内因巨大温度变化产生的温度应力、支护材料因养护条件不达标造成的材料性能劣化等。目前，高地温隧道的隔热散热支护结构形式已经有了部分创新，如专利CN104594921A公开了一种利用管道内空气进行散热的支护结构；专利CN108561162A公开了一种利用管道内空气进行降温的结构形式；专利CN110145345A公开了一种通过横向连接管来实现洞内空气流通进而降低温度的结构形式；专利号CN109763844A公开了一种通过伸缩式隔热层来有效隔绝围岩传热的保温方法。在这些结构形式中，地热能均被视为了一种热害，因而高地温隧道中大量绿色的地热能资源被排放或浪费。

如何合理且有效地对高地温隧道中的地热能进行处理，进而既能解决高地温所带来的工程热害问题，同时又能对隧道中蕴藏的丰富的地热能资源加以利用，是值得深入思考的问题。专利CN109944626A率先进行了尝试，其公开了一种隧道相变蓄冷降温系统，通过相变能源板存储提取高温段的地热能并运送到洞口段进行融冰融雪，但是该设计无法对高温段的环境温度进行定量控制，同时降温效率也较低。

此外，目前相变混凝土房屋围护结构的隔热降能方面已经有了较多推广。该类材料利用材料相变时的巨大相变潜热可以有效地对热能进行存储进而起到隔热控温的作用。同时，该类之材料的制备技术已经相对成熟，可以根据工程需要制备出不同组合的相变范围与相变起始温度，如CN112408904A公开的一种具有相变储热功能的混凝土材料及制备方法。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统及其安装方法，通过将相变混凝土运用于隧道支护结构来实现对围岩热量的存储，并通过地源热泵系统对存储于支护结构内的热能进行提取、运输和利用，用于洞口段保温、路面融冰融雪或附近建筑物供能，进而实现对高地温隧道洞内空气温度的有效控制，解决高温所带来的工程热害问题，同时对清洁的地热能资源进行利用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，包括相变混凝土支护结构和地源热泵系统；

所述相变混凝土支护结构安装于隧道中的高温地段，相变混凝土支护结构为拱形结构，相变混凝土支护结构中填充有相变混凝土；

所述相变混凝土支护结构上设有温度监测装置，用于监测相变混凝土支护结构的温度；

所述相变混凝土支护结构用于存储隧道中高温地段的热量，热量通过所述地源热泵系统实现二次利用。

进一步地，所述温度监测装置包括温度传感器；

所述温度传感器设于所述相变混凝土支护结构内。

进一步地，所述温度传感器至少包括三个，分别为第一温度传感器、第二温度传感器及第三温度传感器；

所述第一温度传感器和第二温度传感器分别设于相变混凝土支护结构的侧边墙体内，所述第三温度传感器设于相变混凝土支护结构的拱顶内。

进一步地，所述温度监测装置还包括温度显示器，温度显示器与所述温度传感器相连。

进一步地，所述地源热泵系统包括水泵、主水管及多个热交换管，水泵、主水管及多个热交换管之间形成闭合循环系统。

进一步地，所述地源热泵系统中的热交换管包括第一热交换管，第一热交换管埋设于相变混凝土支护结构中，第一热交换管的第一端与所述水泵相连，第二端与所述主水管相连；

所述水泵用于将冷水泵入第一热交换管中，第一热交换管用于吸收相变混凝土支护结构中的热量使冷水水温升高，实现对相变混凝土支护结构中热能的提取。

进一步地，所述热交换管采用蛇形环向布设，热交换管两端连接所述水泵或主水管，形成闭合循环系统。

进一步地，所述相变混凝土支护结构末端连接用热结构，用热结构中埋设热交换管，并与所述水泵及主水管形成闭合回路。

进一步地，所述用热结构包括但不限于普通混凝土支护结构、地面及建筑物。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过相变混凝土与地源热泵技术的结合，设计得到一种适用于高地温隧道的相变能源隧道系统；本发明充分利用相变混凝土的相变潜热，通过在高地温段设置的相变混凝土支护结构对地热能进行储存，减少传递到环境中热量，进而调控洞内环境温度，解决高地温所带来的工程热害问题。

本发明通过在相变混凝土支护结构中安装多个温度传感器，并计算相变混凝土支护结构的平均温度，通过相变混凝土平均温度与相变温度范围的关系来调控运营模式，更好实现可持续性运营。

附图说明

图1为本发明的系统构成示意图；

图2为本发明中相变混凝土支护结构的横断面图；

图3为本发明中相变混凝土支护结构内热交换管布设俯视图；

图4为本发明中的供热段横断面图；

图中标号与各部件的对应关系为：1-相变混凝土支护结构；2-第一热交换管；3-温度传感器；4-温度显示器；5-高地温段；6-水泵；7-普通混凝土支护结构；8-第二热交换管；9-洞口保温段；10-第三热交换管；11-洞外冰雪路面段；12-第四热交换管；13-附近建筑物；14-相变混凝土；15-普通混凝土；16-主水管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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的实施例。

如图1所示，为本发明的一种优选实施方式，一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，包括相变混凝土支护结构1、第一热交换管2、温度传感器3、温度显示器4、水泵6及主水管16；

作为一种优选的实施方式，本实施例还包括第二热交换管8、第三热交换管10、第四热交换管12；

本实施例中，相变混凝土支护结构1设于隧道中的高地温段5，高地温段5后依次连接洞口保温段9及洞外冰雪路面段11，洞口保温段9上设有普通混凝土支护结构7，普通混凝土支护结构7由普通混凝土15填充；在其他实施方式中，相变混凝土支护结构1后可连接其他地面或隧道结构。

本实施例中，第二热交换管8埋置于洞口保温段9上的普通混凝土支护结构7中，第三热交换管10埋置于洞外冰雪路面段11下方，第四热交换管12布设于附近建筑物13中。

本实施例中，系统将高温围岩的热能存储于相变混凝土支护结构1中，温度传感器3设于所述相变混凝土支护结构1内的相变混凝土14中，通过温度传感器3对相变混凝土支护结构1的温度进行监测，进而控制水泵6的开关状态。

当水泵6为开启状态时，冷水通过主水管16进入埋置于相变混凝土支护结构1中的第一热交换管2中，吸收热量，进而使水温升高，实现对相变混凝土支护结构1中热能的提取；

温度升高后的水再次进入主水管16，通过水泵6依次将热水运输至埋设于洞口保温段9的第二热交换管8、埋设于洞外冰雪路面段11中的第三热交换管10、埋设于附近建筑物13中的第四热交换管12中，进行热能释放，分别实现洞口段保温、路面融冰融雪和建筑物供暖的功能。

当水泵6处于关闭状态时，换热管内无水流运动，相变混凝土支护结构1吸收围岩传递的热能，进行热能储存，进而实现对隧道中高地温段5的温度调节，减少工程热害。

如图2所示，相变混凝土支护结构1安装于隧道中高地温段5，由温度传感器3、温度显示器4与相变混凝土14组成。

本实施例中，温度传感器共有3个，分别安装于相变混凝土支护结构1的左边墙、拱顶和右边墙中，可以实时监测三个位置处的温度。温度传感器3与温度显示器4连接，将实时温度数据进行反馈。温度显示器4是具有屏幕的可视化设备，可同时显示三个位置处设置的温度传感器3测得的实时温度，同时会计算出三个位置温度的平均值，并显示在屏幕上，进而实现对相变混凝土支护结构1的温度监控。

如图3所示，埋置于相变混凝土支护结构1中的第一热交换管2采用蛇形环向的方式布设于洞壁上，并在热交换管两端与主水管16连接，形成闭合回路。

如图4所示，洞口保温段9中，在高地温段5吸收了热量的水流入埋置于普通混凝土15中的第二热交换管8以及埋置于洞外冰雪路面段11下方的第三热交换管10释放热量，实现洞口段保温以及洞外路面的融冰融雪。

本发明的工作原理为：通过合理地设计相变混凝土的相变范围，利用相变混凝土在相变过程中产生的巨大潜热，可以有效地对高地温隧道中围岩传递出的热能进行存储，进而减少传递到洞内环境中的热能，起到隔热控温的功能；当地源热泵系统开启时，通过热交换管将储存于相变混凝土支护结构中的热能进行提取并用于洞外融冰融雪或供暖，相变混凝土通过液-固相变释放热能，提升取热效率；当地源热泵系统关闭时，相变混凝土吸收从围岩传递出的热量，并通过由固相变为液相的过程将热能存储于相变混凝土结构中。如此循环，可以有效地控制高地温环境中的洞内温度，解决工程热害问题，同时又能对绿色清洁的地热能资源加以利用。

具体实施时，采用本发明提出的相变混凝土支护系统在高地温隧道中实现热害控制及热能提取，包括以下步骤：

步骤1，根据所需洞内施工环境温度，设定合理的相变混凝土相变温度范围。

步骤2，隧道开挖后，进行整平处理，安装热交换管并与主水管连接形成闭合回路，同时在指定位置安装温度传感器。

步骤3，施作相变混凝土，形成相变混凝土支护结构。

步骤4，根据需要在洞口段普通混凝土衬砌结构中、路面下方以及附近建筑物中埋置热交换管并与水泵连接形成闭合回路。

步骤5，根据设定的运营模式，对地源热泵系统的开关进行控制，同时，可根据相变混凝土的监测温度和相变温度范围的关系对运营模式进行优化。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，其特征在于，包括相变混凝土支护结构(1)和地源热泵系统；

所述相变混凝土支护结构(1)安装于隧道中的高温地段(5)，相变混凝土支护结构(1)为拱形结构，相变混凝土支护结构(1)中填充有相变混凝土(14)；

所述相变混凝土支护结构(1)上设有温度监测装置，用于监测相变混凝土支护结构(1)的温度；

所述相变混凝土支护结构(1)用于存储隧道中高温地段(5)的热量，热量通过所述地源热泵系统实现二次利用。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，其特征在于，所述温度监测装置包括温度传感器(3)；

所述温度传感器(3)设于所述相变混凝土支护结构(1)内。

3.根据权利要求2所述的一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，其特征在于，所述温度传感器(3)至少包括三个，分别为第一温度传感器、第二温度传感器及第三温度传感器；

所述第一温度传感器和第二温度传感器分别设于相变混凝土支护结构(1)的侧边墙体内，所述第三温度传感器设于相变混凝土支护结构(1)的拱顶内。

4.根据权利要求2所述的一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，其特征在于，所述温度监测装置还包括温度显示器(4)，温度显示器(4)与所述温度传感器(3)相连。

5.根据权利要求1所述的一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，其特征在于，所述地源热泵系统包括水泵(6)、主水管(16)及多个热交换管，水泵(6)、主水管(16)及多个热交换管之间形成闭合循环系统。

6.根据权利要求5所述的一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，其特征在于，所述地源热泵系统中的热交换管包括第一热交换管(2)，第一热交换管(2)埋设于相变混凝土支护结构(1)中，第一热交换管(2)的第一端与所述水泵(6)相连，第二端与所述主水管(16)相连；

所述水泵(6)用于将冷水泵入第一热交换管(2)中，第一热交换管(2)用于吸收相变混凝土支护结构(1)中的热量使冷水水温升高，实现对相变混凝土支护结构(1)中热能的提取。

7.根据权利要求5所述的一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，其特征在于，所述热交换管采用蛇形环向布设，热交换管两端连接所述水泵(6)或主水管(16)，形成闭合循环系统。

8.根据权利要求5所述的一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，其特征在于，所述相变混凝土支护结构(1)末端连接用热结构，用热结构中埋设热交换管，并与所述水泵(6)及主水管(16)形成闭合回路。

9.根据权利要求8所述的一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，其特征在于，所述用热结构包括但不限于普通混凝土支护结构、地面及建筑物。

10.一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统的安装方法，其特征在于，用于安装如权利要求1-9任一所述的一种适用于高地温隧道的相变混凝土支护系统，包括以下步骤：

S1、根据所需洞内施工环境温度，设定相变混凝土相变温度范围；

S2、隧道开挖后，进行整平处理，安装热交换管并与主水管连接形成闭合回路，同时在指定位置安装温度传感器；

S3、施作相变混凝土，形成相变混凝土支护结构；

S4、根据需求在洞口段普通混凝土衬砌结构中、路面下方或附近建筑物中埋置热交换管，并与水泵连接形成闭合回路；

S5、根据设定的运营模式，对地源热泵系统的开关进行控制，根据相变混凝土的监测温度和相变温度范围的关系对运营模式进行优化。