CN116716767B - 一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，该一体化结构包括数个坡面降温组块、数根水平均衡聚冷管、数块降温翼板和靶向阵列热管。数个所述坡面降温组块设在路基边坡和桥台锥形护坡的坡面上；数根所述水平均衡聚冷管装在后台路基的内部；数块所述降温翼板设在桥台侧墙上；所述靶向阵列热管设在路基的一侧，并靠近桥台基础。本发明针对路桥过渡段病害整治关键节点进行综合防控，不同调控位置的措施发挥不同的降温效能，且不同措施之间通过相互协调工作，使其形成有机整体，进而成倍增加一体化技术的整体降温效能，有效解决路基坡面、锥形护坡、桥台、桥台侧墙等多个吸热面复杂传热和调控难题。

Description

一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构

技术领域

本发明涉及多年冻土区路桥过渡段地基温度调控技术领域，尤其涉及一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，冻土的力学强度会随着温度的变化而发生巨大的改变：温度越低冻土强度越大，当温度低于-1.5℃时，其瞬时抗压强度与一般岩石相当；而当温度高于-0.5℃至0℃时，其抗压强度相当于一般土块，甚至基本丧失。在多年冻土区，路基工程面临着严重的冻土融化导致的融沉等工程病害。

路桥过渡段是指公路、铁路等道路工程中填土路堤向桥梁转换的过渡部位，主要由桥台背后一定范围（约为20 m ~ 50 m）的填土路堤、桩基、桥台、桥台两侧扇形填土组成，空间结构复杂是过渡段的显著特征；且结构的迥异以及垂向刚度差，使得过渡段成为道路工程的病害高发区段。在多年冻土区，路基坡面、锥形护坡、桥台、桥台侧墙等多个吸热面的存在，使得过渡段吸热、传热过程更加强烈，不仅会导致过渡段整体的不均匀沉降，而且会由于桥台背后的冻融作用产生的冻胀力，导致桥台沿路基走向向外侧的水平位移，并对桥梁、支架等构建造成挤压、破坏等。由此，对过渡段整体稳定性构成重要影响。如青藏铁路穿越了550km的多年冻土区，在青藏铁路投运后15年期间，多年冻土腹地路桥过渡段的病害发生率高达70~80%，严重威胁了青藏铁路运营安全。

为解决该种病害，在青藏铁路的整治工程中，在锥形护坡表面采用块石护坡、在锥形护坡坡脚插入热棒等常见的工程措施或组合（Saize Zhang, 2021），现场情况如图1所示。从上述路桥过渡段病害分析可以看到，过渡段病害整治是一个整体工程，需要路基、锥形护坡、桥台综合考虑。而以往的路桥过渡段病害整治方法缺乏一体化整治的理念，即便是同时使用了块碎石护坡和热棒等工程措施，但因这些措施的布设位置和方式不合理或降温效能不足等，各措施之间无法形成有效、协调的综合降温效果。同时，对桥台表面、侧墙等吸热面没有进行温度调控。因此，导致以往措施难以对过渡段下伏冻土温度进行有效调控，路桥过渡段病害依然长期存在。

综上所述，路桥过渡段病害的解决不仅需要在整治的具体措施上创新，还需要从过渡段的整体进行综合布设和协调。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现快速、均衡降温的用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构。

为解决上述问题，本发明所述的一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，其特征在于：该一体化结构包括数个坡面降温组块、数根水平均衡聚冷管、数块降温翼板和靶向阵列热管；数个所述坡面降温组块设在路基边坡和桥台锥形护坡的坡面上；数根所述水平均衡聚冷管装在后台路基的内部；数块所述降温翼板设在桥台侧墙上；所述靶向阵列热管设在路基的一侧，并靠近桥台基础。

所述坡面降温组块覆盖所述桥台锥形护坡的整个坡面，且在坡角处沿天然地表向外延长2 m ~ 4 m。

所述坡面降温组块设于所述路基边坡的坡面上，且沿路基走向铺设的长度为桥台台后20 m ~ 50 m。

数根所述水平均衡聚冷管布设在台后路基的水平路基内部，且沿路堤高度分上下两层错位布设；两层所述水平均衡聚冷管的水平向间距相同，均为1 m ~ 3 m；下层的所述水平均衡聚冷管布设于路堤底面，上层的所述水平均衡聚冷管与下层的所述水平均衡聚冷管的间距为0.5 m ~ 2.0 m。

每块所述降温翼板竖直安装在桥台侧墙位置，并通过导热粘合剂进行粘贴或锚固；水平方向相邻的所述降温翼板相接触，竖直方向相邻的所述降温翼板预留放热段空间。

所述降温翼板包括遮阳片、保温层和热管单元；所述遮阳片的一侧裸露，另一侧与所述保温层相连，该保温层与所述热管单元相连；所述热管单元通过导热粘合剂竖直粘贴或锚固在所述桥台侧墙上。

所述靶向阵列热管由多个蒸发段变角度的热棒组成；所述蒸发段埋设于地表以下；所述热棒的冷凝段以垂直角度直插于所述地表之上。

多个所述热棒以桥台基础的中心为轴心，沿所述桥台锥形护坡的坡脚线呈近对称扇形分布。

所述蒸发段面向所述桥台基础，并且该蒸发段的末端的水平投影位置位于所述桥台基础的外侧；同时所述蒸发段与所述冷凝段形成夹角α，α=90°~180°.

所述夹角α按下式确定：

；

式中：l分别表示热棒埋设位置距桥台基础外侧的水平距离；L表示蒸发段的长度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明首次提出路桥过渡段一体化技术理念，该一体化技术针对路桥过渡段病害整治关键节点进行综合防控，不同调控位置的措施发挥不同的降温效能，且不同措施之间通过相互协调工作，使其形成有机整体，进而成倍增加一体化技术的整体降温效能，有效解决路基坡面、锥形护坡、桥台、桥台侧墙等多个吸热面复杂传热和调控难题。

2、本发明为破解青藏铁路路桥过渡段路基稳定关键技术难题，通过水平聚冷管、靶向热棒阵技术，实现路基基底、桥台基底冻结力和承载力的快速恢复，有效消除路基、桥台长期不断沉降问题；通过坡面降温组块、桥台遮阳翼板使得桥台和背后路基大部分区域常年保持冻结状态，由此大幅缩小路基内部冻融区域、消除桥台背后的冻融冻胀力水平推动影响，从而保证了冻土区铁路工程路桥过渡关键节点长期稳定。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为路桥过渡段传统工程措施的照片。

图2为本发明的侧视图。

图3为本发明的剖面示意图。

图4为本发明中降温翼板的示意图。

图5为本发明中热棒阵列整体侧视图。

图6 为本发明中蒸发段变角度热棒侧视图。

图7为本发明多年冻土区路桥过渡段地温场分布实测结果。

图中：1—坡面降温组块，2—水平均衡聚冷管，3—降温翼板，31—遮阳片，32—保温层，33—热管单元，4—路基边坡，5—桥台锥形护坡，51—坡脚线，6-桥台基础，7-靶向阵列热管，72-蒸发段，71-冷凝段。

具体实施方式

如图2~6所示，一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，该一体化结构包括数个坡面降温组块1、数根水平均衡聚冷管2、数块降温翼板3和靶向阵列热管7。数个坡面降温组块1设在路基边坡4和桥台锥形护坡5的坡面上，形成上层阻热层和下层蓄冷层；数根水平均衡聚冷管2装在后台路基的内部；数块降温翼板3设在桥台侧墙上；靶向阵列热管7设在路基的一侧，并靠近桥台基础6。

其中：坡面降温组块1为多层结构，由盖板、分隔板、蓄冷结构等组成，其具体结构参见ZL202021920127.2（用于冻土路基坡面的拼装式降温模块）。

水平均衡聚冷管2的具体结构参见ZL201910610500.X（一种蒸发段大角度近水平的热管及其施工方法）。

坡面降温组块1覆盖桥台锥形护坡5的整个坡面，且在坡角处沿天然地表向外延长2 m ~ 4 m。坡面降温组块1设于路基边坡4的坡面上，且沿路基走向铺设的长度为桥台台后20 m ~ 50 m。

数根水平均衡聚冷管2布设在台后路基的水平路基内部，且沿路堤高度分上下两层错位布设，形成填土路基基底整体均衡降温和冷却，通过显著降低基底冻土温度大幅提升基底强度和承载力。两层水平均衡聚冷管2的水平向间距相同，均为1 m ~ 3 m。下层的水平均衡聚冷管2布设于路堤底面，上层的水平均衡聚冷管2与下层的水平均衡聚冷管2的间距为0.5 m ~ 2.0 m。

每块降温翼板3竖直安装在桥台侧墙位置，并通过导热粘合剂进行粘贴或锚固；水平方向相邻的降温翼板3相接触，竖直方向相邻的降温翼板3预留放热段空间。导热粘合剂为常规导热硅胶。

降温翼板包括遮阳片31、保温层32和热管单元33。遮阳片31的一侧裸露，另一侧与保温层32相连，该保温层32与热管单元33相连；热管单元33通过导热粘合剂竖直粘贴或锚固在桥台侧墙上。

遮阳片31与保温层32通过隔热胶粘贴在一起，该保温层32与热管单元33通过隔热胶粘贴固定连接。隔热胶可选择隔热硅胶。

遮阳片31呈工字型或∠型或长方形，由金属材料制成，其垂直方向高度为5cm ~15 cm，水平方向宽度为10 cm ~ 30 cm。

保温层32的厚度为5 cm ~10cm，可采用常规工业保温材料，如岩棉板、EPS、XPS等中的一种。

热管单元33由数个微型热管按小于1cm的间距平行分布在保温层32上，且热管单元33高出保温层32的部分作为放热段。放热段呈0^o~60^o的弯曲形状，其高度为3 cm~5 cm。微型热管的外径小于1cm、厚度小于5mm。

靶向阵列热管7由布设在桥头的多个蒸发段72变角度的热棒组成；蒸发段72埋设于地表以下；热棒的冷凝段71以垂直角度直插于地表之上。

多个热棒以桥台基础6的中心为轴心，沿桥台锥形护坡5的坡脚线51呈近对称扇形分布，热棒之间的间距为0.5 m ~ 2.0 m。所有蒸发段71的垂直投影均指向桥台基础6，由此构成以桥台基础6为轴心的靶向区。

蒸发段72面向桥台基础6，并且该蒸发段72的末端的水平投影位置位于桥台基础6的外侧；同时蒸发段72与冷凝段71形成夹角α，α=90°~180°；蒸发段72与冷凝段71形成夹角α根据位置不同，采用不同夹角，进一步形成对桥台基础6的包围。

夹角α按下式确定：

；

式中：l分别表示热棒埋设位置距桥台基础6外侧的水平距离；L表示蒸发段72的长度。

靶向阵列热管7为不规则热棒排，在工程实施案例中，靶向阵列热管7沿桥台锥形护坡5的坡脚线51走向依次按间距展开，其水平间距为1m~4m。

工作原理：

坡面降温组块1主要从路基坡面和桥台锥形护坡5的吸热面对路桥过渡段进行调控，具有阻挡太阳辐射、对流换热降温、以及蓄能等综合的作用。坡面降温组块1的顶板有效遮挡和吸收太阳及周围环境辐射热量，进而避免辐射热量直接进入调控结构。顶板与中间的分隔板形成上层对流换热通道，通过对流换热作用将顶板的热量带出调控结构，进而减小顶板的二次辐射热量。分隔板主要由辐射反射层及保温层组成，起到阻挡顶板的二次辐射热量的作用。蓄冷层主要通过调控对流及蒸发吸热的方式对路基坡面进行降温。

水平均衡聚冷管2通过相变对流换热对路堤底面进行降温。在外界相对低温，聚冷管处于工作条件，其蒸发段吸热，内部的液态工质处于不断的汽化相变过程，汽态工质在压力作用下，不断通过上部的空间和通道进入垂直的冷凝段。受外界低温环境影响，冷凝段管壁温度较低，汽态工质在冷凝段放热，并在管壁上凝结，转变为液态工质，并受重力作用下落至汇集器，进入回流导管、产生压力，在压力推动下，回流至蒸发段。由此通过工质的不断循环，实现对路基地温持续调控的目的。对于蒸发段路基内部不同部位存在地温差异的条件下，水平均衡聚冷管2能够自动平衡蒸发强度，从而形成整体降温的均匀性。

靶向阵列热管7中的“靶向效应”是指热棒阵列的每一根热棒布设的空间位置、蒸发角度具有特殊设计和排列，以达到对桥台桩基础6等目标体进行精准、高效降温的目的。进一步的表现为，从图5看，所有热棒的安装孔位近似形成以桥台基础6的几何中心为圆心，所有蒸发段72的水平投影均指向桥台基础6；从图6来看，靶向阵列热管7以桥台基础6的中心线为对称轴，沿左右两侧近对称布设；通过以上实施，在空间上呈现面向桥台基础6的空间环抱式布设。如此，达到对桥台基础6底部冻土地基靶向降温的目的。

降温翼板3用于桥台侧墙，具有多层降温的结构。降温翼板3与环境接触能够有效反射太阳和环境的辐射热量，且在侧墙上安装后，遮阳片31之间将形成竖向的对流换热通道，通过自然对流换热效应及时带走降温翼板3内部的热量。与遮阳片31相连接的保温层32进一步隔绝外界热量以及遮阳片31的二次辐射热量。保温层32另一侧为热管单元33，且热管单元33与侧墙直接接触。当环境温度低于侧墙温度时，热管单元33开始制冷，快速降低侧墙温度。当环境温度较高时，热管单元33停止工作，降温翼板3整体起到隔热作用。由此，降温翼板3能够阻断侧墙的吸热通道，且将环境冷能通过桥台侧墙不断蓄积到基础的内部。

综上所述，本发明一体化技术主要针对路桥过渡段复杂传热特性从路堤表面、路堤内部和底部、基础内部三维立体整体进行地温和冻融调控，通过对上述各自关键技术的有效组合，最终达到过渡段整体稳定的目的。

实施例：

采用本发明一体化技术在青藏铁路某路桥过渡段病害整治中开展了现场试验示范，对路基下伏多年冻土进行了监测，实施一年后现场监测结果如图7所示。图中左图为2021年10月措施实施前桥台背后路基地温断面图，右图为2022年10月措施实施1年后的地温对比断面图。通过对比可以看到：

1、地温场性质发生根本改变。路基基底由实施前的融化区、高温冻土快速转化为地温低于-1.0℃的低温冻土区。

2、地温场形态发生重要改变。冻结区域较实施前路堤和基底大部分区域融化转变为基底全部冻结、路堤大部分区域冻结。

3、力学特性和路堤稳定性得到有效保障。冻土地基温度降至-1.0以下，可低温冻土和满足力学稳定性要求。桥台背后路堤大部分区域保持冻结，有效消除桥台背后水平推力。

从上述观测结果可以看到，通过一体化技术的实施，路基地温场、冻融变化过程均发生根本改变，有效解决路基软化、水平位移关键难题，由此有效消除路基冻融病害，并确保路基长期稳定。

Claims (8)

1.一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，其特征在于：该一体化结构包括数个坡面降温组块（1）、数根水平均衡聚冷管（2）、数块降温翼板（3）和靶向阵列热管（7）；数个所述坡面降温组块（1）设在路基边坡（4）和桥台锥形护坡（5）的坡面上；数根所述水平均衡聚冷管（2）装在后台路基的内部；数块所述降温翼板（3）设在桥台侧墙上；所述靶向阵列热管（7）设在路基的一侧，并靠近桥台基础（6）；每块所述降温翼板（3）竖直安装在桥台侧墙位置，并通过导热粘合剂进行粘贴或锚固；水平方向相邻的所述降温翼板（3）相接触，竖直方向相邻的所述降温翼板（3）预留放热段空间；所述降温翼板包括遮阳片（31）、保温层（32）和热管单元（33）；所述遮阳片（31）的一侧裸露，另一侧与所述保温层（32）相连，该保温层（32）与所述热管单元（33）相连；所述热管单元（33）通过导热粘合剂竖直粘贴或锚固在所述桥台侧墙上。

2.如权利要求1所述的一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，其特征在于：所述坡面降温组块（1）覆盖所述桥台锥形护坡（5）的整个坡面，且在坡角处沿天然地表向外延长2 m ~ 4 m。

3.如权利要求1所述的一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，其特征在于：所述坡面降温组块（1）设于所述路基边坡（4）的坡面上，且沿路基走向铺设的长度为桥台台后20 m ~ 50 m。

4.如权利要求1所述的一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，其特征在于：数根所述水平均衡聚冷管（2）布设在台后路基的水平路基内部，且沿路堤高度分上下两层错位布设；两层所述水平均衡聚冷管（2）的水平向间距相同，均为1 m ~ 3 m；下层的所述水平均衡聚冷管（2）布设于路堤底面，上层的所述水平均衡聚冷管（2）与下层的所述水平均衡聚冷管（2）的间距为0.5 m ~ 2.0 m。

5.如权利要求1所述的一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，其特征在于：所述靶向阵列热管（7）由多个蒸发段（72）变角度的热棒组成；所述蒸发段（72）埋设于地表以下；所述热棒的冷凝段（71）以垂直角度直插于所述地表之上。

6.如权利要求5所述的一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，其特征在于：多个所述热棒以桥台基础（6）的中心为轴心，沿所述桥台锥形护坡（5）的坡脚线（51）呈对称扇形分布。

7.如权利要求5所述的一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，其特征在于：所述蒸发段（72）面向所述桥台基础（6），并且该蒸发段（72）的末端的水平投影位置位于所述桥台基础（6）的外侧；同时所述蒸发段（72）与所述冷凝段（71）形成夹角α，α=90°~180°。

8.如权利要求7所述的一种用于多年冻土路桥过渡段病害整治的一体化结构，其特征在于：所述夹角α按下式确定：

；

式中：l表示热棒埋设位置距桥台基础（6）外侧的水平距离；L表示蒸发段（72）的长度。