CN207829919U - 一种寒区隧道保温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种寒区隧道保温系统，本实用新型的保温系统通过固定在隧道内壁上的拱形保温装置，在拱形保温装置内持续通入热(冷)风，利用空气隔热性能良好、导热性差的特点，减少保温能耗的同时可以增加系统单次保温时长，本系统能够可以帮助多年冻土区的隧道避免冻融，又可以帮助季节性寒区隧道发生冻胀，从而使隧道远离冻害。本系统可靠性强，模块化部件利于安装和维护，不仅可以用于新建隧道，也可以用于已有隧道的保温改造。

Description

一种寒区隧道保温系统

技术领域

本实用新型涉及寒区隧道领域，具体涉及一种寒区隧道保温系统。

背景技术

中国44％的区属于寒区，在这些地区修筑的隧道即为寒区隧道。寒区隧道面临的最大问题是隧道冻害，近年来我国投入到寒区隧道冻害治理的费用不断增加，即便如此，仍有不少隧道饱受冻害困扰，甚至废弃，寒区隧道冻害防治正成为隧道界的重要研究课题。寒区隧道冻害发生的主要原因是冻融和冻胀：冻融是指已冻结围岩因隧道内温度升高发生消融导致围岩自承能力降低，使衬砌应力场发生改变的一种冻害现象；冻胀则是指衬砌及围岩裂隙中水冻结膨胀引起的应力变化及结构破坏。

以往研究中，研究人员研究了寒区隧道温度场分布、冻害机理及各种冻害防治措施。寒区隧道冻害防治措施包括电伴热电缆防冻技术、新型保温材料、深埋排水管、地源热泵系统等。电伴热系统是一种辐射型供暖系统，以电热丝为热媒，通过使发热电缆通电将电能转化成热能，传递给被加热体，并通过外层隔热材料的保护，以达到系统需要的供暖、保温效果，可以和物联网结合根据需要迅速响应，主动进行加热保温。新型保温材料的研究可以丰富保温材料种类，在保障有效性的基础上更好的提升经济效益，属于被动保温，常常与主动保温措施相结合使用。深埋排水管是将排水管埋置在冻结线以下，防止排水管中的水冻结阻塞排水通道，不能及时排出地下水，导致衬砌后水压增大，发生冻胀使衬砌结构收到威胁，确定其埋置深度需要因地制宜进行详细的温度场勘查，防止深度不足失效或埋深过深导致投资浪费。地源热泵系统是利用隧道温度分布的不均匀性，将热交换管埋入衬砌后，利用中间段地温来防止进出口段冻结，可以节约能源，但是操作复杂，维护麻烦。这些防冻害措施对于冻胀防治效果各有千秋，但是对于冻融问题无能为力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种寒区隧道保温系统，利用系统可以为寒区隧道在冬季提供防冻保证，既可以帮助多年冻土区的隧道避免冻融，又可以帮助季节性寒区隧道发生冻胀，从而使隧道远离冻害。

为了达到上述目的，本实用新型包括固定在隧道内壁上的拱形保温装置，拱形保温装置连接物联网系统，拱形保温装置和物联网系统均连接能源系统供电；

拱形保温装置包括若干个拱顶管片，每个拱顶管片的两侧均依次对应设置有管道连通的拱肩管片、拱腰管片、拱脚管片和拱底管片，拱底管片连接风道，风道连接保温风机；

拱肩管片、拱腰管片和拱脚管片均包括通过管片外壁和管片内壁所组成的管道，管片内壁外覆盖有保温层，管片外壁和管片内壁的两端均设置有管片接口，拱底管片的一端通过管片接口连接风道；

风道包括圆形风道壁，风道壁外覆盖有保温层，风道壁上开设有用于与拱底管片通风的风道接口；

相邻的风道间通过引风道连接，引风道包括圆形风道壁，风道壁外覆盖有保温层，通过引风道将洞外冷空气引入洞内，能够防止冻融现象发生。

物联网系统包括置于若干置于拱形保温装置内的传感器，传感器通过控制电缆连接信号发射器，信号发射器的信号传输至主机。

能源系统包括常规供电、太阳能供电和风力发电供电。

拱顶管片、拱肩管片、拱腰管片、拱脚管片和拱底管片上设置有用于固定在隧道内壁上的固定孔。

与现有技术相比，本实用新型的保温系统通过固定在隧道内壁上的拱形保温装置，在拱形保温装置内持续通入热风或冷风，利用空气隔热性能良好、导热性差的特点，减少保温能耗的同时可以增加系统单次保温时长，本系统能够可以帮助多年冻土区的隧道避免冻融，又可以帮助季节性寒区隧道发生冻胀，从而使隧道远离冻害。本系统可靠性强，模块化部件利于安装和维护，不仅可以用于新建隧道，也可以用于已有隧道的保温改造。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图；

图2为本实用新型系统的结构图；

图3为本实用新型系统的分解图；

图4为本实用新型中风道的结构示意图；

图5为本实用新型中引风道的结构示意图；

图6为本实用新型中拱顶管片的结构示意图；

图7为本实用新型中拱肩管片的结构示意图；

图8为本实用新型中拱腰管片的结构示意图；

图9为本实用新型中拱脚管片的结构示意图；

图10为本实用新型中拱底管片的结构示意图；

图11为本实用新型中测点横断面的布置图；

图12为本实用新型中测点纵向布置图；

其中，1、风道；2、拱顶管片；3、拱肩管片；4、拱腰管片；5、拱脚管片；6、拱底管片；7、风道壁；8、风道接口；9、保温层；10、管片内壁；11、管片外壁；12、管片下接口；13、管片上接口；14、管片接口；15、测点；16、固定孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

参见图1、图2和图3，本实用新型包括固定在隧道内壁上的拱形保温装置，拱形保温装置连接物联网系统，拱形保温装置和物联网系统均连接能源系统供电；

参见图6至图10，拱形保温装置包括若干个拱顶管片2，每个拱顶管片2的两侧均依次对应设置有管道连通的拱肩管片3、拱腰管片4、拱脚管片5和拱底管片6，拱底管片6连接风道1，风道1连接保温风机；

拱肩管片3、拱腰管片4和拱脚管片5均包括通过管片外壁11和管片内壁10所组成的管道，管片内壁10外覆盖有保温层9，管片外壁11和管片内壁10的两端均设置有管片接口14，拱底管片6的一端通过管片接口14连接风道1，拱顶管片2、拱肩管片3、拱腰管片4、拱脚管片5和拱底管片6上设置有用于固定在隧道内壁上的固定孔16；

参见图4，风道1包括圆形风道壁7，风道壁7外覆盖有保温层9，风道壁7上开设有用于与拱底管片6通风的风道接口8；

参见图5，相邻的风道1间通过引风道连接，引风道包括圆形风道壁7，风道壁7外覆盖有保温层9。防止冻融时，通过引风道将洞外冷空气引入洞内，防止冻融现象发生。

参见图11和图12，物联网系统包括置于若干置于拱形保温装置内的传感器，传感器通过控制电缆连接信号发射器，信号发射器的信号传输至主机。

能源系统包括常规供电、太阳能供电和风力发电供电。

本实用新型的寒区隧道保温系统由于存在防冻胀和防冻融两种模式，步骤如下：

第一步，通过现场量测和气象资料调研进行勘查调研，确定隧道内温度场分布。防冻融模式与防冻胀模式原理相同，都是采取主动与被动相结合的措施以避免隧道内温度影响围岩温度场。需要根据温度场分布确定系统的工作范围；由于隧道内离洞口越远则温度越接近年平均温度，故并非全段都需要保温措施；而对于多年冻土地区，防冻融则需要考虑洞内较深处的温度场分布情况，尤其是多年冻土区隧道浅埋部分。

第二步，根据隧道内温度场计算采取不同保温层厚度时系统热损失，综合考虑空间限制与造价等因素，选择合适的保温层厚度和风机功率：

假定如下：风道及调节层内空气恒热；风道内表面为对流换热，因外覆保温层且位于电缆沟内，故外表面为热传导；调节层内空气为热传导；调节层与衬砌、衬砌与围岩为热传导；保温层与隧道内空气为对流换热。

1、根据公式1-1计算风道内空气雷诺数Re，判断风道内空气流动状态，计算对流传热系数。

Re—雷诺数(反映了流体惯性力和粘性力相对大小)，v_f—截面平均流速；d—取风道直径或隧道当量直径d′；v—流体运动粘度

隧道当量直径d′计算如下：

S—隧道面积；C—隧道周长。

风道内风速以平均风速计，隧道内风速需要综合交通风、自然风和机械通风确定。大量计算结果表明，隧道及风道内不同流速情况下雷诺数均大于10⁴，说明空气流动处于旺盛湍流状态。

2、计算风道壁及隧道保温层的对流传热系数。

h_i—对流传热系数，h₁表示风道内对流传热系数，h₂表示隧道保温层对流传热系数；Re—雷诺数；Pr—普朗特数；λ_f—流体热导率；d—风道直径或隧道当量直径d_e；ε_l—长度修正系数；ε_t—温差修正系数；ε_R—弯管效应修正系数。

其中，对于风道而言，因为l/d≥60时，入口段对整体平均对流传热系数影响不大，可以不予考虑，即ε_l＝1；对于隧道保温层而言，若l/d<60，则需要考虑入口段对整体平均对流换热系数的影响，因此取气体温差Δt<50℃时，ε_t＝1。直管段较长时，弯曲管段对整个管子平均对流传热系数的影响不大，可近似取ε_R＝1。

3、计算不同保温层厚度时的单位长度传热量，然后根据热损控制需要选择合适的保温层厚度。

(1)风道单位长度传热量

计算总热阻 R_λ1＝R_f1+R₁+R₂ (1-4)

风道对流热阻

风道壁热阻

保温层热阻

温差 Δt＝t_w1-t_w3(1-8)

单位管长热流量计算

R_λ—总热阻；R_f—风道对流热阻；R₁—风道壁热阻；R₂—保温层热阻；h₁—风道内壁对流传热系数；d₁—风道直径；d₂—风道外壁直径(d₂＝d₁+2δ₁，其中δ₁为风道壁厚度)；d₃—保温层直径(d₃＝d₂+2δ₂，其中δ₂为保温层厚度)；λ₁—风道壁热导率；λ₂—保温层热导率；t_w1—风道内壁温度，即流体温度t_f；t_w3—保温层外侧温度(环境温度，取平均温度)；Φ_l1—单位长度热流量。

(2)调节层单位长度传热量

调节层传热量由两部分组成，包括隧道内传热量和围岩传热量。注意：本节中内外是指由隧道内部沿径向至围岩的方向，而非某一层的结构内外。

Φ_l2＝Φ_l21+Φ_l22

(2.1)隧道内传热量

计算总热阻 R_λ21＝R_f2+R_a+R_b (1-10)

隧道空气对流热阻

保温层热阻

调节层壁热阻

温差 Δt＝t_wa-t_wc (1-14)

单位管长热流量计算

R_λ21—调节层内侧热阻；R_f2—隧道内空气对流热阻；R_a—保温层热阻；R_b—调节层壁热阻；h₂—隧道对流传热系数；d′—隧道当量直径；d_a—隧道保温层内直径(等于隧道当量直径)；d_b—隧道保温层外直径(d_b＝d_a+2δ_a，其中δ_a为保温层厚度)；d_c—调节层内壁外直径(d_c＝d_b+2δ_b，其中δ_b为调节层内壁厚度)；λ_a—隧道保温层热导率；λ_b—调节层内壁热导率；t_wa—隧道保温层内壁温度；t_wc—调节层内壁外表面温度(取流体温度t_f)；Φ_l21—隧道内单位长度热流量。

(2.2)围岩传热量

计算总热阻 R_λ22＝R_d+R_e (1-16)

调节层壁热阻

衬砌热阻

温差 Δt＝t_wd-t_wf (1-19)

单位管长热流量计算

R_λ22—调节层外侧热阻；R_d—调节层外壁热阻；R_e—衬砌热阻；d_d—调节层外壁内直径；d_e—调节层外壁外直径(d_e＝d_d+2δ_c，其中δ_c为调节层外壁厚度)；d_f—衬砌外直径(d_f＝d_e+2δ_d，其中δ_d为衬砌厚度)；λ_d—调节层外壁热导率；λ_e—衬砌热导率；t_wd—调节层外壁内表面温度(取流体温度t_f)；t_wf—衬砌外表面温度(即围岩内表面温度)；Φ_l22—围岩单位长度热流量。

6、计算总热流量，根据总热流量选择暖风机具功率和数量。

单位管长总热流量 Φ_l＝Φ_l1+Φ_l2＝Φ_l1+Φ_l21+Φ_l22 (1-21)

总热流量 φ＝Φ_ll (1-22)

风机机具数量 N＝φ/P (1-23)

Φ—总热流量；l—消防管道总长；P—风机热功率；N—风机数量。

需调研不同保温材料保温参数和工作温度，综合考虑空间与造价，材料越厚其造价越高，而其工作温度限制了风机的输出温度，因此需要制作表格进行材料比选；空间限制即为管道所处环境对保温层厚度的限制，这里是指隧道内系统所处位置周围空余空间的大小；合适的风机功率是指，若系统安装空间紧张，不足以施加足够的保温层，则需提高风机功率以抵消保温层不足带来的热损增加。

第三步，根据计算结果和图纸进行现场安装调试，风机布置位置应便于保温和维护。风道及调节层每隔一段距离布置风速和温度测点，待系统稳定运行后读取监测数据；采用物联网技术将风机与测点纳入同一系统，实时监控系统内各控制点温度，当风道内温度低于临界值时启动风机，进行加热或制冷，当控制点温度达到安全值并稳定后关闭风机，监测系统温度调节所需时间，确定在不启动系统时衬砌后温度与隧道内温度变化关系。

测点布置间距须根据系统工作长度确定，一般原则是入口段较密，中间段较疏；系统稳定运行后是指测点读数趋于平稳无大幅波动；根据图纸安装是指根据但不限于附图进行风机、风道、调节层及测点的安装布置，须根据具体的项目情况进行相应的调整；测点是指，在风道、调节层及衬砌后布置温度传感器并连入系统；临界值是指为防止冻结或冻融发生所设定的温度；安全值是指系统中最低或最高温度达到后关闭风机以减少能耗的温度。物联网组成、风道和调节层安装及测点布置见附图。

第四步，第一组测试结束后，待测点温度恢复到临界温度后，调整风机风速与温度，重复进行上述测试；整理各组监测数据，将不同测试组得到的热损与期望热损进行比较，确定最佳风速和温度。

第六步，根据隧址具体气象及地质地形条件，可以应用风电或太阳能的隧道应采取新能源供能，为系统提供清洁稳定的能源，多余部分可以用于隧道内运营用电。

本实用新型的方法首先对隧道进行调研，根据隧道内温度场计算采取不同保温层厚度时系统热损失，选择合适的保温层厚度和风机功率，最后通过测试确定最佳风速和温度，本方法能够对选取管道保温系统起到指导性作用，保证用较小的成本达到保温的效果，降低了成本，提高了效率。

Claims (4)

1.一种寒区隧道保温系统，其特征在于，包括固定在隧道内壁上的拱形保温装置，拱形保温装置连接物联网系统，拱形保温装置和物联网系统均连接能源系统供电；

拱形保温装置包括若干个拱顶管片(2)，每个拱顶管片(2)的两侧均依次对应设置有管道连通的拱肩管片(3)、拱腰管片(4)、拱脚管片(5)和拱底管片(6)，拱底管片(6)连接风道(1)，风道(1)连接保温风机；

拱肩管片(3)、拱腰管片(4)和拱脚管片(5)均包括通过管片外壁(11)和管片内壁(10)所组成的管道，管片内壁(10)外覆盖有保温层(9)，管片外壁(11)和管片内壁(10)的两端均设置有管片接口(14)，拱底管片(6)的一端通过管片接口(14)连接风道(1)；

风道(1)包括圆形风道壁(7)，风道壁(7)外覆盖有保温层(9)，风道壁(7)上开设有用于与拱底管片(6)通风的风道接口(8)；

相邻的风道(1)间通过引风道连接，引风道包括圆形风道壁(7)，风道壁(7)外覆盖有保温层(9)。

2.根据权利要求1所述的一种寒区隧道保温系统，其特征在于，物联网系统包括置于若干置于拱形保温装置内的传感器，传感器通过控制电缆连接信号发射器，信号发射器的信号传输至主机。

3.根据权利要求1所述的一种寒区隧道保温系统，其特征在于，能源系统包括常规供电、太阳能供电和风力发电供电。

4.根据权利要求1所述的一种寒区隧道保温系统，其特征在于，拱顶管片(2)、拱肩管片(3)、拱腰管片(4)、拱脚管片(5)和拱底管片(6)上设置有用于固定在隧道内壁上的固定孔(16)。