[发明专利]高寒地区隧道衬砌的自动防冻保温方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种高寒地区隧道衬砌的自动防冻保温方法及其系统，特别适用于山岭隧道的防冻保温。

背景技术

高纬度、高海拔寒冷地区的公路、铁路隧道，往往由于冬季冷空气的入侵，普遍发生诸如衬砌漏水结冰、路面溢水结冰与衬砌剥落掉块等冻害现象。冻害导致隧道衬砌混凝土的耐久性普遍降低，严重影响隧道的正常运营与安全。因此，对新建或既有隧道进行冻害预防或处治显得尤为重要。

目前，国内外广泛采用的被动型防冻保温措施是在二衬表面（或二衬与防水板之间）铺设一定厚度的保温隔热层，以减小二衬混凝土与周围空气进行热交换的速率。在洞口段有时还采用一些主动型防冻保温措施：如利用电锅炉或燃料锅炉，给埋设在二衬背后的供暖管直接供给暖气；如利用热泵让冷媒在取暖管与供暖管之间不断循环，将围岩深部热量通过取暖管“搬运”给二衬背后的供暖管。

上述现有技术存在的不足之处为：在高寒地区仅靠被动型防冻保温措施无法根除隧道冻害的发生（尤其是在洞口段）；而采用主动型防冻保温措施则需要消耗较多的能量（尤其是直接加热供暖方式），其运营维护成本较高。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题作出改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种高寒地区隧道衬砌的自动防冻保温系统及其方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案一是：一种高寒地区隧道衬砌的自动防冻保温系统，所述隧道由外到内依次为围岩、初衬、防水板、二衬以及保温隔热层，所述二衬和保温隔热层之间沿隧道长度方向间隔设置有若干根暖管，所述暖管两端下部埋入隧道路面下的围岩内，所述暖管两端部内密封有冷媒。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案二是：一种高寒地区隧道衬砌的自动防冻保温方法，包括以下步骤：（1）所述隧道由外到内依次设置有围岩、初衬、防水板、二衬以及保温隔热层；（2）提供若干根暖管，将冷媒密封于暖管内；（3）将暖管沿隧道长度方向间隔设置于二衬和保温隔热层之间，并将暖管两端下部埋入隧道路面下的围岩内，使得冷媒分布于暖管两端下部；所述冷媒通过自发蒸发气态上升和凝结液态下落的循环，不断将热量从路面下围岩搬运到二衬表面，进而实现隧道衬砌的自动防冻保温。

与现有主动型防冻保温技术相比，本发明具有以下显著优点：运营过程中无需消耗任何能量，完全借助冷媒在暖管中自发的蒸发凝结循环，不断将深部围岩的热量搬运到上部衬砌中，以实现隧道衬砌的自动防冻保温，其运营维护成本极低；同时，其设计灵活（可根据当地气候条件调节入地深度与间距），施工方便（与防冻保温层同步施做，仅须增加钻孔一道工序），生产安装成本较低廉。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为自动防冻保温系统的横断面图。

图2为自动防冻保温系统的侧视图。

图3为自动防冻保温系统的局部放大图。

图4为暖管工作原理的示意图。

图中：1-围岩，2-初衬，3-防水板，4-二衬，5-暖管，6-保温隔热层，7-液态冷媒，8-气态冷媒。

具体实施方式

如图1~3所示，一种高寒地区隧道衬砌的自动防冻保温系统，所述隧道由外到内依次为围岩1、初衬2、防水板3、二衬4以及保温隔热层6，所述二衬4和保温隔热层6之间沿隧道长度方向间隔设置有若干根暖管5，所述暖管5的直径、壁厚和长度可按设计要求（隧道横断面尺寸与当地气候水文条件等）确定，所述暖管5的间距可按设计要求确定，所述暖管5两端下部埋入隧道路面下的围岩1内，所述暖管5两端部内密封有冷媒。图1中：左半幅为隧道有仰拱情形，右半幅为隧道无仰拱情形。

如图4所示，所述暖管5是将一定质量的冷媒密闭封存在一定长度的塑料管中，当暖管5上、下两部分存在温度差时（上冷下热），下部的液态冷媒7不断蒸发并从周围岩1土体吸收热量，其蒸汽上升到上部遇冷后，上部的气态冷媒8再次凝结成液态回流到下部，并向周围空气散发热量。实际上，所述暖管5的工作原理与大气降水是一致的，通过冷媒自发的蒸发凝结循环，不断将热量从下部搬运到上部。因此，所述冷媒的选择至关重要，应该选择饱和蒸汽压高（即挥发性强）且汽化热高（即热搬运效率大）的循环介质，同时应考虑成本便宜且对人体无伤害，可优先选择乙醇。