寒区隧道排水系统的正积温通风调控装置及方法

1.本发明涉及我国西部及东北部高原高海拔寒冷地区的铁路及公路交通等国家重难点工程建设迫切需要解决的隧道冻害防控领域，具体是一种寒区隧道排水系统的正积温通风调控装置及方法。


背景技术：

2.随着我国西部及东北部高原高海拔寒冷地区的铁路及公路交通的进一步发展建设，交通路网急需逐渐延伸至有重要国防和国际战略意义的寒冷地区。如国家重点工程青藏高速公路和川藏铁路均位于青藏高原高海拨寒冷地区，且川藏铁路全线最难的建设段雅安至林芝段隧线占比为84.56％，而隧道的冻害问题严重，超过70％的隧道运行后陆续出现了衬砌冻胀开裂和漏水挂冰、隧底鼓胀积冰等不同程度的冻害灾变，隧道冻害防控已成为西部及东北部高原高海拔寒冷地区的基础设施建设及川藏铁路等国家重难点工程建设的“卡脖子”问题。排水系统作为保证隧道不致因渗漏水造成病害、危及行车安全的工程措施已在隧道工程中被广泛采用，但从工程实践来看，高寒地区的隧道建成后仍普遍会出现渗漏水并引发不同程度的冻害。相关资料表明，已运营的高寒地区隧道中，80％以上的隧道存在着各种各样的冻害现象，这其中60％的隧道出现了渗漏水，排水系统失效的现象仍较为普遍存在，这说明现有高寒隧道排水系统仍存在不足之处，不能很好地解决高寒地区隧道排水遇到的冻害问题。
3.现行高寒地区隧道排水系统保温措施主要包括被动保温与主动加热两种方法。被动保温即铺设保温层，尽管目前在研究保温层的材料和施工方法上有较多的研究成果，如采用导热率很小的聚氨酯泡沫和双层铺设等较优的工法，但限于保温层被动隔热的原理，难以彻底消除冻害，对极低温环境下隧道的排水系统防冻的适用性较差。隧道排水系统主动加热方法包括蒸汽加热法和电缆加热法等。蒸汽加热法通过暖通管道输送蒸汽，从而防止渗水冻结，但蒸汽加热法的工程量庞大，运行成本高，且蒸汽系统的设备和管道易腐蚀；电缆加热法通过在隧道衬砌表面敷设加热电缆，通电发热来防止水冻结，电缆加热技术对电热器件及相应配套设施要求较高，前期资金投入大，电缆加热系统工作过程中需全程监测控制，后期运营维护费用高，且电缆加热具有升温慢、降温快、耗电量多、热量损失大的特点，使用年限较短，仍有很大的应用局限性。


技术实现要素：

4.为了解决寒区隧道排水系统在低温环境下冻结问题，克服现有排水系统保温加热技术的适用性、长周期的可靠性及经济合理性等方面的不足，提供一种寒区隧道排水系统的正积温通风调控装置及方法，通过排水系统与调控通风联合作用进行隧道冻害防控，适用范围更广、成本和运行费用更低、对寒区隧道排水系统受冻段的保温加热更有效。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：寒区隧道排水系统的正积温通风调控装置，包括排水系统通风装置和温度数据采集分析系统，所述的排水系统通风装置包
括通风单元和控制单元，所述的通风单元和控制单元分别安装于隧道内保温层的内壁，所述的通风单元和控制单元布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，并不受交通的影响，所述的通风单元用于根据所述的控制单元的指令向隧道内排水系统的保温水沟输送空气以提高排水系统的温度，从而在排水系统周围岩体中储蓄热量；所述的温度数据采集分析系统包括洞外气象站温度计和温度数据处理器，所述的温度数据处理器安装于保温层的内壁，所述的洞外气象站温度计布置在隧道洞口外，所述的洞外气象站温度计用于采集隧道洞口外的气温数据并将采集的气温数据传送给所述的温度数据处理器，所述的温度数据处理器用于处理气温数据、根据设定的启动温度值判断气温高低并将判断结果以指令的形式发送给所述的控制单元，由所述的控制单元控制所述的通风单元的启闭。
6.本发明寒区隧道排水系统的正积温通风调控装置安装搭建完成后，使用过程中，当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值时，即满足通风调控要求，温度数据处理器将开启通风单元的指令发送给控制单元，开启通风单元，让隧道内温度较高的空气通过通风单元引入隧道内排水系统的保温水沟中，在排水系统及其周围岩层中储蓄热量以达到排水系统防冻的效果；而在隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值时，温度数据处理器将关闭通风单元的指令发送给控制单元，关闭通风单元，以减少带入到排水系统中的冷量。
7.本发明通过开启通风单元的方式来调节隧道内排水系统的温度，能耗很小，且冻害防控效果好。与传统的蒸汽加热技术相比，大大降低了工程量及运营费用，且蒸汽加热系统的设备和管道易腐蚀，而本发明仅需通过温度数据处理器和控制单元来控制通风单元的启闭，简单有效。与传统的电缆加热技术相比，大大降低了运营费用，且电缆加热技术需配备专门的电缆短路监测器、报警器、温控器等，控制系统复杂，失效风险高，失效后果十分严重。从长期防冻效果来看，本发明的经济性和可靠性均优于蒸汽加热技术和电缆加热技术。
8.本发明在适用性及经济性方面有着巨大的优势。对于已建隧道，本发明仅需在既有排水系统上增设通风单元、布置温度数据处理器和控制单元，无需对隧道进行过多的改造，费用增加较低。对于拟在建隧道，本发明可在隧道施工期增设通风单元，费用及施工复杂性较已建隧道低，适用范围广且经济合理，同时对相应配套设施要求低，能耗小、管理方便且运营成本低。
9.本发明在长期可靠性及防冻效果方面有着巨大的优势。本发明建设难度小、失效风险低、不影响交通的正常运行并不受交通的影响，通过将隧道内温度较高的空气引入排水系统的保温水沟中，从而在排水系统及其周围岩层中储蓄热量以达到排水系统防冻的效果，其长期可靠性及防冻效果均优于蒸汽加热法和电缆加热法。
10.作为优选，所述的洞外气象站温度计布置在离隧道洞口100m范围内。
11.作为优选，所述的通风单元为通风罩，所述的通风罩布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，所述的通风罩的入风口朝向隧道内通风机的出风口，所述的通风罩的出风口经通风罩导风管与所述的保温水沟相通，所述的控制单元包括通风罩控制器和通风罩开关，所述的通风罩的出风口处安装有启闭门，所述的启闭门的启闭由所述的通风罩开关控制。本技术方案中，采用通风罩将隧道内温度较高的空气引入排水系统的保温水沟中，通风罩控制器接收温度数据处理器发送的指令来控制通风罩开关，进而控制启闭门的启闭。当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值时，温度数据处理器将开启通风
罩的指令发送给通风罩控制器；而在隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值时，温度数据处理器将关闭通风罩的指令发送给通风罩控制器。
12.作为优选，所述的通风罩包括罩体、宽口端和窄口端，所述的宽口端和所述的窄口端分别设置在所述的罩体的两侧，所述的宽口端为所述的通风罩的入风口，所述的窄口端为所述的通风罩的出风口，所述的启闭门安装于所述的窄口端。上述通风罩的宽口端增大了进风面积和进风量，有利于提高通风效率。
13.作为优选，所述的通风罩由钢结构制作而成，所述的通风罩的外侧设置有保温单元，以延长通风罩使用寿命，并提高通风罩本身的保温效果。
14.作为优选，所述的通风罩的数量为多组，多组通风罩沿隧道的长度方向以100～200m的间隔布设，每组通风罩包括沿隧道的周向间隔布设的多个通风罩。通风罩采用上述分段布置方式，可充分利用隧道内的空间，通过多个通风罩将隧道内温度较高的空气快速、均匀地送入排水系统的保温水沟中，保证排水系统内通风顺畅。
15.作为优选，所述的通风单元为局部风机，所述的局部风机布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，所述的局部风机的出风口经局部风机导风管与所述的保温水沟相通，所述的控制单元包括局部风机控制器，所述的局部风机的启闭由所述的局部风机控制器控制。本技术方案中，采用局部风机将隧道内温度较高的空气引入排水系统的保温水沟中，局部风机控制器接收温度数据处理器发送的指令来控制局部风机的启闭。当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值时，温度数据处理器将开启局部风机的指令发送给局部风机控制器；而在隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值时，温度数据处理器将关闭局部风机的指令发送给局部风机控制器。
16.作为优选，所述的局部风机的数量为多组，多组局部风机沿隧道的长度方向以100～200m 的间隔布设，每组局部风机包括沿隧道的周向间隔布设的多台局部风机。局部风机采用上述分段布置方式，可保证排水系统内通风顺畅。
17.作为优选，所述的保温水沟为双侧保温水沟、中心深埋水沟或防寒泄水洞。
18.一种利用上述装置实施的寒区隧道排水系统的正积温通风调控方法，寒区隧道排水系统的正积温通风调控装置安装搭建完成后，在温度数据处理器上设定通风单元的启动温度值，当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值时，温度数据处理器向控制单元发出开启指令，由控制单元控制通风单元开启；当隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值时，温度数据处理器向控制单元发出关闭指令，由控制单元控制通风单元关闭。
19.与现有技术相比，本发明具有如下优点：1)本发明将正积温原理与通风调控理念创造性地应用于寒区隧道排水系统的保温防冻中，通过通风单元将隧道内温度较高的空气引入排水系统的保温水沟中，从而在排水系统及其周围岩层中储蓄热量以达到排水系统防冻的效果；2) 本发明采用通风单元向排水系统的保温水沟内输送空气，可充分利用隧道净空以内、限界以外的空间，建设难度小，可大幅降低了建设成本、运行费用及能源消耗；3)本发明装置易于管理、失效风险低、不影响交通的正常运行并不受交通的影响，本发明装置及方法的长期可靠性及防冻效果均优于蒸汽加热法和电缆加热法。
附图说明
20.图1为安装有实施例1的正积温通风调控装置的隧道的局部纵剖面示意图；
21.图2为安装有实施例1的正积温通风调控装置的隧道的横剖面示意图；
22.图3为实施例1中通风罩的外观示意图；
23.图4为安装有实施例2的正积温通风调控装置的隧道的局部纵剖面示意图；
24.图5为安装有实施例2的正积温通风调控装置的隧道的横剖面示意图。
具体实施方式
25.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
26.实施例1的寒区隧道排水系统的正积温通风调控装置，如图1和图2所示，包括排水系统通风装置和温度数据采集分析系统，排水系统通风装置包括通风单元和控制单元，通风单元和控制单元分别安装于隧道内保温层1的内壁，保温层1铺设于隧道内衬砌2的内壁，衬砌2铺设于围岩18的内壁，通风单元和控制单元布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，并不受交通的影响，通风单元用于根据控制单元的指令向隧道内排水系统的保温水沟3输送空气以提高排水系统的温度，从而在排水系统周围岩体中储蓄热量，保温水沟3可以为双侧保温水沟、中心深埋水沟或防寒泄水洞；温度数据采集分析系统包括洞外气象站温度计4和温度数据处理器5，温度数据处理器5安装于保温层1的内壁，洞外气象站温度计4 布置在隧道洞口外的离隧道洞口100m范围内，洞外气象站温度计4用于采集隧道洞口外的气温数据并将采集的气温数据传送给温度数据处理器5，温度数据处理器5用于处理气温数据、根据设定的启动温度值判断气温高低并将判断结果以指令的形式发送给控制单元，由控制单元控制通风单元的启闭。
27.实施例1中，通风单元为通风罩6，通风罩6布置于隧道建筑限界之外，不影响交通的正常运行，通风罩6由钢结构制作而成，通风罩6的外侧设置有保温单元(图中未示出)，通风罩6的入风口朝向隧道内通风机10的出风口，通风罩6的出风口经通风罩导风管12与保温水沟3相通，控制单元包括通风罩控制器7和通风罩开关8，通风罩控制器7经传输线9 与洞外气象站温度计4相连，通风罩控制器7经通风罩连接线11与通风罩开关8相连，通风罩6的出风口处安装有启闭门13，启闭门13的启闭由通风罩开关8控制。
28.实施例1中，如图3所示，通风罩6包括罩体61、宽口端62和窄口端63，宽口端62和窄口端63分别设置在罩体61的两侧，宽口端62为通风罩6的入风口，窄口端63为通风罩 6的出风口，启闭门13安装于窄口端63。
29.实施例1中，通风罩6的数量为多组，多组通风罩沿隧道的长度方向以100～200m的间隔布设，每组通风罩包括沿隧道的周向间隔布设的4个通风罩6，如图2所示。
30.利用实施例1的装置实施的寒区隧道排水系统的正积温通风调控方法，寒区隧道排水系统的正积温通风调控装置安装搭建完成后，在温度数据处理器5上设定通风单元的启动温度值为5℃(本实施例中设定为5℃，但在实际应用中，可根据具体情况设定启动温度值)，当隧道洞口外的气温达到或高于设定的启动温度值为5℃时，温度数据处理器5向控制单元发出开启指令，由控制单元控制通风单元开启；当隧道洞口外的气温低于设定的启动温度值为 5℃时，温度数据处理器5向控制单元发出关闭指令，由控制单元控制通风单元关闭。
31.实施例2的寒区隧道排水系统的正积温通风调控装置，与实施例1的区别在于，实施例 2中，如图4和图5所示，通风单元为局部风机14，局部风机14布置于隧道建筑限界之
外，不影响交通的正常运行，局部风机14的出风口经局部风机导风管15与保温水沟3相通，控制单元包括局部风机控制器16，局部风机14的启闭由局部风机控制器16控制，局部风机控制器16控制经局部风机连接线17与局部风机14相连，局部风机控制器16经传输线19与洞外气象站温度计4相连；局部风机14的数量为多组，多组局部风机沿隧道的长度方向以100～ 200m的间隔布设，每组局部风机包括沿隧道的周向间隔布设的4台局部风机14，如图5所示。
32.以上实施例1和实施例2中，温度数据处理器5采用外购的常规plc控制器，通风罩控制器7采用外购的常规开关控制器，局部风机控制器16采用外购的常规风机控制器，通风罩导风管12采用预制钢套保温管。
33.以上实施例1和实施例2是两套不完全相同的技术方案，彼此独立，在实际应用于中，可根据各隧道不同的气候环境及工程措施等进行比选。