一种保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法

1.本发明属于隧道冻害防控领域，特别涉及一种多年冻土区隧道利用离壁式保温结构间隙的通风调控寒区隧道冻害防控方法。


背景技术：

2.通风系统作为将隧道内有害气体排出洞外的一种换气系统在隧道工程中被广泛采用，而离壁式保温结构作为多年冻土区隧道的冻害防控措施也已在多年冻土区隧道工程中被广泛采用。但在多年冻土区，隧道内的非冻土段围岩面临着在低温环境下逐渐冻结并导致隧道出现不同程度冻害的问题，而多年冻土段围岩面临着在春夏季融化并导致隧道出现不同程度的灾害问题。目前寒区隧道衬砌及围岩的常用冻害防控措施主要为敷设保温隔热层、电缆加热法等。敷设保温层目前作为大多数多年冻土区隧道的保温隔热措施，虽然能减缓围岩与隧道内冷空气的热交换、减小围岩冻融圈、减轻隧道冻害，但是并不能根治非冻土段围岩最终冻结和多年冻土段围岩融化的问题。电缆加热法对电热器件及相应配套设施要求较高，能耗大、管理复杂且运营成本高，有很大的局限性。
3.减少寒区隧道冻害防控措施的工程投资和运行费用、增加寒区隧道冻害防控效果的一个方向是调控通风技术。防寒保温门作为一种隧道通风调控保温技术目前已经比较成熟并且已有工程实际运用，防寒保温门是一种在冬季阻挡冷空气侵入隧道的冻害防控技术，它可以减缓和阻止冷空气对流作用造成的隧道洞内热量散失，进而提高冬季隧道内空气温度、减小围岩冻融圈、减轻隧道冻害。但是由于防寒保温门频繁的开闭导致保温效果变差、达不到防治冻害的预期效果，且保温门的使用会影响交通的正常运行。
4.因此，本发明提出一种多年冻土区隧道利用离壁式保温结构间隙的通风调控寒区隧道冻害防控方法。其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，并且尤其适合于寒季温差大且有正温的情况。


技术实现要素：

5.为了解决多年冻土区隧道非冻土段围岩在低温环境下冻结及多年冻土段围岩在春夏季融化的问题，克服现有防冻保温技术在适用性、长周期的可靠性及经济合理性等方面的不足，本发明提供一种有效的多年冻土区隧道离壁式保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法，其适用范围更广、成本和运行费用更低、对交通影响更小、保温效果更好。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法，包括以下步骤：
8.1)洞外气象站温度计和多年冻土段或非冻土段温度数据处理器构成温度数据采集分析子系统；温度数据采集分析子系统采集并分析洞外气温数据；
9.2)联合通风调控，过程为：
10.2.1)采用保温层通风罩来将隧道内的空气引入离壁式保温层间隙中，其中保温层
通风罩、保温层通风罩控制器和保温层通风罩开关构成了保温层通风罩的控制开关系统，保温层通风罩控制器接受温度数据处理器传来的指令来控制保温层通风罩的启闭；
11.对于非冻土段：当隧道外的气温高于设定值时，非冻土段的温度数据处理器将开启非冻土段保温层通风罩的指令传输给非冻土段保温层通风罩控制器；而在气温低于这个设定值时，非冻土段的温度数据传感器将关闭非冻土段保温层通风罩的指令传输给非冻土段保温层通风罩控制器。
12.对于多年冻土段：当隧道外的气温低于设定值时，多年冻土段的温度数据处理器将开启多年冻土段保温层通风罩的指令传输给多年冻土段保温层通风罩控制器；而在气温高于这个设定值时，多年冻土段的温度数据传感器将关闭多年冻土段保温层通风罩的指令传输给多年冻土段保温层通风罩控制器。
13.进一步，所述步骤2)中，联合通风调控，过程为：
14.2.2)采用局部风机来将隧道内的空气引入离壁式保温层间隙中，其中局部风机和局部风机控制器构成了保温层局部通风系统，局部风机控制器接受温度数据处理器的指令来控制局部风机的启闭；
15.对于非冻土段：当隧道外的气温高于设定值时，非冻土段的温度数据处理器将开启非冻土段局部风机的指令传输给非冻土段局部风机控制器；而在气温低于这个设定值时，非冻土段的温度数据传感器将关闭非冻土段局部风机的指令传输给非冻土段局部风机控制器；
16.对于多年冻土段：当隧道外的气温低于设定值时，多年冻土段的温度数据处理器将开启多年冻土段局部风机的指令传输给多年冻土段局部风机控制器；而在气温高于这个设定值时，多年冻土段的温度数据传感器将关闭多年冻土段局部风机的指令传输给多年冻土段局部风机控制器。
17.优选的，所述的保温层通风罩或局部风机，充分利用隧道净空以内、限界以外的空间；由进风管道连接至离壁式保温结构的间隙中。
18.进一步，排水系统通风装置由钢结构制作并在外侧施作保温措施；
19.再进一步，离壁式保温结构为由保温层支撑段、保温层支护段及保温层受力段固定的离壁式保温结构。
20.所述的进风管道为预制钢套保温管。
21.所述的通风罩的数量为至少两组，至少两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。
22.所述的局部风机的数量为至少两，多组至少两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。
23.本发明中，对于非冻土段，在隧道外的气温高于设定值，开启非冻土段离壁式保温结构的通风罩或局部风机，让空气进入衬砌和保温层之间的空气层，提高空气层的温度从而在衬砌和围岩中储蓄热量，而在气温低于这个设定值时，关闭非冻土段的保温层通风罩或局部风机以减少带入到隧道衬砌和围岩中的冷量而产生负温累积，以达到隧道防冻的效果；对于多年冻土段，在隧道外的气温低于设定值，开启多年冻土段离壁式保温结构的通风罩或局部风机，让空气进入衬砌和保温层之间的空气层，降低空气层的温度从而在衬砌和围岩中储蓄冷量，而在气温高于这个设定值时，关闭多年冻土段保温层通风罩或局部风机
以减少带入到隧道衬砌和围岩中的热量，以达到隧道防融的效果。通过开启保温层通风罩或局部风机的方式来调节隧道内衬砌和保温层之间的空气层、衬砌和围岩的温度，能耗很小，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，而本系统仅需通过温度数据处理和风机控制器来控制风机风速，简单有效。另一方面，与防寒保温门相比，无需加设保温门，当洞外气温满足控制通风要求时，可以不受车流影响地调节离壁式保温结构空气层的温度，且不影响交通正常运行，工程投资也不高。从长期冻害防控效果来看，本发明专利技术的经济性和可靠性均优于电缆加热技术和防寒保温门。
24.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的保温防冻中，通过通风罩或局部风机将隧道内温度较高的空气引入离壁式保温结构的空气层中，从而在隧道衬砌和围岩中储蓄热量以达到隧道冻害防控的效果；2) 本发明采用通风罩或局部风机向空气层输送空气，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电缆加热技术和防寒保温门。
附图说明
25.图1是实施例1的冻土区隧道离壁式保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法隧道纵剖面图，1-围岩；2-衬砌；3-空气层； 4-离壁式保温结构；5-洞外气象站温度计；6-风机；7-多年冻土段温度数据处理器；8-多年冻土段保温层通风罩控制器；9-多年冻土段保温层通风罩开关；10-多年冻土段保温层通风罩；11-多年冻土段保温层通风罩连接线；12-多年冻土段温度数据传输线；13-非冻土段温度数据处理器；14-非冻土段保温层通风罩控制器；15-非冻土段保温层通风罩开关；16-非冻土段保温层通风罩；17-非冻土段保温层通风罩连接线；18-非冻土段温度数据传输线。
26.图2是实施例1的冻土区隧道离壁式保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法隧道横断面图。
27.图3是实施例2的冻土区隧道离壁式保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法隧道纵剖面图，1-围岩；2-衬砌；3-空气层； 4-离壁式保温结构；5-洞外气象站温度计；6-多年冻土段局部风机；7
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多年冻土段温度数据处理器；8-多年冻土段局部风机控制器；9-多年冻土段局部风机连接线；10-多年冻土段温度数据传输线；11-非冻土段局部风机；12-非冻土段温度数据处理器；13-非冻土段局部风机控制器；14-非冻土段局部风机连接线；15-非冻土段温度数据传输线。
28.图4是实施例2的冻土区隧道离壁式保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法隧道横断面图。
29.图5是保温层通风罩示意图，101(或161)-保温层通风罩罩体； 102(或162)-保温层通风罩宽口端；103(或163)-保温层通风罩宅口端；104(或164)-保温层通风罩启闭门。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明作进一步描述。
31.实施例1
32.参照图1、图2和图5，一种保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法，包括以下步骤：
33.步骤一：温度数据传输线自温度数据处理器引出，连接至洞外气象站温度计，采集洞口的气温数据并将数据处理结果以命令的形式传输给保温层通风罩控制器，洞外气象站布置在隧道洞口100m范围内；
34.步骤二：保温层通风罩控制器与保温层通风罩开关及温度场数据处理器相连接，接收来自温度数据处理器传来的指令，并根据洞外的气温条件来控制保温层通风罩的启闭；
35.步骤三：保温层通风罩缩小端通过穿过防火板和保温板的管路连接至空气层，缩小端的管路入口处布置有启闭门，启闭门可通过保温层通风罩开关及保温层通风罩控制器来控制；扩大端增大了通风的截面积，增加了通风风量，提高了通风效率；
36.步骤四：为了保证衬砌和保温层之间的空气层通风顺畅，多年冻土区隧道离壁式保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法在隧道纵向分段布置，每段保温层通风罩沿隧道的纵向以100～200m 的间隔布设。
37.步骤五：为了保证能提供足够的风量将衬砌和保温层之间的空气层内空气排出，保温层通风罩的横向通风面积应满足以下要求：当隧道横断面直径不超过10m时，通风面积不少于1.2m2；当隧道横断面直径超过10m且不超过16m时，通风面积不少于2m2。保温层通风罩的横断面布置形式推荐采用图3的布置形式，这样能够充分利用隧道的空间且能够分别将空气送入离壁式保温结构支护段和支撑段的空气层中；
38.步骤六：温度数据处理采集来自洞外气象站的温度数据，对于非冻土段，当隧道外的气温高于0℃(如设定为5℃)，将开启非冻土段保温层通风罩的指令传输给非冻土段保温层通风罩控制器，而在气温低于这个设定值时，非冻土段温度数据处理器将关闭非冻土段保温层通风罩的指令传输给非冻土段保温层通风罩控制器；对于多年冻土段，当隧道外的气温低于0℃(如-1℃)，将开启多年冻土段保温层通风罩的指令传输给多年冻土段保温层通风罩控制器，而在气温高于这个设定值时，多年冻土段温度数据处理器将关闭多年冻土段保温层通风罩的指令传输给多年冻土段保温层通风罩控制器。保温层通风罩控制器接受温度数据处理器传来的指令来控制保温层通风罩的启闭。
39.本实施例中，所述的保温层通风罩或局部风机，充分利用隧道净空以内、限界以外的空间；由进风管道连接至离壁式保温结构的间隙中。排水系统通风装置由钢结构制作并在外侧施作保温措施；离壁式保温结构为由保温层支撑段、保温层支护段及保温层受力段固定的离壁式保温结构。所述的进风管道为预制钢套保温管。
40.实施例2
41.参照图3、图4和图5，一种保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法，包括以下步骤：
42.步骤一：温度数据传输线自温度数据处理器引出，连接至洞外气象站温度计，采集洞口的气温数据并将数据处理结果以命令的形式传输给局部风机控制器，洞外气象站布置在隧道洞口100m范围内；
43.步骤二：局部风机控制器与局部风机及温度场数据处理器相连接，接收来自温度
数据处理器传来的指令，并根据洞外的气温条件来控制局部风机的启闭；
44.步骤三：局部风机出风口连接至保温层和衬砌之间的空气层，通过局部风机控制器的控制，将空气带入空气层，从而调节空气层的温度；
45.步骤四：为了保证衬砌和保温层之间的空气层通风顺畅，多年冻土区隧道离壁式保温结构间隙分段正积温和负积温联合通风调控方法在隧道纵向分段布置，每段局部风机沿隧道的纵向以100～200m的间隔布设。
46.步骤五：为了保证能提供足够的风量将衬砌和保温层之间的空气层内空气排出，局部风机的横向布置应满足以下要求：当隧道横断面直径不超过10m时，每断面布置4台局部风机，每台风机口径不小于 600mm；当隧道横断面直径超过10m且不超过16m时，每断面布置4 台局部风机，每台风机口径不小于800mm。局部风机的横断面布置形式推荐采用图5的布置形式，这样能够充分利用隧道的空间且能够分别将空气送入离壁式保温结构支护段和支撑段的空气层中；
47.步骤六：温度数据处理采集来自洞外气象站的温度数据，对于非冻土段，当隧道外的气温高于0℃(如设定为5℃)，非冻土段温度数据处理器将开启非冻土段局部风机的指令传输给非冻土段局部风机控制器，而在气温低于这个设定值时，非冻土段温度数据处理器将关闭非冻土段局部风机的指令传输给非冻土段局部风机控制器；对于多年冻土段，当隧道外的气温低于0℃(如-1℃)，多年冻土段温度数据处理器将开启多年冻土段局部风机的指令传输给多年冻土段局部风机控制器，而在气温高于这个值时，多年冻土段温度数据处理器将关闭多年冻土段局部风机的指令传输给多年冻土段局部风机控制器。局部风机控制器接受温度数据处理器的指令来控制局部风机的启闭。
48.本实施例中，所述的保温层通风罩或局部风机，充分利用隧道净空以内、限界以外的空间；由进风管道连接至离壁式保温结构的间隙中。排水系统通风装置由钢结构制作并在外侧施作保温措施；离壁式保温结构为由保温层支撑段、保温层支护段及保温层受力段固定的离壁式保温结构。所述的进风管道为预制钢套保温管。
49.本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。