一种寒区节能保温的隧道结构及其施工方法

本发明属于隧道施工领域，尤其涉及寒区节能保温的隧道结构及其施工方法。

背景技术：

随着中西部大开发和振兴东北经济政策的深入实施，以及我国高铁网的不断延伸，在中西部的高海拔和北部的高纬度寒冷地区将陆续建成大量的隧道，与以往寒冷地区的隧道相比，这些隧道的规模更大、技术要求更高，但气候条件却更加恶劣；高海拔寒区具有海拔高、气温低、缺氧等特征，修建好的隧道在后期运营常常面临冻害问题，主要表现为衬砌开裂、洞顶吊冰柱、边墙挂冰溜及水沟冻死等，严重的会影响隧道结构安全及行车安全。

现有技术中，供热防冻是解决上述问题的有效手段，在具备供暖条件的隧道中采用供暖的方法，但是该方法具有条件苛刻，能耗消耗极高，运营成本大等问题，不便于推广和应用；申请号为201610955084.3的中国专利公开了一种寒区隧道空气幕保温加热系统，在隧道内布置有热风空气幕和布置在热风空气幕两侧的自然风空气幕，采用风光互补发电系统，利用风能和光能转化的电能进行供热，具有节能环保、风流阻隔效果好、防寒保温效果好等特点，但是对于风光发电能低的地区，推广具有局限，且上述技术在铁路隧道并不具有很好的适用性；申请号201420698569.5的中国专利公开了一种寒区铁路隧道防冻系统，通过在隧道本体洞门两侧并排设置若干风车，在隧道靠近洞门两端的初期支护与二次衬砌之间铺设有发热电阻丝，通过火车通过产生强大的活塞风带动风车发电，进而提高二次衬砌的环境温度，有效防止隧道洞口段结构二次衬砌受冻融循环而发生破坏，但是风车布置在隧道洞门两侧，占用额外空间，且使用时间久了容易损坏，维护困难。

针对上述问题，虽然提出了加强衬砌提高抵抗冻胀的能力、采用保温隔热层和供热等途径防止冻结的发生、加大水沟埋深防止排水沟结冰，加强围岩注浆堵水、设置热泵等抗防冻工程措施；这些工程措施在隧道运营中起到了一定的作用，但是很多隧道仍然出现不同程度的冻害现象，也是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种寒区节能保温的隧道结构及其施工方法，可以实现隧道的防冻和保温，结构简单，绿色环保。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：本发明一种寒区节能保温的隧道结构，包括隧道外围岩体，隧道衬砌结构，隧道内圈层，环形空腔，加热保温装置以及锚固支撑装置，其中所述隧道衬砌结构布置在隧道外围岩体内，起到对隧道的衬砌支护，所述隧道内圈层布置在隧道衬砌结构内，两者形状相同，隧道内圈层的尺寸略小于隧道衬砌结构，两者之间形成环形空腔，所述锚固支撑装置布置在隧道衬砌结构和隧道内圈层之间，用于支撑固定隧道内圈层，所述隧道内圈层的内部通道作为车辆行驶的隧道；所述加热保温装置布置在隧道内圈层上，利用电能可对隧道进行加热保温，具有很好的抗冻能力；沿所述隧道内圈层的轴向和圆周方向布置有多个圆形的气流通道，所述气流通道内布置有用于发电的排风扇，当车辆高速通过隧道时，车辆头部挤压前方隧道内空气，经由气流通道中的排风扇进入到环形空腔中，再从车辆后方的气流通道进入到隧道中，并驱动排风扇发电，使空气形成前后流动；

进一步的，所述隧道衬砌结构包括钢拱架、钢筋网、锚固装置、初喷混凝土层和复喷混凝土层等支护防水结构；

进一步的，所述锚固支撑装置采用杆状结构，其一端在进行隧道衬砌结构的二衬衬砌施工时，锚固在隧道墙壁上，另一端预制有螺纹结构，采用螺母与隧道内圈层固定连接；

进一步的，所述隧道内圈层采用钢拱架为主体，铺设钢筋网，并喷射混凝土的方式浇筑而成；浇筑前在气流通道处预制圆形空洞模型，在浇筑完成后，再拆除，并安装发电的排风扇；

进一步的，所述加热保温装置采用发热电阻丝进行加热，所述加热保温装置可布置在隧道内圈层的上下表面，也可以在隧道内圈层施工时浇筑在内部以及隧道初次衬砌和二次衬砌之间；优选的，发热电阻丝布置在隧道内圈层的内部或上表面；

进一步的，所述加热保温装置与圆周方向的多排圆形的气流通道间隔布置；

进一步的，本发明还包括蓄电池组、逆变器、排风扇控制器、总控制器、温度监控传感器以及电线/电缆等，其中加热保温装置也与蓄电池组电性连接，总控制器根据温度监控传感器测得的温度实时控制加热保温装置的开闭，实现低温时对隧道体的抗冻保温；

进一步的，在隧道的环形空腔两端还布置有与环形空腔4截面一致的风门，风门采用活动铰接和锁具固定在隧道两端，正常工作时风门处于关闭状态；所述风门采用金属材质，优先采用钢板制作；

进一步的，在隧道内圈层的左右各60°高度位置间隔布置有两排照明灯，优先选用led灯；

进一步的，所述环形空腔沿着隧道径向的宽度为40-80cm；

在另一实施例中，根据隧道周边的全年日照和风力状况，还可以布置风能和太阳能发电装置，并将其产生的电能储存在蓄电池组中，低碳节能环保。

本发明一种寒区节能保温隧道结构的施工方法，其施工方法包括以下步骤：

步骤（1），获取隧道周边地质资料，采用人工和/或机械的方式开采隧道，采用轨道台车进行初期衬砌和二次衬砌，形成稳固的隧道衬砌结构，其中在所述二次衬砌施工过程中沿隧道圆周方向预留多根锚固支撑装置，且在隧道轴向形成多排；

步骤（2），在已完工的隧道支护内，调整台车半径架设隧道内圈层3，其中隧道内圈层固定在支撑杆上，使隧道内圈层和隧道衬砌结构之间形成环形空腔，铺设加热保温装置；

步骤（3），调试各个排风扇，并通过电线或电缆与蓄电池组、逆变器和排风扇控制器连接，并通过电线或电缆与加热保温装置连接；

步骤（4），在隧道内圈层内壁上布置总控制器、温度监控传感器；

步骤（5），在隧道环形空腔的两端活动固定风门；

步骤（6），重复以上步骤，直至完成整个隧道的施工。

所述步骤（2）还包括步骤（2-1），采用台车支撑起钢拱架，并采用螺母将钢拱架固定在锚固支撑装置上，完成所有钢拱架架设后，铺设钢筋网，在气流通道处预制圆形空洞模型；步骤（2-2），在钢骨架上铺设加热保温装置并进行混凝土喷射，待混凝土凝固后拆除圆形空洞模型，进行排风扇的安装。

本发明的有益效果是：由于隧道内圈层上布置有多个圆形的气流通道，使高速运行的车辆前方的空气在受到挤压的情形下，通过圆形的气流通道进入到环形空腔内，防止车辆前方形成压缩波，降低了车辆运行的空气阻力；在圆形的气流通道内还布置有用于发电的排风扇，当气流经过时，会驱动排风扇转动发电，为隧道的加热保温装置提供电力对环形空腔进行加热，形成加热保温层，保温效果好，冻害明显减少；环形空腔还可以用于隧道衬砌结构的保养与维护，无需架设台车，方便施工；此外还可以通过风能和太阳能进行发电，无需架设供电设备，低碳环保，绿色经济。

附图说明

图1为本发明的高海拔寒区节能抗冻保温隧道结构的结构示意图；

图2为本发明的隧道结构的剖面图；

图3为本发明加热保温装置布置示意图。

附图标记：1-隧道外围岩体、2-隧道衬砌结构、3-隧道内圈层、3-1-气流通道、3-2-排风扇、4-环形空腔、5-加热保温装置、6-锚固支撑装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，2所示，本发明一种寒区节能保温的隧道结构，包括隧道外围岩体1，隧道衬砌结构2，隧道内圈层3，环形空腔4，加热保温装置5以及锚固支撑装置6，其中所述隧道衬砌结构2布置在隧道外围岩体1内，起到对隧道的衬砌支护，所述隧道内圈层3布置在隧道衬砌结构2内，两者形状相同，隧道内圈层3的尺寸略小于隧道衬砌结构2，两者之间形成环形空腔4，所述锚固支撑装置6布置在隧道衬砌结构2和隧道内圈层3之间，用于支撑固定隧道内圈层3，所述隧道内圈层3的内部通道作为车辆行驶的隧道；所述加热保温装置5布置在隧道内圈层3上，利用电能可对隧道进行加热保温，使所述环形空腔（4）形成保温层；沿所述隧道内圈层3的轴向和圆周方向布置有多个圆形的气流通道3-1，所述气流通道3-1内布置有用于发电的排风扇3-2，当车辆高速通过隧道时，车辆头部挤压前方隧道内空气，经由气流通道3-1中的排风扇3-2进入到环形空腔4中，再从车辆后方的气流通道3-1进入到隧道中，并驱动排风扇3-2发电，使空气形成前后流动；

进一步的，所述隧道衬砌结构2包括钢拱架、钢筋网、锚固装置、初喷混凝土层和复喷混凝土层等支护防水结构；

进一步的，所述锚固支撑装置6采用杆状结构，其一端在进行隧道衬砌结构2的二衬衬砌施工时，锚固在隧道墙壁上，另一端预制有螺纹结构，采用螺母与隧道内圈层3固定连接；

进一步的，所述隧道内圈层3采用钢拱架为主体，铺设钢筋网，并喷射混凝土的方式浇筑而成；浇筑前在气流通道3-1处预制圆形空洞模型，在浇筑完成后，再拆除，并安装发电的排风扇3-2；优选的，锚固支撑装置6的螺纹结构端与隧道内圈层3的钢拱架固定连接；

进一步的，所述加热保温装置5采用发热电阻丝进行加热，所述加热保温装置5可布置在隧道内圈层3的上下表面，也可以在隧道内圈层3施工时浇筑在内部以及隧道初次衬砌和二次衬砌之间；优选的，发热电阻丝布置在隧道内圈层3的内部或上表面；

进一步的，所述加热保温装置5与圆周方向的多排圆形的气流通道3-1间隔布置，如图3所示；

进一步的，本发明还包括蓄电池组、逆变器、排风扇控制器、总控制器、温度监控传感器以及电线/电缆等，其中加热保温装置5也与蓄电池组电性连接，总控制器根据温度监控传感器测得的温度实时控制加热保温装置5的开闭，实现低温时对隧道体的加热保温；

进一步的，在隧道的环形空腔4两端还布置有与环形空腔4截面形状一致的风门，风门采用活动铰接和锁具装置固定在隧道两端，正常工作时风门处于关闭状态；所述风门采用金属材质，优先采用钢板制作；

进一步的，所述环形空腔4还可以便于人员进入进行隧道衬砌结构的保养与维护，无需架设台车，方便施工；

进一步的，在隧道内圈层的左右各60°高度位置间隔布置有两排照明灯，照明灯也与蓄电池组电性连接，并受到总控制器的调控；所述照明灯优先选用led灯；

进一步的，所述环形空腔4沿着隧道径向的宽度为40-80cm；

在另一实施例中，根据隧道周边的全年日照和风力状况，还可以布置风能和太阳能发电装置，并将其产生的电能储存在蓄电池组中，低碳节能环保；

工作原理：当高速车辆经过隧道时，车辆前方的空气受到快速车辆的挤压，阻力逐渐增大，隧道内圈层3内的压力大于环形空腔4的压力，且受到车辆流线外形的作用，隧道内圈层3内的空气会向上运动经过圆形的气流通道3-1进入环形空腔4内；当车辆经过后，车辆尾部形成负压，环形空腔4内的空气会通过气流通道3-1进入隧道内圈层3的内部；隧道中的空气形成前后流动驱动排风扇3-2发电，并将电能储存在蓄电池组中；当隧道中温度降低时，总控制器控制蓄电池组给加热保温装置5通电加热，环形空腔4中的空气被加热形成保温层，维持隧道衬砌结构的温度恒定，预防冻伤；同时也会维持隧道内圈层3内部温度的稳定，并提供隧道内照明用电。

本发明一种寒区节能保温隧道结构的施工方法，其施工方法包括以下步骤：

步骤（1），获取隧道周边地质资料，采用人工和/或机械的方式开采隧道，采用轨道台车进行初期衬砌和二次衬砌，形成稳固的隧道衬砌结构2，其中在所述二次衬砌施工过程中沿隧道圆周方向预留多根锚固支撑装置6，且在隧道轴向形成多排；

步骤（2），在已完工的隧道支护内，调整台车半径架设隧道内圈层3，其中隧道内圈层3固定在锚固支撑装置6上，使隧道内圈层3和隧道衬砌结构2之间形成环形空腔4，铺设加热保温装置5；

步骤（3），安装调试各个排风扇3-2，并通过电线或电缆与蓄电池组、逆变器和排风扇控制器连接，并通过电线或电缆与加热保温装置5连接；

步骤（4），在隧道内圈层3内壁上布置总控制器、温度监控传感器；

步骤（5），在隧道环形空腔4的两端活动固定有风门；

步骤（6），重复以上步骤，直至完成整个隧道的施工。

所述步骤（2）还包括步骤（2-1），采用台车支撑起钢拱架，并采用螺母将钢拱架固定在锚固支撑装置6上，完成所有钢拱架架设后，铺设钢筋网，在气流通道3-1处预制圆形空洞模型；步骤（2-2），在钢骨架上铺设加热保温装置5并进行混凝土喷射，待混凝土凝固后拆除圆形空洞模型，进行排风扇3-2的安装。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。