利用围岩地下水热能的高寒长大铁路隧道防冻结构及方法与流程

本发明涉及隧道防冻保温技术领域，尤其是一种利用围岩地下水热能的高寒长大铁路隧道防冻结构及方法。

背景技术：

随着基建的发展，公路、铁路等基础建设正向高海拔寒冷地区延伸，在高寒地区规划、修建及投入运营的隧道越来越多，出现的隧道冻害问题也随之增加。从统计资料来看，高寒地区超过一半的隧道发生了冻害，约四分之一隧道发生了严重的冻害。大量寒区公路和铁路隧道建设和运营情况表明，低温环境引起的冻害普遍存在，这些冻害既对隧道结构造成严重破坏，同时也给运营安全造成重大安全隐患。

为防止寒区隧道冻害发生，主要可从抗冻和防冻两方面考虑：抗冻措施主要以提高隧道结构自身的抗冻害能力，如采用抗冻混凝土衬砌、增大衬砌厚度等；防冻措施主要以预防为主，如采用洞内加热法、防寒门法、保温隔热层法等。从目前国内外寒区隧道防冻措施采用情况看，隔热层法采用最为普遍。隔热层法的敷设方式主要有三种方式：一种是在二衬内表面直接敷设隔热层，即贴壁式；另一种是在初支与二衬之间敷设隔热层，即夹心式；还有一种是在衬砌和隔热层之间设置空气层来增强隔热效果，即离壁式；前两种敷设方式在国内都有应用实例，而离壁式敷设方式在国内尚未有应用实例。

公路隧道由于其运营环境相对简单，采用贴壁式保温层的方法被广泛采用，并且取得了较好的防冻的效果，避免了寒区公路隧道冻害的产生。而对于铁路隧道，由于隧道断面相对较小，列车活塞风对洞内设施风荷载作用较大，容易脱落对行车安全造成影响，另外当前保温层的防火性能很难达到电力化铁路的防火等级要求，使得贴壁式措施普遍不适用于铁路隧道。此外，夹心式保温措施，在围岩长期荷载下，容易被压缩，保温材料影响结构稳定性；由于复合式衬砌地下水排导系统本身的原因，造成防水板破裂，很容易因保温材料泡水导致保温材料耐久性降低，当保温功能失效时，难以修复。显然，对于寒区铁路隧道防冻而言，不管采用何种铺设形式的保温板，均存在明显的弊端，尚未有一种能很好适合于寒区铁路隧道，特别是季节性冻土隧道的防冻保温措施。

对高寒地区冬季隧道冻害的威胁，采用电能或其它方式来解决，其能源消耗将十分巨大，运行成本较高。因此，因地制宜，根据隧道实际现场条件，设计一些廉价、节能的或是充分利用自然资源的技术方案消除冬季隧道冻害，对提高高寒地区隧道结构安全性，具有重要的现实意义。

cn201720939399公开了一种利用地下水热能消除寒区道路暗冰的热管装置，需要采用抽水泵、循环泵等设备，整个装置比较复杂，实施成本高，且消耗电能，虽然利用光伏发电板发电，但是高寒地区冬季经常下雪，导致光伏板上产生积雪以及结冰，光伏板难以正常工作，因此供电难以保证。

cn200910196240公开了一种隧道保温水沟地源热泵型加热系统，利用换热介质吸收隧道中部围岩以及初衬的热量，然后将热量传递至保温水沟，防止保温水沟中的水结冰。这种系统的结构还是比较复杂，虽然可以防止保温水沟中的水结冰，有利于地下水的排出，但是无法对初衬以及二衬进行保温，初衬以及二衬在严寒环境下容易受损，此外，为了保证换热介质在管路中循环流动，还是需要消耗电能。

cn201720375420-一种地下水源热泵式防冻装置，采用了电机、控制面板、水泵、热泵等，能耗大，结构不够简单，实施成本高，难以用于铁路隧道的防冻。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用围岩地下水热能的高寒长大铁路隧道防冻结构及方法，不需要任何耗电设备，实现对高寒长大铁路隧道结构的保温防冻，防止隧道初衬以及二衬受冻受损。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用围岩地下水热能的高寒长大铁路隧道防冻结构，包括具有冬季不冻段的人字坡隧道，隧道的内壁设置有初衬和二衬，隧道的冬季不冻段处的围岩内设置有储水池，隧道两端的冬季受冻段设置有导热管路，所述导热管路位于初衬和二衬之间，且导热管路通过总输水管与储水池相连。

进一步地，所述冬季受冻段分为多个单元，每个单元均设置导热管路，每个导热管路的上游端与总输水管，下游端连接有总排水管，总排水管通向隧道之外。

进一步地，所述隧道的拱脚处设置有保温沟，所述总排水管和总输水管均位于保温沟内部，所述导热管路包括多个弯曲管，所述弯曲管沿隧道的环向布置，且多个弯曲管依次首位相连形成波形的导热管路。

进一步地，所述隧道的冬季不冻段两侧的围岩内分别设置有左储水池和右储水池，左储水池通过左总输水管连接有多个左导热管路，右储水池通过右总输水管连接有多个右导热管路，所述左导热管路和右导热管路相对于隧道拱顶对称分布。

进一步地，所述总输水管通过过滤设备与储水池相连。

采用上述利用围岩地下水热能的高寒长大铁路隧道防冻结构的防冻方法，

隧道施工时，中间位置朝两端洞口向下倾斜，在隧道冬季不冻段的围岩内挖储水池，在冬季受冻段的初衬和二衬之间设置导热管路，利用总输水管连接导热管路和储水池；

利用储水池收集冬季不冻段围岩中的温水，当隧道洞口的温度降低至0℃时，将储水池中的温水通入总输水管，温水在重力的作用下沿着总输水管流经导热管路，水中的热量通过导热管路传递至初衬和二衬，对初衬和二衬进行保温，水经过导热管路后排至隧道之外；

来年隧道口气温升高至0℃以上时，停止向总输水管通水，储水池中的水通过排水沟排出。

进一步地，在最冷月的平均温度大于5℃的位置挖储水池。

进一步地，将冬季受冻段分为多个单元，每个单元均设置导热管路，每个导热管路的上游端与总输水管，下游端连接有总排水管，总排水管通向隧道之外；

当隧道洞口的温度降低至0℃时，先将总输水管中的温水通入最靠近洞口的导热管路内，随着温度的降低，根据温度分布情况，按照从洞口到洞内的顺序依次向各个导热管路内通入温水。

进一步地，每个单元的长度为100m。

进一步地，储水池侧壁设置保温板。

本发明的有益效果是：长大隧道中部存在冬季不冻段，冬季不冻段围岩内的地下水具有较高的温度，本发明利用冬季不冻段处的地下水作为热源，并且人字坡隧道的两端洞口高度低于中间部位的高度，使得隧道中部的温水能够自动地流向两端的洞口，不需要任何动力设备，实施成本和运行成本低，后期维护方便。当外部气温降低至0℃以后，地下水的温度通过导热管路传递至冬季受冻段的初衬和二衬之间，可有效对初衬和二衬进行保温，防止初衬和二衬受到冻伤，保证隧道结构的安装性，延长使用寿命。

附图说明

图1是本发明的主视示意图；

图2是储水池处的隧道断面示意图；

图3是导热管路处的隧道断面示意图；

附图标记：1—隧道；2—初衬；3—二衬；4—储水池；41—左储水池；42—右储水池；5—导热管路；6—总输水管；7—总排水管；8—保温沟。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本发明的利用围岩地下水热能的高寒长大铁路隧道防冻结构，包括具有冬季不冻段的人字坡隧道1，隧道1的内壁设置有初衬2和二衬3，隧道1的冬季不冻段处的围岩内设置有储水池4，隧道1两端的冬季受冻段设置有导热管路5，所述导热管路5位于初衬2和二衬3之间，且导热管路5通过总输水管6与储水池4相连。

本发明利用温度较高的地下水作为热源进行防冻保温，要求隧道1中部存在冬季不冻段的长大隧道，因此在施工前对高寒地区季节性冻土铁路隧道进行辨识，选择运营期会出现冻害，隧道中部埋深较大，地下水温度较高的隧道，且冬季不冻段围岩内的地下水温最好高于15℃，以提供足够的热量，较好地满足防冻要求。

人字坡隧道即隧道1的中间高，两端低，具有一定的高度差，这样中部的地下水能够自动地流动至两端洞口，从而不需要动力设备驱动地下水流动，不消耗任何电能，简化了结构，降低了实施成本和后期运行、维护成本。

储水池4用于收集围岩内的地下水，设置子隧道1的两侧的围岩内，储水池4可适当深入围岩内部，以减小隧道1内的活塞风对水温的影响，同时利用围岩对储水池4中的水进行保温。储水池4的位置和容积根据隧道1的埋深、地下水的水量、地下水水温、洞口受冻段长度、洞口气温等情况综合确定。

冬季受冻段为隧道1可能出现冻害的部位，在施工前进行考察和计算，确定冬季受冻段的长度，在施工时，则在初衬2和二衬3之间设置导热管路5，导热管路5可采用不锈钢管。总输水管6则用于地下温水的输送。

由于冬季受冻段不同位置的受冻程度以及开始受冻的时间不同，洞口最先受冻，且受冻最严重，越往洞内受冻程度相对越低，因此，将隧道1两端的冬季受冻段分为多个单元，每个单元均设置导热管路5，每个导热管路5的上游端与总输水管6，下游端连接有总排水管7，总排水管7通向隧道1之外。各个单元内的导热管路5并联连接，洞口受冻时，可将储水池4中的地下水先输送至最接近洞口的导热管路5内，随着温度进一步地降低，再逐步将地下水通入下一个单元的导热管路5内，这样可以充分利用地下水，避免地下水的浪费，且地下水直接到达受冻最严重的洞口处，降低热损失，对洞口进行有效的保温防冻。管内水流利用储水池4与洞口段的高差形成的水力势，在重力作用下自由流动。

为了减少地下水在总输水管6中损失的热量，所述隧道1的拱脚处设置有保温沟8，保温沟8内部设置保温材料，所述总排水管7和总输水管6均位于保温沟8内部，保证地下水的输送和排放，防止地下水冻结。所述导热管路5包括多个弯曲管，弯曲管采用直径dn20不锈钢管或pe管，纵向间距30-50cm，所述弯曲管沿隧道1的环向布置，且多个弯曲管依次首位相连形成波形的导热管路5。这种波形的导热管路5覆盖面积大，能够将热量均匀地传递至初衬2和二衬3，保证防冻效果。

所述隧道1的冬季不冻段两侧的围岩内分别设置有左储水池41和右储水池42，左储水池41通过左总输水管连接有多个左导热管路，右储水池42通过右总输水管连接有多个右导热管路，所述左导热管路和右导热管路相对于隧道1拱顶对称分布。设置两个或者更多的储水池4，可以收集更多的地下水，保证地下水的供应量，满足防冻要求。

所述总输水管6通过过滤设备与储水池4相连，地下水经过过滤设备过滤后进入总输水管6，防止固体颗粒堵塞总输水管6、导热管路5以及总排水管7。

采用了上述利用围岩地下水热能的高寒长大铁路隧道防冻结构的防冻方法，

隧道1为人字坡隧道，施工时，在隧道1冬季不冻段的围岩内挖储水池4，在冬季受冻段的初衬2和二衬3之间设置导热管路5，利用总输水管6连接导热管路5和储水池4。在进行隧道1施工时，按照常规的方式设置排水沟，储水池4与排水沟连通，在非受冻季节，围岩中的地下水进入储水池4后排入排水沟，再通过排水沟排至隧道1之外。为了在冬季收集足够的地下水，可以储水池4为中心开设多个引水孔或者沟，将储水池4周边围岩内的地下水引入储水池4。

利用储水池4收集冬季不冻段围岩中的温水，当隧道1洞口的温度降低至0℃时，将储水池4中的温水通入总输水管6，温水在重力的作用下沿着总输水管6流经导热管路5，水中的热量通过导热管路5传递至初衬2和二衬3，对初衬2和二衬3进行保温，水经过导热管路5后排至隧道1之外。

来年隧道1洞口气温升高至0℃以上时，停止向总输水管6通水，储水池4中的水通过排水沟排出。

在最冷月的平均温度大于5℃的位置挖储水池4，以保证周围围岩内的地下水具有足够的温度，满足防冻要求。

将冬季受冻段分为多个单元，每个单元的长度为100m左右。每个单元均设置导热管路5，每个导热管路5的上游端与总输水管6，下游端连接有总排水管7，总排水管7通向隧道1之外；

当隧道1洞口的温度降低至0℃时，先将总输水管6中的温水通入最靠近洞口的导热管路5内，随着温度的降低，根据温度分布情况，按照从洞口到洞内的顺序依次向各个导热管路5内通入温水。可利用阀门控制地下水的流向。

地下水从储水池4流动至洞口的过程中，温度是不断降低的，热量逐渐减少，但受冻最严重的的部位是在隧道1的洞口，可能会出现地下水的热量不足以对洞口段进行保温，导致洞口段处导热管路5内的地下水结冰，影响防冻效果，因此，本发明将冬季受冻段分为多个单元，位于洞口的单元受冻最严重的，温度降低至0℃的时间最早，因此，最先将地下水直接通入最靠近洞口的单元，地下水散热量较少，温度较高，对洞口进行良好的保温。然后再根据温度分布情况，逐步将地下水通入下一单元的导热管路5。由于各个单元的导热管路5并联连接，通入各个单元导热管路5的地下水温度比较均匀，对各个单元的初衬2和二衬3进行有效的保温防冻。

储水池4侧壁设置保温板，提高保温效果，降低地下水的热损耗。

本发明利用长大铁路隧道中部围岩内存在温度较高的地下水这一特点，通过改进隧道1的结构形状，将地下水收集并使地下水自动地流向冬季受冻段，利用地下水的热量对初衬2和二衬3进行保温防冻，可有效防止初衬2和二衬3受到冻伤，保证隧道结构的安全，延长隧道1的使用寿命。此外，本发明结构简单，不需要耗电设备，运行和维护成本低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。