一种地下岩洞储能硐室的恒压缓冲夹层结构及其施工方法与流程

本发明涉及压缩空气储能与地下储氢，尤其涉及一种适用于地下岩洞高压储气硐室、用于消除围岩与衬砌交变疲劳荷载的恒压缓冲夹层结构及其施工方法，属于地下空间储能与高压气体密封交叉工程领域。

背景技术：

1、大规模长时压缩空气储能（caes）及地下储氢工程以地下岩洞作为高压气体储存载体，是新型电力系统调峰储能的主流技术路线。现有常规地下储能硐室的施工流程通常为：岩层开挖后实施锚喷初期支护，整体浇筑钢筋混凝土衬砌，随后在衬砌内壁涂刷防渗涂层或铺设玻璃钢密封层，直接利用硐室空腔存储高压空气或氢气。上述施工工序成熟、结构受力路径直接，是当前工程领域应用最广泛的技术方案。

2、然而，在储能充放气的完整运行周期内，硐室内部气压持续发生周期性升降，内部交变压力荷载通过混凝土衬砌直接传递至围岩。长期服役过程中，现有技术方案存在以下核心技术缺陷。

3、（1）围岩疲劳损伤风险高。围岩长期承受反复拉压及剪切交变循环应力，岩体内部原生裂隙在交变荷载驱动下持续扩展，产生不可逆的疲劳劣化，极易引发围岩坍塌、渗水失稳等安全事故。

4、（2）衬砌结构易开裂渗漏。钢筋混凝土衬砌在循环内压作用下环向受拉产生周期性弯曲疲劳，衬砌本体及附着于其内壁的密封层频繁出现开裂、分层及气体渗漏现象，导致储能效率大幅下降，严重制约硐室的长期安全运行。

5、（3）服役寿命短、运维成本高昂。受交变荷载持续损伤的影响，衬砌与围岩需高频次开展洞内密封修复及围岩加固检修工作，全生命周期运维成本显著提升。

6、针对上述问题，现有技术中已有部分改进方案，但均未能从机理上彻底消除交变荷载。

7、中国专利cn121229184a公开了一种压缩空气储能电站地下硐室结构施工方法及参数优化设计方法，其技术实质在于利用缓冲层吸收围岩变形、导排地下水渗流，但该方案仅能被动衰减围岩向衬砌传递的静态变形应力，无法处理硐室内部周期性气压荷载所引起的动态交变应力；同时，其内侧玻璃钢密封层为实心防渗结构，仅具备阻隔气体渗漏的功能，不具备蓄压及恒压转化能力。

8、中国专利cn119825433a公开了一种地下储气库硐室及其施工方法，在双层衬砌之间设置相变材料减压层，依靠材料形变被动削减压力波动幅值，但该方案中衬砌外侧的围岩仍然承受交变荷载，仅能降低疲劳损伤程度而无法彻底消除交变应力，且双层衬砌结构大幅压缩了储气有效容积，同时显著提升了工程造价。

9、综上所述，现有技术均遵循“抵抗或消减压力波动”的传统设计思路，即依靠提升衬砌强度或增设柔性缓冲层来降低交变荷载损伤，未能跳出该技术框架，无法从机理上将周期性波动内压转化为恒定荷载，严重制约了地下储能硐室的长周期安全稳定运行。因此，亟需提供一种能够彻底消除围岩及衬砌疲劳交变应力的地下储能硐室结构及配套施工方法。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、针对现有地下储能硐室在充放气运行周期中，交变气压引发围岩与衬砌疲劳损伤、密封层易渗漏、运维成本高的技术瓶颈，本发明提供一种地下岩洞储能硐室的恒压缓冲夹层结构及其施工方法。

3、本发明旨在通过在混凝土衬砌内侧设置带单向阀的密闭蓄压缓冲夹层，在充气阶段使夹层储存最高工作压力气体，在放气阶段由单向阀锁闭夹层内的高压气体，从而使混凝土衬砌外侧及围岩持续承受恒定径向压力，从根源上消除周期性交变疲劳荷载；同时配套标准化密封施工工艺与气密性验收体系，以提升硐室气密性与长期服役稳定性，降低全生命周期运维成本，并可同时适配压缩空气储能与地下储氢两类高压气体储能场景。

4、（二）技术方案

5、为实现上述发明目的，本发明第一方面提供一种地下岩洞储能硐室的恒压缓冲夹层结构，技术方案如下：

6、一种地下岩洞储能硐室的恒压缓冲夹层结构，包括围岩、浇筑成型于围岩内侧的混凝土衬砌。

7、所述混凝土衬砌内侧自外至内依次铺设有外圈密封层、可粘接纤维多孔材料层、内圈密封层；所述外圈密封层、可粘接纤维多孔材料层、内圈密封层三者合围形成密闭的恒压缓冲夹层。

8、所述恒压缓冲夹层结构还设有若干单向阀，所述单向阀贯穿内圈密封层，单向阀进气端连通硐室内部储气空腔，出气端伸入可粘接纤维多孔材料层内部；所述单向阀仅允许气体由硐室储气空腔单向流入恒压缓冲夹层，并阻断夹层内气体回流至硐室内部。

9、充气储能阶段，硐室内压升高至大于夹层内部压力时，单向阀自动开启，高压气体进入可粘接纤维多孔材料层孔隙内蓄压，夹层气压与硐室最高工作内压持平；放气释能阶段，硐室内压快速下降，夹层气压高于硐室内压，单向阀反向密封锁死，夹层内部高压气体持续封闭留存，使混凝土衬砌外侧长期承受来自夹层的恒定径向压力，从而消除围岩与衬砌所受的周期性交变荷载。

10、优选地，所述恒压缓冲夹层保压验收标准为：单独充气至设计压力后保压24h，压降不超过0.5mpa。

11、优选地，所述可粘接纤维多孔材料层的选取标准为：单轴抗压强度≥1.2倍内部物料自重压力，且在设计压力下不发生显著变形或破坏，并具备透气性以保障气体压力在夹层内的均衡传递。

12、优选地，所述可粘接纤维多孔材料层由多块板材或卷材拼接而成，板材接缝采用台阶式搭接构造；硐室纵向两端夹层收口处采用加厚密封层封边处理。

13、优选地，所述单向阀的开启压差阈值为0.01-0.1mpa；单向阀沿硐室纵向每2-4m布设一个，位置设置于硐室底部以便于检修；储氢工况下，单向阀阀体选用抗氢脆不锈钢材质；压缩空气工况下，选用普通防腐碳钢阀体；单向阀与内圈密封层穿设位置设置橡胶o型圈压紧密封结构，并局部加厚密封层补强。

14、优选地，所述外圈密封层为密封涂层，采用高分子柔性防渗膜或环氧聚氨酯防腐涂层；所述内圈密封层采用硬质抗压密封板，为硬质抗压材料，并涂覆密封涂层；压缩空气储能工况下，密封层选用聚氨酯防渗涂层；储氢工况下，密封层选用低氢渗透热塑性聚氨酯（tpu）防渗膜，所述外圈密封层采用硬质抗压材料涂覆密封涂层的结构。

15、本发明第二方面提供一种根据上述任一项所述的地下岩洞储能硐室的恒压缓冲夹层结构的施工方法，包含以下步骤：

16、s1：衬砌基面预处理：对混凝土衬砌内表面进行机械打磨平整，基面缺陷采用环氧修补砂浆找平，以避免尖锐凸起刺破密封层。

17、s2：外圈密封层铺设施工：在干燥的衬砌基底表面均匀涂刷环氧底涂，底涂固化后整体铺设外圈密封层；外圈密封层应完全贴合衬砌内壁，无空鼓、褶皱。

18、s3：可粘接纤维多孔材料层铺设与单向阀预装。

19、s4：内圈密封层整体成型：在多孔材料内侧均匀涂刷粘接胶，整体铺设内圈密封层，完整覆盖多孔材料与单向阀穿设部位；阀体开孔位置增设双层密封布翻边补强，翻边宽度≥100mm；硐室纵向两端夹层收口位置采用加厚密封层封边处理；常温条件下整体固化48h，使夹层各层界面完全粘接密闭。

20、s5：分层气密性检测。

21、s501：夹层独立保压试验：封闭硐室进出口，通过单向阀向密闭恒压缓冲夹层单独充气至设计最高工作压力，保压24h，监测夹层压降，判定夹层密封是否合格。

22、s502：单向阀启闭性能测试：释放硐室内部空腔气体、降低硐室内压，监测夹层压力保持恒定、无气体回流，判定单向阀反向密封是否合格。

23、s503：全工况联动充放气循环试验：多次执行充气-放气完整循环，实时监测围岩位移、衬砌应力、夹层压力，验证夹层恒压防护效果，全部指标达标后方可投入使用。

24、（三）有益效果

25、相较于现有地下储能硐室结构与施工工艺，本发明具备以下突出技术优势。

26、1.彻底消除交变疲劳荷载，大幅提升结构安全寿命。

27、区别于现有技术方案被动式缓冲应力波动的设计思路，本发明通过单向阀与密闭多孔夹层的协同配合，形成了主动恒压转化机制：充气阶段封存最高工作压力气体，放气阶段由单向阀锁闭夹层内的高压气体，充分利用内圈密封层的抗压性能，使外圈密封层、混凝土衬砌及围岩持续承受恒定径向压力，交变应力幅值归零。本发明从机理上根除了岩体与混凝土衬砌的循环疲劳损伤，硐室整体服役寿命得到大幅提升，围岩坍塌、衬砌开裂及渗漏风险显著降低。

28、2.气密性能优异，储能运行效率更高。

29、本发明采用夹层内外双层高分子密封层、台阶搭接接缝密封、单向阀局部补强封边等多重密封构造，整体气体渗透系数远低于传统玻璃钢单层密封结构；同时，夹层密闭蓄压结构可有效减少高压气体向围岩方向的损耗，提升储能电站的循环效率。

30、3.施工兼容性强，改造成本低。

31、本发明的夹层体系可全部在既有混凝土衬砌内侧铺设完成，无需改动传统硐室开挖、锚喷支护、钢筋混凝土衬砌等成熟施工工序，既适用于新建硐室，也适用于存量老旧硐室的改造升级；无需增设双层衬砌结构，不压缩储气有效容积，工程造价增量可控，具有良好的经济性。

32、4.双介质通用，应用场景广泛。

33、本发明通过调整密封层材质及单向阀阀体材质，可分别适配压缩空气储能与地下储氢两类工程场景；可粘接纤维多孔夹层材料可选用多种工业化量产的卷材或板材，材料采购便捷，规模化推广适配性强。

34、5.标准化施工与闭环验收体系，工程质量可控。

35、本发明配套了完整的基面处理、分层铺设、密封补强及分层气密性检测标准化施工工艺，施工全过程质量可检测、可验收，有效避免密封层脱粘、夹层漏气等施工缺陷，保障工程实施质量。