一种隧道防治冻害系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及隧道防冻技术。


背景技术：

2.中国地缘辽阔，当道路(铁路)施工到达冻土区域时，其修建的隧道就可能受到冻害影响，包括隧道拱部挂冰、侧墙壁冰、底部积冰侵入建筑限界，温度应力和冻胀力加剧衬砌开裂和风化剥蚀作用，围岩冻胀压力导致隧道衬砌变形挤出，甚至隧道整体塌陷，这些问题严重威胁铁路隧道人员、电气设备和车辆运营安全，降低隧道的承载能力、稳定性和服役寿命。
3.目前常用的解决冻害的技术方案有：
4.1、保温u型导水槽，但这种方案只对寒冷程度小、冻害(水害)分布呈线状的低等级冻害有效，施工麻烦，且存在耐久性问题，对衬砌有破坏；
5.2、设置电加热装置，但这种方案发热构件对外部电源要求较高，存在用电安全隐患，整治费用高、时间长、后期维护，成本高；
6.3、设置抗冻保温层，但这种方案中间型保温板只能用于新建隧道、改建隧道或加强衬砌，表面型保温层须存在锚固严苛、背后积水、搭接麻烦、与衬砌不密贴等问题；长期严寒地区，保温层被动防寒效果不理想；
7.4、人工除冰，但这种方案需长时间巡查、反复除冰，劳动强度高，除冰效果差，治标不治本，天窗期作业，难以全天候保证行车安全。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是实现一种有效、可靠对隧道冻害进行防治的系统。
9.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种隧道防治冻害系统，在隧道内壁设置复合发热层，包括直接附着在隧道衬砌表面的底层、位于中间的导电发热层，以及最外层的疏水保温层，所述导电发热层连接电源系统，所述电源系统的控制端连接控制系统。
10.所述底层为聚合物砂浆材料采用湿喷机均匀扫喷在隧道衬砌表面构成所述导电发热层由导电浆料、基材、助剂混合后喷涂在底层上，所述电源系统连接至导电发热层的两端。
11.所述疏水保温层为聚氨酯发泡材料喷涂在导电发热层上构成，所述疏水保温层内埋设有加强筋安装，
12.所述疏水保温层为气凝胶卷材保温材料贴附在导电发热层上，所述气凝胶卷材保温材料的背面设有用于贴附的粘接布，所述气凝胶卷材保温材料的厚度为3-20mm，密度为150-200kg/m3。
13.所述复合发热层每间隔设定距离或每间隔设定面积设有一根锚固件，所述锚固件贯穿复合发热层嵌入到隧道衬砌内。
14.所述复合发热层每间隔设定距离或每间隔设定面积设有一个温度传感器，每个所
述温度传感器连接并输出信号至控制系统，所述温度传感器固定在隧道衬砌表面与底层之间。
15.隧道内的复合发热层被分割为多个独立的发热单元，每个所述发热单元通过独立的电源线连接电源系统，每个所述发热单元内至少设有一个温度传感器。
16.所述电源系统设有在隧道外布置发电装置，包括光伏发电装置和/或风力发电装置，所述发电装置连接并输出电能至储能电池，所述储能电池和国家电网并行接入电源系统的供电端口，所述电源系统的输出端口连接至每个发热单元。
17.一种基于所述隧道防治冻害系统的控制方法：
18.每个所述发热单元的复合发热层设有关闭、保温和加热三种工作状态，保温的功率大于加热功率；
19.控制系统所执行的温度控制模式分为4种，包括：
20.手动模式：人工控制每个发热单元的输入功率；
21.时序模式：将一天内按照低寒、中寒和高寒分为若干时段并设定标志时间，每个时段预设输入功率，按照标志时间以时序方式在不同时序条件下对全部复合发热层启动对应的关闭、保温和加热功率；
22.感应常开模式：依据温度传感器信号，单独控制对应复合发热层的发热功率，当监测温度值≤t2时，复合发热层启动加热功率；当监测温度值＞t2且＜t1时，复合导电启动保温功率；当监测温度值≥t1时，复合发热层处于关闭状态，t1是维持衬砌背后不结冰的最低温度；
23.感应启停模式：依据温度传感器信号，单独控制对应复合发热层的发热功率，当监测温度值＜t3时，复合发热层启动加热功率，将衬砌表面加热至温度＝t3，然后立刻进入关闭状态；温度传感器持续监测衬砌表面温度的下降过程，当监测温度值下降至＝t1时，再度启动复合发热层的加热功率，在此模式下，温度由t1上升至t3时复合发热层处于加热状态，温度由t3下降至t1时处于关闭状态。
24.本发明隧道防治冻害系统具有以下优势：
25.1、系统具备全面的安全保障
26.(1)用电安全。采用36v电压供电，符合相关规范中“我国规定的安全电压额定值的等级为42、36、24、12、6伏”；洞内设备进行综合接地；洞外光伏电源系统采取了接地和防雷击措施。
27.(2)防火阻燃。疏水保温层阻燃性能达到了b1级级以上不燃标准。
28.(3)复合喷层不存在脱落、掉块等危及隧道运营安全的风险。因为导电发热层经不等温固化后对底层具有良好的附着能力，各层之间具有充分的粘接强度，避免材料脱落。且最外层疏水保温层密度低，柔韧，具有优良的抗拉强度，可抵抗施工时的拉伸和冷热交替时线性收缩带来的内应力。复合喷层结构整体极其轻薄，具有良好的柔性和韧性，不存在掉块危及行车及人员安全的风险。
29.2、系统经久耐用可靠
30.(1)电源系统可靠、少维护。电源系统光伏组件及蓄电池等采用长寿命元器件，针对高寒环境进行专门设计，具有良好的机械强度、密封性、电绝缘性、抗紫外线和严寒能力，基本免维护、维护方便.
31.(2)疏水保温层优良的耐久性可对结构起到全面保护。疏水保温层采用的材料，憎水率99％以上，隔绝液态水，同时允许水蒸气透过，避免材料因进水引起的沉降导热系数低，仅为传统材料的13～1/5，隔热性能是传统材料的3～8倍；貝有防火不燃性；具有独特的三维网络结构，650
°
下长期使用，紫外线长期照射不老化，耐候性好，使用寿命可达20年以上质轻、柔韧，优良的抗拉强度，可抵抗施工时的拉伸和冷热交替时线性收缩带来的内应力；由无机材料组成，无烟无味、无毒、无熔滴物，不含对人体有害物质，可溶出氯离子含量极小，对混凝土结构等无腐蚀。
32.3、运营期间电费低、综合成本低
33.(1)光伏发电系统可实现零电费开支
34.隧道内用电通常采用公共电网供电方式，产生了输电线路建设成本、输电线路损耗、输电线路维护等运营费用，尤其是冻害隧道往往处于偏远地区，输电线路的建设及维护成本在整个隧道用电费用中占很大-部分。而且，电加热法进行保温和除冰虽然效果好，但耗费能量较多。若从市政电网购电，居高不下的电费将大幅增加隧道运营费用。而采用光伏发电不仅大大降低初期输电线路的建设和维护成本，运营期若釆用离网发电，电力完全由系统自发自用，零电费开支；若采用并网发电，余电上网，极大地减小了运营单位的运营负担。
35.(2)智能温控系统可实现按需供暖
36.基于温度和冰雪状态传感器的智能温控系统具备保温和融冰自动启停的控制方式，以适应气温和衬砌温度的波动，避免了温度阈值以上长时间无用发热，隧道冻害防治和运营能耗相适应，“按需供暧”，为不具备光伏发电的隧道节约运营费用。
37.4、施工便捷、高效
38.系统采用新型的导电发热层、疏水保温层、无线温度传感器系统等，总体结枃轻薄，用料省，且采用机械喷涂施工，施工效率与质量完全满足天窗期需求。
附图说明
39.下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
40.图1为隧道防治冻害系统原理图；
41.图2为隧道防治冻害系统铺设后截面图。
具体实施方式
42.下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
43.隧道防治冻害系统主要由设置在隧道内壁上的复合发热层实现保温加热功能，复合发热层如图1所示，包括直接附着在隧道衬砌表面的底层、位于中间的导电发热层，以及最外层的疏水保温层，导电发热层连接电源系统，电源系统的控制端连接控制系统，整体构成一个隧道防治冻害的系统。
44.底层材料为聚合物砂浆，采用小型湿喷机将预拌砂浆均匀扫喷在目标区域，喷层
薄而平整，喷射后用抹刀修饰处理表面。喷射底层材料目的是为导电发热层提供一个平整的工作面。喷射前应注意以下事项：
45.1、用高压风或高压水清楚衬砌上附着的粉尘、泥土等污渍；
46.2、隧道渗漏水的位置要做好防排水；
47.3、若衬砌表面有结冰，应先融化秉承并清扫掉融化后的水分；
48.4、目标面若过于光滑对其进行拉毛处理，增大附着力。
49.导电发热层使用导电发热材料喷涂构成，导电发热材料的本质就是导电浆料、基材和助剂混合构成，导电浆料为石墨、炭黑、碳纤维、金属粉末等，基体材料采用水性聚氨酯、环氧树脂等材料作为胶结材料；助剂采用三乙醇胺、对苯二酚、偶联剂、阻燃剂、增韧剂等化学助剂。
50.导电材料喷射成型后具有一定电阻，其两端施加电压后能发生电热反应，导电发热层经不等温固化形成并联导电涂层材料，两端施加电压时可产生热量。导电发热材料用电安全，采用24～12v的安全电压，材料轻薄，粘接性好，不宜脱落，施工方便，高效。
51.疏水保温材料可以喷涂，也可以铺设，取决于所采用的保温材料。根据需求和成本，可选择聚氨酯发泡材料或气凝胶卷材保温材料。疏水保温层优良的耐久性可对结构起到全面保护。疏水保温层采用的材料，憎水率高，隔绝液态水，同时允许水蒸气透过，避免材料因进水引起的沉降导热系数低，隔热性能极好；貝有防火不燃性；具有独特的三维网络结构，650
°
下长期使用，紫外线长期照射不老化，耐候性好，使用寿命可达20年以上质轻、柔韧，优良的抗拉强度，可抵抗施工时的拉伸和冷热交替时线性收缩带来的内应力；由无机材料组成，无烟无味、无毒、无熔滴物，不含对人体有害物质，可溶出氯离子含量极小，对混凝土结构等无腐蚀。
52.聚氨酯发泡材料施工为喷射成形，在喷涂导电发热材料后的隧道衬砌上安装锚固件，锚固件间隔一定距离，布置在目标区域的外围。在锚固件外露端安装加强筋，并使加强筋绷紧，且加强筋到导电发热材料的距离为保温疏水材料厚度的一半。加强筋既可以作为喷涂厚度控制的参照物，也作为保温材料的骨架，对保温材料进行加强防止其脱落。锚固件可采用射钉、膨胀螺丝或化学锚栓等，加强筋可采用力学性能和耐久性良好的柔性钢丝网或复合纤维等。
53.聚氨酯发泡材料喷射时需要调整聚氨酯喷射材料的配合比再进行试喷，喷射正常后严格按照设计厚度进行喷射。喷射宜采用逐层喷射工艺，喷射过程中注意控制喷枪与衬砌的距离、角度和喷射压力。
54.保温材料表面处理。使用抹刀等工具对喷射后的聚氨酯材料表面进行平整和修饰，必要时使用聚合物砂浆将表面的坑洼填平。最后在聚氨酯材料表面喷涂一层抗结冰面漆，使其达到相应防火和防水等级。
55.气凝胶卷材施工为自粘式铺挂工艺，粘接布采用土工布，呈条带状，覆盖冻害轮廓均匀分布。通过锚固件及配套橡胶垫等压紧在导电发热材料表面，保证其不脱落。保温层采用气凝胶薄层卷材，单层厚度3-20mm，密度为150-200kg/m3，具有极佳的隔热性能、防火性能和憎水性能。气凝胶卷材背面分布有均匀布置的粘接带，可直接粘接在粘接布上。通过合理布置粘接带的数量和间距，可将保温卷材牢固紧密固定在隧道上。
56.上述导电发热层的优势是，由于导电发热层暴露在隧道冷空气中，热量会迅速流
失，难以起到加热隧道衬砌的作用，且导电发热材料本身不具备良好的耐久性，难以适应隧道长久的设计使用寿命要求。保温卷材虽然一定程度上可以延缓隧道衬砌中热量向冷空气中流失，但长年处于寒冷环境时，衬砌背后温度必然降低至冰点以下。通过将两者结合，可使复合发热层产生的热量有效地向衬砌及围岩的方向传播而不流失于冷空气中，且使得复合发热层具备良好的耐久性和工作寿命。传统隧道加热材料为发热电缆，且采用化学锚栓逐块固定的方式安装；且未见在运营铁路隧道衬砌表面铺挂卷材的保温方式。若保温材料通过黏贴和密布射钉等方式安装，粘结可靠性差，或对隧道衬砌的破坏严重，且施工缓慢，难以适应铁路天窗期抢修时间紧的特点。本发明通过导电发热层喷涂式施工工艺和保温层粘贴式施工工艺，简化了施工流程，铺挂牢固而平整，导电发热层与保温层密贴性好，劳动强度低，施工速度快，适合在天窗时间快速施工，并有望实现机械化施工。
57.复合发热层的布置方式有三种：点铺、条铺及满铺：
58.1、点铺：针对点漏、滴漏形式的渗水及小面积的表面湿渍导致的很小规模的结冰，复合导电发热涂层喷涂时可采用圆形覆盖结冰区域，其周长到圆形范围内任一结冰位置的距离不小于5cm。
59.2、条铺：施工缝、后浇带、变形缝、诱导缝等衬砌接缝处及呈线状分布的衬砌裂缝等位置的渗漏水往往导致结冰呈线状或条带状分布，故复合导电发热涂层喷涂时可呈带状施工，使其具有一定宽度，覆盖出现结冰的区域，并覆盖在未发生结冰衬砌一定宽度。此宽度不宜小于单侧10cm。
60.3、满铺：针对严重的大面积渗漏水结冰，喷涂是应完全覆盖渗漏水结冰所在的区域，并使复合导电发热涂层形状呈矩形，其四条边到矩形范围内任意结冰位置的距离不小于20cm。
61.针对不同冻害规模，可灵活采用以上三种不同的铺设方式，因此不仅适用于小规模的点状、线状结冰的整治，也满足大规模的线状及面状结冰的整治。为保证冻害防治效果，通常采用满铺形式，且完全覆盖冻害及其前后的衬砌位置。
62.在复合层施工前即喷射底层材料前，用化学粘结剂或小型锚固件将小型温度传感器粘贴或嵌固在衬砌表面，每个温度传感器均通过导线连接并输出温度信号至控制系统。
63.冻害处监控点选择，冻害处监控点布置应根据冻害形状确定：
64.1、隧道冻害分布呈点状分布或条带状分布的，可将监控点随着冻害分布呈点状布置或线状布置，相邻监控点之间的距离不宜大于单个传感器检测半径r。
65.2、冻害分布成不规则面状分布且其规模远大于单个传感器的覆盖范围时，应考虑用最少的传感器覆盖冻害并达到一定的有效监测面积覆盖率。通常在冻害中心、次中心以及冻害轮廓上距离冻害中心的远端等关键点位布置监控点，其余部位根据监控点疏密确定是否需要补设监控点。
66.未发生冻害处的监控点选择，沿隧道纵向，在冻害发生部位的前后位置宜各设置一个监测断面。依据工程经验和数值仿真结果，隧道同一横断面上不同部位的温度存在一定差异。隧道衬砌拱顶温度整体较边墙低，主要原因是受地温梯度及洞内冷空气等影响，拱顶衬砌背后围岩温度略低于边墙背后温度，但差别不大。因此，该监测断面上，监控点可尽量布置在拱顶。
67.一般情况下的隧道横断面的温度场分布规律为：受隧道内冷空气等影响，隧道衬
砌内轮廓表面温度最低，随着到衬砌表面距离的增加，隧道衬砌及衬砌外侧围岩的温度逐渐升高。在衬砌内部温度与径向距离基本成线性变化；而在围岩内部温度与径向距离成非线性变化。总体而言，随着径向深度的增加，围岩温度逐渐升高，但变化逐渐减慢，最后趋于稳定。由此可知，只要通过适当的加热措施使隧道衬砌内表面的温度维持在一定温度t1，令下图中的0℃等温线向隧道内方向移动，衬砌背后的温度基本处于就在0℃以上，冻结圈就无法形成，冻害就不会发生。基于国内外隧道工程经验总结、数值仿真和理论解析等，-5℃≤t1≤0℃。同时，另取温度值-20℃≤t2≤-10℃，1℃≤t3≤10℃。t1～t3需要根据特定隧道工程的环境特点、衬砌热学特性和厚度等综合测量、计算后确定具体数值。
68.每片复合导电发热层均采用独立回路控制，按照发热功率可分为关闭、保温和加热三种状态。每片复合导电发热层及对应位置的温度传感器均连接至智能温控系统。温度控制模式分为4种模式：手动模式、时序模式、感应常开模式和感应启停模式。
69.手动模式：人工控制每片复合导电发热层功率，可实现对隧道衬砌特定部位实行精准防冻。
70.时序控制：根据隧址区多年统计的日均气温变化曲线规律，将一天按照低寒、中寒和高寒分为若干时段并设定标志时间。智能温控系统会按照标志时间以时序方式在不同时序条件下对全部复合导电发热层启动对应的关闭、保温和加热功率。
71.感应常开模式：依据温度传感器信号，单独控制对应复合导电发热层的发热功率。当监测温度值≤t2时，复合导电发热层启动加热功率；当监测温度值＞t2且＜t1时，复合导电启动保温功率；当监测温度值≥t1时，复合导电发热层处于关闭状态。t1是维持衬砌背后不结冰的最低温度，故在此模式下复合导电发热层会持续处于工作状态。
72.感应启停模式：依据温度传感器信号，单独控制对应复合导电发热层的发热功率。当监测温度值＜t3时，复合导电发热层启动加热功率，将衬砌表面加热至温度＝t3，然后立刻进入关闭状态；温度传感器持续监测衬砌表面温度的下降过程，当监测温度值下降至＝t1时，再度启动复合导电发热层的加热功率。在此模式下，温度由t1上升至t3时复合导电发热层处于加热状态，温度由t3下降至t1时处于关闭状态，故复合导电发热层为反复启停状态。
73.控制系统可根据实际隧道工程特点进行设计和选用上述4种温控模式，实现隧道冻害的精确防控、无人值守和降低总用电量，从而降低隧道冻害防治的人力、物力和财力，使得隧道冻害全天处于可控状态，从而保障行车安全。
74.电源系统使用低压36v进行供电，电力来源包括光伏发电系统供电和国家电网供2种。所述的光伏发电系统包括针对严寒环境专门设计的隧道出入口附近的分布式光伏阵列、大容量储能电池、光伏控制器、逆变器等组成。根据光伏发电系统是否接入国家电网，分为离网发电系统和并网发电系统。离网发电系统白天为设备提供电力且为蓄电池充电，夜间利用蓄电池供电；并网发电系统发电既能用于发热设备，也可将余电并入国家电网，恶劣天气和战时可通过国家电网对设备及蓄电池供电。所述的国家电网供电即利用隧址区的市电或农电供电。
75.当电源系统仅接入国家电网时，复合导电发热层仅使用市政电力。当电源系统中还包括隧道洞口光伏(风力)发电模块时，电源控制系统根据环境光线强弱智能控制电力。若环境较明亮，复合导电发热层使用光伏发电，余电储存至蓄电池；若环境光线较昏暗，复
合导电发热层使用蓄电池储存的电力或市政电力。无论采用市政电力还是光伏(风力)发电，电源系统均配备有变压器，使电源成为稳定的24～36v的直流或交流电。
76.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。