[发明专利]季节性冻土区铁路隧道冻融圈控制系统与方法

权利要求书

1.一种季节性冻土区铁路隧道冻融圈控制系统，其特征是：包括温控系统和循环系统，其中，所述温控系统包括温度传感器、信号接收模块、信息分析模块和指令模块，所述温度传感器设置于隧道外部岩土体内，对其温度进行实时监测，通过信号接收模块发送至信号分析模块进行分析，产生相应的控制指令，通过指令模块下发至循环系统执行，对隧道围岩冻融圈的范围进行调节；

所述信息分析模块被配置为：分析各温度传感器点位处的地温，得到隧道各闭合回路断面的温度场及冻融圈位置，能够与保持隧道结构稳定的冻融圈进行比较；当前冻融圈位于稳定冻融圈内部时，输出结果为“降温”，否则输出结果为“关断”；指令模块接收输出结果，当接收结果为“降温”时，向对应断面循环系统的控制器发送启动指令，当接收结果为“关断”时，向对应断面循环系统的控制器发送关断指令；

所述循环系统包括若干沿隧道延伸方向间隔布设的循环组，每组均由输送管道形成的闭合回路，闭环回路上设置有风机和压缩机，闭环回路内流动冷冻剂，所述风机和压缩机被配置为受控制器控制，所述控制器接收指令模块的指令；所述输送管道一部分埋设于隧道路基内，所述输送管道的另一部分埋设于隧道仰拱下部；

当循环系统启动时，埋设于隧道路基内的输送管道内的高温高压的冷冻剂对隧道路基传递热量，提升周边路基结构的温度；埋设于隧道仰拱下部的输送管道内的低温低压的冷冻剂吸收隧道仰拱下部岩土体的热量，降低其温度。

2.如权利要求1所述的一种季节性冻土区铁路隧道冻融圈控制系统，其特征是：所述温度传感器为多个，埋设于隧道外部一定范围内的围岩中，根据温度传感器的值，得到所述循环系统的闭环回路断面温度信息。

3.如权利要求1所述的一种季节性冻土区铁路隧道冻融圈控制系统，其特征是：当前冻融圈位于稳定冻融圈内部时，输出结果为闭环回路工作，否则输出结果为闭环回路不工作，得到输出结果后，信息分析模块将输出结果传递给指令模块。

4.如权利要求1所述的一种季节性冻土区铁路隧道冻融圈控制系统，其特征是：所述循环系统与温度传感器安装于同一横断面内。

5.如权利要求1所述的一种季节性冻土区铁路隧道冻融圈控制系统，其特征是：所述输送管道包括蒸发管、冷凝管以及毛细橡胶管，蒸发管以及冷凝管采用带有钝化膜的不锈钢管，冷凝管埋设于隧道路基内，沿隧道横断面方向布置，蒸发管埋设于隧道仰拱下部，与冷凝管同方向布置，两管的连接通道埋设于拱脚处以保证衬砌结构的完整性，且毛细橡胶管安装于冷凝管与蒸发管的连接通道内部。

6.如权利要求5所述的一种季节性冻土区铁路隧道冻融圈控制系统，其特征是：所述风机处于工作状态时，加快蒸发管中的冷冻剂气化与气体流速，将冷冻剂蒸汽送入压缩机内。

7.如权利要求5所述的一种季节性冻土区铁路隧道冻融圈控制系统，其特征是：所述压缩机处于工作状态时，对低温低压的冷冻剂蒸汽做功，使其成为高温高压的冷冻剂蒸汽，并将高温高压的冷冻剂蒸汽送入冷凝管内。

8.如权利要求5所述的一种季节性冻土区铁路隧道冻融圈控制系统，其特征是：所述输送管道的冷凝管具有一定的倾角，使冷凝后的冷冻剂液体能够顺利流至毛细橡胶管中。

9.如权利要求5所述的一种季节性冻土区铁路隧道冻融圈控制系统，其特征是：所述毛细橡胶管 为多根，并排设置，对低温高压的冷冻剂液体进行降压，使其变为低温低压的冷冻剂液体。

10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的控制系统的控制方法，其特征是：包括以下步骤：

1)隧道掌子面开挖完成后，在设计断面处打孔，埋设温度传感器，并在地面下部设计高程处开挖循环系统通道，拼装循环系统并埋设；

2)隧道运行过程中，每隔一段时间温度传感器采集一次隧道温度信息，并传输至温控系统的信号接收模块；

3)温控系统信号接收模块接收信息后，将信息传递给信息分析模块；

4)信息分析模块分析后，将对每个隧道断面的分析结果传递至指令模块；

5)指令模块将分析结果转化为指令，传递给控制器及温度传感器；

6)控制器根据指令启动循环系统，通过冷冻剂蒸汽在冷凝管中的冷凝，向隧道路基结构释放热量，通过冷冻剂在蒸发管中的蒸发气化，从隧道周边岩土体中吸收热量，保持隧道周边岩土结构的稳定，直至隧道外部冻融圈开展至稳定冻融圈，控制器接到关断的指令，关断循环系统；

7)重复步骤2)至步骤6)，维持隧道周边岩土结构的稳定。