[发明专利]一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统及其施工方法

说明书

本发明公开了一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统及其施工方法，该系统从外向内依次包括初期支护结构和防水板及二次衬砌结构，初期支护结构上向外侧设置有若干锚杆、超导热管及采热装置，超导热管由三通或双通接头连接，相邻三通接头通过超导热管连接，超导热管、三通接头及双通接头内填充有超导热材料。本发明在隧道结构的基础上增加热量自平衡系统，并在超导热管、三通接头及双通接头内填充超导热材料，让隧道高温区的热量导向隧道洞口等低温的冻害常发区，既解决了隧道高温区的散热问题，又解决了隧道低温区的冻害问题，且成本适中、施作简单、维护方便。

技术领域

本发明属于隧道技术领域，具体涉及到一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统及其施工方法。

背景技术

我国幅员辽阔，不同地区气候差异较大，季节性冻土地区覆盖范围广阔。而寒冷低温下的冻融循环，致使这些地区的隧道工程容易发生不同程度的冻害。在隧道工程中，施工或者荷载原因可能导致混凝土结构内部尤其是表面附近产生收缩裂缝或荷载裂缝。一旦周围岩土中的裂隙水或孔隙水逐渐侵入衬砌的这些裂缝，并在冬季低温下结冰膨胀，致使裂缝进一步扩大，便容易发生衬砌开裂、渗水、拱顶挂冰和路面结冰等冻害。另外，冻害时常在洞口段发生，而隧道中部埋深较大的位置，又因地热而导致衬砌、隧道内温度过高，需要花费大量人力、物力进行散热。

目前，针对寒区隧道冻害这一现象的控制措施主要有两种，一种是通过电缆等热源，将其埋入隧道衬砌内以对隧道衬砌表面进行主动加热，这种方法虽然简单直接，但是需要大量的电力以及维护成本，同时也有发生火灾的安全隐患；另一种则是通过衬砌装饰层内放置隔温层来进行保温，这种方法属于被动保温，效果不佳，且成本高昂。针对埋深较大的隧道段散热措施主要是通过轴流风机引起空气流动进行主动散热，这种方法同样需要大量的电力以及维护成本，且空气导热性差，导致这种方法散热效果亦不够理想。故此时急需一种成本适中、施作简单、维护方便的设施，既能对高温区进行有效散热，又能对低温区进行加热升温。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统及其施工方法，在隧道结构的基础上增加热量自平衡系统，并在三通接头和双通接头内填充超导热材料，让隧道高温区的热量导向隧道洞口等低温的冻害常发区，既解决了隧道高温区的散热问题，又解决了隧道低温区的冻害问题，且成本适中、施作简单、维护方便。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种寒区隧道冻害防控的热量自平衡系统，从外向内依次包括初期支护结构和防水板及二次衬砌结构，初期支护结构上向外侧设置有若干锚杆、超导热管及采热装置，超导热管下端设置有三通接头，三通接头设置在初期支护结构和防水板及二次衬砌结构之间，超导热管下端均设置有三通接头，相邻三通接头通过超导热管和双通接头连接，超导热管、双通接头和三通接头内填充有超导热材料，初期支护结构和防水板及二次衬砌结构之间设置有放热板。

进一步，采热装置直径大于超导热管直径。

进一步，采热装置与围岩的接触面积需尽可能大。采热装置应采用导热性好、易加工的材料，包括但不限于不锈钢、合金钢等。

进一步，三通接头和双通接头内部应选用常用的超导热无机材料，且该材料的导热性能应尽可能地高。视工程具体情况，条件允许时，高温段的三通接头和双通接头在保证其导热性、抗腐蚀性、耐热性、刚度等指标达到要求的情况下，可采用常见的PVC材料，以降低成本提高经济性。

进一步，低温段的放热板应采用材质均匀、导热性较好且热量散布均匀的复合式放热版，视具体情况，也可采用钢丝网等进行代替。

进一步，隧道纵向的三通接头和超导热管与隧道断面的三通接头、超导热管和双通接头连接为一个整体。

进一步，超导热材料的导热系数大于1.2×10⁷W/(m·K)。