一种寒冷地区隧道消防管道防冻结的方法及装置

摘要

本发明提出了一种寒冷地区隧道消防管道防冻结的方法及装置，在寒冷地区，通过设计的隧道弱电电缆沟密封保温措施，使隧道洞口至电伴热保温发热电缆敷设结束处弱电电缆沟形成密闭空间、与环境隔绝，在对弱电电缆沟保温(即对消防管道保温)的同时，降低了弱电电缆沟内的风速。其组成包括：弱电电缆沟盖板上部保温层(8)、洞口保温层(9)、隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处保温层(10)、隧道洞口保温固定槽沟(11)、隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处保温固定槽沟(12)。由于减小了隧道弱电电缆沟温度下降速度(即消防水管降温速度)，增大了隧道消防电伴热系统运行间歇时间，降低了隧道消防电伴热系统的运行费用、能耗。

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种寒冷地区隧道消防系统防冻结的方法及装置。

背景技术

公路隧道尤其是山岭隧道，消防水管放置于隧道行车方向外侧的弱电电缆沟内，在寒冷和严寒地区，为了防止消防管道冻结，导致消防系统无法使用，因此一般会在隧道洞口至洞内一定长度的(即隧道内需要进行消防管道抗冻设防长度)消防管道上设置电伴热保温系统(发热电缆和保温隔热层)的措施。

在隧道实际运营中，由于寒冷地区冰冻期长、温度低，为保障消防水管内水不冻结，需发热电缆长时间对消防水管进行保温，有时发热电缆会无间歇工作，导致电伴热系统运营费高、能耗大。如何在保证隧道消防系统安全有效的前提下，降低隧道消防电伴热系统运行时间、运行费用和能耗，提高消防系统的可靠性，成为隧道运营中亟待解决的难题。

发明内容

本发明提出了一种寒冷地区隧道消防管道防冻结的方法及装置，通过设计的寒冷地区隧道弱电电缆沟密封保温措施，减小隧道弱电电缆沟内消防管道温度下降速度(即消防水管降温速度)，增大隧道消防电伴热系统运行间歇时间，降低隧道消防电伴热系统的运行费用、能耗。

影响消防水管降温的因素有弱电电缆沟内保温措施和风速，在实际工程中，考虑到由自然风、车辆活塞风和隧道内设置的风机运行所产生的机械风，以上均能引起洞内的空气在隧道中运动而产生风流。根据《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02-2014)的规定，自然风等作用引起的洞内风速约2m/s～3m/s。考虑弱电电缆沟上部由一块块盖板敷设而成，盖板与盖板之间存在缝隙，同时洞口电缆沟与外部相连等因素，以上均会导致电缆沟内存在一定的通风风流，故隧道内的风流导致弱电电缆沟内风速一般会大于2m/s。

为解决以上技术问题，理论分析了弱电电缆沟外部有无附加保温措施、不同风速对消防水管降温速度的影响。在相同的风速下，增设保温层比无保温层可使管道被冻结时间延缓1～2小时；无附加保温层时，弱电电缆沟内的风速由2.0米/秒降低至0.05米/秒时，管道冻结的时间由17小时延缓至25小时；敷设附加保温层，同时弱电电缆沟内的风速由2.0米/秒降低至0.05米/秒时，管道冻结的时间由17小时延缓至27小时。根据以上分析，针对现有技术存在的缺陷，本发明设计了在隧道电缆沟外敷设密封保温层，一是提高电缆沟内的整体温度，二是降低电缆沟内的通风风流，从而大幅延缓消防管道的冻结时间，可有效解决上述难题。

本发明采用的技术方案如下：本发明提供一种用于寒冷地区隧道内弱电电缆沟密封保温层的方法及装置，包括：弱电电缆沟盖板上部保温材料层(8)、洞口保温材料层(9)、隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处保温材料层(10)、隧道洞口保温材料固定槽沟(11)、隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处保温材料层保温材料固定槽沟(12)，分别固定连接后整体行车一个密闭空间。

本发明通过将隧道内弱电电缆沟密封为封闭空间，避免了电缆沟内通风风流的存在，同时提高了隧道弱电电缆沟内整体温度，有效降低了消防管道的热损失量，最终降低隧道电伴热的运营成本，实现隧道消防系统的节能减排，对于寒冷地区和严寒地区的隧道消防管道防冻保温具有很好的应用前景。本发明提供的寒冷地区隧道弱电电缆沟保温的方法，不仅可以应用在在建项目的中，而且可以应用在已运营的隧道中。本发明构成简单，施工、安装方便，后期维护量小。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。其中

图1是隧道电缆沟模型尺寸图；

图2是消防管道计算模型中间断面处温度场分布云图；

图3是不同通风风流下温度随时间变化图；

图4是隧道铺设保温层电缆沟模型尺寸图；

图5是电缆沟铺设保温层后消防管道计算模型中间断面处温度场分布云图；

图6是电缆沟铺设保温层后不同通风风流下温度随时间变化图；

图7是隧道电缆沟有无保温层及风速变化后管道冻结时间对比图；

图8是寒冷地区隧道内弱电电缆沟密封保温层的构造纵断面布置；

图9是寒冷地区隧道内弱电电缆沟密封保温层的构造横断面布置；

图10是寒冷地区隧道内弱电电缆沟密封保温层的构造端部布置。

具体实施方式

下面通过理论推导及具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。下述实施例中所用的试验仪器、实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

某单洞两车道隧道弱电电缆沟如图1，弱电电缆沟内净空面积0.33m2、当量直径0.57m，外周长2.3m。取纵向长度为4m为计算模型分析空气流速对消防水管降温速度影响，假定隧道内的空气温度为-30℃(243K)、电缆沟进口通风风流速度分别为0米/秒、0.01米/秒、0.05米/秒、0.1米/秒、0.4米/秒、1.0米/秒和2.0米/秒等七种工况。图2给出了风速为0.05米/秒和2.0米/秒两种工况下计算模型中间断面处在6h、18h、30h的消防管道周围温度场分布云图，图3给出了以上七种工况通风风流速度下测点2(4个测点中最低温度)温度随时间变化的曲线。

由图3可知，在弱电电缆沟无通风风流和风流为0.01米/秒这2种情况，经过30小时后消防管道内水的温度分别降至1.85℃、1.12℃，证明风速较小对管道的热量损失的影响有限，30小时后消防管道内水还未开始冻结。随着风速不断增大至0.05米/秒、0.1米/秒、0.4米/秒、1.0米/秒、2.0米/秒，经过30h后消防管道内水的温度分别降至-0.89℃、-1.72℃、-2.61℃、-2.95℃、-3.12℃，30小时后消防管道内水还已开始冻结。可以得出弱电电缆沟内外界低温风流不断流入，加速了环境冷空气与弱电电缆沟内的热交换，明显加速了消防管道的热量损失。因此在弱电电缆沟外密封层将消防管道和外部的环境隔绝，有效的降低弱电电缆沟的热量损失，延缓消防管道的冻结时间。

因在弱电电缆沟外密封层将消防管道和外部的环境隔绝，可有效的降低弱电电缆沟的热量损失，延缓消防管道的冻结时间，若将纯密封材料改为保温密封材料，延缓消防管道的冻结时间可能会更有效。为此在原计算模型中，将纯密封材料改为3厘米厚保温材料，模型尺寸如图4。取纵向长度为4m为计算模型分析空气流速对消防水管降温速度影响，假定隧道内的空气温度为-30℃(243K)、电缆沟进口通风风流速度分别为0米/秒、0.01米/秒、0.05米/秒、0.1米/秒、0.4米/秒、1.0米/秒和2.0米/秒等七种工况。图5给出了风速为0.05米/秒和2.0米/秒两种工况下计算模型中间断面处在6h、18h、30h的消防管道周围温度场分布云图，图6给出了以上七种工况通风风流速度下测点2(4个测点中最低温度)温度随时间变化的曲线。

由图6可知，隧道弱电电缆沟铺设保温层后，消防管道温降随风速变化基本规律与不加保温层的基本一致；但在相同风速工况下，隧道弱电电缆沟外铺设保温层与不铺设保温层比，消防管道温降仍有一定降低。图7给出了电缆沟铺设保温层密封(无通风风流或微风速)和不铺设保温层敞开(风速2m/s)时，消防管道冻结时间图，由图7可知，在弱电电缆沟铺设密封保温层将消防管道和外部的环境隔绝，有效的降低了弱电电缆沟的热量损失，可延缓消防管道的冻结时间10小时，有效增大了隧道消防电伴热系统运行间隙，降低了隧道消防电伴热系统的运行费用、能耗。

根据以上理论分析，本发明提出了一种寒冷地区隧道弱电电缆沟保温的方法，主要构思为：在隧道洞口弱电电缆沟横断面位置处、上部电缆沟盖板位置处和洞内消防管道抗冻设防长度结束位置处均铺设保温材料，通过在洞口和洞内消防管道抗冻设防长度结束位置处设置砖砌结构，用于固定两端的保温材料，使得相连接形成一个密闭空间，从而避免电缆沟内通风风流的存在，同时提高隧道弱电电缆沟内整体温度，有效降低消防管道的热损失量，最终降低隧道消防水管电伴热的运行费用、能耗。

寒冷地区隧道内弱电电缆沟密封保温层的构造见图8、图9和图10，主要组成包括：弱电电缆沟盖板上部保温层(8)、洞口保温层(9)、隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处保温层(10)、隧道洞口保温层固定槽沟(11)、隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处保温层固定槽沟(12)。

主要安装工艺：在隧道内沿行车方向外侧的弱电电缆沟消防管道(2)，消防管道(2)的外部敷设消防管道电伴热保温发热电缆(3)，发热电缆(3)外部敷设消防管道的保温层(4)，消防管道(2)进口端为隧道洞口(13)，消防管道(2)后端为隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处(14)。洞口保温层(9)和隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处保温层(10)均在弱电电缆沟横断面敷设，洞口保温层(9)下部插入隧道洞口保温层固定槽沟(11)进行固定；隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处保温层(10)插入隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处保温层固定槽沟(12)进行固定。弱电电缆沟上部设置电缆沟盖板(6)，盖板上部连续铺设保温层(8)，将盖板间缝隙密封。洞口保温层(9)、隧道内电伴热保温发热电缆敷设结束处保温层(10)与弱电电缆沟盖板上部保温材料层(8)分别连接固定后形成一个密闭空间，实现了模型计算中弱电电缆沟与外部的环境隔绝的目的，可延缓消防管道的冻结时间10小时，有效增大了隧道消防电伴热系统运行间隙，降低了隧道消防电伴热系统的运行费用、能耗。

实施例1：

陕西某寒区单洞单向两车道高速公路隧道，隧道长8010米，该隧道冰冻期约4个月，洞口日气温-16℃～-22℃。隧道弱电电缆沟内消防主管采用DN200，左右洞进出口两弱电电缆沟均设置2500米密封岩棉保温层，保温层厚度为0.03m，铺设密封保温层投资约11万元。铺设密封保温层后，隧道弱电电缆沟密封、保温性增强，延缓了消防管道的冻结时间约9小时，减小了消防管道电辅助加热次数和时间，每年约节能29.6万度、节约资金35.6万元。

实施例2：

甘肃某寒区单洞单向两车道高速公路隧道，隧道长1900米，该隧道冰冻期约4个月，洞口日气温-18℃～-24℃。隧道弱电沟内消防主管采用DN150，左右洞进出口两弱电电缆沟均设置1900米密封岩棉保温层，保温层厚度为0.03m，铺设密封保温层投资约7万元。铺设密封保温层后，隧道弱电电缆沟密封、保温性增强，延缓了消防管道的冻结时间约8小时，减小了消防管道电辅助加热次数和时间，每年约节能7.5万度、节约资金8万元。