削减列车风对寒区铁路隧道温度场影响的系统和控制方法

摘要

本发明涉及一种削减列车风对寒区铁路隧道温度场影响的系统，该系统包括气动通风结构、套接在气动通风结构后段的空气加热结构以及置于隧道外的太阳能发电装置。气动通风结构包括明洞衬砌；明洞衬砌与隧道相连，前段有数个通风孔；空气加热结构包括混凝土空腔体；混凝土空腔体与明洞衬砌之间架设导热线；混凝土空腔体的内表面有耐火保温板；明洞衬砌后段上有进气孔和排气孔；太阳能发电装置上安装有隧址空气温度测温元件；混凝土空腔体拱顶处的钢筋上安装有混凝土空腔体空气温度测温元件；导热线与加热控制器、供电控制器和太阳能发电装置相连。同时，本发明还公开了削减列车风的控制方法。本发明可减小隧道洞内的冷空气量，提高进入洞内空气温度。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道工程试验技术领域，尤其涉及削减列车风对寒区铁路隧道温度场影响的系统和控制方法。

背景技术

现阶段我国已在严寒地区修建了多座隧道工程，例如风火山隧道、昆仑山隧道、大坂山隧道和奎先隧道等。但大量的工程实践表明，绝大多数寒区隧道在服役期间都会遭受冻害，冻害问题极大地削弱了隧道在运营期间的服役性能，增加了冻害整治与维护的费用。高速列车通过隧道时的列车风对隧道洞内温度影响较大，是造成寒区隧道发生冻害的主要原因之一。如何削弱列车风对隧道温度场的影响成为寒区铁路隧道冻害防治亟待解决的关键技术问题。

目前，防治寒区隧道冻害的措施主要有防寒保温门、隔热保温板、保温混凝土、电伴热等措施。虽然这些措施取得了良好的冻害防治效果，但都无法针对列车风带来的冷空气有任何的防治作用，更无法削弱列车风对隧道温度场的影响。列车风影响隧道温度场的原理是列车进入隧道时产生的“活塞效应”将隧道外部的冷空气带入隧道内部，导致隧道内部温度降低。削减列车风对隧道温度场影响的关键就在于：①减小“活塞效应”的强度，使进入隧道洞内的冷空气量减小；②提高洞外空气的温度，使“活塞效应”带入隧道的空气温度较高。因此，有必要提出一种适用于寒区铁路隧道的削减列车风对隧道温度场影响的系统，既能减小列车风带入隧道洞内的冷空气的量，又能提高进入隧道洞内空气的温度，使高速列车进入隧道时的列车风对隧道温度场影响减弱，从而起到对寒区铁路隧道冻害防治的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种减小列车风带入隧道洞内的冷空气量，并提高进入隧道洞内空气温度的削减列车风对寒区铁路隧道温度场影响的系统。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供削减列车风对寒区铁路隧道温度场影响的控制方法。

为解决上述问题，本发明所述的削减列车风对寒区铁路隧道温度场影响的系统，其特征在于：该系统包括气动通风结构、套接在所述气动通风结构后段的空气加热结构以及置于隧道外的太阳能发电装置；所述气动通风结构包括设在隧道洞门外的明洞衬砌；所述明洞衬砌与所述隧道相连，在其前段均布有数个通风孔，每个通风孔安装有可转动气动挡风板；所述空气加热结构包括嵌套在所述明洞衬砌后段外表面上的混凝土空腔体；所述混凝土空腔体与所述明洞衬砌之间架设有导热线；所述混凝土空腔体的内表面铺设有耐火保温板；所述明洞衬砌后段上分别预浇筑有进气孔和排气孔；所述太阳能发电装置上安装有隧址空气温度测温元件，该隧址空气温度测温元件通过数据采集线Ⅰ连有供电控制器；所述混凝土空腔体拱顶处的钢筋上安装有混凝土空腔体空气温度测温元件，该混凝土空腔体空气温度测温元件通过数据采集线Ⅱ连有加热控制器；所述导热线通过输电线依次将所述加热控制器、所述供电控制器和所述太阳能发电装置连接在一起。

所述明洞衬砌的长度为60~100 m，横断面结构形式与所述隧道相同。

所述明洞衬砌上沿环向设置有数个所述通风孔，且共设置3~4环；每环所述通风孔分别设置在所述明洞衬砌的拱顶、左右拱肩、左右边墙和左右拱脚处；相邻两环之间的所述通风孔间隔10~20 m。

所述通风孔倾斜贯穿所述明洞衬砌，并与所述明洞衬砌纵向呈30°~45°夹角，且所述通风孔的断面尺寸为40 cm×40 cm，深度为0.55 m~0.80 m。

所述可转动气动挡风板的短边通过固定转动轴与所述明洞衬砌相连，长边设有收缩阻尼器，且该可转动气动挡风板的转动角度为20°。

所述可转动气动挡风板的材质为聚酯纤维耐力板，厚度为3~6 cm，短边长度为50cm，长边长度为60 cm。

所述通风孔还包括预浇筑于所述明洞衬砌内的数个导流板；所述导流板的短边预浇筑于所述明洞衬砌内，长边与所述通风孔纵断面中轴线呈30°~45°。

所述导流板的材质为普通钢板，厚度为3~5 cm，短边长度为所述通风孔断面长边长度的1/2，长边总长度为30 cm，且预浇筑于所述明洞衬砌内的所述导流板的长度不少于8cm。

所述混凝土空腔体的纵向长度为30~40 m，其横断面尺寸是将所述明洞衬砌的尺寸扩大1.2~1.3倍，且该混凝土空腔体中混凝土的厚度为20~30 cm。

所述耐火保温板材质为岩棉保温板，厚度为5~8 cm。

所述进气孔预浇筑于所述明洞衬砌远离所述隧道洞门的一端，所述排气孔预浇筑于所述明洞衬砌靠近所述隧道洞门的一端，且所述进气孔距离所述排气孔的长度为12~32m。

所述进气孔和所述排气孔均沿所述明洞衬砌环向设置，且共设置2~3环；每环所述进气孔或所述排气孔分别设置在所述明洞衬砌的拱顶、左右拱肩、左右边墙和左右拱脚处；相邻两环之间的所述进气孔或所述排气孔间隔2~3 m。

所述进气孔和所述排气孔均倾斜贯穿所述明洞衬砌，并与所述明洞衬砌纵向呈30°~45°夹角，且所述进气孔和所述排气孔的断面尺寸为40 cm×40 cm，深度为0.55 m~0.80 m。

所述导热线的断面呈螺旋状，螺旋体的直径为10~20 cm，并通过预浇筑于所述混凝土空腔体拱顶、左右拱肩、左右边墙和左右拱脚处的钢筋悬挂固定。

所述导热线的极限加热温度为70 ℃，且呈环状沿所述混凝土空腔体的中间部位架设；相邻两环之间的所述导热线间隔2~3 m，且各环所述导热线在所述混凝土空腔体的拱脚处通过所述输电线串联成整体。

所述太阳能发电装置架设在所述隧道洞口空旷且无阳光遮挡的场地。

采用如上所述系统的削减列车风对寒区铁路隧道温度场影响的控制方法，包括以下步骤：

①获取隧址空气温度测温元件采集的温度数据，判断该温度数据是否小于冻结温度0 ℃；如果所述温度数据小于0 ℃，则接通供电控制器对加热控制器进行供电，使导热线加热；

②获取混凝土空腔体空气温度测温元件采集的温度数据，判断该温度数据是否达到导热线的极限加热温度；如果所述温度数据达到了导热线的极限加热温度，则断开加热控制器，使导热线停止加热。本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明在气动通风结构中设置有可转动气动挡风板，通过列车进入隧道过程中空气压力的变化，使可转动气动挡风板自动开启和关闭，从而达到减小列车风带入隧道的冷空气量，提高了削减列车风对隧道温度场影响的效果。

2、本发明在空气加热结构中设置有进气孔和排气孔，通过列车进入隧道过程中对空气的挤压和拖拽作用，将冷空气置换成热空气，并将其带入隧道，提高了本发明对寒区隧道防寒保温的效果。

3、本发明通过列车进入隧道过程中，无需额外的动力，就可将洞外随列车进入隧道的冷空气置换成热空气，起到对隧道加热的作用。

4、本发明将太阳能发电供热的优势相结合，节能环保，能够持久、长效地发挥削减列车风对隧道温度影响的作用。

5、与现有技术相比，本发明是针对列车风提出的措施，对减小列车风带入隧道的冷空气量和提高列车风带入隧道的空气温度具有明显作用，大大削减了列车风对隧道温度场影响。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的半结构示意图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明的侧视图。

图5为本发明中气动通风结构的半结构示意图

图6为本发明中气动通风结构的A-A截面图。

图7为本发明中C处的放大图。

图8为本发明中气动通风结构上通风孔开启的示意图。

图9为本发明中气动通风结构上通风孔关闭的示意图。

图10为本发明中空气加热结构的半结构示意图。

图11为本发明中空气加热结构B-B截面图。

图12为本发明中导热线示意图。

图13为本发明中D处的结构示意图。

图14为本发明中混凝土空腔体内风流场示意图。

图中：1-气动通风结构；2-空气加热结构；3-数据采集线Ⅰ；4-数据采集线Ⅱ；5-明洞衬砌；6-通风孔；7-可转动气动挡风板；8-混凝土空腔体；9-耐火保温板；10-导热线；11-太阳能发电装置；12-加热控制器；13-供电控制器；14-隧址空气温度测温元件；15-混凝土空腔体空气温度测温元件；16-钢筋；17-输电线；18-隧道；19-导流板；20-固定转动轴；21-收缩阻尼器；22-进气孔；23-排气孔。

具体实施方式

如图1~13所示，削减列车风对寒区铁路隧道温度场影响的系统，该系统包括气动通风结构1、套接在气动通风结构1后段的空气加热结构2以及置于隧道18外的太阳能发电装置11。

气动通风结构1包括设在隧道18洞门外的明洞衬砌5；明洞衬砌5与隧道18相连，在其前段均布有数个通风孔6，每个通风孔6安装有可转动气动挡风板7；空气加热结构2包括嵌套在明洞衬砌5后段外表面上的混凝土空腔体8；混凝土空腔体8与明洞衬砌5之间架设有导热线10；混凝土空腔体8的内表面铺设有耐火保温板9；明洞衬砌5后段上分别预浇筑有进气孔22和排气孔23；太阳能发电装置11上安装有隧址空气温度测温元件14，该隧址空气温度测温元件14通过数据采集线Ⅰ3连有供电控制器13；混凝土空腔体8拱顶处的钢筋16上安装有混凝土空腔体空气温度测温元件15，该混凝土空腔体空气温度测温元件15通过数据采集线Ⅱ4连有加热控制器12；导热线10通过输电线17依次将加热控制器12、供电控制器13和太阳能发电装置11连接在一起。

其中：明洞衬砌5的长度为60~100 m，横断面结构形式与隧道18相同。

明洞衬砌5上沿环向设置有数个通风孔6，且共设置3~4环；每环通风孔6分别设置在明洞衬砌5的拱顶、左右拱肩、左右边墙和左右拱脚处；相邻两环之间的通风孔6间隔10~20 m。通风孔6倾斜贯穿明洞衬砌5，并与明洞衬砌5纵向呈30°~45°夹角，且通风孔6的断面尺寸为40 cm×40 cm，深度为0.55 m~0.80 m。

可转动气动挡风板7的短边通过固定转动轴20与明洞衬砌5相连，实现开合；长边设有收缩阻尼器21，使可转动气动挡风板7的转动过程更加平缓，延长装置的使用寿命，且该可转动气动挡风板7的转动角度为20°。可转动气动挡风板7的材质为聚酯纤维耐力板，厚度为3~6 cm，短边长度为50 cm，长边长度为60 cm。

通风孔6还包括预浇筑于明洞衬砌5内的数个导流板19；导流板19的短边预浇筑于明洞衬砌5内，长边与通风孔6纵断面中轴线呈30°~45°。

导流板19的材质为普通钢板，厚度为3~5 cm，短边长度为通风孔6断面长边长度的1/2，长边总长度为30 cm，且预浇筑于明洞衬砌5内的导流板19的长度不少于8 cm。

混凝土空腔体8的纵向长度为30~40 m，其横断面尺寸是将明洞衬砌5的尺寸扩大1.2~1.3倍，且该混凝土空腔体8中混凝土的厚度为20~30 cm。

耐火保温板9材质为岩棉保温板，厚度为5~8 cm。

进气孔22预浇筑于明洞衬砌5远离隧道18洞门的一端，排气孔23预浇筑于明洞衬砌5靠近隧道18洞门的一端，且进气孔22距离排气孔23的长度为12~32 m。

进气孔22和排气孔23均沿明洞衬砌5环向设置，且共设置2~3环；每环进气孔22或排气孔23分别设置在明洞衬砌5的拱顶、左右拱肩、左右边墙和左右拱脚处；相邻两环之间的进气孔22或排气孔23间隔2~3 m。

进气孔22和排气孔23均倾斜贯穿明洞衬砌5，并与明洞衬砌5纵向呈30°~45°夹角，且进气孔22和排气孔23的断面尺寸为40 cm×40 cm，深度为0.55 m~0.80 m。

导热线10的断面呈螺旋状，螺旋体的直径为10~20 cm，并通过预浇筑于混凝土空腔体8拱顶、左右拱肩、左右边墙和左右拱脚处的钢筋16悬挂固定。导热线10的极限加热温度为70 ℃，且呈环状沿混凝土空腔体8的中间部位架设；相邻两环之间的导热线10间隔2~3m，且各环导热线10在混凝土空腔体8的拱脚处通过输电线17串联成整体。

太阳能发电装置11架设在隧道18洞口空旷且无阳光遮挡的场地。

【工作原理】

在冬季，高速行驶的列车进入隧道18时会将隧道18洞外的冷空气带入隧道18，导致隧道18的内部温度降低，致使围岩中的水分发生冻结，导致隧道18冻害的发生。

本发明在隧道18洞门前设置带有气动通风结构1和空气加热结构2的明洞衬砌5。一方面，高速列车进入隧道18前，列车对空气进行压缩从而使列车车头前端气体压力增大，被压缩的部分气体会将可转动气动挡风板7顶起，使冷空气向外流溢；而当高速列车进入隧道18后，列车车尾的气体压力减小，形成负压区，将使可转动气动挡风板7自动关闭，防止隧道18外冷空气吸入隧道18。通过气动通风结构1中可转动气动挡风板7的顶起和关闭，使列车进入隧道18时的冷空气量减小。另一方面，高速列车进入隧道18前，列车将车头部位的部分空气推入空气加热结构2中；高速列车进入隧道18后，列车车尾形成的负压区又会将空气加热结构2中的热空气拉拽入隧道18，对隧道18的结构和围岩进行加热。

因此，本发明通过减小列车风带入隧道18洞内的冷空气的量和提高进入隧道18洞内空气的温度，以达到削减列车风对隧道18温度场影响的目的。

削减列车风对寒区铁路隧道温度场影响的控制方法，包括以下步骤：

①获取隧址空气温度测温元件14采集的温度数据，判断该温度数据是否小于冻结温度0 ℃；如果温度数据小于0 ℃，则接通供电控制器13对加热控制器12进行供电，使导热线10加热；

②获取混凝土空腔体空气温度测温元件15采集的温度数据，判断该温度数据是否达到导热线10的极限加热温度；如果温度数据达到了导热线10的极限加热温度，则断开加热控制器12，使导热线10停止加热。