阅读说明：本技术 一种高地温隧道热害处理系统 (High ground temperature tunnel heat damage treatment system ) 是由 范雲鹤 郑长青 陶伟明 曹彧 匡亮 周路军 辜英晗 余刚 唐思聪 吴林 粟威 于 2020-03-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及隧道工程领域,具体涉及一种高地温隧道热害处理系统。该系统包括散热层,散热层内设有用于供自然风和/或活塞风穿过的散热通道,散热通道沿隧道拱墙设置；散热通道一端为进风口,另一端为出风口,进风口与隧道内部空间连通,出风口与隧道内部空间连通。本发明提供的上述高地温隧道热害处理系统,其在散热层中设置能够通风的散热通道,在隧道中有自然风和/或活塞风穿过时,风可以通过进风口进入散热通道,然后再经过出风口吹出,从而形成了在散热通道内的散热风,散热风能够及时带走地热,从而起到热害防护作用。冷却风计算方法用于计算上述的热害处理系统在活塞风的作用下能够产生的冷却风风速。(The invention relates to the field of tunnel engineering, in particular to a high-ground-temperature tunnel heat damage treatment system. The system comprises a heat dissipation layer, wherein a heat dissipation channel for natural wind and/or piston wind to pass through is arranged in the heat dissipation layer, and the heat dissipation channel is arranged along the tunnel arch wall; one end of the heat dissipation channel is an air inlet, the other end of the heat dissipation channel is an air outlet, the air inlet is communicated with the inner space of the tunnel, and the air outlet is communicated with the inner space of the tunnel. According to the high-ground-temperature tunnel heat damage treatment system provided by the invention, the heat dissipation channel capable of ventilating is arranged in the heat dissipation layer, when natural wind and/or piston wind passes through the tunnel, the wind can enter the heat dissipation channel through the air inlet and then is blown out through the air outlet, so that heat dissipation wind in the heat dissipation channel is formed, and the heat dissipation wind can take away ground heat in time, so that the heat damage protection effect is achieved. The cooling air calculation method is used for calculating the cooling air speed which can be generated by the heat damage treatment system under the action of the piston air.)

一种高地温隧道热害处理系统

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，特别是一种高地温隧道热害处理系统。

背景技术

长大深埋隧道由于其穿越的不同地质单元多，因而除了具有一般浅埋隧道 的工程地质问题外，还有一系列特殊的或较浅埋隧道更为严重的地质灾害问题， 高温地热就是较为突出的问题。高温地热对隧道施工以及运营期的质量安全都 有巨大的影响。

一方面，由于高地热及高温水汽作用，普通防水板材和混凝土工作缝止水 材料使用寿命可能大幅缩短，严重影响材料功能的发挥，当防水材料失效后， 会形成隧道泛流高温热水，工程环境将进一步恶化。

另一方面，由于高温水挥发快，在地质水存在弱硫酸盐腐蚀时，腐蚀离子 浓度会随水的挥发而增加，可能产生渐进浓度增加的硫酸盐侵蚀和高温加速侵 蚀作用的综合破坏，严重缩短衬砌混凝土结构的耐久性寿命。

目前的现有技术中，高地温隧道衬砌支护结构主要是采取隔热方式减轻围 岩表面温度应力的影响，如专利号201110148520.3公开的高地温隧道抗防热 衬砌结构，其主要作用是抗热和耐热，而且施工工艺过于复杂，其整体稳定可 靠性难以保证；专利号201220214957.2公开的一种地热侵蚀条件下的隧洞衬 砌用双层结构混凝土，仅仅是采用双层混凝土结构隔热，没有采用隔热层与防 水层，关于散热方面仅仅是布置了Φ50mm的钢管用于临时散热。不能长期有 效地进行散热。

因此，需要提供一种简单高效的热害处理系统。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种高地温隧道热害 处理系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高地温隧道热害处理系统，包括散热层，所述散热层内设有用于供自 然风和/或活塞风穿过的散热通道，所述散热通道沿所述隧道拱墙设置；所述散 热通道一端为进风口，另一端为出风口，所述进风口与所述隧道内部空间连通， 所述出风口与所述隧道内部空间连通。本发明提供的上述高地温隧道热害处理 系统，其在散热层中设置能够通风的散热通道，在隧道中有自然风和/或活塞风 穿过时，风可以通过进风口进入散热通道，然后再经过出风口吹出，从而形成 了在散热通道内的散热风，散热风能够及时带走地热，从而起到热害防护作用。

上述的高地温隧道热害处理系统，结构简单，能够充分利用列车穿过隧道 的过程中产生的活塞风，列车行驶越频繁，该热害处理系统的工作频次越高； 且利用的是风能，无需额外的能量供给，具有节约能量、无污染的优点。

作为本发明的优选方案，高地温隧道热害处理系统包括埋设于所述散热层 中的散热管，所述散热通道设置于所述散热管上。

作为本发明的优选方案，在所述进风口处设有第一单向阀，所述出风口处 设有第二单向阀，用于限制空气在所述散热通道中只能沿所述进风口到所述出 风口的方向移动。

作为本发明的优选方案，所述散热通道位于所述隧道的初期支护与二次衬 砌结构之间。

作为本发明的优选方案，所述进风口的朝向与所述隧道的通车方向相反。 通过这种结构，便于活塞风进入散热通道中形成散热风，有利于能够减小活塞 风向散热风转化过程中的风力损耗。

作为本发明的优选方案，高地温隧道热害处理系统还包括风扇、发电机和 吹风机；所述风扇设置于所述隧道中，所述风扇与所述发电机相连，所述吹风 机与所述发电机电性相连；所述吹风机设置于所述散热通道中，所述吹风机的 进风端相对出风端靠近所述进风口设置。通过上述的结构，活塞风通过带动风 扇，进行发电，然后利用吹风机产生散热风。风扇可以增大对活塞风的利用面 积，有利于提高活塞风的利用率。

作为本发明的优选方案，高地温隧道热害处理系统还包括蓄电池，所述发 电机与所述蓄电池电性相连，所述蓄电池与所述吹风机电性相连。通过上述的 结构，通过蓄电池存储电能，在需要进行热害处理的时候，吹风机才进行工作， 使得电能能够得到更加合理的利用。

作为本发明的优选方案，高地温隧道热害处理系统还包括传感器、处理器 和开关，所述传感器与处理器通信相连，所述处理器与所述开关相连，所述开 关用于控制所述蓄电池与所述吹风机之间的电路的通断；所述传感器用于检测 所述散热层的温度并发送给处理器，所述处理器用于接收所述传感器的数据并 控制所述开关。通过上述的结构，传感器将检测到的环境温度传递给处理器， 处理器判定环境温度偏高、需要进行热害处理工作时，控制开关打开，蓄电池 与吹风机之间的电路连通，为吹风机供电；在不需要进行热害处理工作时，关 闭开关，蓄电池与吹风机之间的电路断开，节约蓄电池中的电能。

作为本发明的优选方案，高地温隧道热害处理系统还包括温度控制器，所 述温度控制器与所述吹风机和所述蓄电池相连，用于根据温度控制所述蓄电池 与所述吹风机之间的电路的通断。传感器、处理器和开关的功能还可以通过上 述的温度控制器的功能实现。

一种高地温隧道热害处理系统的冷却风速计算方法，用于计算隧道中产生 活塞风时，上述的高地温隧道热害处理系统的散热通道的风速，包括以下步骤：

A1.计算活塞风的风速；

A2.根据活塞风风速计算所述散热通道中的风速；

在所述步骤S1中，所述活塞风的风速计算方法为：

按恒定流计算时：

按非恒定流计算时：

上式中：L_T——隧道长度；

ρ—空气密度；

K_m——活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T

l_T——列车长度；

v_T——列车速度；

v₁—活塞风的风速；

ξ_m——隧道段除环状空间外的阻力系数，单线隧道时，ξ_m＝1.5+0.0025(L_T-l_T)。通过上述的计算方法，能够对高地温隧道热害处理系统中的冷却风速进行计算， 从而指导该高地温隧道热害处理系统的设计。

一种高地温隧道热害处理系统的冷却风速计算方法，用于根据活塞风风速 计算上述的高地温隧道热害处理系统的散热管道中的冷却风速，包括以下步骤：

B1.计算活塞风经过风扇前的第一风速，采集或计算或活塞风经过风扇后的 第二风速以及活塞风经过风扇时的瞬时风速；

B2.建立基于第一风速、第二风速、瞬时风速、风扇面积和空气密度的风能 计算模型；

B3.通过风能计算模型输出活塞风在单位时间内传递给风扇的动能，并根据 风扇能够产生的电能选择吹风机型号；

B4.根据吹风机型号确定冷却机风速；

在步骤B1中，所述活塞风的风速计算方法为：

按恒定流计算时：

按非恒定流计算时：

上式中：L_T——隧道长度；

ρ—空气密度；

K_m——活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T

l_T——列车长度；

v_T——列车速度；

v₁—活塞风经过风扇前的第一风速；

ξ_m——隧道段除环状空间外的阻力系数，单线隧道时，ξ_m＝1.5+0.0025(L_T-l_T)。通过上述的计算方法，能够对高地温隧道热害处理系统中的冷却风速进行计算， 从而指导该高地温隧道热害处理系统的设计和吹风机的选型。

作为本发明的优选方案，在所述步骤B2中，所述风能计算模型为：

其中，v为活塞风经过风扇时的瞬时风速；

v₁为活塞风经过风扇前的第一风速；

v₂为活塞风经过风扇后的第二风速；

ρ为空气密度；

A为风扇面积；

E为单位时间内传递给风扇的风能。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的高地温隧道热害处理系统，其在散热层中设置能够通风的 散热通道，在隧道中有自然风和/或活塞风穿过时，风可以通过进风口进入散热 通道，然后再经过出风口吹出，从而形成了在散热通道内的散热风，散热风能 够及时带走地热，从而起到热害防护作用；

结构简单，能够充分利用列车穿过隧道的过程中产生的活塞风，列车行驶 越频繁，该热害处理系统的工作频次越高；且利用的是风能，无需额外的能量 供给，具有节约能量、无污染的优点。

2、本发明提供的高地温隧道热害处理系统的冷却风速计算方法，能够对高 地温隧道热害处理系统中的冷却风速进行计算，从而指导该高地温隧道热害处 理系统的设计。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的高地温隧道热害处理系统的结构示意图。

图2是本发明实施例2提供的高地温隧道热害处理系统的结构示意图。

图标：2-初期支护；3-散热通道；4-二次衬砌；5-发电机；6-风扇；7-蓄 电池；8-隧道；9-吹风机；10-进风口；11-出风口。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明实施例提供了一种高地温隧道8热害处理系统，请参阅图1，其包括 散热层，散热层设置于隧道8的初期支护2与二次衬砌4之间，所述散热层内 设置有散热管，散热管上具有用于供自然风和/或活塞风穿过的散热通道3，所 述散热通道3沿所述隧道8拱墙设置；所述散热通道3一端为进风口10，另一 端为出风口11，所述进风口10与所述隧道8内部空间连通，所述出风口11与 所述隧道8内部空间连通。

优选的，在所述进风口10处设有第一单向阀，所述出风口11处设有第二 单向阀，用于限制空气在所述散热通道3中只能沿所述进风口10到所述出风口 11的方向移动。

优选的，沿隧道8的长度方向上，间隔设置有若干个散热管。

优选的，所述进风口10的朝向与所述隧道8的通车方向相反。使得在产生 活塞风时，活塞风能够更加顺利地进入进风口10中。

本发明还提供了一种冷却风速计算方法，用于计算在产生活塞风时，上述 的高地温隧道8热害处理系统中的冷却风速。该冷却风速计算方法包括以下步 骤：

A1.计算活塞风的风速；

具体的，按恒定流计算时：

按非恒定流计算时：

上式中：L_T——隧道8长度；

ρ—空气密度；

K_m——活塞风作用系数，单线隧道8时，K_m＝1.3+0.007l_T

l_T——列车长度；

v_T——列车速度；

v₁—活塞风的风速；

ξ_m——隧道8段除环状空间外的阻力系数，单线隧道8时，ξ_m＝1.5+ 0.0025(L_T-l_T)。

A2.根据所述活塞风风速计算所述散热通道3中的风速。

具体的，在步骤A2中，基于步骤A1中得到的活塞风风速、风速由隧道进 入散热通道3时的折损比例，得到散热通道3中的风速。折损比例通过模拟实 验确定。

实施例2

本发明提供了一种高地温隧道8热害处理系统，请参阅图2，其包括散热层， 散热层设置于隧道8的初期支护2与二次衬砌4之间，所述散热层内设置有散 热管，散热管上具有用于供自然风和/或活塞风穿过的散热通道3，所述散热通 道3沿所述隧道8拱墙设置；所述散热通道3一端为进风口10，另一端为出风 口11，所述进风口10与所述隧道8内部空间连通，所述出风口11与所述隧道 8内部空间连通。

高地温隧道8热害处理系统还包括风扇6、发电机5和吹风机9。所述风扇 6设置于所述隧道8中，所述风扇6与所述发电机5相连，所述吹风机9与所述 发电机5电性相连；所述吹风机9设置于所述散热通道3中，所述吹风机9的 进风端相对出风端靠近所述进风口10设置。即：沿散热通道3的轴线上，吹风 机9的进风端指向出风端的方向，与散热通道3的进风口10指向出风口11的 方向保持一致。

在所述进风口10处设有第一单向阀，所述出风口11处设有第二单向阀， 用于限制空气在所述散热通道3中只能沿所述进风口10到所述出风口11的方 向移动。

进一步的，高地温隧道8热害处理系统还包括蓄电池7、传感器、处理器和 开关。

所述发电机5与所述蓄电池7电性相连，所述蓄电池7与所述吹风机9电 性相连。所述传感器与处理器通信相连，所述处理器与所述开关相连，所述开 关用于控制所述蓄电池7与所述吹风机9之间的电路的通断。所述传感器用于 检测所述散热层的温度并发送给处理器，所述处理器用于接收所述传感器的数 据并控制所述开关

处理器这样控制吹风机9的启闭：处理器中存储有温度的第一预设值和第 二预设值。当传感器测量的环境温度数据高于第一预设值时，开关打开，蓄电 池7与吹风机9之间的电路连通，吹风机9产生冷却风；当传感器测量的环境 温度数据低于第二预设值时，开关断开，蓄电池7与吹风机9之间的电路断开， 吹风机9停止工作。

上述的第一预设值和第二预设值可由本领域技术人员根据具体情况设置。 第一预设值高于第二预设值。

具体的，本实施例中，处理器的型号可以选择为NE555。

上述的传感器、处理器和开关的功能也可以通过现有技术中的温度控制器 代替。进一步的，可选用的控制器的型号为星河电子的XH-W2403。

本发明实施例还提供了一种高地温隧道8热害处理系统的冷却风速计算方 法，其用于计算上述的高地温隧道8热害处理系统的散热管道中的冷却风速， 包括以下步骤：

B1.计算活塞风经过风扇6前的第一风速，采集或计算或活塞风经过风扇6 后的第二风速以及活塞风经过风扇6时的瞬时风速；

所述活塞风的风速计算方法为：

按恒定流计算时：

按非恒定流计算时：

上式中：L_T——隧道8长度；

ρ—空气密度；

K_m——活塞风作用系数，单线隧道8时，K_m＝1.3+0.007l_T

l_T——列车长度；

v_T——列车速度；

v₁—活塞风经过风扇6前的第一风速；

ξ_m——隧道段除环状空间外的阻力系数，单线隧道时，ξ_m＝1.5+0.0025(L_T-l_T)。

第二风速可以通过测量得到。

瞬时风速可以通过计算得到。具体的，第一风速通过v₁表示，风经过风扇6 前的瞬时压强为通过P₁表示；

第二风速通过v₂表示，风经过风扇6后的瞬时压强通过P₂表示；经过风扇6 的瞬时风速通过v表示，大气压强为P。

根据伯努利原理：

对于活塞风经过风扇6前的状态：

对于活塞风经过风扇6后的状态：

上述两个伯努利方程相减得到：

根据动量方程可得到：

A(P₁-P₂)＝ρAv(v₁-v₂) (2)

联立式(1)和式(2)得到：

即：在风扇6处的瞬时风速为第一风速和第二风速的平均值。

B2.建立基于第一风速、第二风速、瞬时风速、风扇6面积和空气密度的风 能计算模型；

其中，v为活塞风经过风扇6时的瞬时风速；

v₁为活塞风经过风扇6前的第一风速；

v₂为活塞风经过风扇6后的第二风速；

ρ为空气密度；

A为风扇6面积；

E为单位时间内传递给风扇6的风能。

B3.通过风能计算模型输出活塞风在单位时间内传递给风扇6的动能，并根 据风扇6能够产生的电能选择吹风机9型号；

具体的，在步骤B3中，根据发电机5的效率计算发电机5能够产生的电能， 并据此选择吹风机9的型号。

B4.根据吹风机9型号确定冷却风速；

具体的，在步骤B4中，根据吹风机9的型号，可以知晓吹风机9在工作时 产生的风速。

本发明提供的上述高地温隧道8热害处理系统，通过传感器、处理器、开 关和蓄电池7相配合，传感器将检测到的环境温度传递给处理器，处理器判定 环境温度偏高、需要进行热害处理工作时，控制开关打开，蓄电池7与吹风机9 之间的电路连通，为吹风机9供电；在不需要进行热害处理工作时，关闭开关， 蓄电池7与吹风机9之间的电路断开，节约蓄电池7中的电能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。