專利名稱：用于寒冷地區(qū)隧道凍害防治的防凍隔溫層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種隧道工程的防凍隔溫層，尤其是涉及一種用于寒冷地區(qū)隧道凍害防治的防凍隔溫層。
二背景技術(shù)：
我國已建的寒冷地區(qū)隧道很多都發(fā)生襯砌開裂、剝落、掛冰和路面(線路)冒水、結(jié)冰等病害，大大弱化了隧道的使用功能，嚴重威脅著行車安全，養(yǎng)護治理都十分艱難。而目前，隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，隨著西部大開發(fā)政策的進一步落實，在西部的高海拔和北部的高緯度寒冷地區(qū)將陸續(xù)有新的大量的隧道建成，與以往寒冷地區(qū)的隧道相比，這些隧道的規(guī)模更大、技術(shù)要求更高(機電設(shè)施增多，高速運行的要求等)，而氣候條件卻更加惡劣。如何在這些隧道的修建中采取有效的措施，以避免凍害現(xiàn)象的發(fā)生，是目前隧道工程界急待解決的問題。
我國隧道工作者在總結(jié)工程實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了以排水為主，在排水的過程中加強保溫的防治凍害方法，即建立完善的暢通的防排水系統(tǒng)，適當采取保溫措施，如防寒泄水洞、中心深埋防寒水溝、保溫水溝等。雖然取得了一定的工程效果，但現(xiàn)實并不容樂觀。調(diào)查資料表明，在寒冷地區(qū)仍有隧道壁面掛冰、路面結(jié)冰、襯砌開裂等現(xiàn)象發(fā)生。每年都要投入大量的人力、物力、財力對寒冷地區(qū)隧道凍害進行養(yǎng)護和維修。
三、實用新型內(nèi)容本實用新型為了解決上述背景技術(shù)中的不足之處，提供一種用于寒冷地區(qū)隧道凍害防治的防凍隔溫層，其能有效防止寒冷地區(qū)隧道滲漏和凍害，既可應(yīng)用于既有隧道的整治，又可應(yīng)用于新建隧道。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案為一種用于寒冷地區(qū)隧道凍害防治的防凍隔溫層，隧道襯砌結(jié)構(gòu)包括初期支護、防水層和二次襯砌，其特殊之處在于所述防水層與二次襯砌之間設(shè)置有防凍隔溫層，即將完善的防排水系統(tǒng)與防凍隔溫層結(jié)合起來，防治隧道滲漏和凍害，也可將防凍隔溫層設(shè)置在二次襯砌表面。
上述防凍隔溫層的厚度按以下公式計算δλ1×s=Ln(1+dr)2π×λ2×l]]>式中δ-隔溫材料厚度，m；λ1-隔溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；S-隔溫材料的傳熱面積，m2；d-圍巖的厚度(即實測的圍巖最大凍結(jié)深度)，m；r-隧道的當量半徑為，m；λ2-圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；l-圓筒的長度，m。
上述防凍隔溫層可以是硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板材。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有的優(yōu)點和效果如下經(jīng)過試驗工程表明，在隧道襯砌表面未發(fā)現(xiàn)滲漏和結(jié)冰現(xiàn)象，表明采用防凍隔溫層防治隧道凍害的措施是可行的，這一首次應(yīng)用于國內(nèi)的防凍害措施為我國寒冷地區(qū)隧道防凍害技術(shù)開辟了一條新的途徑，該研究成果填補了我國在這一領(lǐng)域的空白，具有較大的工程應(yīng)用價值。
四

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為單層平壁的導(dǎo)熱模型圖；圖3為單層圓筒壁的導(dǎo)熱模型圖。
五具體實施方式
參見圖1，保溫邊溝8兩側(cè)設(shè)有橫向排水管2和縱向排水管1，圍巖3外側(cè)為原混凝土襯砌4和防水層5，在防水層5(初期支護)和二次混凝土襯砌7之間設(shè)置防凍隔溫層6(硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板材)防治隧道凍害，如圖1所示。該方案的難點是防凍隔溫層的設(shè)計，包括選材、厚度確定和施工工藝等問題。經(jīng)對多種絕熱材料對比篩選，確定采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料做為防凍隔溫層材料，它具有強度大、導(dǎo)熱系數(shù)小、施工方便等優(yōu)點。
防凍隔溫層厚度的設(shè)計計算方法為確保襯砌背部水不至凍結(jié)，就要確定防凍隔溫層的最小厚度。為此，依據(jù)絕熱原理，對在隧道襯砌表面或內(nèi)部鋪設(shè)防凍隔溫層材料的情況，可利用等效厚度換算法計算其厚度。對于不同導(dǎo)熱性能的兩種材料(圍巖和防凍隔溫層)，欲使其隔溫效果相同，可令其熱流量相同，即同一熱流量通過不同導(dǎo)熱性能、不同厚度的材料，那么根據(jù)材料兩側(cè)的溫差相等，就可解出這兩種材料的等效厚度。
防凍隔溫層材料的厚度相對于面積而言很薄，故可按平板計算其熱流量；隧道是個管狀結(jié)構(gòu)，且隧道圍巖的凍結(jié)深度較大，故可按圓筒計算其熱量流。下面對防凍隔溫層厚度計算公式進行推導(dǎo)。
傳熱的基本物理方程傳熱是指熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)的自發(fā)流動，是一種由于溫差而引起的能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。自然界中，無論在一種介質(zhì)內(nèi)部，還是在兩種介質(zhì)之間，只要有溫度差存在，就會出現(xiàn)傳熱過程。
單位時間內(nèi)某物體傳出或傳入的熱量，稱為熱流量，記作Q=ΔQΔt.]]>將垂直于熱流方向上單位面積的熱流量，稱為熱流密度，記作q=QS.]]>按照傳熱的物理機理，傳熱過程主要通過三種方式進行導(dǎo)熱、對流和熱輻射。
導(dǎo)熱是依靠物體內(nèi)分子、原子、自由電子等微觀粒子的熱運動，在宏觀上物體各部分無相對位移的熱傳遞現(xiàn)象。在固體、液體和氣體中均可發(fā)生，但在地球重力場的作用范圍內(nèi)，單純的導(dǎo)熱過程只會發(fā)生于密實的固體中。
對于以導(dǎo)熱方式為主的傳熱過程，其熱流量符合傅立葉定律熱流量與熱流方向上的溫度梯度和垂直熱流方向的截面積之積成正比。即Q=ΔQΔt=-λgradT·S=-λSdTdx---(1)]]>式中Q——熱流量，W；Δt——傳熱時間，s；T——溫度，℃；S——傳熱面積，m2；X——傳熱距離，m；gradT——兩等溫面之間的溫度差ΔT與其法線上的距離ΔX之比值的極限，稱為溫度梯度，它是一個向量，正向朝著溫度升高的方向，負號表示傳熱方向為從高溫到低溫；λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。它是表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的重要熱物理參數(shù)，在數(shù)值上等于單位導(dǎo)熱面積、單位溫度梯度，在單位時間內(nèi)的傳熱量。數(shù)值越大，導(dǎo)熱能力越強，數(shù)值越小，絕熱性能越好。該參數(shù)的大小，主要取決于傳熱介質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)，同時還與溫度、壓力、密度以及熱流方向有關(guān)。工程中各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，常采用使用工況條件下的實驗測定值。
單層平板傳熱流量的計算僅就導(dǎo)熱物體內(nèi)的一個微元而言，傅立葉定律可以表達為如下形式∂T∂t=λρc(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2)+qvρc---(2)]]>式(2)稱為導(dǎo)熱微分方程。其中，ρ、c、qv分別為微元體的比熱、密度和內(nèi)熱源熱量。
常將a=λρc,]]>稱為導(dǎo)溫系數(shù)，單位為m2/s。它是表征物體被加熱或冷卻時，物體內(nèi)部各部分溫度趨于一致能力大小的熱物理量。在同等加熱條件下，a值越大，物體內(nèi)部各處的溫度差別越小。在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，a為常數(shù)。
對于穩(wěn)態(tài)溫度場，亦即物體的溫度不隨時間而變化的導(dǎo)熱過程，有不存在內(nèi)熱源的情況，導(dǎo)熱微分方程可簡化為∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2=0---(3)]]>根據(jù)不同的邊界條件，對方程(3)積分求解，即可得到各部位的溫度分布和熱流密度。
對于一般的絕熱工程，可以簡單地看作是溫度僅沿一個方向傳遞，且與時間無關(guān)的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程。這時，方程(3)可以簡化為
∂2T∂x2=0---(4)]]>對于單層平板的導(dǎo)熱問題，可歸結(jié)為如圖2所示的模型。
已知邊界條件Tx＝0＝Tw1(5)Tx＝δ＝Tw2(6)將式(5)、(6)代入(4)積分求解，可得到dTdx=Tw2-Tw1δ---(7)]]>將式(7)代入傅立葉方程(1)可得Q=λ·STW1-TW2δ---(8)]]>式(8)即為單層平板傳熱流量的計算公式。
圓筒壁傳熱流量的計算如圖3所示的圓筒壁，已知內(nèi)半徑為r1，外半徑為r2，長為l，無內(nèi)熱源，筒壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ為常數(shù)，壁內(nèi)、外兩表面分別維持穩(wěn)定的溫度Tw1、Tw2，且Tw1＞Tw2。設(shè)管軸到管子任意一點的距離為r(r1＜r＜r2)。
由傅立葉定律可得dQ=-λdSdTdrdt---(9)]]>即在時間間隔dt內(nèi)，通過垂直于某個軸的無限小面積的熱量正比于面積ds與時間間隔dt及在這個軸方向上溫度下降的速度，式中的負號表示熱量向溫度下降的方向變動。
由于熱量既不取決于元素ds，也不取決于時間間隔dt，則對(9)式求和，便得到在單位時間通過整個柱面的全部熱量
Q=-λSdTdr---(10)]]>如果管長為l，則S＝2πr·l，所以Q=-2πλlrdTdr---(11)]]>由于過程是穩(wěn)定的，因此，熱能不會在管子的任何部分聚集。由此推出，熱量Q不取決于r，即dQdr=0.]]>將等式(11)對r求導(dǎo)，并約去常數(shù)因子，便得到所求的微分方程rd2Tdr2+dTdr=0---(12)]]>這是不含未知函數(shù)的微分方程。但是，從推導(dǎo)過程看出，方程的左邊是恰當導(dǎo)數(shù)。因此，立刻會得到中解積分rdTdr=C1---(13)]]>再積分一次，得到一般解T＝C1lnr+C2(14)在確定任意常數(shù)時，沒有初始條件，只有邊界條件。最簡單地是給出在內(nèi)表面和外表面的溫度T|r=r1=Tw1,T|r=r2=Tw2---(15)]]>將(15)代入一般解(14)，便得到為求任意常數(shù)的方程組TW1＝C1lnr1+C2(16)TW2＝C1lnr2+C2(17)由式(17)減去式(16)，得Tw2-Tw1＝C1(lnr2-lnr1)從而C1=TW2-TW1lnr2-lnr1---(18)]]>
將式(18)代入式(16)或式(17)，便得C2=TW1lnr2-TW2lnr1lnr2-lnr1---(19)]]>將式(18)和式(19)代入(14)式，就得到描述管子任一點溫度變化依賴于該點到管軸之距的函數(shù)。
T=Tw1-(Tw1-Tw2)lnrr1lnr2r1---(20)]]>將式(18)和式(13)代入(11)得Q=2πλ·lTw1-Tw2lnr2-lnr1---(21)]]>式(21)即為圓筒壁傳熱量的計算公式。
防凍隔溫層厚度的計算令隔溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)為λ1，圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)為λ2，隧道的當量半徑為r，圍巖的厚度為d(即實測的圍巖最大凍結(jié)深度)，則r1＝r，r2＝r1+d＝r+d。
按等效厚度換算法，欲使防凍隔溫層和圍巖的隔溫效果相同，那么通過防凍隔溫層和圍巖的熱流量必然相同，且它們兩側(cè)的溫度差也相同，則式(8)應(yīng)等于式(21)，即得δλ1×s=Ln(1+dr)2π×λ2×l---(22)]]>式(22)即為防凍隔溫層厚度的計算公式。
權(quán)利要求1.一種用于寒冷地區(qū)隧道凍害防治的防凍隔溫層，隧道襯砌結(jié)構(gòu)包括初期支護、防水層和二次襯砌，其特殊之處在于所述防水層與二次襯砌之間設(shè)置有防凍隔溫層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于寒冷地區(qū)隧道凍害防治的防凍隔溫層，其特征在于所述防凍隔溫層的厚度按以下公式計算δλ1×s=Ln(1+dr)2π×λ2×l]]>式中δ-隔溫材料厚度，m；λ1-隔溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；S-隔溫材料的傳熱面積，m2；d-圍巖的厚度(即實測的圍巖最大凍結(jié)深度)，m；r-隧道的當量半徑為，m；λ2-圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；l-圓筒的長度，m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于寒冷地區(qū)隧道凍害防治的防凍隔溫層，其特征在于所述防凍隔溫層為硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板材。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于寒冷地區(qū)隧道凍害防治的防凍隔溫層，其特征在于所述防凍隔溫層設(shè)置在二次襯砌表面。
專利摘要本實用新型涉及一種用于寒冷地區(qū)隧道凍害防治的防凍隔溫層，其能有效防止寒冷地區(qū)隧道滲漏和凍害，既可應(yīng)用于既有隧道的整治，又可應(yīng)用于新建隧道。隧道襯砌結(jié)構(gòu)包括初期支護、防水層和二次襯砌，防水層與二次襯砌之間設(shè)置有防凍隔溫層。即將完善的防排水系統(tǒng)與防凍隔溫層結(jié)合起來，防治隧道滲漏和凍害。也可將防凍隔溫層設(shè)置在二次襯砌表面。防凍隔溫層的厚度按以下公式計算
文檔編號E21D11/38GK2702054SQ20042004169
公開日2005年5月25日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月25日
發(fā)明者陳建勛, 楊昆, 朱計華, 張建勛, 樊立軍, 郝軍洲 申請人:長安大學, 秦皇島市公路工程建設(shè)管理處