發(fā)熱電纜融冰技術(shù)在隧道側(cè)溝凍害整治中的應(yīng)用

全 廣 學(xué)

(武漢鐵路局信陽工務(wù)段，河南 信陽 464000)

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發(fā)熱電纜融冰技術(shù)在隧道側(cè)溝凍害整治中的應(yīng)用

全 廣 學(xué)

(武漢鐵路局信陽工務(wù)段，河南 信陽 464000)

結(jié)合京通線K295.182隧道側(cè)溝結(jié)冰的病害情況，介紹了隧道側(cè)溝除冰的常用方法，并從技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面，探討了發(fā)熱電纜融冰技術(shù)的優(yōu)勢，有利于提高寒區(qū)運(yùn)營隧道凍害的治理效果。

隧道，凍害，發(fā)熱電纜，經(jīng)濟(jì)效益

在山區(qū)修建隧道的過程中，尤其是在高地應(yīng)力軟弱圍巖地區(qū)修建隧道時(shí)，容易導(dǎo)致大變形地質(zhì)災(zāi)害。

近年來，隨著中國鐵路的大規(guī)模建設(shè)，運(yùn)營鐵路里程已達(dá)11萬km，居世界之首，據(jù)2012年秋檢資料顯示，全國鐵路共有運(yùn)營鐵路隧道7 400座，總長達(dá)42 000 km，然而，有5 000座隧道存在不同程度的病害，占隧道總座數(shù)的58%。因此通過病害調(diào)查、方案設(shè)計(jì)、隧道病害治理及治理效果評(píng)估，總結(jié)出一套經(jīng)濟(jì)、高效、安全的病害治理技術(shù)具有重要的意義。

隧道的病害嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸安全，寒區(qū)隧道滲漏水在拱頂及其他部位掛冰后造成侵限，特別是經(jīng)過凍融循環(huán)，造成襯砌混凝土開裂、剝落，仰拱破損，混凝土強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響行車安全。為此，本文以京通線K295.182隧道為例，對(duì)寒區(qū)運(yùn)營隧道凍害處理技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

1 隧道概況

京通線K295.182隧道位于河北省承德市圍場縣四合永鎮(zhèn)，位于北緯41.5°，海拔在1 100 m以上。該隧道所處環(huán)境年氣溫變化范圍為-35 ℃～32 ℃，年溫差大，1月份平均氣溫-13.2 ℃。京通線1977年建成通車，由于受到地形變化、混凝土襯砌老化開裂、混凝土凍融破壞等多種因素的影響，隧道邊墻及拱頂出現(xiàn)不同程度的裂隙，常年有山體滲水流出，冬季和春季由于氣候寒冷氣溫較低、滲水較少的原因使拱頂和側(cè)溝有結(jié)冰現(xiàn)象。

2 隧道病害特征

通過現(xiàn)場調(diào)查及向車間領(lǐng)導(dǎo)詢問了解到，該隧道主要病害為冬季和春季時(shí)側(cè)溝結(jié)冰，由于滲水的不斷增加，冰層迅速增厚，很快便將側(cè)溝堵塞直至溢出側(cè)溝，流向道床危及行車安全。

3 隧道側(cè)溝除冰方法分析

根據(jù)現(xiàn)場病害情況分析可知，隧道側(cè)溝病害在于隧道滲水結(jié)冰后堵塞側(cè)溝，導(dǎo)致排水不暢。除冰為表，治水為本。經(jīng)過多年總結(jié)，四合永車間摸索出兩種方法。

3.1 撒鹽、刨冰

冬季、春季隧道側(cè)溝結(jié)冰后及時(shí)組織人力物力進(jìn)入隧道刨冰，清除側(cè)溝凍冰，使側(cè)溝排水通暢，并且沿側(cè)溝撒工業(yè)用鹽，降低冰的融點(diǎn)，使冰融化成水隨溝排出。但是鹽融化冰的能力和溫度有密切關(guān)系，如果處于低溫環(huán)境，那么鹽的融冰效果并不好。同時(shí)采用撒鹽融冰的方法也會(huì)存在很多負(fù)面的問題，例如導(dǎo)致鋼筋銹蝕、對(duì)側(cè)溝蓋板以及側(cè)溝混凝土帶來剝蝕破壞，影響其使用的耐久性；同時(shí)含鹽的融化水在排入管道之后，會(huì)導(dǎo)致管道的使用壽命減少；如果是含有鹽水成分的水流入到溝渠或者是樹穴之中，會(huì)將植物殺死，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)帶來破壞。而且撒鹽、刨冰的方法效率低，成本高。四合永車間管內(nèi)約有1 200延米的隧道側(cè)溝需要冬季除冰，每日需10人作業(yè)，整個(gè)冬季大約需要工業(yè)鹽50 t，每年的冬季、春季除冰成本約30萬元。

3.2 對(duì)隧道側(cè)溝進(jìn)行聚乙烯板保溫

進(jìn)入冬季前，在隧道側(cè)溝內(nèi)用鋼筋焊成支架，鋪設(shè)聚乙烯保溫板，保溫板底部距側(cè)溝頂5 cm，保證排水通暢。經(jīng)過2年觀察發(fā)現(xiàn)，聚乙烯保溫板施工后很容易被隧道內(nèi)的老鼠破壞，一經(jīng)破壞將側(cè)溝堵死，積水便從側(cè)溝外溢，淹沒整體道床，容易將鋼軌、膠墊、配件銹蝕，影響行車安全；部分聚乙烯板破碎后順溝排入沉井將沉井堵塞。

4 發(fā)熱電纜融冰法的探索

4.1 發(fā)熱電纜

發(fā)熱電纜的加熱系統(tǒng)是采用電纜供能，通過發(fā)熱電纜，將電能轉(zhuǎn)化成為熱能，利用結(jié)構(gòu)層內(nèi)導(dǎo)熱將熱量傳遞到物體的表面，然后再通過物體的表面和冰之間的熱交換來實(shí)現(xiàn)融冰。相對(duì)來講發(fā)熱電纜系統(tǒng)本身不會(huì)產(chǎn)生污染，運(yùn)行費(fèi)用也相對(duì)便宜，并且有著較好的熱穩(wěn)定性，控制上也相當(dāng)?shù)姆奖恪?/p>

4.2 發(fā)熱電纜現(xiàn)狀

近幾年，很多歐洲國家都開始相繼投入到了發(fā)熱電纜的制造、安裝以及技術(shù)研究之中，并且在發(fā)熱電纜的設(shè)計(jì)、材料、施工安裝、驗(yàn)收等很多方面都擁有了非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。如今發(fā)熱電纜底溫輻射系統(tǒng)因?yàn)槠渌哂械莫?dú)特優(yōu)勢，得到了快速普及，在冰雪融化上得到了廣泛應(yīng)用。特別是地板輻射采暖系統(tǒng)的應(yīng)用是最為廣泛的，在國外的很多機(jī)場、體育館以及社區(qū)之中都采用了電熱輻射采暖技術(shù)。

4.3 發(fā)熱電纜在側(cè)溝融冰中的施工方案

通過隧道邊墻上方既有電纜線引電到邊溝，要求電壓為380 V，電源采用三相四線制。為防止漏電造成影響，必須在引線上方安裝接地線和漏電保護(hù)器，引線可以開槽埋入隧道邊墻，也可在明處穿管固定。

地?zé)岱ㄈ诒夹g(shù)耗電量小，可持續(xù)4個(gè)月不間斷供電，在電纜線表皮不破損的情況下可直接在水中作業(yè)，安全性較高。邊溝每200 m為一處，方便檢修。

依據(jù)加熱排水溝內(nèi)冷空氣耗熱量計(jì)算公式：

Q=0.28×Pwn×Cp×L×(Tn-Twn)。

其中，Q為由溝外滲入溝內(nèi)冷空氣的耗熱量，W；0.28為單位換算系數(shù)，1 kJ/h=0.28 W；L為滲透冷空氣量，考慮為3 m3/h；Pwn為供暖溝內(nèi)計(jì)算溫度下的空氣密度，考慮為1.5 kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，Cp=1 kJ/(kg·℃);Tn為供暖溝內(nèi)計(jì)算溫度，考慮為+5 ℃；Twn為供暖溝外計(jì)算溫度，考慮為-35 ℃。

估算得，126 W(即每平方米126 W)。

溝內(nèi)鋪設(shè)發(fā)熱電纜長度200 m×6條發(fā)熱電纜，合計(jì)發(fā)熱功率9 306 W。

邊溝表面積：長200 m×寬0.4 m=80 m2。

即80 m2邊溝每小時(shí)耗電量為9.3度。

溝內(nèi)不設(shè)置溫度傳感器，控制箱內(nèi)不設(shè)置溫控器，由空氣斷路器人工控制。發(fā)熱電纜固定在鋼絲網(wǎng)上，鋪設(shè)在原溝底。發(fā)熱電纜上澆筑C15混凝土，厚3 cm～4 cm。施工方法簡單，只需將邊溝清理干凈，無大面積積水，無尖銳物體即可施工。正常使用年限30年。

經(jīng)四合永車間統(tǒng)計(jì)，側(cè)溝結(jié)冰病害段長度約1 200 m，每年通電3個(gè)月，大約用電量為12萬度，電價(jià)按1元/度計(jì)算，每年成本約12萬元，與撒鹽、刨冰相比費(fèi)用降低很多，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)語

寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)，要充分認(rèn)識(shí)到保溫的重要性，運(yùn)營隧道出現(xiàn)凍害后，無論采取什么方法處理，效果均有限，建議新建隧道增設(shè)保溫層，特別是洞口500 m的范圍，要做加強(qiáng)層。

對(duì)排水盲管、滲管采取保溫措施，側(cè)溝要考慮整體保溫。

[1] 武海琴.發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰技術(shù)的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

Application of heating cable melting-ice technology in lateral tunnel sulcus freeze injury treatment

Quan Guangxue

(XinyangBusinessSection,WuhanBureauofRailway,Xinyang464000,China)

Combining with lateral tunnel frozen disease of Jing-Tong railway line K295.182, the paper introduces common lateral tunnel sulcus deicing methods, and explores advantages of heating cable melting-ice technologies from two aspects of technical feasibility and economic benefits, which will be good for improving in-operation tunnel frozen diseases processing effect in cold region.

tunnel, freeze injury, heating cable, economic benefit

1009-6825(2016)22-0176-02

2016-05-28

全廣學(xué)(1975- )，男，助理工程師

U457

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