寒區(qū)鐵路隧道襯砌電熱導流板結(jié)構(gòu)選型研究

余東洋,柴金飛,馬偉斌,郭小雄,馬超鋒

(1.中國鐵道科學研究院,北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081)

我國公路、水工、城市地鐵以及鐵路隧道的發(fā)展非常迅速，已成為世界上隧道工程數(shù)量最多、建設(shè)規(guī)模最大、技術(shù)條件最復雜、發(fā)展速度最快的國家。由于水文地質(zhì)條件、地形條件、氣候條件、自然災害以及設(shè)計、施工、運營管理等諸多環(huán)節(jié)中各種不利因素的影響，隧道在投入使用后會出現(xiàn)滲漏水病害，在冬季隧道上部襯砌滲漏水會結(jié)冰，隧道襯砌掛冰嚴重威脅到隧道內(nèi)行車和行人的安全，每年工務部門需投入大量人力物力進行打冰作業(yè)，提高了隧道養(yǎng)護維修成本。為了減少維修養(yǎng)護成本，學者們做了相關(guān)研究。文獻[1]研究的電伴熱系統(tǒng)在八蘇木隧道凍害整治中得到很好的應用；文獻[2]從防排水方向研發(fā)出幾種新型的止水帶，從而降低凍害的發(fā)生；文獻[3]利用有限元計算溫度場理論提出了一些對預防凍害的對策；文獻[4]對凍害劃分了5個等級，并對每個等級制定了相應的凍害預防和整治措施；文獻[5]從保溫的角度開辟了防凍的新技術(shù)；文獻[6-7]探討了隧道襯砌凍害產(chǎn)生的原因并提出了相應的整治措施；文獻[8-9]則從凍脹力的角度對凍脹作用機理進行了深入分析，為凍害防治提供了理論依據(jù)；文獻[10]研究了寒區(qū)鐵路運營隧道滲漏水檢測與整治技術(shù)。

綜合考慮隧道襯砌凍害現(xiàn)狀及施工工作需要，深入研究導流及保溫對電熱導流板形式的影響，可為類似凍害整治提供借鑒。

1 導流板選型研究

根據(jù)鐵路隧道導流板結(jié)構(gòu)形式可分為凸殼型導流板和毛細型導流板。凸殼型導流板是利用凸殼面與初期支護的空隙來達到導流的目的，凸殼部分靠近隧道襯砌壁一側(cè)為空腔，結(jié)構(gòu)如圖1所示。凸殼型導流板的材質(zhì)采用聚乙烯、乙烯、醋酸乙烯共聚物。 毛細型導流板是在防水板上刻槽來達到排水的目的。根據(jù)其受力特點，同時材料適宜刻槽工藝，毛細型導流板的材質(zhì)采用聚氯乙烯，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 凸殼型導流板結(jié)構(gòu)示意

圖2 毛細型導流板結(jié)構(gòu)示意

2種導流板原材料不應使用再生料。導流板在規(guī)格范圍內(nèi)不應有接頭。導流板應表面光滑、邊緣整齊，且無裂紋、機械損傷、折痕、孔洞、氣泡及異常黏著等影響使用的缺陷。凸殼型導流板外觀顏色應為材料本色。再生料等不合格原料加入會改變材料本色，極大地降低導流板的使用性能，因而要防止生產(chǎn)過程中使用再生材料。凸殼型導流板表面凸殼布置應均勻，毛細型導流板排水孔和集水槽應順直。2種導流板規(guī)格尺寸偏差應滿足表1與表2的要求。特殊規(guī)格應由供需雙方商定。

表1 凸殼型導流板的規(guī)格尺寸及偏差

表2 毛細型導流板的規(guī)格尺寸及偏差

由表1、表2可知，毛細型導流板導流能力明顯低于凸殼型導流板，因此凸殼型導流板更能滿足隧道襯砌排水需求。為提高凸殼型導流板抗壓強度，并防止二次襯砌混凝土澆筑過程中擠扁或壓潰凸殼，導致導流板排水能力降低甚至喪失。適當提高凸殼型導流板拉伸強度和斷裂伸長率，能有效提高凸殼型導流板的抗變形能力及柔韌性，增強凸殼型導流板與隧道不平整初期支護表面的密貼程度。

2 電熱結(jié)構(gòu)選型研究

為了解決在導流板內(nèi)安裝合適長度和功率的發(fā)熱電纜達到一個合理的溫度(既安全又能融冰)，解決冬季隧道掛冰問題，本文對導流板內(nèi)電熱結(jié)構(gòu)形式進行了試驗研究。分別在凸殼型導流板內(nèi)擺放4根、3根、2根發(fā)熱電纜，發(fā)熱電纜6 m，電阻9 Ω。通過功率調(diào)節(jié)器把功率分別控制在5，10，15,20 W/m。對每種工況數(shù)據(jù)進行記錄，每間隔1 h記錄1次，共觀察記錄3 h 的數(shù)據(jù)。試驗過程如圖3所示。

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，導流板內(nèi)安裝3根或4根發(fā)熱電纜，而且功率控制在15 W/m時，將發(fā)熱電纜通電時導流板內(nèi)溫度能控制在15～20 ℃，發(fā)熱電纜的表面溫度在75 ℃左右，這種溫度下能保證隧道襯砌不掛冰。實際應用中可根據(jù)需要布置3根或4根發(fā)熱電纜。

3 電熱導流板結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

針對上述導流板選型和電熱結(jié)構(gòu)選型，初步確定了電熱導流板的物理結(jié)構(gòu)和功能需求，其特征應包括：

1)在其第一表面上構(gòu)造有多個間隔的凸殼，各個相鄰凸殼之間的間隔形成了水流通道，設(shè)置在電熱導流板上的發(fā)熱電纜能向水流通道內(nèi)散發(fā)熱量，使水以液態(tài)形式流過水流通道。

2)電熱導流板內(nèi)部與發(fā)熱電纜間隔地設(shè)置有溫度傳感器。

3)多個凸殼沿電熱導流板的縱向排成多列，水流通道包括處于相鄰列凸殼之間的主通道和同列相鄰凸殼之間的支通道。

4)主通道包括相間分布的第一類主通道和第二類主通道，發(fā)熱電纜設(shè)置在第一類主通道和第二類主通道中，溫度傳感器設(shè)置在支通道和/或第一類主通道和第二類主通道中。

5)發(fā)熱電纜設(shè)置在主通道，溫度傳感器設(shè)置在支通道。

針對上述特征，并結(jié)合隧道內(nèi)實際情況，要實現(xiàn)導流板緊密地貼合在隧道壁上達到較好的防凍害效果，電熱導流板的結(jié)構(gòu)形式也應根據(jù)情況作適當調(diào)整。下面對幾種電熱導流板作進一步研究與說明。

圖4顯示了第一結(jié)構(gòu)形式的隧道電熱導流板10(以下簡稱為導流板10)的結(jié)構(gòu)。導流板10大體呈長方形。以圖4中的坐標系為基準，y軸方向為縱向，x軸方向為橫向，因此導流板10的縱向長度大于橫向。將導流板10貼合安裝在隧道壁1上后，其縱向與隧道的環(huán)向相同，其橫向則大體與隧道的環(huán)向垂直(即為隧道的延伸方向)。導流板10以柔性材料制成，以使其能順應隧道壁1的變化，良好地封住隧道壁1上的縫隙2。柔性材料可以為具有柔性的ABS塑料。當然，任何其他適當?shù)牟牧弦部梢允褂谩?/p>

圖4 第一結(jié)構(gòu)形式的隧道電熱導流板的結(jié)構(gòu)示意

在導流板10的第一表面11上構(gòu)造多個間隔開的凸殼12。各相鄰的凸殼12之間的間隔形成了水流通道13。凸殼12沿導流板10的縱向排成多列。這樣，水流通道13可包括處于相鄰列凸殼12之間主通道131和處于同列相鄰凸殼12之間支通道132。

在導流板10兩條縱向邊緣上構(gòu)造有凸起的封裝條帶14。在封裝條帶14上設(shè)有封裝膠和貫穿孔15。貫穿孔15用于將導流板10安裝在隧道壁1上，例如通過釘子(未示出)。封裝膠同樣用于安裝導流板10，此外還可以將導流板10的邊緣與隧道壁1之間密封，以防止水流通道13(即主通道131和支通道132)內(nèi)的水流到導流板10之外。這樣，從縫隙2內(nèi)滲出的水就可以沿著導流板10與隧道壁1之間的水流通道13流走。

在導流板10的安裝過程中，主通道131是縱向的，即沿著隧道的環(huán)向延伸；而支通道132則偏離隧道的環(huán)向延伸，甚至是沿橫向的。這導致主通道131內(nèi)的水量大于支通道132。

隧道內(nèi)的溫度降低時，為了防止水流通道13內(nèi)的水結(jié)冰，在導流板10內(nèi)設(shè)置了發(fā)熱電纜16。發(fā)熱電纜16在通電后向水流通道13內(nèi)散發(fā)熱量，使水以液態(tài)形式流過水流通道13。發(fā)熱電纜16可以是由絕緣材料包裹的電阻絲。在圖4中發(fā)熱電纜16設(shè)置在主通道131內(nèi)。在主通道131內(nèi)設(shè)置有容納發(fā)熱電纜16的凸起300。這是由于主通道131是水流的主要通道，有助于快速加熱水流通道13內(nèi)的水?？紤]到支通道132較短并且與主通道131距離很近，而且支通道132內(nèi)的水流較小，可以不在對應于支通道132的區(qū)域內(nèi)設(shè)置發(fā)熱電纜，而借助于熱傳遞間接加熱。如有必要，也可以在對應于支通道132的區(qū)域內(nèi)設(shè)置發(fā)熱電纜。

為了避免熱量耗散，在導流板10的第二表面20上設(shè)置保溫材料層200。保溫材料可選用聚氨酯、巖棉等材料。

圖5 第二結(jié)構(gòu)形式的隧道電熱導流板的結(jié)構(gòu)正視圖

圖5顯示了第二結(jié)構(gòu)形式的隧道電熱導流板10′(以下簡稱導流板10′)的結(jié)構(gòu)。導流板10′的結(jié)構(gòu)與導流板10的結(jié)構(gòu)大體相同。在導流板10′中，主通道131包括第一類主通道1311和第二類主通道1312。第一類主通道1311和第二類主通道1312相間分布。發(fā)熱電纜16僅設(shè)置在第一類主通道1311或第二類主通道1312區(qū)域區(qū)。溫度傳感器17設(shè)置在支通道132、第二類主通道1312或第一類主通道1311區(qū)域內(nèi)。例如，在圖5中，發(fā)熱電纜16僅設(shè)置在對用于第一類主通道1311的區(qū)域內(nèi)，溫度傳感器17設(shè)置在支通道132的區(qū)域內(nèi)。溫度傳感器17還可以設(shè)置在第二類主通道1312的區(qū)域內(nèi)。考慮到導流板10′的寬度較小，一般為0.5～1.0 m，導流板10′的加熱方式足以將水快速加熱或?qū)⒈焖偃芑?/p>

為了更精確地控制發(fā)熱電纜16的工作，可以在導流板10的內(nèi)部，與發(fā)熱電纜16和溫度傳感器17間隔地設(shè)置壓力傳感器19，如圖6所示。在圖6中，溫度傳感器17設(shè)置在一部分支通道132內(nèi)，壓力傳感器19設(shè)置在另一部分支通道132內(nèi)?？刂破?8內(nèi)不但設(shè)有預定溫度，還設(shè)有預定壓力?？刂破?8接收來自溫度傳感器17的溫度信號和來自壓力傳感器19的壓力信號，并根據(jù)預定溫度、溫度信號以及預定壓力、壓力信號來控制發(fā)熱電纜16。例如，控制器18的預定溫度為3 ℃，預定壓力為1.5倍大氣壓。當來自溫度傳感器17的溫度信號指示支通道132內(nèi)的溫度高于3 ℃時，發(fā)熱電纜16不發(fā)熱。當來自溫度傳感器17的溫度信號指示支通道132內(nèi)的溫度小于等于3 ℃，并且來自壓力傳感器19的壓力信號小于等于1.5倍大氣壓時，發(fā)熱電纜16發(fā)熱。由于此時支通道132內(nèi)的壓力較小，說明僅有少量的水結(jié)冰而使得導流板10和隧道壁1之間產(chǎn)生了較小的壓力。這時，發(fā)熱電纜16以較小的第一功率來發(fā)熱，以溶化所產(chǎn)生的冰。當來自壓力傳感器19的壓力信號大于1.5倍大氣壓時，說明有大量的水結(jié)冰而使得導流板10和隧道壁1之間產(chǎn)生了較大的壓力。這時，發(fā)熱電纜16以較大的第二功率來發(fā)熱，以快速溶化所產(chǎn)生的冰。技術(shù)人員可根據(jù)隧道的實際情況來設(shè)置第一功率和第二功率的具體值。

圖6 第三結(jié)構(gòu)形式的隧道電熱導流板的結(jié)構(gòu)正視圖

圖7 第四結(jié)構(gòu)形式的隧道電熱導流板的結(jié)構(gòu)正視圖

圖7顯示了第四結(jié)構(gòu)形式的隧道電熱導流板與圖5所示的導流板10′的結(jié)構(gòu)大體相同。發(fā)熱電纜16僅設(shè)置在第一類主通道1311的區(qū)域內(nèi)，溫度傳感器17設(shè)置在支通道132的區(qū)域內(nèi)，壓力傳感器19設(shè)置在第二類主通道1312的區(qū)域內(nèi)?？紤]到導流板10′的寬度較小，一般為0.5～1.0 m，導流板10′的加熱方式足以能夠?qū)⑺焖偌訜峄驅(qū)⒈焖偃芑?/p>

在不脫離各種形式設(shè)計范圍的情況下，根據(jù)隧道襯砌凍害特征，可以對電熱導流板進行各種改進并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個結(jié)構(gòu)形式中所提到的各項技術(shù)均可根據(jù)需求任意組合。

4 結(jié)論

1)通過對毛細型導流板與凸殼型導流板結(jié)構(gòu)和規(guī)格的對比，毛細型導流板導流能力明顯小于凸殼型導流板。凸殼型導流板更適合作隧道襯砌防排水結(jié)構(gòu)。

2)根據(jù)凸殼型導流板內(nèi)安裝發(fā)熱電纜進行的試驗，發(fā)現(xiàn)在導流板內(nèi)安裝3根或4根發(fā)熱電纜，而且功率控制在15 W/m時，將發(fā)熱電纜通電導流板內(nèi)溫度能控制在15～20 ℃，發(fā)熱電纜的表面溫度在75 ℃左右，這種溫度條件足以保證隧道襯砌不掛冰。

3)電熱導流板結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)隧道凍害特征及隧道內(nèi)實際情況進行各種改進。不同結(jié)構(gòu)形式中的各項技術(shù)在設(shè)計范圍內(nèi)可根據(jù)需求任意組合。