[發明專利]一種用于高地溫隧道的風冷式襯砌散熱系統

有效

• 申請號: 202010882647.7
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN111963196B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 晏啟祥;李彬嘉;吳悅;何川;李國良
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: E21D11/00
• 分類號: E21D11/00;E21D11/10;E21D11/38;E21F1/00;F04D27/00
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 李林合

1.一種用于高地溫隧道的風冷式襯砌散熱系統，其特征在于：包括初期支護、防水層、風冷除熱層、持力層和若干個溫度傳感器；所述初期支護包括若干根錨桿和噴射的混凝土；所述初期支護上敷設防水層，位于所述防水層上設置風冷除熱層；所述風冷除熱層上設置持力層；在隧道襯砌內部每間隔100m埋設溫度傳感器；

在隧道的送風斷面處設置兩根橫向進風管和一根環向進風管，所述橫向進風管與環向進風管兩端相連，且與一根埋設于隧道底部的縱向進風管相連通；氣流通過設置于隧道外的軸流風機經縱向進風管、橫向進風管壓入環向進風管，并流入縱向冷卻管；

所述隧道出風斷面處布設兩根橫向出風管和一根環向出風管，橫向出風管與環向出風管兩端相連，且與一根縱向出風管相連通；氣流從縱向冷卻管流出，經環向出風管、橫向出風管流入縱向出風管，并從設置于隧道外部的出風口流出；

所述環向進風管與環向出風管沿環向分段設置，且各段管道在工廠預制；所述環向進風管、環向出風管分段處設置可通過螺栓相連接頭；所述環向進風管、環向出風管與縱向冷卻管相連之處開設孔洞，并通過焊接將縱向冷卻管固定安裝于環向進風管和環向出風管之間。

2.根據權利要求1所述的用于高地溫隧道的風冷式襯砌散熱系統，其特征在于：所述初期支護噴射的混凝土厚度為10～20cm。

3.根據權利要求1所述的用于高地溫隧道的風冷式襯砌散熱系統，其特征在于：所述風冷除熱層的厚度為20～30cm。

4.根據權利要求1所述的用于高地溫隧道的風冷式襯砌散熱系統，其特征在于：所述持力層為鋼筋混凝土，其厚度為20～30cm。

5.根據權利要求1所述的用于高地溫隧道的風冷式襯砌散熱系統，其特征在于：所述風冷除熱層包括若干根縱向冷卻管；所述縱向冷卻管埋設于陶?；炷林?；所述陶粒混凝土中摻設鋼纖維，并在陶粒混凝土與鋼筋混凝土交界面處進行鑿毛處理。

6.根據權利要求5所述的用于高地溫隧道的風冷式襯砌散熱系統，其特征在于：所述縱向冷卻管在風冷除熱層內單層布置，縱向冷卻管為薄壁鋼管，其直徑為10～15cm；在所述縱向冷卻管跨越襯砌接縫處設置柔性接頭；所述縱向冷卻管穿過嵌縫材料，并在縱向冷卻管與嵌縫材料接觸面處涂抹專用膠，所述除熱層與持力層交界處設置橫向止水條。

7.根據權利要求6所述的用于高地溫隧道的風冷式襯砌散熱系統，其特征在于，計算縱向冷卻管的直徑和數量，包括：

S1、根據地層導溫系數確定圍巖變溫帶范圍l，并分別計算持力層表面、持力層與風冷除熱層交界面、風冷除熱層與初期支護交界面、初期支護與圍巖交界面、圍巖變溫帶與恒溫帶交界面距隧道中心的當量半徑r₁、r₂、r₃、r₄、r₅；

S2、根據降溫需求目標選定設置縱向冷卻管前后持力層表面降溫幅度ΔT，計算冷卻管需帶走的熱流量ΔQ：

其中，L為高地溫段長，λ₁為鋼筋混凝土導熱系數，λ₂為陶?；炷翆嵯禂?，λ₃為噴射混凝土導熱系數，λ₄為圍巖導熱系數，h₁為持力層表面與隧道內空氣的對流換熱系數；

S3、根據冷卻管進出口空氣平均溫差ΔT_f，擬定縱向冷卻管直徑d和冷卻管數量n，并計算需風量V_a和風速v：

其中，ρ_a為空氣密度，c_p為空氣比熱；

S4、根據風速v計算雷諾數R_e，并進一步計算求得空氣與管壁之間的對流換熱系數h：

其中：μ為空氣動力粘性系數，P_r為空氣普蘭特數，k為空氣的熱傳導率；

S5、根據空氣與縱向冷卻管管壁的平均溫差ΔT_w，縱向冷卻管直徑d和冷卻管數量n需滿足下式：

S6、驗證S3中擬定的縱向冷卻管直徑d和數量n，是否滿足式(6)，若不滿足，則進行冷卻管直徑d和冷卻管數量n的調整試算，直至滿足為止；若滿足，則初步得到縱向冷卻管的直徑和數量。