余東洋,柴金飛,馬偉斌,郭小雄,馬超鋒

(1.中國鐵道科學(xué)研究院,北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)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(fù)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(zāi)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(yán)重威脅到隧道內(nèi)行車和行人的安全，每年工務(wù)部門需投入大量人力物力進(jìn)行打冰作業(yè)，提高了隧道養(yǎng)護(hù)維修成本。為了減少維修養(yǎng)護(hù)成本，學(xué)者們做了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[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(yīng)用；文獻(xiàn)[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(xiàn)[3]利用有限元計算溫度場理論提出了一些對預(yù)防凍害的對策；文獻(xiàn)[4]對凍害劃分了5個等級，并對每個等級制定了相應(yīng)的凍害預(yù)防和整治措施；文獻(xiàn)[5]從保溫的角度開辟了防凍的新技術(shù)；文獻(xiàn)[6-7]探討了隧道襯砌凍害產(chǎn)生的原因并提出了相應(yīng)的整治措施；文獻(xiàn)[8-9]則從凍脹力的角度對凍脹作用機(jī)理進(jìn)行了深入分析，為凍害防治提供了理論依據(jù)；文獻(xiàn)[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(dǎo)流及保溫對電熱導(dǎo)流板形式的影響，可為類似凍害整治提供借鑒。

1 導(dǎo)流板選型研究

根據(jù)鐵路隧道導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)形式可分為凸殼型導(dǎo)流板和毛細(xì)型導(dǎo)流板。凸殼型導(dǎo)流板是利用凸殼面與初期支護(hù)的空隙來達(dá)到導(dǎo)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(dǎo)流板的材質(zhì)采用聚乙烯、乙烯、醋酸乙烯共聚物。 毛細(xì)型導(dǎo)流板是在防水板上刻槽來達(dá)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(xì)型導(dǎo)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(dǎo)流板結(jié)構(gòu)示意

圖2 毛細(xì)型導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)示意

2種導(dǎo)流板原材料不應(yīng)使用再生料。導(dǎo)流板在規(guī)格范圍內(nèi)不應(yīng)有接頭。導(dǎo)流板應(yīng)表面光滑、邊緣整齊，且無裂紋、機(jī)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(dǎo)流板外觀顏色應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)流板表面凸殼布置應(yīng)均勻，毛細(xì)型導(dǎo)流板排水孔和集水槽應(yīng)順直。2種導(dǎo)流板規(guī)格尺寸偏差應(yīng)滿足表1與表2的要求。特殊規(guī)格應(yīng)由供需雙方商定。

表1 凸殼型導(dǎo)流板的規(guī)格尺寸及偏差

表2 毛細(xì)型導(dǎo)流板的規(guī)格尺寸及偏差

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

2 電熱結(jié)構(gòu)選型研究

為了解決在導(dǎo)流板內(nèi)安裝合適長度和功率的發(fā)熱電纜達(dá)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(dǎo)流板內(nèi)電熱結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了試驗研究。分別在凸殼型導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用中可根據(jù)需要布置3根或4根發(fā)熱電纜。

3 電熱導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

針對上述導(dǎo)流板選型和電熱結(jié)構(gòu)選型，初步確定了電熱導(dǎo)流板的物理結(jié)構(gòu)和功能需求，其特征應(yīng)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?fù)箽ぶg的間隔形成了水流通道，設(shè)置在電熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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?fù)箽ぶg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(dǎo)流板緊密地貼合在隧道壁上達(dá)到較好的防凍害效果，電熱導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)形式也應(yīng)根據(jù)情況作適當(dāng)調(diào)整。下面對幾種電熱導(dǎo)流板作進(jìn)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(dǎo)流板10(以下簡稱為導(dǎo)流板10)的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)流板10大體呈長方形。以圖4中的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，y軸方向為縱向，x軸方向為橫向，因此導(dǎo)流板10的縱向長度大于橫向。將導(dǎo)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(dǎo)流板10以柔性材料制成，以使其能順應(yīng)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(dāng)然，任何其他適當(dāng)?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(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)示意

在導(dǎo)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(dǎo)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?fù)箽?2之間支通道132。

在導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)流板10，此外還可以將導(dǎo)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(dǎo)流板10之外。這樣，從縫隙2內(nèi)滲出的水就可以沿著導(dǎo)流板10與隧道壁1之間的水流通道13流走。

在導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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。考慮到支通道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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)流板10′(以下簡稱導(dǎo)流板10′)的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)流板10′的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)流板10的結(jié)構(gòu)大體相同。在導(dǎo)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)?？紤]到導(dǎo)流板10′的寬度較小，一般為0.5～1.0 m，導(dǎo)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(dǎo)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)。控制器18內(nèi)不但設(shè)有預(yù)定溫度，還設(shè)有預(yù)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(yù)定溫度、溫度信號以及預(yù)定壓力、壓力信號來控制發(fā)熱電纜16。例如，控制器18的預(yù)定溫度為3 ℃，預(yù)定壓力為1.5倍大氣壓。當(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)流板與圖5所示的導(dǎo)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(dǎo)流板10′的寬度較小，一般為0.5～1.0 m，導(dǎo)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(dǎo)流板進(jìn)行各種改進(jìn)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(xì)型導(dǎo)流板與凸殼型導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)和規(guī)格的對比，毛細(xì)型導(dǎo)流板導(dǎo)流能力明顯小于凸殼型導(dǎo)流板。凸殼型導(dǎo)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(dǎo)流板內(nèi)安裝發(fā)熱電纜進(jìn)行的試驗，發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行各種改進(jìn)。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。