[发明专利]一种用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统

权利要求书

1.一种用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：包括初期支护、防水层、风冷除热层、持力层和若干个温度传感器；所述初期支护包括若干根锚杆和喷射的混凝土；所述初期支护上敷设防水层，位于所述防水层上设置风冷除热层；所述风冷除热层上设置持力层；在隧道衬砌内部每间隔100m埋设温度传感器；

在隧道的送风断面处设置两根横向进风管和一根环向进风管，所述横向进风管与环向进风管两端相连，且与一根埋设于隧道底部的纵向进风管相连通；气流通过设置于隧道外的轴流风机经纵向进风管、横向进风管压入环向进风管，并流入纵向冷却管；

所述隧道出风断面处布设两根横向出风管和一根环向出风管，横向出风管与环向出风管两端相连，且与一根纵向出风管相连通；气流从纵向冷却管流出，经环向出风管、横向出风管流入纵向出风管，并从设置于隧道外部的出风口流出；

所述环向进风管与环向出风管沿环向分段设置，且各段管道在工厂预制；所述环向进风管、环向出风管分段处设置可通过螺栓相连接头；所述环向进风管、环向出风管与纵向冷却管相连之处开设孔洞，并通过焊接将纵向冷却管固定安装于环向进风管和环向出风管之间。

2.根据权利要求1所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：所述初期支护喷射的混凝土厚度为10～20cm。

3.根据权利要求1所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：所述风冷除热层的厚度为20～30cm。

4.根据权利要求1所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：所述持力层为钢筋混凝土，其厚度为20～30cm。

5.根据权利要求1所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：所述风冷除热层包括若干根纵向冷却管；所述纵向冷却管埋设于陶粒混凝土中；所述陶粒混凝土中掺设钢纤维，并在陶粒混凝土与钢筋混凝土交界面处进行凿毛处理。

6.根据权利要求5所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于：所述纵向冷却管在风冷除热层内单层布置，纵向冷却管为薄壁钢管，其直径为10～15cm；在所述纵向冷却管跨越衬砌接缝处设置柔性接头；所述纵向冷却管穿过嵌缝材料，并在纵向冷却管与嵌缝材料接触面处涂抹专用胶，所述除热层与持力层交界处设置横向止水条。

7.根据权利要求6所述的用于高地温隧道的风冷式衬砌散热系统，其特征在于，计算纵向冷却管的直径和数量，包括：

S1、根据地层导温系数确定围岩变温带范围l，并分别计算持力层表面、持力层与风冷除热层交界面、风冷除热层与初期支护交界面、初期支护与围岩交界面、围岩变温带与恒温带交界面距隧道中心的当量半径r₁、r₂、r₃、r₄、r₅；

S2、根据降温需求目标选定设置纵向冷却管前后持力层表面降温幅度ΔT，计算冷却管需带走的热流量ΔQ：

其中，L为高地温段长，λ₁为钢筋混凝土导热系数，λ₂为陶粒混凝土导热系数，λ₃为喷射混凝土导热系数，λ₄为围岩导热系数，h₁为持力层表面与隧道内空气的对流换热系数；

S3、根据冷却管进出口空气平均温差ΔT_f，拟定纵向冷却管直径d和冷却管数量n，并计算需风量V_a和风速v：

其中，ρ_a为空气密度，c_p为空气比热；

S4、根据风速v计算雷诺数R_e，并进一步计算求得空气与管壁之间的对流换热系数h：

其中：μ为空气动力粘性系数，P_r为空气普兰特数，k为空气的热传导率；

S5、根据空气与纵向冷却管管壁的平均温差ΔT_w，纵向冷却管直径d和冷却管数量n需满足下式：

S6、验证S3中拟定的纵向冷却管直径d和数量n，是否满足式(6)，若不满足，则进行冷却管直径d和冷却管数量n的调整试算，直至满足为止；若满足，则初步得到纵向冷却管的直径和数量。