发热电缆融冰技术在隧道侧沟冻害整治中的应用

全 广 学

(武汉铁路局信阳工务段，河南 信阳 464000)



发热电缆融冰技术在隧道侧沟冻害整治中的应用

全 广 学

(武汉铁路局信阳工务段，河南 信阳 464000)

结合京通线K295.182隧道侧沟结冰的病害情况，介绍了隧道侧沟除冰的常用方法，并从技术可行性与经济效益两个方面，探讨了发热电缆融冰技术的优势，有利于提高寒区运营隧道冻害的治理效果。

隧道，冻害，发热电缆，经济效益

在山区修建隧道的过程中，尤其是在高地应力软弱围岩地区修建隧道时，容易导致大变形地质灾害。

近年来，随着中国铁路的大规模建设，运营铁路里程已达11万km，居世界之首，据2012年秋检资料显示，全国铁路共有运营铁路隧道7 400座，总长达42 000 km，然而，有5 000座隧道存在不同程度的病害，占隧道总座数的58%。因此通过病害调查、方案设计、隧道病害治理及治理效果评估，总结出一套经济、高效、安全的病害治理技术具有重要的意义。

隧道的病害严重影响铁路运输安全，寒区隧道渗漏水在拱顶及其他部位挂冰后造成侵限，特别是经过冻融循环，造成衬砌混凝土开裂、剥落，仰拱破损，混凝土强度降低，严重影响行车安全。为此，本文以京通线K295.182隧道为例，对寒区运营隧道冻害处理技术进行总结。

1 隧道概况

京通线K295.182隧道位于河北省承德市围场县四合永镇，位于北纬41.5°，海拔在1 100 m以上。该隧道所处环境年气温变化范围为-35 ℃～32 ℃，年温差大，1月份平均气温-13.2 ℃。京通线1977年建成通车，由于受到地形变化、混凝土衬砌老化开裂、混凝土冻融破坏等多种因素的影响，隧道边墙及拱顶出现不同程度的裂隙，常年有山体渗水流出，冬季和春季由于气候寒冷气温较低、渗水较少的原因使拱顶和侧沟有结冰现象。

2 隧道病害特征

通过现场调查及向车间领导询问了解到，该隧道主要病害为冬季和春季时侧沟结冰，由于渗水的不断增加，冰层迅速增厚，很快便将侧沟堵塞直至溢出侧沟，流向道床危及行车安全。

3 隧道侧沟除冰方法分析

根据现场病害情况分析可知，隧道侧沟病害在于隧道渗水结冰后堵塞侧沟，导致排水不畅。除冰为表，治水为本。经过多年总结，四合永车间摸索出两种方法。

3.1 撒盐、刨冰

冬季、春季隧道侧沟结冰后及时组织人力物力进入隧道刨冰，清除侧沟冻冰，使侧沟排水通畅，并且沿侧沟撒工业用盐，降低冰的融点，使冰融化成水随沟排出。但是盐融化冰的能力和温度有密切关系，如果处于低温环境，那么盐的融冰效果并不好。同时采用撒盐融冰的方法也会存在很多负面的问题，例如导致钢筋锈蚀、对侧沟盖板以及侧沟混凝土带来剥蚀破坏，影响其使用的耐久性；同时含盐的融化水在排入管道之后，会导致管道的使用寿命减少；如果是含有盐水成分的水流入到沟渠或者是树穴之中，会将植物杀死，对生态系统带来破坏。而且撒盐、刨冰的方法效率低，成本高。四合永车间管内约有1 200延米的隧道侧沟需要冬季除冰，每日需10人作业，整个冬季大约需要工业盐50 t，每年的冬季、春季除冰成本约30万元。

3.2 对隧道侧沟进行聚乙烯板保温

进入冬季前，在隧道侧沟内用钢筋焊成支架，铺设聚乙烯保温板，保温板底部距侧沟顶5 cm，保证排水通畅。经过2年观察发现，聚乙烯保温板施工后很容易被隧道内的老鼠破坏，一经破坏将侧沟堵死，积水便从侧沟外溢，淹没整体道床，容易将钢轨、胶垫、配件锈蚀，影响行车安全；部分聚乙烯板破碎后顺沟排入沉井将沉井堵塞。

4 发热电缆融冰法的探索

4.1 发热电缆

发热电缆的加热系统是采用电缆供能，通过发热电缆，将电能转化成为热能，利用结构层内导热将热量传递到物体的表面，然后再通过物体的表面和冰之间的热交换来实现融冰。相对来讲发热电缆系统本身不会产生污染，运行费用也相对便宜，并且有着较好的热稳定性，控制上也相当的方便。

4.2 发热电缆现状

近几年，很多欧洲国家都开始相继投入到了发热电缆的制造、安装以及技术研究之中，并且在发热电缆的设计、材料、施工安装、验收等很多方面都拥有了非常丰富的经验。如今发热电缆底温辐射系统因为其所具有的独特优势，得到了快速普及，在冰雪融化上得到了广泛应用。特别是地板辐射采暖系统的应用是最为广泛的，在国外的很多机场、体育馆以及社区之中都采用了电热辐射采暖技术。

4.3 发热电缆在侧沟融冰中的施工方案

通过隧道边墙上方既有电缆线引电到边沟，要求电压为380 V，电源采用三相四线制。为防止漏电造成影响，必须在引线上方安装接地线和漏电保护器，引线可以开槽埋入隧道边墙，也可在明处穿管固定。

地热法融冰技术耗电量小，可持续4个月不间断供电，在电缆线表皮不破损的情况下可直接在水中作业，安全性较高。边沟每200 m为一处，方便检修。

依据加热排水沟内冷空气耗热量计算公式：

Q=0.28×Pwn×Cp×L×(Tn-Twn)。

其中，Q为由沟外渗入沟内冷空气的耗热量，W；0.28为单位换算系数，1 kJ/h=0.28 W；L为渗透冷空气量，考虑为3 m3/h；Pwn为供暖沟内计算温度下的空气密度，考虑为1.5 kg/m3；Cp为空气的定压比热容，Cp=1 kJ/(kg·℃);Tn为供暖沟内计算温度，考虑为+5 ℃；Twn为供暖沟外计算温度，考虑为-35 ℃。

估算得，126 W(即每平方米126 W)。

沟内铺设发热电缆长度200 m×6条发热电缆，合计发热功率9 306 W。

边沟表面积：长200 m×宽0.4 m=80 m2。

即80 m2边沟每小时耗电量为9.3度。

沟内不设置温度传感器，控制箱内不设置温控器，由空气断路器人工控制。发热电缆固定在钢丝网上，铺设在原沟底。发热电缆上浇筑C15混凝土，厚3 cm～4 cm。施工方法简单，只需将边沟清理干净，无大面积积水，无尖锐物体即可施工。正常使用年限30年。

经四合永车间统计，侧沟结冰病害段长度约1 200 m，每年通电3个月，大约用电量为12万度，电价按1元/度计算，每年成本约12万元，与撒盐、刨冰相比费用降低很多，经济效益明显。

5 结语

寒区隧道的设计，要充分认识到保温的重要性，运营隧道出现冻害后，无论采取什么方法处理，效果均有限，建议新建隧道增设保温层，特别是洞口500 m的范围，要做加强层。

对排水盲管、渗管采取保温措施，侧沟要考虑整体保温。

[1] 武海琴.发热电缆用于路面融雪化冰技术的研究[D].北京：北京工业大学硕士学位论文，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

全广学(1975- )，男，助理工程师

U457

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