寒区铁路隧道衬砌电热导流板结构选型研究

余东洋,柴金飞,马伟斌,郭小雄,马超锋

(1.中国铁道科学研究院,北京 100081;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所,北京 100081)

我国公路、水工、城市地铁以及铁路隧道的发展非常迅速，已成为世界上隧道工程数量最多、建设规模最大、技术条件最复杂、发展速度最快的国家。由于水文地质条件、地形条件、气候条件、自然灾害以及设计、施工、运营管理等诸多环节中各种不利因素的影响，隧道在投入使用后会出现渗漏水病害，在冬季隧道上部衬砌渗漏水会结冰，隧道衬砌挂冰严重威胁到隧道内行车和行人的安全，每年工务部门需投入大量人力物力进行打冰作业，提高了隧道养护维修成本。为了减少维修养护成本，学者们做了相关研究。文献[1]研究的电伴热系统在八苏木隧道冻害整治中得到很好的应用；文献[2]从防排水方向研发出几种新型的止水带，从而降低冻害的发生；文献[3]利用有限元计算温度场理论提出了一些对预防冻害的对策；文献[4]对冻害划分了5个等级，并对每个等级制定了相应的冻害预防和整治措施；文献[5]从保温的角度开辟了防冻的新技术；文献[6-7]探讨了隧道衬砌冻害产生的原因并提出了相应的整治措施；文献[8-9]则从冻胀力的角度对冻胀作用机理进行了深入分析，为冻害防治提供了理论依据；文献[10]研究了寒区铁路运营隧道渗漏水检测与整治技术。

综合考虑隧道衬砌冻害现状及施工工作需要，深入研究导流及保温对电热导流板形式的影响，可为类似冻害整治提供借鉴。

1 导流板选型研究

根据铁路隧道导流板结构形式可分为凸壳型导流板和毛细型导流板。凸壳型导流板是利用凸壳面与初期支护的空隙来达到导流的目的，凸壳部分靠近隧道衬砌壁一侧为空腔，结构如图1所示。凸壳型导流板的材质采用聚乙烯、乙烯、醋酸乙烯共聚物。 毛细型导流板是在防水板上刻槽来达到排水的目的。根据其受力特点，同时材料适宜刻槽工艺，毛细型导流板的材质采用聚氯乙烯，结构如图2所示。

图1 凸壳型导流板结构示意

图2 毛细型导流板结构示意

2种导流板原材料不应使用再生料。导流板在规格范围内不应有接头。导流板应表面光滑、边缘整齐，且无裂纹、机械损伤、折痕、孔洞、气泡及异常黏着等影响使用的缺陷。凸壳型导流板外观颜色应为材料本色。再生料等不合格原料加入会改变材料本色，极大地降低导流板的使用性能，因而要防止生产过程中使用再生材料。凸壳型导流板表面凸壳布置应均匀，毛细型导流板排水孔和集水槽应顺直。2种导流板规格尺寸偏差应满足表1与表2的要求。特殊规格应由供需双方商定。

表1 凸壳型导流板的规格尺寸及偏差

表2 毛细型导流板的规格尺寸及偏差

由表1、表2可知，毛细型导流板导流能力明显低于凸壳型导流板，因此凸壳型导流板更能满足隧道衬砌排水需求。为提高凸壳型导流板抗压强度，并防止二次衬砌混凝土浇筑过程中挤扁或压溃凸壳，导致导流板排水能力降低甚至丧失。适当提高凸壳型导流板拉伸强度和断裂伸长率，能有效提高凸壳型导流板的抗变形能力及柔韧性，增强凸壳型导流板与隧道不平整初期支护表面的密贴程度。

2 电热结构选型研究

为了解决在导流板内安装合适长度和功率的发热电缆达到一个合理的温度(既安全又能融冰)，解决冬季隧道挂冰问题，本文对导流板内电热结构形式进行了试验研究。分别在凸壳型导流板内摆放4根、3根、2根发热电缆，发热电缆6 m，电阻9 Ω。通过功率调节器把功率分别控制在5，10，15,20 W/m。对每种工况数据进行记录，每间隔1 h记录1次，共观察记录3 h 的数据。试验过程如图3所示。

通过对试验数据的分析，导流板内安装3根或4根发热电缆，而且功率控制在15 W/m时，将发热电缆通电时导流板内温度能控制在15～20 ℃，发热电缆的表面温度在75 ℃左右，这种温度下能保证隧道衬砌不挂冰。实际应用中可根据需要布置3根或4根发热电缆。

3 电热导流板结构设计研究

针对上述导流板选型和电热结构选型，初步确定了电热导流板的物理结构和功能需求，其特征应包括：

1)在其第一表面上构造有多个间隔的凸壳，各个相邻凸壳之间的间隔形成了水流通道，设置在电热导流板上的发热电缆能向水流通道内散发热量，使水以液态形式流过水流通道。

2)电热导流板内部与发热电缆间隔地设置有温度传感器。

3)多个凸壳沿电热导流板的纵向排成多列，水流通道包括处于相邻列凸壳之间的主通道和同列相邻凸壳之间的支通道。

4)主通道包括相间分布的第一类主通道和第二类主通道，发热电缆设置在第一类主通道和第二类主通道中，温度传感器设置在支通道和/或第一类主通道和第二类主通道中。

5)发热电缆设置在主通道，温度传感器设置在支通道。

针对上述特征，并结合隧道内实际情况，要实现导流板紧密地贴合在隧道壁上达到较好的防冻害效果，电热导流板的结构形式也应根据情况作适当调整。下面对几种电热导流板作进一步研究与说明。

图4显示了第一结构形式的隧道电热导流板10(以下简称为导流板10)的结构。导流板10大体呈长方形。以图4中的坐标系为基准，y轴方向为纵向，x轴方向为横向，因此导流板10的纵向长度大于横向。将导流板10贴合安装在隧道壁1上后，其纵向与隧道的环向相同，其横向则大体与隧道的环向垂直(即为隧道的延伸方向)。导流板10以柔性材料制成，以使其能顺应隧道壁1的变化，良好地封住隧道壁1上的缝隙2。柔性材料可以为具有柔性的ABS塑料。当然，任何其他适当的材料也可以使用。

图4 第一结构形式的隧道电热导流板的结构示意

在导流板10的第一表面11上构造多个间隔开的凸壳12。各相邻的凸壳12之间的间隔形成了水流通道13。凸壳12沿导流板10的纵向排成多列。这样，水流通道13可包括处于相邻列凸壳12之间主通道131和处于同列相邻凸壳12之间支通道132。

在导流板10两条纵向边缘上构造有凸起的封装条带14。在封装条带14上设有封装胶和贯穿孔15。贯穿孔15用于将导流板10安装在隧道壁1上，例如通过钉子(未示出)。封装胶同样用于安装导流板10，此外还可以将导流板10的边缘与隧道壁1之间密封，以防止水流通道13(即主通道131和支通道132)内的水流到导流板10之外。这样，从缝隙2内渗出的水就可以沿着导流板10与隧道壁1之间的水流通道13流走。

在导流板10的安装过程中，主通道131是纵向的，即沿着隧道的环向延伸；而支通道132则偏离隧道的环向延伸，甚至是沿横向的。这导致主通道131内的水量大于支通道132。

隧道内的温度降低时，为了防止水流通道13内的水结冰，在导流板10内设置了发热电缆16。发热电缆16在通电后向水流通道13内散发热量，使水以液态形式流过水流通道13。发热电缆16可以是由绝缘材料包裹的电阻丝。在图4中发热电缆16设置在主通道131内。在主通道131内设置有容纳发热电缆16的凸起300。这是由于主通道131是水流的主要通道，有助于快速加热水流通道13内的水。考虑到支通道132较短并且与主通道131距离很近，而且支通道132内的水流较小，可以不在对应于支通道132的区域内设置发热电缆，而借助于热传递间接加热。如有必要，也可以在对应于支通道132的区域内设置发热电缆。

为了避免热量耗散，在导流板10的第二表面20上设置保温材料层200。保温材料可选用聚氨酯、岩棉等材料。

图5 第二结构形式的隧道电热导流板的结构正视图

图5显示了第二结构形式的隧道电热导流板10′(以下简称导流板10′)的结构。导流板10′的结构与导流板10的结构大体相同。在导流板10′中，主通道131包括第一类主通道1311和第二类主通道1312。第一类主通道1311和第二类主通道1312相间分布。发热电缆16仅设置在第一类主通道1311或第二类主通道1312区域区。温度传感器17设置在支通道132、第二类主通道1312或第一类主通道1311区域内。例如，在图5中，发热电缆16仅设置在对用于第一类主通道1311的区域内，温度传感器17设置在支通道132的区域内。温度传感器17还可以设置在第二类主通道1312的区域内。考虑到导流板10′的宽度较小，一般为0.5～1.0 m，导流板10′的加热方式足以将水快速加热或将冰快速溶化。

为了更精确地控制发热电缆16的工作，可以在导流板10的内部，与发热电缆16和温度传感器17间隔地设置压力传感器19，如图6所示。在图6中，温度传感器17设置在一部分支通道132内，压力传感器19设置在另一部分支通道132内。控制器18内不但设有预定温度，还设有预定压力。控制器18接收来自温度传感器17的温度信号和来自压力传感器19的压力信号，并根据预定温度、温度信号以及预定压力、压力信号来控制发热电缆16。例如，控制器18的预定温度为3 ℃，预定压力为1.5倍大气压。当来自温度传感器17的温度信号指示支通道132内的温度高于3 ℃时，发热电缆16不发热。当来自温度传感器17的温度信号指示支通道132内的温度小于等于3 ℃，并且来自压力传感器19的压力信号小于等于1.5倍大气压时，发热电缆16发热。由于此时支通道132内的压力较小，说明仅有少量的水结冰而使得导流板10和隧道壁1之间产生了较小的压力。这时，发热电缆16以较小的第一功率来发热，以溶化所产生的冰。当来自压力传感器19的压力信号大于1.5倍大气压时，说明有大量的水结冰而使得导流板10和隧道壁1之间产生了较大的压力。这时，发热电缆16以较大的第二功率来发热，以快速溶化所产生的冰。技术人员可根据隧道的实际情况来设置第一功率和第二功率的具体值。

图6 第三结构形式的隧道电热导流板的结构正视图

图7 第四结构形式的隧道电热导流板的结构正视图

图7显示了第四结构形式的隧道电热导流板与图5所示的导流板10′的结构大体相同。发热电缆16仅设置在第一类主通道1311的区域内，温度传感器17设置在支通道132的区域内，压力传感器19设置在第二类主通道1312的区域内。考虑到导流板10′的宽度较小，一般为0.5～1.0 m，导流板10′的加热方式足以能够将水快速加热或将冰快速溶化。

在不脱离各种形式设计范围的情况下，根据隧道衬砌冻害特征，可以对电热导流板进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个结构形式中所提到的各项技术均可根据需求任意组合。

4 结论

1)通过对毛细型导流板与凸壳型导流板结构和规格的对比，毛细型导流板导流能力明显小于凸壳型导流板。凸壳型导流板更适合作隧道衬砌防排水结构。

2)根据凸壳型导流板内安装发热电缆进行的试验，发现在导流板内安装3根或4根发热电缆，而且功率控制在15 W/m时，将发热电缆通电导流板内温度能控制在15～20 ℃，发热电缆的表面温度在75 ℃左右，这种温度条件足以保证隧道衬砌不挂冰。

3)电热导流板结构形式可根据隧道冻害特征及隧道内实际情况进行各种改进。不同结构形式中的各项技术在设计范围内可根据需求任意组合。