一种用于寒区隧道衬砌的除冰系统及方法技术方案

本公开涉及寒区隧道工程领域，具体涉及一种用于寒区隧道衬砌的除冰系统及方法。本发明专利技术公开了一种用于寒区隧道衬砌的除冰系统，包括：除冰工作部，除冰工作部包括除冰单元与柔性除冰单元安装格栅，除冰单元通过柔性除冰单元安装格栅固定于隧道衬砌上；除冰单元包括金属盒，顶部设置除冰工作面层，底部设置电热柔性层；能源供给单元，用于为电热柔性层工作提供电电能；控制模块，控制能源供给单元和除冰工作部。除冰系统适合于寒区隧道内及周边铺设安装，利用封装于除冰单元内部的低冰点溶液的变温相变胀缩原理破坏附着冰体的表面粘结并使冰体脱落，进而实现长期高效的主动除冰。

【技术实现步骤摘要】
一种用于寒区隧道衬砌的除冰系统及方法
本公开涉及寒区隧道工程领域，具体涉及一种用于寒区隧道衬砌的除冰系统及方法。
技术介绍
寒冷地区的冰冻作用会使交通工程建(构)筑物产生冻胀融沉及冻融破坏等工程问题。随着铁路公路网络系统建设快速进行，大量处于寒区的隧道面临的不同程度的冻害问题，隧道冻害不仅造成隧道结构损坏，且可能威胁隧道行车安全。隧道衬砌表面的结冰附着现象严重影响了通车安全，对生产生活活动带来了极大的不便，严重影响了寒区隧道的正常使用。目前寒区隧道衬砌的除冰方式主要集中于延缓衬砌表面结冰或对已结冰衬砌表面进行清理。其中延缓表面结冰的方式主要有：隧道内通过燃烧热或电热对衬砌加热防止水冻结、衬砌施工时铺设保温层、设置防寒门阻止隧道与外界空气换热、衬砌表面涂覆超疏水涂层减弱冰的附着能力等；对已结冰衬砌表面清理的方式主要有：隧道内加热融冰、机械或人工振动敲击除冰等方式。上述两类除冰方式均存在各自的局限性，延缓衬砌结冰的方法中加热法会产生巨大的运营成本，设置防寒门或多或少影响交通效率，施作保温层仅能延缓而不能抑制结冰的过程，在寒区长时间低温条件下水分依然会冻结，衬砌涂覆超疏水涂层的耐久性不足，其防结冰性能随着清理次数的增多而逐渐降低；对已结冰衬砌表面清理同样对建成后的隧道运营带来高昂的维护成本且治理投入随着冻害逐渐扩展而日益增大，同时短期加热融冰与机械振动对寒区隧道土体均会产生扰动，不利于隧道冻害防治。综上，现有的寒区隧道衬砌除冰技术均具有各自的局限性，除冰效果也同时受到建设与运营成本的限制，故现存隧道衬砌除冰方法有待进一步优化与改进，目前缺少一种可以较低施工与运营成本的有效、快捷、持久的寒区隧道衬砌除冰方法。
技术实现思路
针对现有的技术方案的不足，本专利技术旨在提供一种用于寒区隧道衬砌的除冰系统及方法，适用于新建与已运营隧道，可应对不同冰冻情况，安装便利、集成程度高，便于维护、运行功耗低、除冰控制精确。可有效的清除寒区隧道工程在冬季环境条件下隧道衬砌表面积冰，且其环境耐久性显著优于其他除冰方式。为实现上述专利技术目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了下述技术方案：第一方面，本专利技术公开了一种用于寒区隧道衬砌的除冰系统，包括：除冰工作部，包括除冰单元与柔性除冰单元安装格栅，除冰单元通过柔性除冰单元安装格栅固定于隧道衬砌上；除冰单元包括金属盒，顶部设置除冰工作面层，底部设置电热柔性层；能源供给单元，用于为电热柔性层工作提供电电能；控制模块，控制能源供给单元和除冰工作部。进一步的技术方案，除冰单元还包括压力传感器，位于金属盒内底部，用于测量低冰点溶液相变膨胀后受金属盒与除冰工作面层的变形限制而产生的膨胀压力，其测量的膨胀力传输至控制模块。进一步的技术方案，除冰单元还包括压力传感器信号导线、电热柔性层供电线，分别与压力传感器、电热柔性层连接；压力传感器信号导线、电热柔性层供电线均通过金属盒内部预留的孔洞引出外接。进一步的技术方案，电热柔性层埋置于金属盒底部，与金属盒密封连接。进一步的技术方案，能源供给单元包括光伏发电模组、风力发电机组、供电控制模块、储能模块、市电输入端口、及供电线缆；光伏发电模组、风力发电机组分别与供电控制模块连接，供电控制模块分别与储能模块、市电输入端口相连接，储能模块、市电输入端口分别与供电线缆相连接，能源供给单元通过供电线缆与除冰工作部中的电热柔性层供电线相连接。进一步的技术方案，控制模块包括储存模块、远程通信模块、用电控制模块和数据接收终端；储存模块与远程通信模块相连，用电控制模块与控制储能模块连接，储存模块与用电控制模块分别连接至远程通信模块。进一步的技术方案，压力传感器信号导线连接压力传感器信号导线总线，压力传感器信号导线总线与储存模块相连接；压力传感器通过采集的信号通过压力传感器信号导线、储存模块和远程通信模块发送至数据接收终端。第二方面，本专利技术公开了一种用于寒区隧道衬砌的除冰方法，具体步骤如下：步骤一：储存模块根据预先设定的信号采集间隔采集压力传感器输出的膨胀压力信号；步骤二：当环境温度低于除冰单元中低冰点溶液的冻结温度时，低冰点溶液开始冻结，冻结产生膨胀向外凸，此时压力传感器可感受到膨胀压力的变化并输出信号，除冰工作面层向外凸，此步将破坏附着于除冰工作面层与其上附着冰体接触面的粘结；步骤三：当除冰单元中的膨胀压力达到预设阈值一定时间后，用电控制模块接收远程通信模块所接收的数据接收终端发出的指令，对用电控制模块进行控制，用电控制模块发出控制命令，通过控制储能模块中储存的电能或市电输入端口所输入的电能，对除冰单元中的电热柔性层供电使其工作发热，储能模块中所储存的电能由供电控制模块控制的光伏发电模组或风力发电机组产生；步骤四：电热柔性层加热因相变而膨胀的低冰点溶液，低冰点溶液融化后，因融化体积收缩而使除冰工作面层由外凸转为向内微凸，使其上的附着冰体脱落，一个主动除冰循环完成；步骤五：除冰单元中的低冰点溶液恢复到冻结前状态，之后重复第二至第四步的步骤，进入下一个主动除冰循环过程。进一步的技术方案，所述除冰工作单元当其处于未工作状态时，金属盒与除冰工作面层所形成的封闭空间内的低冰点溶液未发生相变，此时除冰工作面层向内微凸。进一步的技术方案，所述能源供给单元应根据寒区隧道所处地区的环境条件，在寒区隧道邻近位置进行光伏发电模组及风力发电机组的布置，并根据除冰单元的数量统计功耗，确定光伏发电模组及风力发电机组的数量；如光伏发电模组及风力发电机组供电能力因环境变化影响可能不足时，则可通过市电输入端口进行补充供电。进一步的技术方案，如果发生极端低温情况，系统通过相变方式除冰无法彻底清理附着冰体时，亦可通过用电控制模块控制储能模块或市电输入端口的用电输出功率，提高电热柔性层的发热进行直接融冰作业。以上一个或多个技术方案的有益效果是：1.通过电热柔性层是否通电工作改变金属盒内的低冰点溶液的相态，进而改变除冰柔性工作面层的形态，使附着于除冰柔性工作面层上的冰体附着力降低并导致进一步冰体脱落。2.主动除冰系统由主动除冰工作部、能源供给系统及数据传输与控制模块三部分组成。此寒区隧道衬砌主动式除冰系统适合于寒区隧道内及周边铺设安装，利用封装于除冰单元内部的低冰点溶液的变温相变胀缩原理破坏附着冰体的表面粘结并使冰体脱落，进而实现长期高效的主动除冰，除冰单元仅通过消耗较少的能源加热低冰点溶液即可进行除冰工作，无需消耗大量能源融化附着冰体或者维持隧道内环境温度。3.较低的功耗极大的减弱了对寒区隧道温度场或应力场的扰动，提高了寒区隧道衬砌支护的可靠性；如发生极端低温情况，系统通过相变方式除冰无法彻底清理附着冰体时，亦可通过电热柔性层提高发热功率进行直接融冰作业。4.整个相变主动除冰过程几乎没有物质损耗，且主要应用风力及光伏发电等清洁能源，自动化程度高，此系统结构简单、易于实现、便于量产，便于安装维护，具备优秀的环境耐久性。附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于寒区隧道衬砌的主动除冰系统，其特征在于，包括：/n除冰工作部，包括除冰单元与柔性除冰单元安装格栅，除冰单元通过柔性除冰单元安装格栅固定于隧道衬砌上；除冰单元包括金属盒，顶部设置除冰工作面层，底部设置电热柔性层；/n能源供给单元，用于为电热柔性层工作提供电能；/n控制模块，控制能源供给单元和除冰工作部。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于寒区隧道衬砌的主动除冰系统，其特征在于，包括：
除冰工作部，包括除冰单元与柔性除冰单元安装格栅，除冰单元通过柔性除冰单元安装格栅固定于隧道衬砌上；除冰单元包括金属盒，顶部设置除冰工作面层，底部设置电热柔性层；
能源供给单元，用于为电热柔性层工作提供电能；
控制模块，控制能源供给单元和除冰工作部。


2.如权利要求1所述的一种用于寒区隧道衬砌的主动除冰系统，其特征在于，除冰单元还包括压力传感器，位于金属盒内底部，用于测量低冰点溶液相变膨胀后受金属盒与除冰工作面层的变形限制而产生的膨胀压力，测量的膨胀力传输至控制模块。


3.如权利要求1所述的一种用于寒区隧道衬砌的主动除冰系统，其特征在于，除冰单元还包括压力传感器信号导线、电热柔性层供电线，分别与压力传感器、电热柔性层连接。


4.权利要求1所述的一种用于寒区隧道衬砌的主动除冰系统，其特征在于，压力传感器信号导线、电热柔性层供电线均通过金属盒内部预留的孔洞引出外接。


5.如权利要求1所述的一种用于寒区隧道衬砌的主动除冰系统，其特征在于，能源供给单元包括光伏发电模组、风力发电机组、供电控制模块、储能模块、市电输入端口、及供电线缆；光伏发电模组、风力发电机组分别与供电控制模块连接，供电控制模块分别与储能模块、市电输入端口相连接，储能模块、市电输入端口分别与供电线缆相连接，能源供给单元通过供电线缆与除冰工作部中的电热柔性层供电线相连接。


6.如权利要求1所述的一种用于寒区隧道衬砌的主动除冰系统，其特征在于，控制模块包括储存模块、远程通信模块、用电控制模块和数据接收终端；储存模块与远程通信模块相连，用电控制模块与控制储能模块连接，储存模块与用电控制模块分别连接至远程通信模块。


7.如权利要求1所述的一种用于寒区隧道衬砌的主动除冰...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵广彪，聂众，刘国辉，邢鲁义，徐以政，邱敬格，
申请(专利权)人：山东建筑大学，山东建大工程鉴定加固设计有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37