本發(fā)明屬于永凍區(qū)保護，特別涉及一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)及整治方法。

背景技術(shù)：

1、涵洞是交通線路路基下部橫向排水與通行的重要設(shè)施，數(shù)量多、比例大。涵洞跨徑一般小于5m，頂部填料厚度不小于50?cm。青藏高原是世界上中、低緯度地帶面積最廣、厚度最大、溫度最低的多年凍土區(qū)。青藏公路、鐵路貫穿青藏高原腹地，穿越多年凍土區(qū)760?km，其中連續(xù)多年凍土區(qū)550?km，其中涵洞3000余座，調(diào)查表明目前存在病害的涵洞比例達到50%以上，涵洞穩(wěn)定性維護已成為制約青藏公路、青藏鐵路等多年凍土區(qū)交通線路安全運營的瓶頸之一。調(diào)查顯示多年凍土交通涵洞的主要病害類型包括涵洞地基沉降引起的涵洞本體偏移、傾斜、倒塌、開裂及次生滲水、積水等病害損壞，以及涵洞涵頂填料變形引起的路涵過渡段不均勻變形，前者主要由涵底多年凍土地基的升溫退化融沉引起，后者主要由涵頂填料的季節(jié)性凍脹變形引起。因此，多年凍土區(qū)交通涵洞既存在涵底多年凍土地基熱融引起的本體損傷病害，又存在涵頂季節(jié)性凍脹變形引起的線路運行安全風(fēng)險。

2、現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（tb?10002-2017）等規(guī)范一般以地基凍土上限、土體凍融變形敏感性等因素為依據(jù)，給出涵洞型式、地基處理、防水等病害防控建議。包括填料換填法、保溫法、防排水法和結(jié)構(gòu)改良法等。但是涵洞一般暴露在天然氣候和地質(zhì)環(huán)境中，當(dāng)氣候變暖、地基原生多年凍土高溫（＞-1.0℃）不穩(wěn)定、涵洞過水量大等不利工況時，涵洞本體變形破壞及涵周土體凍脹病害有時仍不可避免。因此，有必要研發(fā)更為有效、具有災(zāi)后快速處置功能的多年凍土區(qū)涵洞病害防控方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決以上問題，本發(fā)明提供了一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)及整治方法。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)，包括涵洞單元、制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元、保溫單元和智能監(jiān)控單元，所述涵洞單元包括涵洞本體及底部延伸至多年凍土層的樁板基礎(chǔ)，所述保溫單元設(shè)置于涵洞本體的內(nèi)部，所述制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元包括制熱器、制冷器和制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜，所述制熱器設(shè)置于涵洞本體的頂部填料層內(nèi)，所述制冷器設(shè)置于樁板基礎(chǔ)內(nèi)，所述制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜設(shè)置于涵洞本體的外側(cè)；所述智能監(jiān)控單元包括控制器和溫度傳感器，所述填料層及多年凍土層內(nèi)均嵌裝溫度傳感器，所述制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元和溫度傳感器均與控制器相連。

4、進一步的，所述樁板基礎(chǔ)包括泡沫混凝土板基礎(chǔ)和若干根鋼管樁，所述泡沫混凝土板基礎(chǔ)設(shè)置于涵洞本體的底部，若干根鋼管樁陣列布置在地基內(nèi)，所述鋼管樁為底端密封、頂端開敞的中空管體，所述鋼管樁的下端延伸至多年凍土層內(nèi)，所述鋼管樁的頂部與承套式樁帽相連，所述承套式樁帽澆筑在泡沫混凝土板基礎(chǔ)內(nèi)；所述制冷器設(shè)置于鋼管樁內(nèi)，所述制冷器的上端通過熱媒管路與制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜相連。

5、進一步的，所述鋼管樁包括制冷段和絕熱段，所述制冷段埋設(shè)于多年凍土層的下部地基內(nèi)，所述制冷器與熱段埋設(shè)于多年凍土層上方的上部地基內(nèi)，所述絕熱段的外部包裹保溫套。

6、進一步的，所述支撐架為十字型，若干根鋼管樁的布設(shè)間距為1.5～2.5m、樁徑為90～130mm。

7、進一步的，所述制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜內(nèi)設(shè)有增壓器、降壓器、流量控制閥和儲液罐，通過熱媒管路將增壓器、制熱器、儲液罐、流量控制閥、降壓器、制冷器順次連接，所述制冷器的出口和入口分別與增壓器的入口和降壓器的出口連接，所述制熱器的出口和入口分別與儲液罐的入口和增壓器的出口連接，形成一個閉合回路；所述閉合回路內(nèi)灌注熱媒，所述熱媒在降壓器中的沸點溫度低于多年凍土層的目標溫度，所述熱媒在增壓器中的凝點溫度高于涵洞所處地區(qū)的年最高氣溫；所述增壓器、降壓器及流量控制閥均與控制器相連，所述增壓器用于提高熱媒的壓力狀態(tài)值，所述降壓器用于降低熱媒的壓力狀態(tài)值。

8、進一步的，所述熱媒管路為柔性鋁管或銅管、且均由聚氨酯保溫管包裹；所述熱媒選用對大氣無污染、對臭氧層無破壞、沸點在-30?℃以下的烷烴類化學(xué)工質(zhì)；所述增壓器為增壓泵，所述降壓器為減壓閥，所述增壓泵的工作壓力達到2?mpa，減壓閥的工作壓力達到100?kpa，所述增壓泵和減壓閥的壓力轉(zhuǎn)化值的調(diào)節(jié)幅度為±20%。

9、進一步的，所述制熱器為蛇形管式制熱器，所述蛇形管式制熱器的鋪設(shè)深度為填料層高度的1/3；所述制冷器為螺旋管式制冷器，若干根鋼管樁內(nèi)螺旋管式制冷器的出口和入口通過第一匯流排分別與增壓泵的入口和減壓閥的出口連接，蛇形管式制熱器的出口和入口通過第二匯流排分別與儲液罐的入口和增壓泵的出口連接。

10、進一步的，所述控制器為plc遠程控制器，所述增壓泵設(shè)置于制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜的上層，所述儲液罐、流量控制閥、減壓閥設(shè)置于制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜的下層。

11、進一步的，所述保溫單元為水泥發(fā)泡保溫板，所述水泥發(fā)泡保溫板鋪設(shè)于涵洞本體頂壁和兩側(cè)內(nèi)壁上。

12、本發(fā)明還提供一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害整治方法，采用上述多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)進行整治，包括以下步驟：

13、開展現(xiàn)場調(diào)查監(jiān)測，計算確定多年凍土層內(nèi)的下部地基所需制冷量和頂部填料層所需制熱量；

14、預(yù)制鋼管樁和保溫單元，制冷制熱聯(lián)產(chǎn)單元的選型；

15、施工樁板基礎(chǔ)并安裝制冷器；

16、在涵洞本體的頂面及兩側(cè)內(nèi)壁上鋪設(shè)保溫單元；

17、填筑涵洞本體的兩側(cè)路基和頂部填料層，并安裝制熱器；

18、安裝制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜，并通過熱媒管路將制冷器、制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜和制熱器連接為閉合循環(huán)回路；

19、調(diào)試制冷制熱聯(lián)產(chǎn)單元，設(shè)定預(yù)設(shè)參數(shù)值，多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)進入動態(tài)運行控制。

20、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，所取得的技術(shù)進步在于：

21、本發(fā)明將制冷制熱聯(lián)產(chǎn)單元與傳統(tǒng)的涵洞結(jié)構(gòu)集成為一體，通過樁板基礎(chǔ)加強了涵洞整體強度，將制冷器和制熱器分別埋入涵底多年多年凍土層和涵頂填料層，換熱效率高，溫度控制時效性好；利用控制器動態(tài)調(diào)整熱媒循環(huán)量及轉(zhuǎn)化壓力，實現(xiàn)了制熱性能和制冷性能的聯(lián)控調(diào)節(jié)，節(jié)能性好，無人值守，運行效果好，使用壽命長；本發(fā)明將制冷制熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)從建筑環(huán)境領(lǐng)域引入到交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，能夠收集引起涵洞底部多年凍土升溫退化的熱量并輸運到涵洞頂部的填料層，同時解決了涵洞底部多年凍土退化融沉和涵洞頂部填料凍脹兩種病害。

技術(shù)特征：

1.一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)，其特征在于：包括涵洞單元、制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元、保溫單元和智能監(jiān)控單元，所述涵洞單元包括涵洞本體及底部延伸至多年凍土層的樁板基礎(chǔ)，所述保溫單元設(shè)置于涵洞本體的內(nèi)部，所述制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元包括制熱器、制冷器和制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜，所述制熱器設(shè)置于涵洞本體的頂部填料層內(nèi)，所述制冷器設(shè)置于樁板基礎(chǔ)內(nèi)，所述制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜設(shè)置于涵洞本體的外側(cè)；所述智能監(jiān)控單元包括控制器和溫度傳感器，所述填料層及多年凍土層內(nèi)均嵌裝溫度傳感器，所述制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元和溫度傳感器均與控制器相連。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)，其特征在于：所述樁板基礎(chǔ)包括泡沫混凝土板基礎(chǔ)和若干根鋼管樁，所述泡沫混凝土板基礎(chǔ)設(shè)置于涵洞本體的底部，若干根鋼管樁陣列布置在地基內(nèi)，所述鋼管樁為底端密封、頂端開敞的中空管體，所述鋼管樁的下端延伸至多年凍土層內(nèi)，所述鋼管樁的頂部與承套式樁帽相連，所述承套式樁帽澆筑在泡沫混凝土板基礎(chǔ)內(nèi)；所述制冷器設(shè)置于鋼管樁內(nèi)，所述制冷器的上端通過熱媒管路與制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜相連。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)，其特征在于：所述鋼管樁包括制冷段和絕熱段，所述制冷段埋設(shè)于多年凍土層的下部地基內(nèi)，所述制冷器與制冷段內(nèi)壁之間設(shè)有支撐架、并填充超導(dǎo)液，所述制冷段的外壁上設(shè)有螺旋葉片；所述絕熱段埋設(shè)于多年凍土層上方的上部地基內(nèi)，所述絕熱段的外部包裹保溫套。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)，其特征在于：所述支撐架為十字型，若干根鋼管樁的布設(shè)間距為1.5～2.5m、樁徑為90～130mm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)，其特征在于：所述制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜內(nèi)設(shè)有增壓器、降壓器、流量控制閥和儲液罐，通過熱媒管路將增壓器、制熱器、儲液罐、流量控制閥、降壓器、制冷器順次連接，所述制冷器的出口和入口分別與增壓器的入口和降壓器的出口連接，所述制熱器的出口和入口分別與儲液罐的入口和增壓器的出口連接，形成一個閉合回路；所述閉合回路內(nèi)灌注熱媒，所述熱媒在降壓器中的沸點溫度低于多年凍土層的目標溫度，所述熱媒在增壓器中的凝點溫度高于涵洞所處地區(qū)的年最高氣溫；所述增壓器、降壓器及流量控制閥均與控制器相連。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)，其特征在于：所述熱媒管路為柔性鋁管或銅管、且均由聚氨酯保溫管包裹；所述熱媒選用沸點在-30?℃以下的烷烴類化學(xué)工質(zhì)；所述增壓器為增壓泵，所述降壓器為減壓閥，所述增壓泵的工作壓力為2mpa，減壓閥的工作壓力為100?kpa，所述增壓泵和減壓閥的壓力轉(zhuǎn)化值的調(diào)節(jié)幅度為±20%。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)，其特征在于：所述制熱器為蛇形管式制熱器，所述蛇形管式制熱器的鋪設(shè)深度為填料層高度的1/3；所述制冷器為螺旋管式制冷器，若干根鋼管樁內(nèi)螺旋管式制冷器的出口和入口通過第一匯流排分別與增壓泵的入口和減壓閥的出口連接，蛇形管式制熱器的出口和入口通過第二匯流排分別與儲液罐的入口和渦旋式增壓器的出口連接。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)，其特征在于：所述控制器為plc遠程控制器，所述增壓泵設(shè)置于制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜的上層，所述儲液罐、流量控制閥、減壓閥設(shè)置于制冷制熱聯(lián)產(chǎn)機柜的下層。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)，其特征在于：所述保溫單元為水泥發(fā)泡保溫板，所述水泥發(fā)泡保溫板鋪設(shè)于涵洞本體頂壁和兩側(cè)內(nèi)壁上。

10.一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害整治方法，采用如權(quán)利要求1-9任一項所述的多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)進行整治，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多年凍土區(qū)交通涵洞病害防治系統(tǒng)及整治方法，防治系統(tǒng)包括涵洞本體及延伸至多年凍土層的樁板基礎(chǔ)、制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元、控制器、填料層及多年凍土層內(nèi)的溫度傳感器，制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元包括聯(lián)產(chǎn)機柜及設(shè)于填料層及多年凍土層內(nèi)的制冷器及制熱器，制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元和溫度傳感器均與控制器相連。整治方法如下：預(yù)先計算多年凍土層內(nèi)地基所需制冷量和填料層所需制熱量，施工樁板基礎(chǔ)并安裝制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元，通過熱媒管路將制冷與制熱聯(lián)產(chǎn)單元連接為閉合循環(huán)回路，調(diào)試制冷制熱聯(lián)產(chǎn)單元后進入動態(tài)運行。本發(fā)明將制冷制熱聯(lián)產(chǎn)單元與傳統(tǒng)的涵洞結(jié)構(gòu)集成為一體，兼具多年凍土地基降溫防融沉和涵頂填土層升溫防凍脹的雙重功能。

技術(shù)研發(fā)人員：胡田飛,岳祖潤,曹明星,崔燦增,孫鐵成,蔡德超,劉濟華,趙李旗
受保護的技術(shù)使用者：石家莊鐵道大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10