寒区隧道衬背双源供热防冻的智能温控模型及其应用研究

随着西部大开发和振兴东北战略的实施，我国寒区隧道数量大增，冻害问题日益突出。以往采用的隔热保温防冻技术的耐久性和长期效果很不理想，而开放式供热防冻又因能耗极高而无法推广，采用地热和电能从衬砌背后进行分区段、分时段供热有望成为彻底解决寒区隧道冻害的有效方法。如何准确地判定衬砌背后的温度状态，及时调整供热系统运行模式，是衬背供热防冻系统智能控制必须解决的关键问题。衬砌背后的温度与围岩地温、衬砌表面热交换和供热系统热量输入等直接相关，其中衬砌表面的热交换受风速、湿度、砼表面光洁度等诸多因素影响，难以计算确定。本项目拟通过采用衬砌表面温度实时监测的方法计算确定衬砌表面热交换量值，通过传热学理论分析、数值模拟、模型试验和工程现场试验方法，对衬砌混凝土的热量进行时域分析，揭示上述四者的物理关系，建立用衬砌表面温度实时监测系列智能控制衬背供热系统运行模式的数学模型，并将其应用到寒区隧道衬背供热防冻中。

为了实现寒区隧道衬背分区段、分时段精确高效供热，通过现场测试、理论分析、技术开发和模型试验验证，开展了寒区隧道衬背供热防冻的智能温控模型及应用研究。项目开展的主要工作及成果包括：（1）应用自主开发的低温智能温度记录仪对实际寒区隧道衬表温度开展了长期连续实测，发现了寒区隧道洞身衬表平均温度与洞外气温差异不大、但温度振幅差异显著，以及衬砌在年度周期内经历的冻融次数可达数十至上百次（主要取决于断面到洞口的距离）等现象，据此提出应以有效冻融次数作为寒区隧道冻害防治的主控指标。（2）将围岩、初期支护和二次衬砌构成的热传导系统简化为复合壁模型，在圆柱坐标系下建立热传导偏微分方程，应用有限差分方法建立了衬背温度与实测衬表温度序列的递推关系模型，再将算法植入单片机中，开发了衬背供热智能温控模块，并在模型试验中得到了验证。（3）研究提出了隧道衬背电热熔蜡造孔排水及防冻方法、寒区隧道施工缝双源供热排水防冻方法等新技术新方法，并在实际工程中进行了验证试验，解决了寒区隧道衬背供热排水的具体施工工艺与方法。