發熱電纜融冰技術在隧道側溝凍害整治中的應用

全 廣 學

(武漢鐵路局信陽工務段，河南 信陽 464000)

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發熱電纜融冰技術在隧道側溝凍害整治中的應用

全 廣 學

(武漢鐵路局信陽工務段，河南 信陽 464000)

結合京通線K295.182隧道側溝結冰的病害情況，介紹了隧道側溝除冰的常用方法，并從技術可行性與經濟效益兩個方面，探討了發熱電纜融冰技術的優勢，有利于提高寒區運營隧道凍害的治理效果。

隧道，凍害，發熱電纜，經濟效益

在山區修建隧道的過程中，尤其是在高地應力軟弱圍巖地區修建隧道時，容易導致大變形地質災害。

近年來，隨著中國鐵路的大規模建設，運營鐵路里程已達11萬km，居世界之首，據2012年秋檢資料顯示，全國鐵路共有運營鐵路隧道7 400座，總長達42 000 km，然而，有5 000座隧道存在不同程度的病害，占隧道總座數的58%。因此通過病害調查、方案設計、隧道病害治理及治理效果評估，總結出一套經濟、高效、安全的病害治理技術具有重要的意義。

隧道的病害嚴重影響鐵路運輸安全，寒區隧道滲漏水在拱頂及其他部位掛冰后造成侵限，特別是經過凍融循環，造成襯砌混凝土開裂、剝落，仰拱破損，混凝土強度降低，嚴重影響行車安全。為此，本文以京通線K295.182隧道為例，對寒區運營隧道凍害處理技術進行總結。

1 隧道概況

京通線K295.182隧道位于河北省承德市圍場縣四合永鎮，位于北緯41.5°，海拔在1 100 m以上。該隧道所處環境年氣溫變化范圍為-35 ℃～32 ℃，年溫差大，1月份平均氣溫-13.2 ℃。京通線1977年建成通車，由于受到地形變化、混凝土襯砌老化開裂、混凝土凍融破壞等多種因素的影響，隧道邊墻及拱頂出現不同程度的裂隙，常年有山體滲水流出，冬季和春季由于氣候寒冷氣溫較低、滲水較少的原因使拱頂和側溝有結冰現象。

2 隧道病害特征

通過現場調查及向車間領導詢問了解到，該隧道主要病害為冬季和春季時側溝結冰，由于滲水的不斷增加，冰層迅速增厚，很快便將側溝堵塞直至溢出側溝，流向道床危及行車安全。

3 隧道側溝除冰方法分析

根據現場病害情況分析可知，隧道側溝病害在于隧道滲水結冰后堵塞側溝，導致排水不暢。除冰為表，治水為本。經過多年總結，四合永車間摸索出兩種方法。

3.1 撒鹽、刨冰

冬季、春季隧道側溝結冰后及時組織人力物力進入隧道刨冰，清除側溝凍冰，使側溝排水通暢，并且沿側溝撒工業用鹽，降低冰的融點，使冰融化成水隨溝排出。但是鹽融化冰的能力和溫度有密切關系，如果處于低溫環境，那么鹽的融冰效果并不好。同時采用撒鹽融冰的方法也會存在很多負面的問題，例如導致鋼筋銹蝕、對側溝蓋板以及側溝混凝土帶來剝蝕破壞，影響其使用的耐久性；同時含鹽的融化水在排入管道之后，會導致管道的使用壽命減少；如果是含有鹽水成分的水流入到溝渠或者是樹穴之中，會將植物殺死，對生態系統帶來破壞。而且撒鹽、刨冰的方法效率低，成本高。四合永車間管內約有1 200延米的隧道側溝需要冬季除冰，每日需10人作業，整個冬季大約需要工業鹽50 t，每年的冬季、春季除冰成本約30萬元。

3.2 對隧道側溝進行聚乙烯板保溫

進入冬季前，在隧道側溝內用鋼筋焊成支架，鋪設聚乙烯保溫板，保溫板底部距側溝頂5 cm，保證排水通暢。經過2年觀察發現，聚乙烯保溫板施工后很容易被隧道內的老鼠破壞，一經破壞將側溝堵死，積水便從側溝外溢，淹沒整體道床，容易將鋼軌、膠墊、配件銹蝕，影響行車安全；部分聚乙烯板破碎后順溝排入沉井將沉井堵塞。

4 發熱電纜融冰法的探索

4.1 發熱電纜

發熱電纜的加熱系統是采用電纜供能，通過發熱電纜，將電能轉化成為熱能，利用結構層內導熱將熱量傳遞到物體的表面，然后再通過物體的表面和冰之間的熱交換來實現融冰。相對來講發熱電纜系統本身不會產生污染，運行費用也相對便宜，并且有著較好的熱穩定性，控制上也相當的方便。

4.2 發熱電纜現狀

近幾年，很多歐洲國家都開始相繼投入到了發熱電纜的制造、安裝以及技術研究之中，并且在發熱電纜的設計、材料、施工安裝、驗收等很多方面都擁有了非常豐富的經驗。如今發熱電纜底溫輻射系統因為其所具有的獨特優勢，得到了快速普及，在冰雪融化上得到了廣泛應用。特別是地板輻射采暖系統的應用是最為廣泛的，在國外的很多機場、體育館以及社區之中都采用了電熱輻射采暖技術。

4.3 發熱電纜在側溝融冰中的施工方案

通過隧道邊墻上方既有電纜線引電到邊溝，要求電壓為380 V，電源采用三相四線制。為防止漏電造成影響，必須在引線上方安裝接地線和漏電保護器，引線可以開槽埋入隧道邊墻，也可在明處穿管固定。

地熱法融冰技術耗電量小，可持續4個月不間斷供電，在電纜線表皮不破損的情況下可直接在水中作業，安全性較高。邊溝每200 m為一處，方便檢修。

依據加熱排水溝內冷空氣耗熱量計算公式：

Q=0.28×Pwn×Cp×L×(Tn-Twn)。

其中，Q為由溝外滲入溝內冷空氣的耗熱量，W；0.28為單位換算系數，1 kJ/h=0.28 W；L為滲透冷空氣量，考慮為3 m3/h；Pwn為供暖溝內計算溫度下的空氣密度，考慮為1.5 kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，Cp=1 kJ/(kg·℃);Tn為供暖溝內計算溫度，考慮為+5 ℃；Twn為供暖溝外計算溫度，考慮為-35 ℃。

估算得，126 W(即每平方米126 W)。

溝內鋪設發熱電纜長度200 m×6條發熱電纜，合計發熱功率9 306 W。

邊溝表面積：長200 m×寬0.4 m=80 m2。

即80 m2邊溝每小時耗電量為9.3度。

溝內不設置溫度傳感器，控制箱內不設置溫控器，由空氣斷路器人工控制。發熱電纜固定在鋼絲網上，鋪設在原溝底。發熱電纜上澆筑C15混凝土，厚3 cm～4 cm。施工方法簡單，只需將邊溝清理干凈，無大面積積水，無尖銳物體即可施工。正常使用年限30年。

經四合永車間統計，側溝結冰病害段長度約1 200 m，每年通電3個月，大約用電量為12萬度，電價按1元/度計算，每年成本約12萬元，與撒鹽、刨冰相比費用降低很多，經濟效益明顯。

5 結語

寒區隧道的設計，要充分認識到保溫的重要性，運營隧道出現凍害后，無論采取什么方法處理，效果均有限，建議新建隧道增設保溫層，特別是洞口500 m的范圍，要做加強層。

對排水盲管、滲管采取保溫措施，側溝要考慮整體保溫。

[1] 武海琴.發熱電纜用于路面融雪化冰技術的研究[D].北京：北京工業大學碩士學位論文，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

全廣學(1975- )，男，助理工程師

U457

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