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一种深季节性冻土区的抗冻胀高速铁路能源基床结构

技术领域

本发明属于深季节性冻土区高速铁路基床结构领域，具体涉及一种深季节性冻土区的抗冻胀高速铁路能源基床结构。

背景技术

高速铁路在我国的建设突飞猛进，然而在运行过程中，位于深季节性冻土区的高速铁路部分路段出现了不同程度的基床冻胀病害，如大同-西安高速铁路，基床冻胀变形显著，冻胀段落长，变形大，冻胀量达到最大值28mm；东北地区相关铁路机构对既有铁路冻胀病害的调查结果显示，冻胀量达10～25mm区段占全线的3.5％，冻胀量达25～50mm区段占全线的1％；北京-通辽铁路线历年平均冻结深度不超过1.50m，冻胀量随位置的不同差异较大，最大达到33mm，最小5mm；沈丹客运专线，沿线属于高寒地区，季节冻土深度为1.49m，建设期进行了基床防冻胀技术，但运行过程中冻胀变形依旧普遍发生，大于4mm的冻胀变形达到0.48％。因此季冻区基床冻胀问题成为工程界的广泛关注，解决季冻区高速铁路基床的冻胀问题具有重要的工程意义。

冻胀变形是土体内部土颗粒、液体、气体三种介质受到外界温度作用下的宏观表现，发生冻胀一般具备三个条件：温度一般低于0℃；具有一定的水分；有一定含量的细粒土。故防止基床冻胀变形，至少消除以上三个因素的一个，目前较为有效的防止基床冻胀措施有保温法、改良填料法、改良水分条件，保温法是在基床中铺设保温层，减弱外界温度对基床填料的作用，达到保温效果，一般采用聚丙烯基布；改良填料法，是换填冰冻稳定性较好的材料；改良水分条件是采取防、排、隔水设施来减弱冻胀变形。以上措施在特定条件下均达到较好的工程效果，一定程度上能够显著减少冻胀量，但介于高速铁路对线路平顺性的苛刻要求，需要进一步的研究来解决冻胀变形带来的工程灾害。

地表以下一定深度范围内存在一个温度相对恒定的常温层，根据地温长期观测结果，常温层温度在7～15℃，利用该处常温层作为热源，汲取热量传递给高速铁路基床，使基床温度始终保持在冻结温度以上，结合此设计理念，发明出一种适用于深季节性冻土区的抗冻胀高速铁路能源基床结构，该结构设计具有绿色、经济、可持续的特点。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种深季节性冻土区的抗冻胀高速铁路能源基床结构，通过汲取地下常温层热量传递给基床，使基床整体温度始终在冻结温度以上，防止基床内部水分冻结造成的冻胀问题，该结构布置合理、自控程度高、效果可靠、经济环保，适用于季冻区高速铁路基床抗冻胀。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

本发明提供一种深季节性冻土区的抗冻胀高速铁路能源基床结构，包括地热循环泵动力系统、地热吸收系统、温-湿度联合感应系统、循环回路控制系统、热传递循环系统，所述地热吸收系统以地下常温层的土体作为热源，以系统内部的液体作为热量传递的载体，通过热传递的形式汲取热量；所述地热泵循环动力系统可提供动力使系统内的液体循环流动；所述温-湿度联合感应系统沿走向方向分别位于基床和路肩正下方，分层设置；所述循环回路控制系统可根据温-湿度联合感应系统获取不同深度基床的温度和湿度，来控制热传递循环系统循环回路的工作状态以及调节系统内液体的流速；所述热传递循环系统为分布在基床表层和基床底层的热传递循环回路管，可将管内液体热量以热传递形式传递给基床。

进一步的，所述地热循环泵动力系统下端与地热吸收系统相连，上端与循环回路控制系统相连，循环回路控制系统下端坐落于地热循环泵动力系统上，侧面与热传递循环系统相连，循环回路控制系统可根据基床不同深度处的温度情况，调节热传递循环系统的回路个数以及各个回路的流速情况。

进一步的，所述地热吸收系统沿着线路方向按照单元布置，每个单元的地热吸收系统埋设于地下常温层，其埋置深度可以根据不同深季冻土区地下常温层的深度以及当地平均气温综合考虑，以常温层的土体作为热源，系统内的液体通过热传递的形式从周围的土体内吸收热量，提高自身温度。

进一步的，所述温-湿度联合感应系统采用布置在基床内的温-湿度传感器实时获取基床不同深度的温度和湿度，并根据温度和时间的曲线预测基床内部水分即将发生冻结的时间点，温-湿度传感器具体布置层数需综合考虑基床表层和基床底层高度以及填料热传导性能确定。

进一步的，所述温-湿度传感器所述温-湿度传感器自基床表层顶面沿基床深度方向分层成对布设，具体布设位置、层数结合工程所在区域的气候环境、基床结构特征、基床填料湿热传导性质以及填料冻胀性综合考虑，在轨道中心线、路肩位置各布设一套温-湿度联合感应系统；温-湿度传感器层与层之间的间距结合基床结构特征、冻结深度综合决定，基床表层布置一层，基床底层布置三层。

进一步的，所述循环回路控制系统可根据温-湿度联合感应系统预测的基床内部水分即将发生冻结时间点来自动控制热传递循环系统循环回路的工作状态以及调节系统内液体的流速。

进一步的，所述热传递循环系统为布置在不同基床高度的热传递循环回路管，基床表层和基床底层内循环回路布设层数需综合考虑基床所在地区、基床补水条件以及填料热传导性能等因素确定，各个循环回路独立工作并受循环回路控制系统的控制。

进一步的，所述基床表层、基床底层不同深度位置分别布设热传递循环回路管，基床表层和基床底层内循环回路布设层数综合考虑基床所在地区的气候环境、基床填料湿热传导性质、填料冻胀启动条件、基床结构特征综合因素确定，基床表层布置一个热传递循环回路管，基床底层均匀布置三个热传递循环回路管。

进一步的，所述循环回路的液体需结合高铁基床所在地区气温环境特点合理选择，循环回路的液体冰点温度远低于基床所在地区地表最低温度，防止液体冻结，采用水和乙二醇的混合物，冰点可降至零下30摄氏度，既有效防止冻结又可作为热量传递的载体。

进一步的，所述热传递循环系统内的循环回路的液体流动为顺时针闭式循环，热传递循环回路管采用S型循环，可有效防止循环回路内液体的挥发和泄露。

本发明的有益效果：

本发明装置适用于深季节性冻土区的抗冻胀高速铁路能源基床结构，可实现将地下常温层作为可再生清洁热源，通过地热吸收系统内部的液体吸收热量作为热传递的载体；位于基床不同深度的温-湿度传感器可实时获取不同深度的基床温度和湿度，预测即将发生冻结的时间点；通过布置在基床不同深度的循环回路来有效控制基床的温度调节；具有清洁、自控程度高、效果可靠的特点。

附图说明

图1为本发明的基床结构整体布置示意图；

图2为本发明的基床结构的左视结构示意图；

图3为本发明的基床结构的主视结构示意图；

图4为本发明的基床结构的立体结构示意图；

图5为本发明的基床结构的的热传递循环系统水流方向平面示意图；

图中：1-钢轨；2-混凝土枕轨；3-道床；4-基床表层；5-基床底层；6-地热吸收系统；7-地热循环泵动系统；8-循环回路控制系统；9-热传递循环系统；10-温-湿度联合感应系统。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种深季节性冻土区的抗冻胀高速铁路能源基床结构，分为地热循环泵动力系统7、地热吸收系统6、温-湿度联合感应系统10、循环回路控制系统8、热传递循环系统9。所述地热吸收系统6以地下常温层的土体作为热源，以系统内部的液体作为热量传递的载体，通过热传递的形式汲取热量；所述地热泵循环动力系统7可提供动力使系统内的液体循环流动；所述温-湿度联合感应系统10沿走向方向分别位于基床和路肩正下方，分层设置；所述循环回路控制系统8可根据温-湿度联合感应系统10获取不同深度基床的温度和湿度，来控制热传递循环系统9循环回路的工作状态以及调节系统内液体的流速；所述热传递循环系统9为分布在基床表层和基床底层的热传递循环回路管，可将管内液体热量以热传递形式传递给基床，使基床温度始终处于基床水分冻结温度以上。

所述地热吸收系统6沿着线路方向按照单元布置，每个单元的地热吸收系统埋设于地下常温层，其埋置深度可以根据不同季节性冻土地区的地下常温层的深度以及当地平均气温综合考虑，以常温层的土体作为热源，系统内的液体通过热传递的形式从周围的土体内吸收热量，提高自身温度。

所述地热循环泵动力系统7为系统内液体的流动提供动力。

所述温-湿度联合感应系统10采用布置在基床内的温-湿度传感器实时获取基床不同深度的温度和湿度，并根据温度和时间的曲线预测基床内部水分即将发生冻结的时间点。

所述循环回路控制系统8可根据温-湿度联合感应系统预测的基床内部水分即将发生冻结时间点来自动控制热传递循环系统9循环回路的工作状态以及调节系统内液体的流速。

所述热传递循环系统9为布置在不同基床高度的热传递循环回路管，基床表层和基床底层内循环回路布设层数需综合考虑基床所在地区、基床补水条件以及填料热传导性能等因素确定，各个循环回路独立工作并受循环回路控制系统的控制。

所述循环回路的液体需结合高铁基床所在地区气温环境特点合理选择，要求循环回路的液体冰点温度远低于基床所在地区地表最低温度，防止液体冻结，一般采用水和乙二醇的混合物，冰点可降至零下30摄氏度，既有效防止冻结又可作为热量传递的载体。

所述的循环回路为永久闭式循环回路，可有效防止循环回路液体的挥发和泄露。

参照附图1-2：地热循环泵动力系统7、地热吸收系统6、循环回路控制系统8以单元形式布置在基床一侧，其中地热吸收系统6布置在地下常温层，该处地温恒定且温度在10℃左右作为可再生的清洁热源；地热循环泵动力系统7下端与地热吸收系统6相连，上端与循环回路控制系统8相连，循环回路控制系统8下端坐落于地热循环泵动力系统7上，侧面与热传递循环系统9相连，其中循环回路控制系统8可根据基床不同深度处的温度情况，调节热传递循环系统9的回路个数以及各个回路的流速情况；

参照附图3：温-湿度联合感应系统10采用温-湿度传感器采集温度，其中所述温-湿度传感器自基床表层顶面沿基床深度方向分层成对布设，具体布设位置、层数等需要结合工程所在区域的气候环境、基床结构特征、基床填料湿热传导性质以及填料冻胀性综合考虑，一般建议在轨道中心线、路肩位置各布设一套温-湿度联合感应系统；温-湿度传感器层与层之间的间距结合基床结构特征、冻结深度以及其它因素综合决定，一般建议基床表层布置一层，基床底层布置三层；这样可较全面采集整个基床截面的温度和湿度变化情况；热传递循环系统9利用布置在不同基床深度的热传递循环回路管传递热量，基床表层和基床底层内循环回路布设层数需综合考虑基床所在地区的气候环境、基床填料湿热传导性质、填料冻胀启动条件、基床结构特征等综合因素确定，一般建议基床表层布置一个热传递循环回路管，基床底层均匀布置三个热传递循环回路管；

参照附图4-5：热传递循环系统9内的循环回路的液体流动为顺时针闭式循环，热传递循环回路管采用S型循环，可有效将循环回路的液体热量传递给基床内部，热传递效率较高。

本发明装置适用于深季节性冻土区的抗冻胀高速铁路能源基床结构，可实现：1.将地下常温层作为可再生清洁热源，通过地热吸收系统内部的液体吸收热量作为热传递的载体；2.位于基床不同深度的温-湿度传感器可实时获取不同深度的基床温度和湿度，预测即将发生冻结的时间点；3.通过布置在基床不同深度的循环回路来有效控制基床的温度调节。综上，该基床结构具有清洁、自控程度高、效果可靠的特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。