一种地下储气洞室的波拱结构

技术领域

本申请涉及隧道及地下工程技术领域，尤其涉及一种地下储气洞室的波拱结构。

背景技术

大规模储能技术是解决弃风、弃光问题，显著提高可再生能源消纳水平，推动主体能源由化石能源向可再生能源更替，实现“碳达峰”和“碳中和”的关键技术。其中，压缩空气储能被视为最具发展潜力的物理储能技术，具有规模大、成本低、寿命长、对环境友好等特点，而且涉及冷、热、电多种能量形式的存储和转化，便于耦合各种热力系统，实现工作方式灵活性的改善以及系统效率的提高。

在现有技术中，压缩空气储能通常利用天然地下洞穴和人造洞室来储存空气能。其中，天然地下洞穴规模大、建造成本低，在压缩空气储能领域得到了较为广泛的应用，主要包括天然盐穴、地下含水层以及硬岩层洞穴等。但是，建设盐穴需要在有盐矿资源分布的地区，地域上存在限制性；地下含水层储气同样存在着选址困难的缺陷，而且垫气层消耗较大；而硬岩层结构的洞穴施工难度和费用均较高。总之，天然地下洞穴虽然规模大、成本低，但是受限于特殊地质地理条件，难以实现灵活布置和大范围推广，并且深埋地下，地质结构复杂，漏气不易监测，结构稳定性难以得到有效保障，存在一定安全隐患。人造洞室通常使用钢板及混凝土等结构制成，虽然可以减弱对于特殊地质地理条件的依赖，但是，由于压力和温度的循环变化，容易使人造洞室出现裂纹或腐蚀损坏，从而导致密封失效，存在漏气和塌陷等安全隐患。

隧道储能是采用人造洞室储存空气能，为了防止隧道内空气渗漏，通常需要在隧道内设置全封闭钢板。而洞室内的空气压力可以达到10MPa，在如此大的空气压力作用下，储气洞室的钢板将承受巨大的拉应力。因此，在现有技术中，为了防止钢板拉裂，常规设计是增大钢板厚度，例如，钢板厚度通常要达到30～100mm。但是，增大钢板厚度将会导致焊接施工难度增大，同时投资成本大幅增加。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种地下储气洞室的波拱结构，从而可以减小储气洞室的钢板厚度，降低工程投资。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种地下储气洞室的波拱结构，包括：钢板内衬、橡胶支撑体和二次衬砌；

所述钢板内衬上的多个预设位置处设置有向储气洞室内部凸起的波拱，波拱的外侧形成凹槽；

所述橡胶支撑体贴合设置在波拱的外侧形成的凹槽内，橡胶支撑体的外表面与钢板内衬的外表面齐平；

所述二次衬砌设置在钢板内衬的外侧，其内表面与钢板内衬和橡胶支撑体的外表面贴合，所述二次衬砌的外表面与隧道围岩贴合。

较佳的，所述钢板内衬的内表面设置有密封涂层。

较佳的，所述橡胶支撑体内预埋有钢管。

较佳的，每个波拱处的橡胶支撑体内预埋有三根沿波拱延伸方向设置的钢管，其中包括设置于橡胶支撑体中部的第一钢管和对称设置在第一钢管两侧的第二钢管。

较佳的，所述二次衬砌的内表面上，对应钢板内衬的波拱的中部的位置处，设置有预裂缝。

较佳的，所述橡胶支撑体的外表面上与预裂缝对应的位置处设置凹口。

较佳的，所述橡胶支撑体使用三元乙丙橡胶制成。

较佳的，所述钢板内衬由多块具有波拱的钢板焊接而成，且焊缝位于钢板上未设置波拱的位置处。

较佳的，钢板间的焊缝采用全熔透单面对接坡口焊。

较佳的，所述钢板内壁设置厚浆型无溶剂耐磨环氧防腐底层和面层；钢板外壁设置无机改性水泥浆防腐层。

如上可见，在本发明中的地下储气洞室的波拱结构中，通过在钢板内衬设置多个波拱，从而可以增大钢板内衬的变形能力，并可以将储气洞室内的高压空气的载荷通过二次衬砌传递给围岩，从而可以大幅减小钢板内衬的厚度，节省了钢材用量，降低了工程投资，提高了空气储能的经济效益。进一步地，由于钢板内衬的厚度减小后，从而更便于钢板的制作、运输、拼装及焊接，进而显著降低了施工难度，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例中的储气洞室的波拱结构的示意图。

图2为本发明实施例中的钢板内衬的焊接示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种地下储气洞室的波拱结构，包括：钢板内衬1、橡胶支撑体3和二次衬砌6；

所述钢板内衬1上的多个预设位置处设置有向储气洞室内部凸起的波拱11，波拱11的外侧形成凹槽；

所述橡胶支撑体3贴合设置在波拱11的外侧形成的凹槽内，橡胶支撑体3的外表面与钢板内衬1的外表面齐平；

所述二次衬砌6设置在钢板内衬1的外侧，其内表面与钢板内衬1和橡胶支撑体3的外表面贴合，所述二次衬砌6的外表面与隧道围岩贴合。

在地下隧道内建立储气洞室，利用钢板内衬1封闭连接，在其内部形成储气洞室，储气洞室内可以储存高压空气。在本发明的技术方案中，通过将内衬钢板设置成具有多个波拱的钢板，增大了内衬钢板的抗变形和承载能力；而且，由于橡胶支撑体3具有一定的硬度，从而可以对波拱11起到支撑作用，使内衬钢板1的受力均匀可控，防止内衬钢板1在循环变化的高压空气作用下出现反复弯折破坏；同时，由于橡胶支撑体3还具有一定的柔性，从而可以使内衬钢板在高压空气的作用下具有一定的变形空间，减少了内衬钢板受到的拉应力。因此，通过设置波拱及橡胶支撑体，提高了钢板内衬的力学性能，从而可以减小钢板内衬的厚度(例如，内衬钢板的厚度可以是5～12mm即能满足需要)。

进一步地，由于钢板内衬的厚度减小，大幅增大了钢板的环向变形能力，使储气洞室内部的空气压力可以跳过钢板内衬，并通过钢板内衬外侧的二次衬砌传递到地下隧道的围岩上，从而可以利用隧道围岩自身的稳定性承受高压空气的载荷，更好地保证了储气洞室的可靠性和稳定性。因此，通过本发明的技术方案，可以在保证储气洞室的可靠性的基础上，减小钢板内衬的厚度，从而降低了工程投资，提高了空气压缩储能系统的经济效益。

在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的地下储气洞室的波拱结构。以下将以其中的一种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，如图1和图2所示，所述钢板内衬1的内表面还设置有密封涂层2，密封涂层2与钢板内衬1一起构成储气洞室的气密性结构，即使当钢板内衬出现微小裂缝时，由于钢板内衬的内表面还设置有密封涂层2，从而仍可以保证储气洞室的气密性。

较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述密封涂层2可以是速凝橡胶沥青喷涂层，其厚度范围可以是1～5mm。

再例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，如图1所示，所述橡胶支撑体3内还可以预埋有钢管4，从而可以提高橡胶支撑体的稳定性。

较佳的，在本发明的一个具体实施例中，每个波拱处的橡胶支撑体3内可以预埋有三根沿波拱延伸方向设置的钢管，其中包括设置于橡胶支撑体中部的第一钢管41和对称设置在第一钢管两侧的第二钢管42。

较佳的，作为示例，所述第一钢管41的可以是直径为127mm，壁厚为8mm的钢管；所述第二钢管42可以是直径为95mm，壁厚为4.5mm的钢管。

在本发明的技术方案中，通过在橡胶支撑体的中部预埋直径较大的第一钢管，而在第一钢管的两侧对称设置直径略小的第二钢管，从而可以使三根钢管适应波拱的曲线形状，提高橡胶支撑体的支撑力度，且采用对称的设置方式能够使波拱位置处受力均衡，保证了橡胶支撑体及波拱的稳定性。

由此可知，本发明采用橡胶支撑体加预埋钢管的结构形式，能够对波拱起到均衡的支撑作用，同时还能利用橡胶支撑体的柔性为内衬钢板提供一定的变形空间，减少内衬钢板受到的拉应力，保证了内衬钢板的可靠性和耐久性。

此外，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，如图1所示，所述二次衬砌6的内表面上，对应钢板内衬的波拱11的中部的位置处，设置有预裂缝61。

较佳的，作为示例，所述预裂缝61的切割深度可以为100mm。

在本发明的技术方案中，二次衬砌可以为混凝土结构，可以先利用二次衬砌施工设备浇筑二次衬砌混凝土，完成二次衬砌施工后，在二次衬砌的预设位置处切割形成预裂缝。

由于在储气洞室内的高压空气的作用下，二次衬砌会受到较大的拉应力和拉应变，二次衬砌容易出现拉裂缝。为了使拉裂缝分布在理想的预设位置，所以在二次衬砌对应波拱中部的位置切割一定深度的预裂缝61，从而降低拉裂缝对波拱的影响。

此外，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，如图1所示，为了防止预裂缝61开裂时对橡胶支撑体3造成影响，可以在橡胶支撑体3的外表面上与预裂缝61对应的位置处设置凹口7，从而使橡胶支撑体3与预裂缝61之间形成一定量的孔隙，因此，当预裂缝61发生开裂时，也不会影响到橡胶支撑体3。

另外，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，如图2所示，所述钢板内衬1可以由多块具有波拱的钢板12焊接而成，且焊缝位于钢板上未设置波拱的位置处。

较佳的，作为示例，为了保证钢板内衬的密封性，钢板间的焊缝121可以采用全熔透单面对接坡口焊，坡口可以在工厂预铣成型。

此外，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，钢板内衬上的波拱数量和形状可以根据隧道围岩在高压空气作用下可能产生的变形量进行设计。例如，由于储气洞室的横截面通常为圆形，所以钢板内衬上可以每15°设置一个波拱，波拱可以通过压制成型。

较佳的，作为示例，所述钢板可以预先采用喷砂除锈处理，钢板内壁的除锈等级可以为Sa21/2级，其外壁的除锈等级可以为Sa2级，钢板表面的粗糙度R/y可以在60～100μm以内。

较佳的，作为示例，所述钢板可以预先防腐处理，钢板内壁设置厚浆型无溶剂耐磨环氧防腐底层和面层，厚度均不小于400μm；钢板外壁设置无机改性水泥浆防腐层，厚度可以为300～500μm。

此外，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述橡胶支撑体3可以使用三元乙丙橡胶制成，由于三元乙丙橡胶既具有一定的硬度又具有一定的柔性，所以可以作为橡胶支撑体。

综上所述，在本发明的技术方案中，通过在钢板内衬设置多个波拱，从而可以增大钢板内衬的变形能力，并可以将储气洞室内的高压空气的载荷通过二次衬砌传递给围岩，从而可以大幅减小钢板内衬的厚度，节省了钢材用量，降低了工程投资，提高了空气储能的经济效益。进一步地，由于钢板内衬的厚度减小后，从而更便于钢板的制作、运输、拼装及焊接，进而显著降低了施工难度，提高了工作效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。