能源隧道层埋式地温能防冻加热系统的制作方法

本发明涉及隧道围岩领域，尤其是一种能源隧道层埋式地温能防冻加热系统，适用于地下水不发育和欠发育地区的隧道衬砌背后和仰拱下部围岩地温能提取，并对隧道的路面和衬砌进行加热。

背景技术：

近年来，随着我国交通建设快速发展，寒区隧道的数量与日俱增，但寒区隧道中的冻害问题日益突出，部分新建隧道投入使用后不久，便大规模发生了冻害，严重影响了隧道交通安全。对已运营的寒区公路隧道进行调查发现，寒区隧道中有80％以上都存在冻害现象，其中约60％发生渗漏水等轻微冻害现象，约24％出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉陷等严重冻害问题。目前寒区隧道采用常规的防冻保温措施不能长期地解决寒区隧道的冻胀和结冰等病害问题，而采用电加热方法的主动供暖措施有能耗大、运营成本高等缺点的现状，急需开发节能环保的新型防冻加热系统。

在地球浅表层数百米内的土壤温度随深度呈递增趋势，深度每增加100米地温升高约3-5℃，地下1000米处的地温约为40-50℃，埋深数百米的山岭隧道围岩内储存着巨大的地温能。可以利用隧道围岩内的地温能给位于洞口端的隧道衬砌和路面进行加热，既能解决寒区隧道冻害，还节能环保，实现寒区隧道供热“自给自足”。

位于隧道衬砌背后围岩内的地温能可以通过直接汇集隧道围岩内地热水的方式来提取,也可以在隧道二衬与初衬之间埋设热交换管，通过管内的传热循环介质与围岩之间的温差提取隧道围岩地温能。但地热水收集技术仅适用于地下水丰富的地区，在地下水量小或无地下水的地区则无法应用。仰拱下部围岩内也存储着巨大的地温能，由于所处位置的差异，位于仰拱下部围岩内的地温能则很难通过汇集地热水获得，可以通过在仰拱上部铺设热交换管路的方式提取地热能，利用管内的传热循环介质与围岩之间的温差提取隧道围岩地热能。利用热交换管提取隧道围岩内的地温能虽然不受地下水发育状况限制，但铺设热交换管增加了建造成本，并且热交换管属于线状热源，其换热效率非常有限。

技术实现要素：

为了克服现有隧道围岩地热水汇集技术无法应用于地下水欠发育和不发育地区，并且还无法提取仰拱下部围岩内的地温能；铺设热交换管技术虽不受地下水发育状况限制，但热交换管属于线状热源，其换热能力有限，且铺设热交换管路会增加工程建造成本等难题，本发明提供一种适用性良好、换热效率更高、节省成本和节约施工周期的能源隧道层埋式地温能防冻加热系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种能源隧道层埋式地温能防冻加热系统，该隧道包括隧道初衬、隧道二衬、隧道仰拱和路面，路面上方为所述隧道初衬和隧道二衬，路面下方为回填层，所述回填层位于所述隧道仰拱上，所述地温能防冻加热系统包括隧道换热段和隧道加热段，

所述隧道换热段对应的隧道中，隧道初衬和隧道二衬之间、所述隧道仰拱和回填层之间均设置热交换层，路面上方、下方的热交换层之间通过换热转换接头连接，所述热交换层的第一入水口与第一供水管连通，所述热交换层的第一回水口与第一回水管连通，所述第一供水管和第第一回收管与热泵前端连接形成换热循环管路；

所述隧道加热段对应的隧道中，隧道初衬和隧道二衬之间、所述路面和回填层之间均设置供热层，，所述供热层的第二入水口与第二供水管连通，所述供热层的第二回水口与第二回水管连通，所述第二供水管和第二回收管与热泵后端连接形成供热循环管路。

进一步，路面下方的热交换层上方设置换热下防水层，路面上方的热交换层内外设置换热上防水层。

再进一步，所述换热下防水层与所述回填层的底面相接；所述上防水层包括所述隧道初衬与热交换层之间的换热上防水层和所述热交换层与隧道二衬之间的换热上防水层。当然，也可以采用其他防水方式。

更进一步，所述热交换层和供热层内设置止水隔断，所述止水隔断将所述热交换层和供热层进行分区，每个分区分别与各自的供水管和回收管连通形成封闭循环子系统。

优选的，所述止水隔断的一端设有缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通。

再进一步，相邻止水隔断的缺口错位布置。通过增设缺口数量可以获得任意长度的热交换器。

所述热交换层和供热层内填充透水材料，可以形成透水层。

所述回填层为轻量土保温回填层。

路面下方的供热层上下均设置供热下防水层，路面上方的供热层内外设置供热上防水层。

优选的，所述上防水层与隧道初衬之间设置排水层。

本发明的技术构思为：鉴于现有的隧道围岩地热水汇集技术无法应用于地下水欠发育和不发育地区，并且还无法提取仰拱下部围岩内的地温能；铺设热交换管技术虽不受地下水发育状况限制，但热交换管属于线状热源，其换热能力有限，且铺设热交换管路会增加工程建造成本。本发明提出了一种新型地温能提取技术。该技术在隧道衬砌背后和仰拱上部设置热交换层，热交换层内填充了透水材料，热交换层分别与供水管和回水管密封连接，形成封闭的循环换热系统，通过热交换层内的循环流体提取隧道围岩内的地温能，经地源热泵设备对提取的地温能进行提升，通过埋设在路面下方和二衬背后的供热层进行加热。

所述热交换层和供热层的每个分区中，位于两边的止水隔断通长布置，而位于中间的隔断一段设置缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通；止水隔断的缺口设置为交错布置，增设缺口数量可以获得任意长度的热交换器和加热器。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)本发明利用隧道围岩内的地温能实现隧道洞口段衬砌和路面加热，与传统电加热相比，该技术绿色节能环保，大大降低了隧道运营维护成本；

(2)层埋式换热器利用热交换层内循环流动的传热介质提取隧道围岩内的地温能，解决了传统的收集地热水的被动提取技术只能应用于地下水丰富的隧道，对于欠发育和无地下水的隧道则不适用的难题；

(3)层埋设式换热器和供热层均属于面状热源，而传统的管埋式换热器和供热管属于线状热源，所以，本发明的层埋式换热器换热效率更高，供热层的加热效果更好；

(4)层埋式换热器与隧道结构形成一体化，施工工艺简单，无需铺设热交换管路，节约了大量建造成本。

附图说明

图1为能源隧道层埋式地温能防冻加热系统组成图。

图2为换热段横断面图。

图3为路面上方热交换层平面展开图。

图4为路面下方热交换层平面展开图。

图5为加热段横断面图。

图6为供热层平面展开图。

图中，1为隧道初衬；201为换热上防水层；202为换热下防水层；211为供热上防水层；212为供热下防水层；3为热交换层；4为隧道二衬；5为保温板；6为换热转换接头；7为第一供水管；8为第一回水管；9为第一入水口；10为第一回水口；11为止水隔断；12为轻量土；13为换热段；14为取热段；15为路面；16为排水层；17为供热层；18为第二供水管；19为第二回水管；20为热泵；23为第二入水口；24为第二回水口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种能源隧道层埋式地温能防冻加热系统，该隧道包括隧道初衬1、隧道二衬4、隧道仰拱和路面15，路面15上方为所述隧道初衬1和隧道二衬4，路面15下方为回填层12，所述回填层12位于所述隧道仰拱上，所述地温能防冻加热系统包括隧道换热段13和隧道加热段14，

所述隧道换热段13对应的隧道中，隧道初衬1和隧道二衬4之间、所述隧道仰拱和回填层12之间均设置热交换层3，路面上方、下方的热交换层3之间通过换热转换接头6连接，所述热交换层3的第一入水口9与第一供水管7连通，所述热交换层3的第一回水口10与第一回水管8连通，所述第一供水管7和第一回收管8与热泵20前端连接形成换热循环管路；

所述隧道加热段对应的隧道中，隧道初衬1和隧道二衬4之间、路面15和回填层12之间均设置供热层17，所述供热层17的第二入水口23与第二供水管18连通，所述供热层17的第二回水口24与第二回水管19连通，所述第二供水管18和第二回收管19与热泵20后端连接形成供热循环管路。

进一步，路面下方的热交换层上方设置换热下防水层202，路面上方的热交换层内外设置换热上防水层201。

再进一步，所述换热下防水层202与所述回填层12的底面相接；所述换热上防水层201包括所述隧道初衬1与热交换层3之间的上防水层(例如喷射防水层)和所述热交换层3与隧道二衬4之间的上防水层(例如复合式防水板)。当然，也可以采用其他防水方式。

更进一步，路面下方的供热层17上下均设置供热下防水层212，路面上方的供热层17内外设置供热上防水层211。

优选的，所述供热上防水层211与隧道初衬1之间设置排水层16。

所述热交换层3和供热层17内设置止水隔断11，所述止水隔断11将所述热交换层3和供热层进行分区，每个分区分别与各自的供水管和回收管连通形成封闭循环子系统。

优选的，所述止水隔断11的一端设有缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通。

再进一步，相邻止水隔断11的缺口错位布置。通过增设缺口数量可以获得任意长度的热交换器。

所述热交换层3内填充透水材料，可以形成透水层。

所述回填层12为轻量土保温回填层。

所述隧道二衬4的混凝土结构内掺加用于限制高地温围岩与洞内空气之间传热的相变材料。

所述隧道二衬4的内壁设置保温板5。

本实施例的能源隧道层埋式地温能防冻加热系统，该系统由隧道围岩地温能换热段、热泵和隧道加热段组成。换热段由路面上方和路面下方两部分组成，路面上方换热段由隧道初衬和二衬组成，在隧道初衬和二衬之间设置热交换层；路面下方换热段由仰拱、回填层和路面组成，在仰拱上部设置热交换层，路面上方、下方的热交换层之间通过转换接头连接。热交换层的第一入水口与第一供水管连通，热交换层的第一回水口与第一回水管连通；所述第一供水管和第一回水管与热泵前端连接，形成封闭的取热循环管路。

隧道加热段由衬砌加热段和路面加热段组成，衬砌加热段包括初衬、二衬和保温板，在隧道初衬和二衬之间设置供热层；路面加热段包括回填层和路面，在回填层和路面之间设置供热层；供热层的第二入水口与第二供水管连接，供热层的第二回水口与第二回水管连通，第二供水管和第二回水管与热泵连接，形成封闭的供热循环管路。

路面上方的热交换层内外设置换热上防水层，在初衬与热交换层之间设置喷射防水层，在热交换层与二衬之间设置复合式防水板；路面下方的热交换层设置下防水层，下防水层位于热交换层与回填层之间；

衬砌供热段的供热层内外设置供热上防水层，在初衬与供热层之间喷射设置喷射排水和喷射防水层，在热交换层与二衬之间设置喷射防水层；路面加热段的供热层上下设置供热下防水层，在回填层和供热层之间设置喷射防水层，在供热层与路面之间设置喷射防水层；

热交换层和供热层内均设置止水隔断，利用止水隔断对热交换层和供热层进行分区；每个分区中，位于两边的止水隔断通长布置，而位于中间的隔断一端设置缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通；止水隔断的缺口要交错布置，增设缺口数量可以获得任意长度的热交换器和加热器；

本实施例的能源隧道层埋式地温能防冻加热系统的施工过程为：

①在隧道换热段的仰拱上部安装止水隔断，浇注透水材料，施做热交换层；在热交换层上部施做换热下防水层，在路面与换热下防水层之间填充轻量土；

②在隧道初衬外表面喷射防水层，在防水层上安装止水隔断，并喷射透水材料，施做热交换层；在热交换层内侧安装复合式防水板，并浇注二衬混凝土；

③安装转换接头，连接仰拱上部和二衬与初衬之间的热交换层；安装第一供水管和第一回水管，与热交换层进行密封连接；

④在隧道路面加热段整平轻量土回填层，施做喷射防水层，在防水层上安装止水隔断，并喷射透水材料，施工供热层；在供热层上方喷射防水材料，施做加热下防水层，并回填轻量土；施做路面层；

⑤在隧道衬砌加热段的初衬表面喷射透水材料，施做排水层。在透水层上喷射防水材料，施工加热上防水层；在防水层上安装止水隔断，喷射透水材料，施做供热层。在供热层上喷射防水材料，施做加热上防水层。浇注二衬混凝土，安装保温板。

⑥安装第二供水管和第二回水管，与供热层进行密封连接；

⑦将隧道换热段的第一供水管和第一回水管与热泵前端连接，形成换热密封循环管路；将隧道加热段的第二供水管和第二回水管与热泵末端连接，形成供热密封循环管路。