本實(shí)用新型涉及隧道圍巖領(lǐng)域，尤其是一種能源隧道仰拱復(fù)合式地溫能防凍加熱裝置，適用于地下水不發(fā)育和欠發(fā)育地區(qū)的隧道襯砌背后和仰拱下部圍巖地溫能提取，并對(duì)隧道的路面和襯砌進(jìn)行加熱。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通建設(shè)快速發(fā)展，寒區(qū)隧道的數(shù)量與日俱增，但寒區(qū)隧道中的凍害問(wèn)題日益突出，部分新建隧道投入使用后不久，便大規(guī)模發(fā)生了凍害，嚴(yán)重影響了隧道交通安全。對(duì)已運(yùn)營(yíng)的寒區(qū)公路隧道進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，寒區(qū)隧道中有80％以上都存在凍害現(xiàn)象，其中約60％發(fā)生滲漏水等輕微凍害現(xiàn)象，約24％出現(xiàn)襯砌混凝土剝落、開(kāi)裂、滑塌、沉陷等嚴(yán)重凍害問(wèn)題。目前寒區(qū)隧道采用常規(guī)的防凍保溫措施不能長(zhǎng)期地解決寒區(qū)隧道的凍脹和結(jié)冰等病害問(wèn)題，而采用電加熱方法的主動(dòng)供暖措施有能耗大、運(yùn)營(yíng)成本高等缺點(diǎn)的現(xiàn)狀，急需開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保的新型防凍加熱裝置。

在地球淺表層數(shù)百米內(nèi)的土壤溫度隨深度呈遞增趨勢(shì)，深度每增加100米地溫升高約3-5℃，地下1000米處的地溫約為40-50℃，埋深數(shù)百米的山嶺隧道圍巖內(nèi)儲(chǔ)存著巨大的地溫能。可以利用隧道圍巖內(nèi)的地溫能給位于洞口端的隧道襯砌和路面進(jìn)行加熱，既能解決寒區(qū)隧道凍害，還節(jié)能環(huán)保，實(shí)現(xiàn)寒區(qū)隧道供熱“自給自足”。

位于隧道襯砌背后圍巖內(nèi)的地溫能可以通過(guò)直接匯集隧道圍巖內(nèi)地?zé)崴姆绞絹?lái)提取,也可以在隧道二襯與初襯之間埋設(shè)熱交換管，通過(guò)管內(nèi)的傳熱循環(huán)介質(zhì)與圍巖之間的溫差提取隧道圍巖地溫能。但地?zé)崴占夹g(shù)僅適用于地下水豐富的地區(qū)，在地下水量小或無(wú)地下水的地區(qū)則無(wú)法應(yīng)用。仰拱下部圍巖內(nèi)也存儲(chǔ)著巨大的地溫能，由于所處位置的差異，位于仰拱下部圍巖內(nèi)的地溫能則很難通過(guò)匯集地?zé)崴@得，可以通過(guò)在仰拱上部鋪設(shè)熱交換管路的方式提取地?zé)崮?，利用管?nèi)的傳熱循環(huán)介質(zhì)與圍巖之間的溫差提取隧道圍巖地?zé)崮?。利用熱交換管提取隧道圍巖內(nèi)的地溫能雖然不受地下水發(fā)育狀況限制，但鋪設(shè)熱交換管增加了建造成本，并且熱交換管屬于線(xiàn)狀熱源，其換熱效率非常有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有隧道圍巖地?zé)崴畢R集技術(shù)無(wú)法應(yīng)用于地下水欠發(fā)育和不發(fā)育地區(qū)，并且還無(wú)法提取仰拱下部圍巖內(nèi)的地溫能；鋪設(shè)熱交換管技術(shù)雖不受地下水發(fā)育狀況限制，但熱交換管屬于線(xiàn)狀熱源，其換熱能力有限，且鋪設(shè)熱交換管路會(huì)增加工程建造成本等難題，本實(shí)用新型提供一種適用性良好、換熱效率更高、節(jié)省成本和節(jié)約施工周期的能源隧道仰拱復(fù)合式地溫能防凍加熱裝置。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種能源隧道仰拱復(fù)合式地溫能防凍加熱裝置，包括隧道加熱段，所述隧道加熱段包括供熱管路，所述供熱管路鋪設(shè)與所述隧道加熱段對(duì)應(yīng)的隧道內(nèi)，所述供熱管路兩端分別與第二供水管和第二回水管連接，所述第二供水管和第二回水管與熱泵末端連接形成供熱循環(huán)管路，所述防凍加熱裝置還包括隧道換熱段，所述隧道換熱段對(duì)應(yīng)的隧道包括隧道仰拱和路面，路面下方為回填層，所述回填層位于所述隧道仰拱上，在所述隧道仰拱和回填層之間設(shè)置熱交換層，所述熱交換層的第一入水口與第一供水管連通，所述熱交換層的第一出水口與第一回水管連通，所述第一供水管和第一回水管均與熱泵前端連接形成換熱循環(huán)管路。

進(jìn)一步，所述熱交換層上方設(shè)置換熱防水層。

再進(jìn)一步，所述換熱防水層與所述回填層的底面相接。

更進(jìn)一步，所述熱交換層內(nèi)設(shè)置止水隔斷，所述止水隔斷將所述熱交換層進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)分區(qū)分別與各自的供水管和回收管連通形成封閉循環(huán)子系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述止水隔斷的一端設(shè)有缺口，帶有缺口的止水隔斷相鄰的分區(qū)相互貫通。

再進(jìn)一步，相鄰止水隔斷的缺口錯(cuò)位布置。通過(guò)增設(shè)缺口數(shù)量可以獲得任意長(zhǎng)度的熱交換器。

所述熱交換層內(nèi)填充透水材料，可以形成透水層。

所述回填層為輕量土保溫回填層。

所述隧道加熱段對(duì)應(yīng)的隧道包括隧道二襯，所述隧道二襯內(nèi)壁設(shè)置保溫板，所述隧道加熱段包括襯砌加熱段，所述襯砌加熱段為在隧道二襯和保溫板之間鋪設(shè)的供熱管路

所述隧道加熱段對(duì)應(yīng)的隧道還包括路面，所述路面位于回填層的上方，所述隧道加熱段還包括路面加熱段，所述路面加熱段為在路面和回填層之間鋪設(shè)的供熱管路。

本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思為：鑒于現(xiàn)有的鋪設(shè)熱交換管技術(shù)屬于線(xiàn)狀熱源，其換熱能力有限，且鋪設(shè)熱交換管路會(huì)增加工程建造成本。本實(shí)用新型提出了一種新型地溫能提取技術(shù)。該技術(shù)在仰拱上部設(shè)置熱交換層，熱交換層內(nèi)填充了透水材料，熱交換層分別與供水管和回水管密封連接，形成封閉的循環(huán)換熱系統(tǒng)，通過(guò)熱交換層內(nèi)的循環(huán)流體提取隧道圍巖內(nèi)的地溫能，經(jīng)地源熱泵設(shè)備對(duì)提取的地溫能進(jìn)行提升，通過(guò)供熱管路對(duì)隧道襯砌和路面進(jìn)行加熱。

所述熱交換層的每個(gè)分區(qū)中，位于兩邊的止水隔斷通長(zhǎng)布置，而位于中間的隔斷一段設(shè)置缺口，帶有缺口的止水隔斷相鄰的分區(qū)相互貫通；止水隔斷的缺口設(shè)置為交錯(cuò)布置，增設(shè)缺口數(shù)量可以獲得任意長(zhǎng)度的熱交換器。

本實(shí)用新型的有益效果主要表現(xiàn)在：

(1)本實(shí)用新型利用隧道圍巖內(nèi)的地溫能實(shí)現(xiàn)隧道洞口段襯砌和路面加熱，與傳統(tǒng)電加熱相比，該技術(shù)綠色節(jié)能環(huán)保，大大降低了隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本；

(2)層埋式換熱器利用熱交換層內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的傳熱介質(zhì)提取隧道圍巖內(nèi)的地溫能，解決了傳統(tǒng)的收集地?zé)崴谋粍?dòng)提取技術(shù)只能應(yīng)用于地下水豐富的隧道，對(duì)于欠發(fā)育和無(wú)地下水的隧道則不適用的難題；

(3)層埋設(shè)式換熱器和供熱層均屬于面狀熱源，而傳統(tǒng)的管埋式換熱器和供熱管屬于線(xiàn)狀熱源，所以，本實(shí)用新型的層埋式換熱器換熱效率更高，供熱層的加熱效果更好；

(4)層埋式換熱器與隧道結(jié)構(gòu)形成一體化，施工工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需鋪設(shè)熱交換管路，節(jié)約了大量建造成本。

附圖說(shuō)明

圖1為能源隧道仰拱復(fù)合式地溫能防凍加熱裝置組成圖。

圖2為換熱段橫斷面圖。

圖3為熱交換層平面展開(kāi)圖。

圖4為加熱段橫斷面圖。

圖5為供熱層平面展開(kāi)圖。

圖中，1為隧道二襯；2為仰拱；3為熱交換層；4為換熱防水層；5為輕量土回填層；6為路面；7為第一供水管；8為第一回水管；9為連接管；10為第一入水口；11為第一回水口；12為止水隔斷；13為換熱段；14為加熱段；15為水管溝；16為供熱管；17為保溫板；18為第二供水管；19為第二回水管；20為第二入水口；21為第二回水口；22為熱泵。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖5，一種能源隧道仰拱復(fù)合式地溫能防凍加熱裝置，包括隧道加熱段14，所述隧道加熱段14包括供熱管路16，所述供熱管路鋪設(shè)與所述隧道加熱段對(duì)應(yīng)的隧道內(nèi)，所述供熱管路兩端分別與第二供水管18和第二回水管19連接，所述第二供水管18和第二回水管19與熱泵22末端連接形成供熱循環(huán)管路，所述防凍加熱裝置還包括隧道換熱段13，所述隧道換熱段對(duì)應(yīng)的隧道包括隧道仰拱2和路面6，路面6下方為回填層5，所述回填層5位于所述隧道仰拱上，所述隧道換熱段13對(duì)應(yīng)的隧道中，在所述隧道仰拱2和回填層5之間設(shè)置熱交換層3，所述熱交換層3的第一入水口10與第一供水管7連通，所述熱交換層3的第一出水口11與第一回水管8連通，所述第一供水管7和第一回水管8均與熱泵22前端連接形成換熱循環(huán)管路；

所述隧道加熱段對(duì)應(yīng)的隧道中，隧道初襯16和隧道二襯1之間、路面26和回填層5之間均設(shè)置供熱層17，路面上方、下方的供熱層17之間連通，所述供熱層17的第二入水口23與第二供水管18連通，所述供熱層17的第二回水口24與第二回水管19連通，所述第二供水管18和第二回收管19與熱泵25后端連接形成供熱循環(huán)管路。

進(jìn)一步，所述熱交換層3上方設(shè)置換熱防水層4。

再進(jìn)一步，所述換熱防水層4與所述回填層5的底面相接。

更進(jìn)一步，所述熱交換層3內(nèi)設(shè)置止水隔斷12，所述止水隔斷12將所述熱交換層3進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)分區(qū)分別與各自的供水管和回收管連通形成封閉循環(huán)子系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述止水隔斷12的一端設(shè)有缺口，帶有缺口的止水隔斷相鄰的分區(qū)相互貫通。

再進(jìn)一步，相鄰止水隔斷12的缺口錯(cuò)位布置。通過(guò)增設(shè)缺口數(shù)量可以獲得任意長(zhǎng)度的熱交換器。

所述熱交換層3內(nèi)填充透水材料，可以形成透水層。

所述回填層5為輕量土保溫回填層。

所述隧道二襯1的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)摻加用于限制高地溫圍巖與洞內(nèi)空氣之間傳熱的相變材料。

所述隧道二襯1的內(nèi)壁設(shè)置保溫板6。

所述路面的兩端設(shè)有水管溝15，所述第一供水管7和第一回水管8位于所述水管溝15內(nèi)。所述熱交換層的第一入水口與第一供水管之間、所述熱交換層的第一出水口與第一回水管之前均通過(guò)連接管9連通。

所述隧道加熱段對(duì)應(yīng)的隧道包括隧道二襯1，所述隧道二襯1內(nèi)壁設(shè)置保溫板17，所述隧道加熱段包括襯砌加熱段，所述襯砌加熱段為在隧道二襯1和保溫板17之間鋪設(shè)的供熱管路

所述隧道加熱段對(duì)應(yīng)的隧道還包括路面6，所述路面6位于回填層5的上方，所述隧道加熱段還包括路面加熱段，所述路面加熱段為在路面6和回填層5之間鋪設(shè)的供熱管路。

本實(shí)施例的能源隧道仰拱復(fù)合式地溫能防凍加熱裝置，該系統(tǒng)由隧道圍巖地溫能換熱段、熱泵和隧道加熱段組成。換熱段由仰拱、回填層和路面組成，在仰拱上部設(shè)置熱交換層。熱交換層的第一入水口與第一供水管連通，熱交換層的第一出水口與第一回水管連通；所述第一供水管和第一回水管與熱泵前端連接，形成封閉的取熱循環(huán)管路。

隧道加熱段由襯砌加熱段和路面加熱段組成，襯砌加熱段包括隧道二襯和保溫板，在隧道二襯和保溫板之間鋪設(shè)供熱管路；路面加熱段包括路面和回填層，在路面和回填層之間鋪設(shè)供熱管路。供熱管路的第二入水口與第二供水管連接，供熱管路的第二出水口與第二回水管連通，第二供水管和第二回水管與熱泵末端連接，形成封閉的供熱循環(huán)管路。

路面下方的熱交換層設(shè)置換熱防水層，換熱防水層位于熱交換層與回填層之間；

熱交換層內(nèi)設(shè)置止水隔斷，利用止水隔斷對(duì)熱交換層進(jìn)行分區(qū)；每個(gè)分區(qū)中，位于兩邊的止水隔斷通長(zhǎng)布置，而位于中間的隔斷一端設(shè)置缺口，帶有缺口的止水隔斷相鄰的分區(qū)相互貫通；止水隔斷的缺口要交錯(cuò)布置，增設(shè)缺口數(shù)量可以獲得任意長(zhǎng)度的熱交換器。

本實(shí)施例的能源隧道仰拱復(fù)合式地溫能防凍加熱裝置的施工過(guò)程為：

①在隧道換熱段的仰拱上部安裝止水隔斷，澆注透水材料，施做熱交換層；在熱交換層上部施做換熱防水層，在路面與防水層之間填充輕量土；

②安裝第一供水管和第一回水管，與熱交換層進(jìn)行密封連接；

③整平輕量土回填層，鋪設(shè)供熱管路，并施做路面層；

④在二襯內(nèi)表面鋪設(shè)供熱管路，并安裝保溫板；

⑤安裝第二供水管和第二回水管，與供熱管路進(jìn)行密封連接；

⑥將隧道換熱段的第一供水管和第一回水管與熱泵前端連接，形成換熱密封循環(huán)管路；將隧道加熱段的第二供水管和第二回水管與熱泵末端連接，形成供熱密封循環(huán)管路。