本實(shí)用新型涉及隧道圍巖領(lǐng)域，尤其是一種能源隧道層埋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，并對隧道的路面和襯砌進(jìn)行加熱。

背景技術(shù)：

近年來，隨著我國交通建設(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。對已運(yùn)營的寒區(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、開裂、滑塌、沉陷等嚴(yán)重凍害問題。目前寒區(qū)隧道采用常規(guī)的防凍保溫措施不能長期地解決寒區(qū)隧道的凍脹和結(jié)冰等病害問題，而采用電加熱方法的主動供暖措施有能耗大、運(yùn)營成本高等缺點(diǎn)的現(xiàn)狀，急需開發(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，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)儲存著巨大的地溫能?？梢岳盟淼绹鷰r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)的地溫能可以通過直接匯集隧道圍巖內(nèi)地?zé)崴姆绞絹硖崛?也可以在隧道二襯與初襯之間埋設(shè)熱交換管，通過管內(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)，在地下水量小或無地下水的地區(qū)則無法應(yīng)用。仰拱下部圍巖內(nèi)也存儲著巨大的地溫能，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匯集地?zé)崴@得，可以通過在仰拱上部鋪設(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)無法應(yīng)用于地下水欠發(fā)育和不發(fā)育地區(qū)，并且還無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，但熱交換管屬于線狀熱源，其換熱能力有限，且鋪設(shè)熱交換管路會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層埋式地溫能防凍加熱裝置。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種能源隧道層埋式地溫能防凍加熱裝置，該隧道包括隧道初襯、隧道二襯、隧道仰拱和路面，路面上方為所述隧道初襯和隧道二襯，路面下方為回填層，所述回填層位于所述隧道仰拱上，所述地溫能防凍加熱裝置包括隧道換熱段和隧道加熱段，

所述隧道換熱段對應(yīng)的隧道中，隧道初襯和隧道二襯之間、所述隧道仰拱和回填層之間均設(shè)置熱交換層，路面上方、下方的熱交換層之間通過換熱轉(zhuǎn)換接頭連接，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回水口與第一回水管連通，所述第一供水管和第第一回收管與熱泵前端連接形成換熱循環(huán)管路；

所述隧道加熱段對應(yīng)的隧道中，隧道初襯和隧道二襯之間、所述路面和回填層之間均設(shè)置供熱層，所述供熱層的第二入水口與第二供水管連通，所述供熱層的第二回水口與第二回水管連通，所述第二供水管和第二回收管與熱泵后端連接形成供熱循環(huán)管路。

進(jìn)一步，路面下方的熱交換層上方設(shè)置換熱下防水層，路面上方的熱交換層內(nèi)外設(shè)置換熱上防水層。

再進(jìn)一步，所述換熱下防水層與所述回填層的底面相接；所述上防水層包括所述隧道初襯與熱交換層之間的換熱上防水層和所述熱交換層與隧道二襯之間的換熱上防水層。當(dāng)然，也可以采用其他防水方式。

更進(jìn)一步，所述熱交換層和供熱層內(nèi)設(shè)置止水隔斷，所述止水隔斷將所述熱交換層和供熱層進(jìn)行分區(qū)，每個分區(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位布置。通過增設(shè)缺口數(shù)量可以獲得任意長度的熱交換器。

所述熱交換層和供熱層內(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。

路面下方的供熱層上下均設(shè)置供熱下防水層，路面上方的供熱層內(nèi)外設(shè)置供熱上防水層。

優(yōu)選的，所述上防水層與隧道初襯之間設(shè)置排水層。

本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思為：鑒于現(xiàn)有的隧道圍巖地?zé)崴畢R集技術(shù)無法應(yīng)用于地下水欠發(fā)育和不發(fā)育地區(qū)，并且還無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，但熱交換管屬于線狀熱源，其換熱能力有限，且鋪設(shè)熱交換管路會增加工程建造成本。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)在隧道襯砌背后和仰拱上部設(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)備對提取的地溫能進(jìn)行提升，通過埋設(shè)在路面下方和二襯背后的供熱層進(jìn)行加熱。

所述熱交換層和供熱層的每個分區(qū)中，位于兩邊的止水隔斷通長布置，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)置為交錯布置，增設(shè)缺口數(shù)量可以獲得任意長度的熱交換器和加熱器。

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谋粍犹崛〖夹g(shù)只能應(yīng)用于地下水豐富的隧道，對于欠發(fā)育和無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，施工工藝簡單，無需鋪設(shè)熱交換管路，節(jié)約了大量建造成本。

附圖說明

圖1為能源隧道層埋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為路面上方熱交換層平面展開圖。

圖4為路面下方熱交換層平面展開圖。

圖5為加熱段橫斷面圖。

圖6為供熱層平面展開圖。

圖中，1為隧道初襯；201為換熱上防水層；202為換熱下防水層；211為供熱上防水層；212為供熱下防水層；3為熱交換層；4為隧道二襯；5為保溫板；6為換熱轉(zhuǎn)換接頭；7為第一供水管；8為第一回水管；9為第一入水口；10為第一回水口；11為止水隔斷；12為輕量土；13為換熱段；14為取熱段；15為路面；16為排水層；17為供熱層；18為第二供水管；19為第二回水管；20為熱泵；23為第二入水口；24為第二回水口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖6，一種能源隧道層埋式地溫能防凍加熱裝置，該隧道包括隧道初襯1、隧道二襯4、隧道仰拱和路面15，路面15上方為所述隧道初襯1和隧道二襯4，路面15下方為回填層12，所述回填層12位于所述隧道仰拱上，所述地溫能防凍加熱裝置包括隧道換熱段13和隧道加熱段14，

所述隧道換熱段13對應(yīng)的隧道中，隧道初襯1和隧道二襯4之間、所述隧道仰拱和回填層12之間均設(shè)置熱交換層3，路面上方、下方的熱交換層3之間通過換熱轉(zhuǎn)換接頭6連接，所述熱交換層3的第一入水口9與第一供水管7連通，所述熱交換層3的第一回水口10與第一回水管8連通，所述第一供水管7和第一回收管8與熱泵20前端連接形成換熱循環(huán)管路；

所述隧道加熱段對應(yīng)的隧道中，隧道初襯1和隧道二襯4之間、路面15和回填層12之間均設(shè)置供熱層17，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20后端連接形成供熱循環(huán)管路。

進(jìn)一步，路面下方的熱交換層上方設(shè)置換熱下防水層202，路面上方的熱交換層內(nèi)外設(shè)置換熱上防水層201。

再進(jìn)一步，所述換熱下防水層202與所述回填層12的底面相接；所述換熱上防水層201包括所述隧道初襯1與熱交換層3之間的上防水層(例如噴射防水層)和所述熱交換層3與隧道二襯4之間的上防水層(例如復(fù)合式防水板)。當(dāng)然，也可以采用其他防水方式。

更進(jìn)一步，路面下方的供熱層17上下均設(shè)置供熱下防水層212，路面上方的供熱層17內(nèi)外設(shè)置供熱上防水層211。

優(yōu)選的，所述供熱上防水層211與隧道初襯1之間設(shè)置排水層16。

所述熱交換層3和供熱層17內(nèi)設(shè)置止水隔斷11，所述止水隔斷11將所述熱交換層3和供熱層進(jìn)行分區(qū)，每個分區(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11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11的缺口錯位布置。通過增設(shè)缺口數(shù)量可以獲得任意長度的熱交換器。

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12為輕量土保溫回填層。

所述隧道二襯4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4的內(nèi)壁設(shè)置保溫板5。

本實(shí)施例的能源隧道層埋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。換熱段由路面上方和路面下方兩部分組成，路面上方換熱段由隧道初襯和二襯組成，在隧道初襯和二襯之間設(shè)置熱交換層；路面下方換熱段由仰拱、回填層和路面組成，在仰拱上部設(shè)置熱交換層，路面上方、下方的熱交換層之間通過轉(zhuǎn)換接頭連接。熱交換層的第一入水口與第一供水管連通，熱交換層的第一回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，襯砌加熱段包括初襯、二襯和保溫板，在隧道初襯和二襯之間設(shè)置供熱層；路面加熱段包括回填層和路面，在回填層和路面之間設(shè)置供熱層；供熱層的第二入水口與第二供水管連接，供熱層的第二回水口與第二回水管連通，第二供水管和第二回水管與熱泵連接，形成封閉的供熱循環(huán)管路。

路面上方的熱交換層內(nèi)外設(shè)置換熱上防水層，在初襯與熱交換層之間設(shè)置噴射防水層，在熱交換層與二襯之間設(shè)置復(fù)合式防水板；路面下方的熱交換層設(shè)置下防水層，下防水層位于熱交換層與回填層之間；

襯砌供熱段的供熱層內(nèi)外設(shè)置供熱上防水層，在初襯與供熱層之間噴射設(shè)置噴射排水和噴射防水層，在熱交換層與二襯之間設(shè)置噴射防水層；路面加熱段的供熱層上下設(shè)置供熱下防水層，在回填層和供熱層之間設(shè)置噴射防水層，在供熱層與路面之間設(shè)置噴射防水層；

熱交換層和供熱層內(nèi)均設(shè)置止水隔斷，利用止水隔斷對熱交換層和供熱層進(jìn)行分區(qū)；每個分區(qū)中，位于兩邊的止水隔斷通長布置，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布置，增設(shè)缺口數(shù)量可以獲得任意長度的熱交換器和加熱器；

本實(shí)施例的能源隧道層埋式地溫能防凍加熱裝置的施工過程為：

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下防水層，在路面與換熱下防水層之間填充輕量土；

②在隧道初襯外表面噴射防水層，在防水層上安裝止水隔斷，并噴射透水材料，施做熱交換層；在熱交換層內(nèi)側(cè)安裝復(fù)合式防水板，并澆注二襯混凝土；

③安裝轉(zhuǎn)換接頭，連接仰拱上部和二襯與初襯之間的熱交換層；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；

④在隧道路面加熱段整平輕量土回填層，施做噴射防水層，在防水層上安裝止水隔斷，并噴射透水材料，施工供熱層；在供熱層上方噴射防水材料，施做加熱下防水層，并回填輕量土；施做路面層；

⑤在隧道襯砌加熱段的初襯表面噴射透水材料，施做排水層。在透水層上噴射防水材料，施工加熱上防水層；在防水層上安裝止水隔斷，噴射透水材料，施做供熱層。在供熱層上噴射防水材料，施做加熱上防水層。澆注二襯混凝土，安裝保溫板。

⑥安裝第二供水管和第二回水管，與供熱層進(jìn)行密封連接；

⑦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。