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

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，嚴重影響了隧道交通安全。對已運營的寒區(qū)公路隧道進行調(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、運營成本高等缺點的現(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行加熱，既能解決寒區(qū)隧道凍害，還節(jié)能環(huán)保，實現(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襯砌復(fù)合式地溫能防凍加熱裝置。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種能源隧道襯砌復(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，所述隧道換熱段對應(yīng)的隧道包括隧道初襯、隧道二襯，在所述隧道初襯和隧道二襯之間設(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。

進一步，所述熱交換層內(nèi)外設(shè)置換熱防水層。

所述隧道初襯與熱交換層之間設(shè)置噴射防水層，所述熱交換層與隧道二襯之間設(shè)置防水板。當然，也可以采用其他防水方式。

更進一步，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行分區(qū)，每個分區(qū)分別與各自的供水管和回水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行提升，通過供熱管路對隧道襯砌和路面進行加熱。

所述熱交換層的每個分區(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。

本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在：

(1)本實用新型利用隧道圍巖內(nèi)的地溫能實現(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，大大降低了隧道運營維護成本；

(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)式換熱器屬于面狀熱源，而傳統(tǒng)的管埋式換熱器屬于線狀熱源，所以，本實用新型的層埋式換熱器換熱效率更高；

(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為能源隧道襯砌復(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為換熱層平面展開圖。

圖4為防水底座與復(fù)合式防水板的密封連接圖。

圖5為加熱段橫斷面圖。

圖6為供熱管平面展開圖。

圖中，1為隧道初襯；2為噴射防水層；3為熱交換層；4為防水板；5為隧道二襯；6為保溫板；7為第一供水管；8為第一回水管；9為防水底座；10為第一入水口；11為第一出水口；12為止水隔擋；13為隧道換熱段；14為隧道加熱段；15為橡膠止水帶；16為螺栓；17為供熱管路；18為保溫板；19為第二供水管；20為第二回水管；21為路面；22為回填層；23為第二入水口；24為第二出水口；25為熱泵。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。

參照圖1～圖6，一種能源隧道襯砌復(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17，所述供熱管路鋪設(shè)與所述隧道加熱段對應(yīng)的隧道內(nèi)，所述供熱管路兩端分別與第二供水管19和第二回水管20連接，所述第二供水管19和第二回水管20與熱泵25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，所述隧道換熱段對應(yīng)的隧道包括隧道初襯1、隧道二襯5，在所述隧道初襯1和隧道二襯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25前端連接形成換熱循環(huán)管路。

進一步，所述熱交換層3內(nèi)外設(shè)置換熱防水層。

所述隧道初襯1與熱交換層3之間設(shè)置噴射防水層2，所述熱交換層3與隧道二襯5之間設(shè)置防水板4。當然，也可以采用其他防水方式。

更進一步，所述熱交換層3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進行分區(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。

再進一步，相鄰止水隔斷12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22為輕量土保溫回填層。

所述隧道二襯5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5的內(nèi)壁設(shè)置保溫板6。

所述隧道加熱段對應(yīng)的隧道包括隧道二襯5，所述隧道二襯5內(nèi)壁設(shè)置保溫板6，所述隧道加熱段14包括襯砌加熱段，所述襯砌加熱段為在隧道二襯5和保溫板6之間鋪設(shè)的供熱管路。

所述隧道加熱段對應(yīng)的隧道還包括路面21，所述路面21位于回填層22的上方，所述隧道加熱段14還包括路面加熱段，所述路面加熱段為在路面21和回填層22之間鋪設(shè)的供熱管路。

本實施例的能源隧道襯砌復(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。換熱段由隧道初襯和二襯組成，在隧道初襯和二襯之間設(shè)置換熱層。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。

熱交換層內(nèi)外設(shè)置換熱防水層，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)置防水板；

熱交換層內(nèi)設(shè)置止水隔斷，利用止水隔斷對熱交換層進行分區(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；

本實施例的能源隧道襯砌復(fù)合式地溫能防凍加熱裝置的施工過程為：

①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；

②安裝第一供水管和第一回水管，與熱交換層進行密封連接；

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。