本實(shí)用新型涉及隧道圍巖領(lǐng)域，尤其是一種能源隧道襯砌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(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?？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(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)崮堋＠脽峤粨Q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(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襯砌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(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種能源隧道襯砌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(duì)應(yīng)的隧道中，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；

所述隧道加熱段對(duì)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，所述供熱層的第二出水口與第二回水管連通，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。

進(jìn)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)置層埋式防水板。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。

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(gè)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(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。

再進(jìn)一步，所述供水管和回水管分別位于隧道兩側(cè)的拱腳處。

優(yōu)選的，所述隧道兩側(cè)的拱腳處設(shè)置防水底座，所述供水管和回水管分別位于所述防水底座上。

更進(jìn)一步，所述防水底座與層埋式防水板之間通過(guò)橡膠止水帶和螺栓進(jìn)行密封連接。

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。

所述回填層為輕質(zhì)相變保溫混凝泥土回填層。

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(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(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。

所述熱交換層和供熱層的每個(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(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為能源隧道襯砌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為換熱層平面展開(kāi)圖。

圖4為防水底座與層埋式防水板的密封連接圖。

圖5為加熱段橫斷面圖。

圖6為供熱層平面展開(kāi)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為供熱層；18為第二供水管；19為第二回水管；20排水層；21為供熱上防水層；22為供熱下防水層；23為第二入水口；24為第二出水口；25為熱泵；26為路面；27為回填層。

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6，一種能源隧道襯砌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5、隧道仰拱和路面26，路面26上方為所述隧道初襯1和隧道二襯5，路面26下方為回填層27，回填層27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，

所述隧道換熱段對(duì)應(yīng)的隧道中，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；

所述隧道加熱段對(duì)應(yīng)的隧道中，隧道初襯1和隧道二襯4之間、路面26和回填層27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的第二入水口24與第二回水管19連通，所述第二供水管18和第二回水管19與熱泵20后端連接形成供熱循環(huán)管路。

進(jìn)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，所述熱交換層與2隧道二襯5之間設(shè)置層埋式防水板4。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22，路面上方的供熱層17內(nèi)外設(shè)置供熱上防水層21。

優(yōu)選的，所述供熱上防水層21與隧道初襯1之間設(shè)置排水層20。

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17進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)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(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。

再進(jìn)一步，所述第一供水管7和第一回水管8分別位于隧道兩側(cè)的拱腳處。

優(yōu)選的，所述隧道兩側(cè)的拱腳處設(shè)置防水底座9，所述第一供水管和第一回水管分別位于所述防水底座9上。

更進(jìn)一步，所述防水底座9與復(fù)合式防水板4之間通過(guò)橡膠止水帶15和螺栓16進(jìn)行密封連接。

所述熱交換層3和17供熱層內(nèi)填充透水材料，可以形成透水層。

所述回填層27為輕質(zhì)相變保溫混凝泥土回填層。

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)施例的能源隧道襯砌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)置層埋式防水板；

襯砌供熱段的供熱層內(nèi)外設(shè)置供熱防水層，在初襯與供熱層之間噴射設(shè)置噴射排水層和噴射防水層，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(duì)熱交換層和供熱層進(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)施例的能源隧道襯砌層埋式地溫能防凍加熱裝置的施工過(guò)程為：

①在隧道初襯外表面噴射換熱防水層，在換熱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(jìn)行密封連接；

③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；

④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。

⑤安裝第二供水管和第二回水管，與供熱層進(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。