CN106595103A - 能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，包括以下步骤：①施工隧道仰拱；②施做路面下方的热交换层；③施做下防水层；④浇注回填层；⑤施做路基路面；⑥安装供水管和回水管，与热交换层进行密封连接；⑦通过循环水泵连接供水管、回水管和用户端或热泵，形成封闭循环系统。另外，也可以在隧道初衬表面施做设定厚度的喷射防水层；施做路面上方的热交换层，安装转换接头，连接路面上、下方的热交换层；浇注隧道二衬，安装隧道保温板和防火板。本发明适用性良好、换热效率更高、节省成本和节约施工周期。
Description
技术领域
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热交换系统的施工方法。
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。
发明内容
为了克服现有隧道围岩地热水汇集技术无法应用于隧道全断面围岩地温能的提取，而铺设热交换管路会增加工程建造成本和拖延施工工期等难题，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热交换系统的施工方法。
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热交换系统的施工方法，包括以下步骤：
①施工隧道仰拱；
②施做路面下方的热交换层；
③施做下防水层；
④浇注回填层；
⑤施做路基路面；
⑥安装供水管和回水管，与热交换层进行密封连接；
⑦通过循环水泵连接供水管、回水管和用户端或热泵，形成封闭循环系统。
进一步，所述施工方法还包括以下步骤：
⑧在隧道初衬表面施做设定厚度的喷射防水层；施做路面上方的热交换层，安装转换接头，连接路面上、下方的热交换层；
⑨浇注隧道二衬，安装隧道保温板和防火板。
再进一步，所述步骤①中，在仰拱上安置止水隔断，对路面下方的热交换层进行分区。
更进一步，所述步骤④中，浇注相变轻质保温混凝土，形成轻质相变保温混凝泥土回填层。
所述步骤⑧中，所述热交换层与隧道二衬之间设置复合式防水板；在喷射防水层上安装止水隔断，对路面上方的热交换层进行分区。
优选的，所述热交换层内设置止水隔断，所述止水隔断将所述热交换层进行分区，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。
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。
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。
所述热交换层内填充透水材料，形成透水层。
所述步骤⑨中，浇注隧道二衬相变混凝土。
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，该热交换层属于透水层，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，通过供热管路对隧道衬砌和路面进行加热。
所述热交换层的每个分区中，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。
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热交换系统的横断面图。
图2为路面上方热交换层平面展开图。
图3为路面下方热交换层平面展开图。
图4为供、回水管与水泵的连接图。
图中1为隧道初衬；21为喷射防水层；22为复合防水板；23为下防水层；3为热交换层；4为隧道二衬；5为保温板；6为转换接头；7为供水管；8为回水管；9为入水口；10为回水口；11为止水隔断；12为回填层；13为水泵；14为用户端；15为路面。
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4，一种能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，包括以下步骤：
①施工隧道仰拱；
②施做路面下方的热交换层；
③施做下防水层22；
④浇注回填层12；
⑤施做路基路面15；
⑥安装供水管7和回水管8，与热交换层进行密封连接；
⑦通过循环水泵13连接供水管7、回水管8和用户端14或热泵，形成封闭循环系统。
进一步，所述施工方法还包括以下步骤：
⑧在隧道初衬1表面施做设定厚度的喷射防水层21；施做路面上方的热交换层3，安装转换接头6，连接路面上、下方的热交换层；
⑨浇注隧道二衬4，安装隧道保温板5和防火板。
再进一步，所述步骤①中，在仰拱上安置止水隔断11，对路面下方的热交换层进行分区。
更进一步，所述步骤④中，浇注相变轻质保温混凝土，形成轻质相变保温混凝泥土回填层12。
所述步骤⑧中，所述热交换层3与隧道二衬5之间设置复合式防水板22，在喷射防水层21上安装止水隔断11，对路面上方的热交换层3进行分区。
优选的，所述热交换层3内设置止水隔断11，所述止水隔断11将所述热交换层进行分区，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。
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。
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，形成透水层。
所述步骤⑨中，浇注隧道二衬相变混凝土。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。
本实施例施工形成的能源隧道层埋式地温能热交换系统，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，路面下方为回填层12，所述回填层12位于所述隧道仰拱上，在所述隧道初衬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之间通过转换接头6连接，所述热交换层3的入水口9与供水管7连通，所述热交换层3的回水口10与回水管8连通，所述供水管7和回收管8均与用户端或热泵连接形成封闭循环管路。
进一步，路面下方的热交换层上方设置下防水层23，路面上方的热交换层内外设置上防水层。
再进一步，所述下防水层23与所述回填层12的底面相接；所述上防水层包括所述隧道初衬1与热交换层3之间的喷射防水层21和所述热交换层3与隧道二衬4之间的复合式防水板22。当然，也可以采用其他防水方式。
本实施例的能源隧道层埋式地温能热交换系统，该系统由热交换层、止水隔断、防水层、供水管、回水管、转换接头、轻质相变保温回填层、保温层和水泵组成，位于路面上方的热交换层布设于隧道初衬和二衬之间，位于路面下方的热交换层则布设于仰拱上方，路面上、下方的热交换层通过转换接头连接；
利用止水隔断11对热交换层进行分割，各分区的热交换层分别与供水管和回水管进行连接形成封闭循环系统；通过改变止水隔断之间的组合可以获得任意长度的热交换器；
通过循环水泵13连接供水管7、回水管8和用户端14或热泵，形成封闭循环系统。
在实际应用中，如果地温较高，则直接应用，即通过循环水泵与用户端连接形成循环管路；如果地温不够高，不能直接利用，则需要热泵设备提升，即供水管和回水管与热泵连接形成循环管路。
Claims (10)
1.一种能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
①施工隧道仰拱；
②施做路面下方的热交换层；
③施做下防水层；
④浇注回填层；
⑤施做路基路面；
⑥安装供水管和回水管，与热交换层进行密封连接；
⑦通过循环水泵连接供水管、回水管和用户端或热泵，形成封闭循环系统。
2.如权利要求1所述的能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，其特征在于：所述施工方法还包括以下步骤：
⑧在隧道初衬表面施做设定厚度的喷射防水层；施做路面上方的热交换层，安装转换接头，连接路面上、下方的热交换层；
⑨浇注隧道二衬，安装隧道保温板和防火板。
3.如权利要求1所述的能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，其特征在于：所述步骤①中，在仰拱上安置止水隔断，对路面下方的热交换层进行分区。
4.如权利要求1所述的能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，其特征在于：所述步骤④中，浇注相变轻质保温混凝土，形成轻质相变保温混凝泥土回填层。
5.如权利要求2所述的能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，其特征在于：所述步骤⑧中，所述热交换层与隧道二衬之间设置复合式防水板；在喷射防水层上安装止水隔断，对路面上方的热交换层进行分区。
6.如权利要求1～5之一所述的能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，其特征在于：所述热交换层内设置止水隔断，所述止水隔断将所述热交换层进行分区，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。
7.如权利要求6所述的能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，其特征在于：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。
8.如权利要求7所述的能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，其特征在于：相邻止水隔断的缺口错位布置。
9.如权利要求1～5之一所述的能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工方法，其特征在于：所述热交换层内填充透水材料。
10.如权利要求1或5所述的能源隧道层埋式地温能热交换系统，其特征在于：所述步骤⑨中，浇注隧道二衬相变混凝土。
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