CN110373970A - 一种高架路面地热融冰结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高架路面地热融冰结构及其施工方法，其结构由高架桥梁及其铺装路面结构、换热桩系统、循环换热系统组成。高架桥梁及其铺装路面结构为既有结构，循环换热系统由内置有双U型换热管的换热桩和入、出流管组成，循环换热系统由进水管、流量控制单元、水泵、下水管、上水管和路面换热管组成，以上系统串联连接形成融冰体系，多套融冰体系可串联连接，使换热水依次流过构成循环加热、融冰机制，从而服务于较长的高架桥路段。本发明提出结构的施工方法包括四个步骤：换热井施工，路面换热管安装，换热管路施工，控制系统安装。本发明充分了利用地热资源，同时具有节约用水、不影响桥梁结构整体性、易安装、易拆除、易检修等优点。

Description

一种高架路面地热融冰结构及其施工方法

技术领域

本发明属地热能源利用技术领域，具体涉及一种高架路面地热融冰结构及其施工方法。

背景技术

我国地域辽阔，北方的冬季常面临严重的冰雪问题，尤其是高架桥路面的冰雪堆积与清除问题一直困扰着各级交通管理部门，每年由于高架桥路面积雪结冰直接间接造成巨大的经济损失。世界各国长期以来均非常重视道路路面积雪结冰的处理问题，开展了大量的相关试验研究，探索出多种治理路面积雪结冰的技术方法。总结而言，治理道路路面积雪结冰方法主要有清除法和融化法两大类：1)清除法可分为人工清除和机械清除，2)融化法则分为化学法和热融化法。热融化法利用地热、电热、燃气等产生的热量使道路路面上的冰雪融化，其中地热融雪因其环保节能的先进性受到科研界和工程界的极大关注。地球不断从地底深处向地表与外部空间释放热能，浅层土壤地热资源是一种取之不尽的可再生能源，同时浅层土壤地热资源在具有高经济效益的同时，不产生任何污染，是一种高环保、高效益的可持续发展的绿色能源。因此，利用地热能源以融雪化冰的工艺方法可以作为一个新的研究方向与应用领域，迫切需要研制一种可以用于高架桥梁路面的融冰系统及其配套的施工方法。

发明内容

本发明的目的在于针对传统高架桥梁路面除冰方法的切实需要，克服现有技术的不足，提供一种高架路面地热融冰结构及其施工方法。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

本发明提出的高架路面地热融冰结构由高架桥梁及其铺装路面结构、循环换热系统、换热桩系统组成。

本发明的高架桥梁及其铺装路面结构由桥墩1、桥梁支座2、简支箱梁3、铺装路面基层4、铺装路面面层5组成。

桥墩1为门型钢筋混凝土结构，位于地面17以上，由地面17以下的基础结构稳固支撑，桥墩1位于高架桥梁结构的下部，起支撑高架桥梁结构的作用。桥梁支座2可采用板式橡胶支座等形式，安装于桥墩1的上部，高架桥梁的上部荷载通过桥梁支座2传递给桥墩1。简支箱梁3为中空的钢筋混凝土结构，是高架桥梁的主体结构，单段简支箱梁3跨列于两个桥墩1之间，简支箱梁3的两端分别安置在两组桥梁支座2上，一定数量的简支箱梁3连续排列可形成一定长度的高架桥梁结构。

铺装路面基层4为一定厚度的沥青稳定碎石层，是铺装路面结构的承重层，铺设于简支箱梁3的上部。铺装路面面层5为一定厚度的沥青混合料，铺设于铺装路面基层4上部，铺装路面基层4与高架路面上的冰雪直接接触。

本发明的换热桩系统由换热桩11、换热桩入流管14、换热桩出流管15组成。

换热桩11为打入一定深度地层的混凝土桩，换热桩11的混凝土桩身13内部埋置有双U型换热管12，地下地层的地热能源通过混凝土桩身13间接传递给双U型换热管12内流淌的换热水。双U型换热管12为塑料材质水管，长度约为换热桩11桩长的四倍，双U型换热管12在混凝土桩身13内连续折返形成四次回路，可以使双U型换热管12内流淌的换热水充分吸收地下热能，从低温换热水升温为高温换热水。

换热桩入流管14和换热桩出流管15分别连接双U型换热管12的两端，换热桩入流管14的另一端连接下水管9，换热桩出流管15的另一端连接上水管10，形成连续的回路。低温换热水从下水管9通过换热桩入流管14流入双U型换热管12中，低温换热水进入换热桩11后升温变为高温换热水，通过换热桩出流管15流出至上水管10，完成一次换热过程。多根换热桩11可并联共用一组下水管9和上水管10，组成换热桩系统。

本发明的循环换热系统由进水管6、流量控制单元7、水泵8、下水管9、上水管10、路面换热管16组成。

进水管6为接通外部水源的管道，流量控制单元7为控制循环系统中换热水流速和流量的电控阀门装置，水泵8为给换热水提供动能的电控水泵，进水管6、流量控制单元7、水泵8依次相连，水泵8后连接第一根下水管9。

下水管9为直径较大的保温水管，下水管9的外侧包裹一定厚度的隔温材料，用于输送低温换热水，下水管9将多根路面换热管16中的低温换热水聚集起来，并将其输送分流至多根换热桩11中进行换热。上水管10为直径较大的保温水管，上水管10的外侧包裹一定厚度的隔温材料，用于输送高温换热水，上水管10将多根换热桩11加热后的高温换热水聚集起来，并将其输送分流至多根路面换热管16中，用于路面融冰。

路面换热管16为直径较小的塑料材质管道，以一定间距分布埋设于铺装路面基层4内，多根路面换热管16并联共用一组上水管10和下水管9，高温换热水流过路面换热管16，依次将热能传递给铺装路面基层4和铺装路面面层5，继而将热能传递给覆盖于铺装路面面层5上部的冰雪，起到融化路面冰雪的作用。

下水管9、多根并联换热桩11、上水管10、多根并联路面换热管16依次连接，形成一套融冰体系，多套融冰体系可串联连接，共用一套流量控制单元7、水泵8，使换热水依次流过串联的多套融冰体系，构成循环加热、融冰机制。

本发明提出的高架路面地热融冰结构可以服务于较长的高架桥路段，具体融冰长度依据实际需求确定。

本发明提出的高架路面地热融冰结构，其施工方法包括四个步骤：

第一步、换热井11施工：按照设计要求，预制一定数量的双U型换热管12，在高强桥梁附近的设计位置钻制桩孔，并钻至设计深度，在每个桩孔内放入一根双U型换热管12，检查并保证双U型换热管12的密闭性，向桩孔内回填混凝土形成混凝土桩身13，完成换热桩11施工；

第二步、路面换热管16安装：在高架桥梁铺装路面基层4铺设施工时，按照设计要求以一定间距分布放置路面换热管16，将路面换热管16的两端垂直连接上水管10和下水管9，多根路面换热管16并联共用一套上水管10和下水管9，检查保证路面换热管16、上水管10和下水管9形成回路的密闭性，继续完成铺装路面基层4的铺设施工，随后完成铺装路面面层5的铺设施工。

第三步、换热管路施工：按设计方案，将高架桥上的下水管9和上水管10延伸连接至换热桩11附近，从下水管9接出多根换热桩入流管14，从上水管10接出多根换热桩出流管15，换热桩入流管14和换热桩出流管15的数量与换热桩11的数量相同，每一根换热桩11的双U型换热管12的两端分别连接一根换热桩入流管14和换热桩出流管15，检查保证换热管回路的密闭性。

第四步、控制系统安装：按设计方案，完成高架桥梁全部长度的换热井11、路面换热管16、换热管路的施工，将其连接形成循环加热、融冰的串联结构，随后安装一套流量控制单元7和水泵8，连接入水管6，完成高架路面地热融冰结构的施工。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明充分利用地热资源，在融化高架桥梁路面积冰积雪的同时，节约了能源，是一种绿色环保的技术。

(2)本发明提出的串联结构可以充分循环利用换热水，能够节约水资源。

(3)本发明提出的高架路面地热融冰结构不影响桥梁结构的整体性，具有易安装、易拆除、易检修等优势。

附图说明

图1为高架路面地热融冰结构的整体示意图。

图2为高架路面地热融冰结构的俯视图。

图3为高架路面地热融冰结构的横向视图。

图4为高架路面地热融冰结构的纵向视图。

图5为高架路面地热融冰结构的换热桩11安装示意图。

图6为换热桩11的单桩示意图。

图7为换热桩11的单桩正视图。

图8为路面换热管16的排列示意图。

附图标记说明

1为桥墩，2为桥梁支座，3为简支箱梁，4为高架路面基层，5为高架路面面层，6为进水管，7为流量控制单元，8为水泵，9为凉水管，10为热水管，11为换热桩，12为双U型换热管，13为混凝土桩身，14为换热桩入流管，15为换热桩出流管，16为路面换热管，17为地面。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的高架路面地热融冰结构及其施工方法的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。

本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。

本发明提供高架路面地热融冰结构及其施工方法。

如图1～图8所示，高架桥梁及其铺装路面结构由桥墩1、桥梁支座2、简支箱梁3、铺装路面基层4、铺装路面面层5组成。

桥墩1为门型钢筋混凝土结构，位于地面17以上，高15m，宽16m，厚2m由地面17以下的群桩承台基础结构稳固支撑，本实施例中共有四排桥墩1，等距排列，间距为43m。桥梁支座2为板式橡胶支座，安装于桥墩1的上部。简支箱梁3为中空的钢筋混凝土结构，单段简支箱梁3长45m，宽10m，其上为单向双车道高架沥青路面，六段简支箱梁3两两并列跨列于两个桥墩1之间，简支箱梁3的两端分别安置在两组桥梁支座2上，形成三跨双向四车道高架桥梁结构。

铺装路面基层4为沥青稳定碎石层，厚度为15cm，铺设于简支箱梁3的上部。铺装路面面层5为沥青混合料，厚度为5cm，铺设于铺装路面基层4上部，铺装路面基层4与高架路面上的冰雪直接接触。

本实施例的换热桩系统由换热桩11、换热桩入流管14、换热桩出流管15组成。

换热桩11为混凝土桩，桩长为50m，桩径为80cm，数量为24根，位于距离高架桥梁侧向20m处，换热桩11的混凝土桩身13内部埋置有双U型换热管12。双U型换热管12为聚乙烯塑料材质水管，管材为PE80型SDR11级，管径为3cm，长度约为200m，双U型换热管12在混凝土桩身13内连续折返形成四次回路。

换热桩入流管14和换热桩出流管15分别连接双U型换热管12的两端，换热桩入流管14的另一端连接下水管9，换热桩出流管15的另一端连接上水管10，形成连续的回路。8根换热桩11并联共用一组下水管9和上水管10，组成换热桩系统。

本实施例的循环换热系统由进水管6、流量控制单元7、水泵8、下水管9、上水管10、路面换热管16组成。

进水管6为接通外部水源的管道，流量控制单元7为控制循环系统中换热水流速和流量的电控阀门装置，水泵8为给换热水提供动能的电控水泵，进水管6、流量控制单元7、水泵8依次相连，水泵8后连接第一根下水管9。

下水管9共有4根，下水管9的外侧包裹一定厚度的隔温材料，一根下水管9将34根路面换热管16中的低温换热水聚集起来，并将其输送分流至8根换热桩11中进行换热。上水管10共有3根，上水管10的外侧包裹一定厚度的隔温材料，一根上水管10将8根换热桩11加热后的高温换热水聚集起来，并将其输送分流至34根路面换热管16中，用于路面融冰。

路面换热管16为塑料材质，管径为2.4cm，共有102根，34根一组，共分三组埋设于铺装路面基层4内，分布间距约为20cm，34根路面换热管16并联共用一组上水管10和下水管9，高温换热水流过路面换热管16，依次将热能传递给铺装路面基层4和铺装路面面层5，继而将热能传递给覆盖于铺装路面面层5上部的冰雪，起到融化路面冰雪的作用。

一根下水管9、8根并联换热桩11、一根上水管10、34根并联路面换热管16依次连接，形成一套融冰体系，三套融冰体系串联连接，共用一套流量控制单元7、水泵8，使换热水依次流过串联的多套融冰体系，构成循环加热、融冰机制。

本实施例所述高架路面地热融冰结构的其工作施工如下：

第一步、换热井11施工：按照设计要求，预制24根双U型换热管12，在高强桥梁附近的设计位置24个钻制桩孔，每跨高架桥一组，一组8个桩孔，桩孔深50m，在每个桩孔内放入一根双U型换热管12，检查并保证双U型换热管12的密闭性，向桩孔内回填混凝土形成混凝土桩身13，完成换热桩11施工；

第二步、路面换热管16安装：在高架桥梁铺装路面基层4铺设施工时，按照设计要求以约20cm的间距分布放置34根路面换热管16，将路面换热管16的两端垂直连接上水管10和下水管9，34根路面换热管16并联共用一根上水管10和一根下水管9，检查保证路面换热管16、上水管10和下水管9形成回路的密闭性，继续完成铺装路面基层4的铺设施工，随后完成铺装路面面层5的铺设施工。

第三步、换热管路施工：按设计方案，将高架桥上的下水管9和上水管10延伸连接至换热桩11附近，从下水管9接出8根换热桩入流管14，从上水管10接出8根换热桩出流管15，每一根换热桩11的双U型换热管12的两端分别连接一根换热桩入流管14和换热桩出流管15，检查保证换热管回路的密闭性。

第四步、控制系统安装：按设计方案，完成高架桥梁全部长度的换热井11、路面换热管16、换热管路的施工，将其连接形成循环加热、融冰的串联结构，随后安装一套流量控制单元7和水泵8，连接入水管6，完成高架路面地热融冰结构的施工。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (2)

1.一种高架路面地热融冰结构，其特征在于：高架路面地热融冰结构由高架桥梁及其铺装路面结构、换热桩系统、循环换热系统组成；

所述高架桥梁及其铺装路面结构由桥墩(1)、桥梁支座(2)、简支箱梁(3)、铺装路面基层(4)、铺装路面面层(5)组成；桥墩(1)为门型钢筋混凝土结构，位于地面(17)以上，由地面(17)以下的基础结构稳固支撑，桥墩(1)位于高架桥梁结构的下部，起支撑高架桥梁结构的作用；桥梁支座(2)可采用板式橡胶支座等形式，安装于桥墩(1)的上部，高架桥梁的上部荷载通过桥梁支座(2)传递给桥墩(1)；简支箱梁(3)为中空的钢筋混凝土结构，是高架桥梁的主体结构，单段简支箱梁(3)跨列于两个桥墩(1)之间，简支箱梁(3)的两端分别安置在两组桥梁支座(2)上，一定数量的简支箱梁(3)连续排列可形成一定长度的高架桥梁结构；铺装路面基层(4)为一定厚度的沥青稳定碎石层，是铺装路面结构的承重层，铺设于简支箱梁(3)的上部；铺装路面面层(5)为一定厚度的沥青混合料，铺设于铺装路面基层(4)上部，铺装路面基层(4)与高架路面上的冰雪直接接触；

所述换热桩系统由换热桩(11)、换热桩入流管(14)、换热桩出流管(15)组成；换热桩(11)为打入一定深度地层的混凝土桩，换热桩(11)的混凝土桩身(13)内部埋置有双U型换热管(12)，地下地层的地热能源通过混凝土桩身(13)间接传递给双U型换热管(12)内流淌的换热水；双U型换热管(12)为塑料材质水管，长度约为换热桩(11)桩长的四倍，双U型换热管(12)在混凝土桩身(13)内连续折返形成四次回路，可以使双U型换热管(12)内流淌的换热水充分吸收地下热能，从低温换热水升温为高温换热水；换热桩入流管(14)和换热桩出流管(15)分别连接双U型换热管(12)的两端，换热桩入流管(14)的另一端连接下水管(9)，换热桩出流管(15)的另一端连接上水管(10)，形成连续的回路；低温换热水从下水管(9)通过换热桩入流管(14)流入双U型换热管(12)中，低温换热水进入换热桩(11)后升温变为高温换热水，通过换热桩出流管(15)流出至上水管(10)，完成一次换热过程；多根换热桩(11)可并联共用一组下水管(9)和上水管(10)，组成换热桩系统；

所述循环换热系统由进水管(6)、流量控制单元(7)、水泵(8)、下水管(9)、上水管(10)、路面换热管(16)组成；进水管(6)为接通外部水源的管道，流量控制单元(7)为控制循环系统中换热水流速和流量的电控阀门装置，水泵(8)为给换热水提供动能的电控水泵，进水管(6)、流量控制单元(7)、水泵(8)依次相连，水泵(8)后连接第一根下水管(9)；下水管(9)为直径较大的保温水管，下水管(9)的外侧包裹一定厚度的隔温材料，用于输送低温换热水，下水管(9)将多根路面换热管(16)中的低温换热水聚集起来，并将其输送分流至多根换热桩(11)中进行换热；上水管(10)为直径较大的保温水管，上水管(10)的外侧包裹一定厚度的隔温材料，用于输送高温换热水，上水管(10)将多根换热桩(11)加热后的高温换热水聚集起来，并将其输送分流至多根路面换热管(16)中，用于路面融冰；路面换热管(16)为直径较小的塑料材质管道，以一定间距分布埋设于铺装路面基层(4)内，多根路面换热管(16)并联共用一组上水管(10)和下水管(9)，高温换热水流过路面换热管(16)，依次将热能传递给铺装路面基层(4)和铺装路面面层(5)，继而将热能传递给覆盖于铺装路面面层(5)上部的冰雪，起到融化路面冰雪的作用；

下水管(9)、多根并联换热桩(11)、上水管(10)、多根并联路面换热管(16)依次连接，形成一套融冰体系，多套融冰体系可串联连接，共用一套流量控制单元(7)、水泵(8)，使换热水依次流过串联的多套融冰体系，构成循环加热、融冰机制；

所述高架路面地热融冰结构可以服务于较长的高架桥路段，具体融冰长度依据实际需求确定。

2.根据权利要求1所述的一种高架路面地热融冰结构，其施工方法包括四个步骤：

①换热井(11)施工：按照设计要求，预制一定数量的双U型换热管(12)，在高强桥梁附近的设计位置钻制桩孔，并钻至设计深度，在每个桩孔内放入一根双U型换热管(12)，检查并保证双U型换热管(12)的密闭性，向桩孔内回填混凝土形成混凝土桩身(13)，完成换热桩(11)施工；

②路面换热管(16)安装：在高架桥梁铺装路面基层(4)铺设施工时，按照设计要求以一定间距分布放置路面换热管(16)，将路面换热管(16)的两端垂直连接上水管(10)和下水管(9)，多根路面换热管(16)并联共用一套上水管(10)和下水管(9)，检查保证路面换热管(16)、上水管(10)和下水管(9)形成回路的密闭性，继续完成铺装路面基层(4)的铺设施工，随后完成铺装路面面层(5)的铺设施工；

③换热管路施工：按设计方案，将高架桥上的下水管(9)和上水管(10)延伸连接至换热桩(11)附近，从下水管(9)接出多根换热桩入流管(14)，从上水管(10)接出多根换热桩出流管(15)，换热桩入流管(14)和换热桩出流管(15)的数量与换热桩(11)的数量相同，每一根换热桩(11)的双U型换热管(12)的两端分别连接一根换热桩入流管(14)和换热桩出流管(15)，检查保证换热管回路的密闭性；

④控制系统安装：按设计方案，完成高架桥梁全部长度的换热井(11)、路面换热管(16)、换热管路的施工，将其连接形成循环加热、融冰的串联结构，随后安装一套流量控制单元(7)和水泵(8)，连接入水管(6)，完成高架路面地热融冰结构的施工。