CN112127945A - 一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统，包括换热系统和供热系统，在隧中横通道内径向辐射状钻孔埋设地埋换热管，所述地埋换热管的进出口及进水管、集热管设在初衬后，形成全断面的埋管取热系统；所述进水管连接所述地埋换热管的进口，所述地埋换热管的出口则接入所述集热管，所述集热管汇集各组换热管的热水后接入热泵，热泵将热水送入供热总管，所述供热总管接入隧道洞口低温段设于环向和纵向排水系统内部的供热支管，供热完成的水汇入回水总管中，进入下一次与地埋管换热和加热排水系统的循环。本发明可靠性较高，适用性较强，节能环保效益突出。
Description
技术领域
本发明属于隧道防排水技术领域，特别涉及一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统。
背景技术
寒区隧道冻害屡见不鲜，如积冰、挂冰、衬砌冻融损伤等，严重威胁隧道安全。对于一般隧道，单纯渗漏水病害的治理实际上有多种措施，而渗漏水在低温环境下的冻结冻胀才是威胁寒区隧道安全的主因。寒区隧道的排水体系常为环向排水管-纵向排水盲管-横向排水管-中央排水管。环向排水管是隧道上部围岩含水的下排通道之一，当环向排水管间距较大时渗水主要沿防水板与喷混凝土之间的空隙下排至纵向排水管，这两部分组成的隧道环向排水是隧道排水系统的起点，若此处排水受阻，整个系统也将失去作用。工程师和学者们较多的研究了隧道纵向排水的保温防冻问题，如根据不同温度设置双侧保温水沟、深埋中心水沟和防寒泄水洞等，但对环向排水的防冻保护却少有对策。施工缝、沉降缝等处是隧道衬砌防水的薄弱部位，常用措施是设置橡胶止水带和膨胀止水条。但由于施工不规范及材料腐蚀老化等因素，三缝处的渗漏水仍可能发生。带注浆管的膨胀止水条可以在发现施工缝或沉降缝渗漏水后通过注浆管进行注浆，从而堵塞渗漏水通道，但在寒区隧道中，渗漏水被冻结在三缝处的漏水通道中，只有在暖季冰融化后才会有水出漏的痕迹，但此时三缝处已遭渗水的结冰冻胀作用，衬砌可能受损，接缝进一步损伤，止水条的注浆孔可能遭阻塞破坏，后续注浆堵漏的效果也会受到影响。
寒区隧道防排水系统包括被动保温与主动加热两种方法。被动保温即铺设保温层，尽管在研究保温层的材料和施工方法上有较多的研究成果，如采用导热率很小的聚氨酯泡沫和双层铺设等较优的工法，但限于保温层被动隔热的方法，难以彻底消除冻害，对极低温环境下隧道的防排水系统防冻的适用性较差。隧道防排水系统主动加热方法包括蒸汽加热法、电加热法和地源热泵法等。蒸汽法通过暖通管道输送蒸汽，从而防止渗水冻结，蒸汽法的工程量庞大，运行成本高，且蒸汽系统的设备和管道易腐蚀；电加热法通过在隧道衬砌表面敷设电伴热带，通电发热来防止水冻结。电伴热加热技术对电热器件及相应配套设施要求较高，前期资金投入大，伴热系统工作过程中需全程监测控制，后期运营维护费用高，且电伴热具有升温慢、降温快、耗电量多、热量损失大的特点，使用年限较短，仍有很大的应用局限性。隧道中部由于埋深较大，往往存储着较大的地热资源，将这部分热源通过热泵的手段使用到隧道防排水系统的加热保温上来，节能环保，是非常有益的措施。有学者提出将换热管铺设于隧中初衬表面与围岩换热，供热管铺设于隧道洞口段加热放排水系统的方法。这种换热方式仅能交换表层围岩的热量，换热量少，故需提供热泵较多能量补充，且供热过程实际是加热隧道衬砌，并不直接作用于防排水系统，因而效率较低，并没有达到利用地温能节能的初衷。
因此需要一种能有效利用地温的，对寒区隧道防排水系统受冻段全面加热保温的，节能的寒区隧道防排水地埋管加热保温系统。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统，可靠性较高，适用性较强，节能环保效益突出。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统，包括换热系统和供热系统，在隧中横通道内径向辐射状钻孔埋设地埋换热管，所述地埋换热管的进出口及进水管、集热管设在初衬后，形成全断面的埋管取热系统；所述进水管连接所述地埋换热管的进口，所述地埋换热管的出口则接入所述集热管，所述集热管汇集各组换热管的热水后接入热泵，热泵将热水送入供热总管，所述供热总管接入供热支管，所述供热支管设于隧道洞口低温段的环向和纵向排水系统内部，供热完成的水汇入回水总管中，进入下一次与地埋管换热和加热排水系统的循环。
进一步，所述钻孔呈单U布置或双U布置。
再进一步，向每道环向排水管内部通入环向供热支管。
优选的，防水层与初衬喷混之间的空隙等间距的布设环向供热支管。
所述环向供热支管在初衬边墙处接入纵向排水盲管，纵向排水盲管多为直径100mm的双壁打孔波纹管，将供热总管设于隧道一侧纵向排水盲管内，隧道环向供热管穿入盲管与供热总管相连；出水总管设于另一侧纵向排水盲管内，保护换热管的同时可以加热保温纵向排水盲管。
供热总管与出水总管通过设于横向排水管中的供热支管相连，出水总管汇集加热环向排水系统后的水，进入下一次换热-加热保温循环；纵向排水盲管通过横向排水管与中心水沟或双侧水沟联通。
本发明的技术构思为：为更高效率的利用围岩热量，用于寒区隧道地热交换系统的地埋换热管应径向辐射状布置，即以隧道为心，沿径向向围岩深处钻孔埋设地埋管。与常规地埋管钻孔布设方式相比，虽然孔深较小处换热管间距较小，但浅处地温受隧道开挖影响，数值小且波动大，因此换热的主要热源应是深层地热能，由于辐射状布置的特点，孔深较大处换热管的换热半径也更大，换热管之间近乎相互独立，从而获得更好的换热效果。在隧中横通道内钻孔埋设换热管，避免了低温环境的影响，使换热有效进行，另外由于隧道主洞对洞壁的要求较高，主洞内钻孔埋管可能侵限，影响隧道安全运营与美观。横洞内钻孔埋管的距离、深度等均可根据工程实际情况灵活调整，表层围岩的地温受隧道内空气的影响，较低且不稳定，因此较衬砌表面铺设换热管的换热方法，地埋管换热方式能利用隧道围岩深处稳定且巨大的地热能资源，当隧道围岩温度不够高时，还可通过热泵提供少量额外热能。另一方面，从防排水的出发点开始，将供热管布置在防排水系统内部，覆盖每道排水通道与防水薄弱处，最大程度地提高了加热效率，杜绝冻害的发生。
本发明的有益效果主要表现在：可靠性较高，适用性较强，节能环保效益突出。
附图说明
图1是隧道横洞地埋换热管布置示意图，其中，1-钻孔壁；2-地埋换热管；3-钻孔填料；4-集热管；5-进水管；6-回水总管；7-接入(表示循环水泵将集热管中的水送入供热总管中)；8-供热总管；9-循环水泵；10-横洞；11-初衬；12-二衬；13-路面。
图2是供热管加热的隧道环向排水系统布置展开图(箭头表示热水流向)，其中，6-回水总管；8-供热总管；11-初衬；14-环向导水管；15-供热支管；16-墙踵；17-边墙；18-拱脚线；19-拱部；20-隧道中线。
图3是供热管加热的隧道环向排水系统平面图，其中，6-回水总管；8-供热总管；11-初衬；14-环向排水管；15-供热支管；21-纵向排水盲管；22-横向排水管；23-防水层；24-主洞。
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3，一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统，包括换热系统和供热系统，在隧中横通道内径向辐射状钻孔埋设地埋换热管2，所述地埋换热管2的进出口及进水管5、集热管4设在初衬11后，形成全断面的埋管取热系统；所述进水管5连接所述地埋换热管2的进口，所述地埋换热管2的出口则接入所述集热管4，所述集热管4汇集各组换热管的热水后接入热泵(即循环水泵9)，热泵将热水送入供热总管8，所述供热总管8接入隧道洞口低温段设于环向和纵向排水系统内部的供热支管15，供热完成的水汇入回水总管6中，进入下一次与地埋管换热和加热排水系统的循环。
进一步，所述钻孔呈单U布置或双U布置。
再进一步，向每道环向排水管14内部通入环向供热支管。
优选的，防水层23与初衬11喷混之间的空隙等间距的布设环向供热支管。
所述环向供热支管在初衬边墙处接入纵向排水盲管21，纵向排水盲管21多为直径100mm的双壁打孔波纹管，将供热总管8设于隧道一侧纵向排水盲管内，隧道环向供热管穿入盲管与供热总管相连；回水总管6设于另一侧纵向排水盲管内，保护换热管的同时可以加热保温纵向排水盲管。
供热总管与出水总管通过设于横向排水管中的供热支管相连，出水总管汇集加热环向排水系统后的水，进入下一次换热-加热保温循环；纵向排水盲管通过横向排水管与中心水沟或双侧水沟联通。
本实施例中，根据隧址地温条件，在隧内适宜位置处的横通道内径向辐射状钻孔埋设换热管，根据工程环境和保温要求确定换热量，从而确定钻孔数量、深度、辐距和换热管的长度(钻孔内单U布置或双U布置等)，钻孔数量越多，换热管长度越长，换热量越大，换热效率越高。为获得更好的换热效果，将各组换热管的进出口及进水管、集热管设在初衬后。隧道横洞围岩与初衬稳定后，在洞壁指定位置钻孔，并放入换热管，换热管单U型或双U型布置，然后回填钻孔，回填料可根据相关规范及工程实际选择。为保证换热效率，按《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2009)，每组换热管有效换热部分的间距应在3-6m。横洞仰拱位置设地埋换热管，进水管与集热管可以设在初衬后，也可设于横向排水沟中并通过横向排水管与洞墙换热管相连，形成全断面的埋管取热系统(图1仅给出了前一种布置方式的示意图)。进水管连接地埋换热管的进口，地埋换热管的出口则接入集热管，集热管汇集各组地埋换热管的热水后接入热泵。系统的换热量取决于地温值，因此当隧道围岩温度不够高时，可以通过热泵将集热管中的水二次加热后供给加热段。热泵将热水送入供热总管，总管接入隧道洞口低温段的供热管路。供热完成后，冷却的水汇入回水总管中，进入下一次与地埋管换热和加热排水系统的循环，如图1所示，图中深灰色表示温度较高的水，浅灰色表示温度较低的水。
洞口段开挖喷混后，进行环向排水管、地埋供热管、防水板等的布设施工。横通道内经地埋换热管换热和热泵加热的水自供热总管接入隧道主洞低温段排水系统进行加热保温。将供热总管分流，向每道环向排水管内部通入环向供热支管，且由于防水层与初衬喷混之间的空隙也是环向排水的通道，因此该部位也宜等间距的布设环向供热支管，间距依据换热能力和供热负荷而定，如图2所示。环向供热管在初衬边墙处接入纵向排水盲管，纵向排水盲管多为直径100mm的双壁打孔波纹管，而换热管直径较小，如20mm的PE-RT地暖管，可直接将供热总管设于隧道一侧纵向排水盲管内，隧道环向供热管穿入盲管与供热总管相连。回水总管设于另一侧纵向排水盲管内，保护换热管的同时可以加热保温纵向排水盲管。如图2、3所示，图2中的箭头表示热水流动方向。供热总管与回水总管还可通过设于横向排水管中的供热支管相连。回水总管汇集加热环向排水系统后的水，进入下一次换热-加热保温循环。纵向排水盲管通过横向排水管与中心水沟或双侧水沟联通，地埋换热管通过这样的连接方式，也可实现对中心水沟或双侧水沟的加热保温。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
Claims (5)
1.一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统，包括换热系统和供热系统，其特征在于，在隧中横通道内径向辐射状钻孔埋设地埋换热管，所述地埋换热管的进出口及进水管、集热管设在初衬后，形成全断面的埋管取热系统；所述进水管连接所述地埋换热管的进口，所述地埋换热管的出口则接入所述集热管，所述集热管汇集各组换热管的热水后接入热泵，热泵将热水送入供热总管，所述供热总管接入供热支管，所述供热支管设于隧道洞口低温段的环向和纵向排水系统内部，供热完成的水汇入回水总管中，进入下一次与地埋管换热和加热排水系统的循环。
2.如权利要求1所述的一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统，其特征在于，所述地埋换热管布置于横洞中，所述钻孔呈单U布置或双U布置。
3.如权利要求1或2所述的一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统，其特征在于，向每道环向排水管内部通入环向供热支管，防水层与初衬喷混之间的空隙等间距的布设环向供热支管。
4.如权利要求3所述的一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统，其特征在于，所述环向供热支管在初衬边墙处接入纵向排水盲管，纵向排水盲管为直径100mm的双壁打孔波纹管，将供热总管设于隧道一侧纵向排水盲管内，隧道环向供热管穿入盲管与供热总管相连；出水总管设于另一侧纵向排水盲管内，保护换热管的同时可以加热保温纵向排水盲管。
5.如权利要求3所述的一种利用地热的寒区隧道防排水系统地埋换热管加热系统，其特征在于，供热总管与出水总管通过设于横向排水管中的供热支管相连，出水总管汇集加热环向排水系统后的水，进入下一次换热-加热保温循环；纵向排水盲管通过横向排水管与中心水沟或双侧水沟联通。
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