CN112228119B - 超高地温隧道支护结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高地温隧道支护结构，属于隧道支护技术领域，初期支护结构中的初衬层施做于围岩表面，防水层施做于初衬层，热交换层设置于防水层的内部，热交换层内设有钢管网；后期支护结构中的隔热层施做于防水层，二次衬砌层施做于隔热层；热能回收机构包括支撑组件、散热组件和回收组件；太阳能发电机构与热能回收机构电性连接，太阳能发电机构中的第二安装架固定安装于开设隧道的山体上，太阳能电池板固定安装于第二安装架，太阳能控制器电性连接于太阳能电池板，蓄电池电性连接于太阳能控制器，太阳能逆变器电性连接于蓄电池。实现对支护结构的降温，散热，提高支护结构的使用寿命。

Description

超高地温隧道支护结构

技术领域

本发明涉及隧道支护技术领域，具体而言，涉及一种超高地温隧道支护结构及施工方法。

背景技术

随着国家交通建设的大力发展，隧道工程及相关地下工程逐渐向长、大、深方向发展，高地温病害也逐步成为了隧道工程面临的一大难题。超高地温的存在会对隧道工程施工建设及建成运营产生一系列不利影响。一方面，超高温会影响隧道支护结构物理力学参数，且隧道结构内外侧温度的不均匀分布会使得结构产生较大的温度应力，最终导致隧道结构承载能力和耐久性的大幅降低。另一方面，过高的环境温度会导致洞内机具机械工作条件恶化、工作效率降低，易使洞内设备故障频发，大幅提高运营成本。目前的高温隧道主要通过设置隔热层来进行温度的隔绝，未考虑支护结构的散热功能。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供了种超高地温隧道支护结构及施工方法，旨在改善目前的高温隧道主要通过设置隔热层来进行温度的隔绝，未考虑支护结构的散热功能的问题。

本发明是这样实现的：本发明提供一种超高地温隧道支护结构，包括初期支护结构、后期支护结构、热能回收机构和太阳能发电机构，其中，初期支护结构实现对围岩的初期支护，而且初期支护结构内设有热交换层，可以把围岩的温度传递出来，实现对隧道支护结构的降温、散热，后期支护结构实现对初期支护结构的支护，二者构成隧道的整个支护结构，热能回收机构实现把初期支护结构内交换出的热量进行回收利用，太阳能发电机构利用太阳能产生电能，为隧道维护保养等提供电能，节约能源。

所述初期支护结构包括初衬层、热交换层、防水层和锚杆，所述初衬层施做于围岩表面，所述防水层施做于所述初衬层远离围岩的一面，所述热交换层设置于所述防水层的内部，所述热交换层内均匀的设置有钢管网，所述锚杆的端部与所述钢管网固定连接在一起，所述锚杆的锚头插接于围岩内。

所述后期支护结构包括二次衬砌层和隔热层，所述隔热层施做于所述防水层远离所述初衬层的一面，所述二次衬砌层施做于所述隔热层远离所述防水层的一面。

所述热能回收机构与所述热交换层连通，所述热能回收机构包括支撑组件、散热组件和回收组件，所述散热组件设置于所述支撑组件上，所述回收组件设置于所述散热组件上。

所述太阳能发电机构与所述热能回收机构电性连接，所述太阳能发电机构包括第二安装架、太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池和太阳能逆变器，所述第二安装架固定安装于开设隧道的山体上，所述太阳能电池板固定安装于所述第二安装架，所述太阳能控制器电性连接于所述太阳能电池板，所述蓄电池电性连接于所述太阳能控制器，所述太阳能逆变器电性连接于所述蓄电池。

在本发明的一种实施例中，所述支撑组件包括安装板、第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板固定安装于所述安装板的一端，所述第二支撑板固定安装于所述安装板远离所述第一支撑板的一侧。

在本发明的一种实施例中，所述散热组件包括筒体、散热管、第一泵体、第一出水管和第一进水管，所述筒体固定安装于所述第一支撑板和所述第二支撑板之间，所述散热管固定安装于所述筒体内，所述第一泵体的进口与所述散热管的一端连通，所述第一泵体固定安装于所述安装板，所述第一出水管与所述第一泵体的出口连通，所述第一出水管远离所述第一泵体的一端与所述第一进水管连通，所述第一进水管与所述散热管远离所述第一泵体的一端连通。

在本发明的一种实施例中，所述回收组件包括第一安装架、电机、扇叶和第一换热器，所述第一支撑板上开设有进气孔，所述第一安装架固定安装于所述进气孔，所述进气孔与所述筒体的内部连通，所述电机固定安装于所述第一安装架的一侧，所述扇叶固定安装于所述电机的输出轴端部，所述扇叶设置于所述第一安装架远离所述电机的一侧，所述第一换热器的入口与所述筒体远离所述扇叶的一端连通，所述第一换热器固定安装于所述安装板远离所述第一支撑板的一端。

在本发明的一种实施例中，所述安装板远离所述第一支撑板和所述第二支撑板的一面固定有底座。

在本发明的一种实施例中，所述进气孔远离所述第一安装架的一侧固定有防尘网。

在本发明的一种实施例中，所述初衬层由多孔泡沫混凝土构成，所述热交换层由少孔泡沫混凝土构成。

在本发明的一种实施例中，所述初衬层和所述二次衬砌层内均加入钢纤维。

在本发明的一种实施例中，所述防水层由纳米复合陶瓷材料构成。

在本发明的一种实施例中，所述隔热层由硅酸盐复合隔热材料和硬质聚氨酯隔热材料构成。

在本发明的一种实施例中，所述散热管为螺旋型设计，所述散热管为铜管。

在本发明的一种实施例中，所述初期支护结构和所述后期支护结构在长度方向上分为若干组热交换模块，所述热交换模块包括隔离层、第二泵体、第二进水管、第二出水管、第三泵体、第三进水管和第三出水管，相邻的两组所述热交换模块之间通过所述隔离层分开，所述第二进水管的一端与所述第二泵体的进口连通，所述第二进水管的另一端与所述第一出水管连通，所述第二出水管的一端与所述第二泵体的出口连通，所述第二出水管的另一端与所述钢管网的入口连通，所述钢管网的出口与所述第三进水管的一端连通，所述第三进水管的另一端与所述第三泵体的进口连通，所述第三泵体的出口与所述第三出水管的一端连通，所述第三出水管的另一端与所述第一进水管连通。

在本发明的一种实施例中，所述第二进水管上安装有第一连接头，所述第二出水管上安装有第二连接头，所述第三进水管上安装有第三连接头，所述第三出水管上安装有第四连接头。

在本发明的一种实施例中，所述热交换模块上设置有备用模块，所述备用模块包括冷风机、排风机、第一排气管、第二排气管和第二换热器，所述冷风机的出口与所述第二出水管远离所述钢管网的一端连通，所述第三进水管远离所述钢管网的一端与所述排风机的进口连通，所述排风机的出口与所述第一排气管的一端连通，所述第一排气管的另一端与所述第二排气管连通，所述第二排气管与所述第二换热器的入口连通，所述第二换热器安装于隧道外侧。

在本发明的一种实施例中，所述钢管网为六边形网状设计。

在本发明的一种实施例中，所述钢管网由空心钢管构成，钢管的直径为60-70mm。

在本发明的一种实施例中，所述第一出水管靠近所述散热管的一侧连通有加水管。

在本发明的一种实施例中，所述热交换层的内部两侧均设置有温度测试探头，所述温度测试探头信号连接有数据收集仪器，所述数据收集仪器固定安装于所述二次衬砌层的外侧。

作为本发明的另一目的，还提供了一种超高地温隧道支护结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：隧道开挖出渣完成后，首先在隧道围岩长度方向测量出一端距离，然后在围岩测量出的长度距离两侧设置隔离层，然后往两个隔离层之间围岩的内表面进行初衬层的初喷，使初衬层全面覆盖围岩；

步骤二：然后对初衬层的外表面进行防水层的喷射，使防水层全面覆盖初衬层；

步骤三：然后在防水层的外表面铺设预先制作好的钢管网，使钢管网全面覆盖防水层，然后在防水层上通过锚杆钻机在钢管网周围向围岩内打孔，孔打好后把锚杆插入到孔内，锚杆的锚头插入到围岩内，锚杆的端盖固定在钢管网上，然后对锚杆进行注浆，然后在防水层内均匀的安装上多个温度测试探头，温度测试探头上带有引出导线，然后在钢管网上再次喷射防水层，使防水层覆盖钢管网，进而钢管网设置在两个防水层的中间；

步骤四：然后在防水层的外表面上喷射隔热层，隔热层全面覆盖防水层；

步骤五：然后在隔热层的外表面喷射二次衬砌层，使二次衬砌层全面覆盖隔热层，进而一个支护结构完成，依此工序在整个隧道的长度方向上制作多个支护结构；

步骤六：整个隧道内的支护结构制作完成后，在隧道内部底端靠近二次衬砌层的两侧分别铺设第一出水管和第一进水管，第一出水管的进水口与热能回收机构的出口连通，第一出水管远离热能回收机构的一端与第一进水管连通，第一进水管的出水口与热能回收机构的进口连通，热能回收机构设置在隧道的外侧；

步骤七：然后把第二泵体的进口和第二进水管连通，第二进水管和第一出水管连通，第二泵体的出口和第二出水管连通，第二出水管的另一端和钢管网的进口连通，钢管网的出口和第三进水管连通，第三进水管的另一端和第三泵体的进口连通，第三泵体通过第三出水管和第一进水管连通，进而热能回收机构、第一出水管、第二泵体、钢管网、第三泵体和第一进水管之间形成了一个水循环回路，通过回路中水的流动把隧道内的热量导出，实现散热、降温；

步骤八：在二次衬砌层的外侧固定数据收集仪器，数据收集仪器通过引出导线与温度测试探头连接，用于收集统计温度测试探头监测隧道内部温度数值；

步骤九：在隧道内部靠近第一进水管的一侧附近埋设有第二排气管，排气管的出口连通有第二换热器，第二换热器设置在隧道外侧，第二排气管上连通有多个第一排气管，第一排气管的进口设置于第三泵体附近，当钢管网受到损坏断裂导致内部水流外泄时，不能通过水流进行热量传递，把钢管网进口处的第二泵体换成冷风机，钢管网的出口与排风机的入口连通，排风机的出口与预留的第一排气管连通，通过冷风机向损坏的钢管网内吹入冷气，利用冷气进行隧道内降温，然后升温后的气体由钢管网的出口进入第一排气管，然后进入到第二排气管，最后进入第二换热器进行热量回收，此时冷风机、钢管网、排风机、第一排气管、第二排气管和第二换热器之间形成气体循环回路，利用气体进行对隧道降温，气路循环降温作为水路循环降温损坏后的备用措施。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的一种超高地温隧道支护结构及施工方法，通过在初期支护结构内设有热交换层，热交换层内设置有钢管网，钢管网内流动有水，通过水的流动把围岩传递给初期支护结构的热量吸收带走，然后由热能回收机构散发到隧道外，进而实现对支护结构的降温，散热，提高支护结构的使用寿命；

同时在开设隧道的山体上通过第二安装架固定有太阳能电池板，太阳能电池板吸收太阳能转化成电能，然后把电能传递给太阳能控制器，太阳能控制器把电能稳定后传递给蓄电池，需要用电时，蓄电池把电能传递到太阳能逆变器，太阳能逆变器把电能转化成交流电，然后供各个电器使用，利用太阳能发电来为隧道的日常维护、维修以及工作人员的日常用电等提供电能，节能环保，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的支护结构截面图；

图2为本发明实施方式提供的热能回收机构结构示意图一；

图3为本发明实施方式提供的热能回收机构结构示意图二；

图4为本发明实施方式提供的热能回收机构结构示意图三；

图5为本发明实施方式提供的太阳能发电机构结构示意图；

图6为本发明实施方式提供的支护结构立体结构示意图；

图7为本发明实施方式提供的支护结构底端结构示意图；

图8为本发明实施方式提供的热交换模块工作流程示意图；

图9为本发明中图8的A处放大图；

图10为本发明中图8的B处放大图；

图11为本发明实施方式提供的备用模块工作流程示意图；

图12为本发明中图11的C处放大图；

图13为本发明中图11的D处放大图。

图中：100-初期支护结构；110-初衬层；120-热交换层；121-钢管网；122-温度测试探头；123-数据收集仪器；130-防水层；140-锚杆；200-后期支护结构；210-二次衬砌层；220-隔热层；300-热能回收机构；310-支撑组件；311-安装板；3111-底座；312-第一支撑板；3121-进气孔；3122-防尘网；313-第二支撑板；320-散热组件；321-筒体；322-散热管；323-第一泵体；324-第一出水管；3241-加水管；325-第一进水管；330-回收组件；331-第一安装架；332-电机；333-扇叶；334-第一换热器；400-太阳能发电机构；410-第二安装架；420-太阳能电池板；430-太阳能控制器；440-蓄电池；450-太阳能逆变器；500-热交换模块；510-隔离层；520-第二泵体；530-第二进水管；531-第一连接头；540-第二出水管；541-第二连接头；550-第三泵体；560-第三进水管；561-第三连接头；570-第三出水管；571-第四连接头；600-备用模块；610-冷风机；620-排风机；630-第一排气管；640-第二排气管；650-第二换热器。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

请参阅图1和图5，本发明提供一种技术方案：一种超高地温隧道支护结构，包括初期支护结构100、后期支护结构200、热能回收机构300和太阳能发电机构400，其中，初期支护结构100实现对围岩的初期支护，而且初期支护结构100内设有热交换层120，可以把围岩的温度传递出来，实现对隧道支护结构的降温、散热，后期支护结构200实现对初期支护结构100的支护，二者构成隧道的整个支护结构，热能回收机构300实现把初期支护结构100内交换出的热量进行回收利用，太阳能发电机构400利用太阳能产生电能，为隧道维护保养等提供电能，节约能源。

请参阅图1，初期支护结构100包括初衬层110、热交换层120、防水层130和锚杆140，初衬层110施做于围岩表面，具体的，初衬层110由多孔泡沫混凝土构成，热交换层120由少孔泡沫混凝土构成。多孔泡沫混凝土和少孔泡沫混凝土能起到良好的隔热功能，多孔泡沫混凝土和少孔泡沫混凝土的抗劈拉强度能提高50％以上，并且减少了多孔泡沫混凝土和少孔泡沫混凝土裂纹的产生，提高耐久性。防水层130施做于初衬层110远离围岩的一面。具体的，防水层130由纳米复合陶瓷材料构成，纳米符合陶瓷材料是将纳米级陶瓷颗粒、晶须、纤维等引入陶瓷母体，以改善陶瓷的性能而制造的复合型材料，其提高了母体材料的室温力学性能，改善了高温性能，具有较高的耐高温、防水特性。

请参阅图1，热交换层120设置于防水层130的内部，热交换层120内均匀的设置有钢管网121，在具体设置时，钢管网121为六边形网状设计(如图8)，钢管网121由空心钢管构成，钢管的直径为60-70mm，整个钢管网121由六边形的钢管组成网状，然后铺设在整个热交换层120内，起到上部棚架作用，与衬砌协同受力，可有效提高初期支护结构100的整体刚度，增强了初期支护结构100的衬砌刚度和受力性能，提高了长期高温作用下隧道衬砌结构的安全性和耐久性。同时锚杆140的端部与钢管网121固定连接在一起，锚杆140的锚头插接于围岩内，锚杆140和钢管网121固定连接在一起，进一步增强钢管网121的强度和稳定性，同时增加锚杆140的锚拉力，二者相互作用，提高整个隧道衬砌结构的安全性和耐久性。

请参阅图1，后期支护结构200包括二次衬砌层210和隔热层220，隔热层220施做于防水层130远离初衬层110的一面，二次衬砌层210施做于隔热层220远离防水层130的一面；初衬层110和二次衬砌层210内均加入钢纤维，增强二者的结构强度。在具体设置时，隔热层220由硅酸盐复合隔热材料和硬质聚氨酯隔热材料构成，使其具有较好的隔热效果，能够把初期支护结构100的大部分热量与二次衬砌层210隔绝开，避免高温传递到二次衬砌层210对其造成损坏，导致整个二次衬砌层210牢固性和韧性受到破坏，隔热效果好。

请参阅图2、图3和图4，热能回收机构300与热交换层120连通，热能回收机构300包括支撑组件310、散热组件320和回收组件330，散热组件320设置于支撑组件310上，回收组件330设置于散热组件320上。

请参阅图5，太阳能发电机构400与热能回收机构300电性连接，太阳能发电机构400包括第二安装架410、太阳能电池板420、太阳能控制器430、蓄电池440和太阳能逆变器450，第二安装架410通过螺钉固定安装于开设隧道的山体上，太阳能电池板420通过螺栓固定安装于第二安装架410上，太阳能控制器430通过导线电性连接于太阳能电池板420，蓄电池440通过导线电性连接于太阳能控制器430，太阳能逆变器450通过导线电性连接于蓄电池440，蓄电池440、太阳能控制器430和太阳能逆变器450设置在开设隧道的山体下侧，方便为各种电器供电，同时也方便对它们进行后期的维护管理。

请参阅图5，太阳能电池板420吸收太阳能转化成电能，然后把电能传递给太阳能控制器430，太阳能控制器430把电能稳定后传递给蓄电池440，需要用电时，蓄电池440把电能传递到太阳能逆变器450，太阳能逆变器450把电能转化成交流电，然后供各个电器使用，利用太阳能发电来为隧道的日常维护、维修以及工作人员的日常用电等提供电能，节能环保，降低成本。

请参阅图2、图3和图4，在本发明的一种实施例中，支撑组件310包括安装板311、第一支撑板312和第二支撑板313，第一支撑板312通过螺栓固定安装于安装板311的上面一端，第二支撑板313通过螺栓固定安装于安装板311的上面中间，三者构成一个支撑体，此支撑体用于安装固定散热组件320。

请参阅图2、图3和图4，在本发明的一种实施例中，散热组件320包括筒体321、散热管322、第一泵体323、第一出水管324和第一进水管325，筒体321为两端开口的圆筒，筒体321为金属材质如铸铁，筒体321的筒壁内设置有保温层，减少筒体321内热量向外散发，避免热量浪费，起到保温作用，筒体321通过焊接固定安装于第一支撑板312和第二支撑板313之间，散热管322固定安装于筒体321内，散热管322为铜管且呈螺旋形设计，铜管的导热效率高，可以把散热管322内高温水中的热量高效率的散发出来，散热管322呈螺旋形设计增大散热管322单位体积内的长度，提高散热效率，第一泵体323的进口与散热管322的一端连通，第一泵体323通过螺栓固定安装于安装板311的上面中间，第一泵体323设置在筒体321的外侧下端，第一出水管324与第一泵体323的出口连通，第一出水管324远离第一泵体323的一端与第一进水管325连通，第一进水管325与散热管322远离第一泵体323的一端连通。进而第一进水管325、第一泵体323、散热管322和第一出水管324形成水循环回路，进而热交换层120内的热量由上述水循环回路传递出并散发出气，实现对支护结构的散热。

请参阅图8，在本发明的一种实施例中，第一出水管324靠近散热管322的一侧连通有加水管3241，加水管3241与外界水源连通，当第一进水管325、第一泵体323、散热管322和第一出水管324形成水循环回路中的水较少时，通过加水管3241往循环回路中添加水，实现对循环水路水分的补充。

请参阅图2、图3和图4，在本发明的一种实施例中，回收组件330包括第一安装架331、电机332、扇叶333和第一换热器334，第一支撑板312上开设有进气孔3121，第一安装架331通过焊接固定安装于进气孔3121，进气孔3121与筒体321的内部连通，电机332通过螺栓固定安装于第一安装架331的外侧，扇叶333通过螺纹固定安装于电机332的输出轴端部，扇叶333设置于第一安装架331远离电机332的一侧，第一换热器334的入口与筒体321远离扇叶333的一端连通，第一换热器334固定安装于安装板311远离第一支撑板312的一端。散热管322散发出的热量进入到筒体321内，然后电机332带动扇叶333旋转，进而扇叶333向筒体321内吹风，进而筒体321内的热量随空气流动进入到第一换热器334内，然后第一换热器334对高温气体中的热量进行回收利用，避免热量的浪费，同时避免热量排放到外界环境中造成环境污染。

请参阅图3和图4，在具体设置时，安装板311远离第一支撑板312和第二支撑板313的一面通过螺栓固定有底座3111，底座3111设置在安装板311的下面四角位置，提高安装板311整体安装后的牢固性和稳定性，需要说明的是，进气孔3121远离第一安装架331的一侧固定有防尘网3122，避免外界的灰尘等杂质随空气进入到筒体321内的散热管322，避免灰尘覆盖到散热管322上对散热管322的散热效率造成影响，起到防尘、保护作用。

请参阅图6-10，在本发明的一种实施例中，初期支护结构100和后期支护结构200在长度方向上分为若干组热交换模块500，热交换模块500包括隔离层510、第二泵体520、第二进水管530、第二出水管540、第三泵体550、第三进水管560和第三出水管570，相邻的两组热交换模块500之间通过隔离层510分开，隔离层510用于把两个相邻的初期支护结构100和后期支护结构200隔开，避免其中一个损坏后对相邻的造成影响，起到隔离、保护作用，第二进水管530的一端与第二泵体520的进口连通，第二进水管530的另一端与第一出水管324连通，第二出水管540的一端与第二泵体520的出口连通，第二出水管540的另一端与钢管网121的入口连通，钢管网121的出口与第三进水管560的一端连通，第三进水管560的另一端与第三泵体550的进口连通，第三泵体550的出口与第三出水管570的一端连通，第三出水管570的另一端与第一进水管325连通。

请参阅图9、图10、图12和图13，在具体设置时，第二进水管530上安装有第一连接头531，方便第二进水管530与第二泵体520快速连接和拆分，第二出水管540上安装有第二连接头541，方便第二出水管540与第二泵体520快速连接和拆分，第三进水管560上安装有第三连接头561，第三进水管560与第三泵体550快速连接和拆分，第三出水管570上安装有第四连接头571，方便第三出水管570与第三泵体550快速连接和拆分，方便提高工作效率，热交换模块500和备用模块600的快速替换，提高工作效率，方便工作。

请参阅图7、图11、图12和图13，在本发明的一种实施例中，热交换模块500上设置有备用模块600，备用模块600包括冷风机610、排风机620、第一排气管630、第二排气管640和第二换热器650，冷风机610的出口与第二出水管540远离钢管网121的一端连通，第三进水管560远离钢管网121的一端与排风机620的进口连通，排风机620的出口与第一排气管630的一端连通，冷风机610和排风机620均设置在隧道内侧的二次衬砌层210附近，第一排气管630的另一端与第二排气管640连通，第二排气管640与第二换热器650的入口连通，第二换热器650安装于隧道外侧，第二换热器650用于回收第二排气管640排出高温气体的热量，节能环保。

请参阅图8，在具体设置时，热交换层120的内部两侧均设置有温度测试探头122，温度测试探头122信号连接有数据收集仪器123，数据收集仪器123固定安装于二次衬砌层210的外侧。当隧道支护结构的一部分钢管网121受到损坏后，该部分散热功能受到破坏，支护结构温度升高，该部分内部的温度测试探头122探测到温度升高，然后把温度信息传递给隧道外侧的数据收集仪器123，数据收集仪器123根据接收的温度信号做出判断，超出预定数值给工作人员发射报警信息，工作人员收到报警信息后对该部分进行处理，需要把受到损坏支护结构所对应的热交换模块500用备用模块600进行替换。

钢管网121内通过流动的水来带走热交换层120上的热量，实现热交换，但是安装在初期支护结构100内的钢管网121在长时间的使用下受到腐蚀、自身材质缺陷或地壳运动、地质灾害(如地震)等原因会导致钢管网121受到破损，如果继续使用水流进行热传递，钢管网121内的水会从破损处流出，流到热交换层120内，流出的水会对混凝土进行侵蚀，造成隔热材料失效，结构渗水，大大降低整个支护结构的牢固性和耐用性；

由于目前隧道支护的热交换结构都是整体设计，当局部受到损坏时只能对停止整个热交换系统，然后对损坏部位进行维修，由于隧道长度长，维修时需要逐一对隧道的各个部分进行排查，以便找出被损坏的部位，导致排查困难，工作效率低，而且由于热交换系统都是设置在支护结构的内侧，对其进行维修时需要把支护结构的外侧去掉才能对内侧受损部位进行维修，工作量大，维修困难，维修成本高；

针对上述问题本发明把整个隧道分成若干部分，每部分都设置热交换模块500，每个热交换模块500都设有备用模块600解决上述问题，具体操作如下：

隧道没有损坏正常运营时候，第二泵体520的进口和第二进水管530连通，第二进水管530和第一出水管324连通，第二泵体520的出口和第二出水管540连通，第二出水管540的另一端和钢管网121的进口连通，钢管网121的出口和第三进水管560连通，第三进水管560的另一端和第三泵体550的进口连通，第三泵体550通过第三出水管570和第一进水管325连通，进而热能回收机构300、第一出水管324、第二泵体520、钢管网121、第三泵体550和第一进水管325之间形成了一个水循环回路，通过回路中水的流动把隧道内的热量导出，实现散热、降温，隧道的支护结构通过隔离层510分成多个部分，每个部分互不影响，各自都通过热交换模块500与热能回收机构300之间进行热交换。

当隧道支护结构的一部分钢管网121受到损坏后，该部分散热功能受到破坏，支护结构温度升高，该部分内部的温度测试探头122探测到温度升高，然后把温度信息传递给隧道外侧的数据收集仪器123，数据收集仪器123根据接收的温度信号做出判断，超出预定数值给工作人员发射报警信息，工作人员收到报警信息后对该部分进行处理，需要把受到损坏支护结构所对应的热交换模块500用备用模块600进行替换；

替换过程是：首先，把热交换模块500上的第二泵体520与第二进水管530和第二出水管540分离开，进而钢管网121的进口与第一出水管324分开，进而第一出水管324内的水无法进入到钢管网121内，然后通过第三泵体550把钢管网121内存留的水全部抽出，然后把第三泵体550与第三进水管560和第三出水管570分离，进而钢管网121的出口与第一进水管325分离；进而实现钢管网121与热能回收机构300之间分离；

然后把备用模块600的冷风机610的出口与第二出水管540连通，进而实现冷风机610与钢管网121入口的连通，然后把排风机620的入口和第三进水管560连通，排风机620的出口与第一排气管630连通，进而排风机620实现与钢管网121出口的连通；

连接好后启动冷风机610，进而冷风机610通过第二出水管540向钢管网121内出入冷空气，冷空气进入到钢管网121后吸收钢管网121内的热量，热量损空气流动被排风机620抽出钢管网121，此时空气温度吸收热量增高，然后高温气体通过第一排气管630进入到第二排气管640，最后进入到第二换热器650，第二换热器650回收高温气体中的热量，然后把气体排向外界环境；

通过上述装置使受损的支护结构不再利用水流进行热交换，而改用气流进行热交换，空气通过破损的钢管网121泄露出不会对整个支护结构造成损坏，提高支护结构的使用寿命，而且从水流换热改变成气流换热只是在隧道外侧把第二泵体520和第三泵体550换成冷风机610和排风机620，结构简单，操作容易，无需对支护结构破坏进行维修，进行大大提高维修效率，降低维修成本，而且维修过程只是针对损坏部分的热交换模块500进行替换，其他没有损坏的部分正常工作，同时通过每个热交换模块500外侧的数据收集仪器123能够准确快速的得知支护结构损坏的部分，无需逐一排除、检查，大大提高工作效率。

作为本发明的另一目的，还提供了一种超高地温隧道支护结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：隧道开挖出渣完成后，首先在隧道围岩长度方向测量出一端距离，然后在围岩测量出的长度距离两侧设置隔离层510，然后往两个隔离层510之间围岩的内表面进行初衬层110的初喷，使初衬层110全面覆盖围岩；

步骤二：然后对初衬层110的外表面进行防水层130的喷射，使防水层130全面覆盖初衬层110；

步骤三：然后在防水层130的外表面铺设预先制作好的钢管网121，使钢管网121全面覆盖防水层130，然后在防水层130上通过锚杆140钻机在钢管网121周围向围岩内打孔，孔打好后把锚杆140插入到孔内，锚杆140的锚头插入到围岩内，锚杆140的端盖固定在钢管网121上，然后对锚杆140进行注浆，然后在防水层130内均匀的安装上多个温度测试探头122，温度测试探头122上带有引出导线，然后在钢管网121上再次喷射防水层130，使防水层130覆盖钢管网121，进而钢管网121设置在两个防水层130的中间；

步骤四：然后在防水层130的外表面上喷射隔热层220，隔热层220全面覆盖防水层130；

步骤五：然后在隔热层220的外表面喷射二次衬砌层210，使二次衬砌层210全面覆盖隔热层220，进而一个支护结构完成，依此工序在整个隧道的长度方向上制作多个支护结构；

步骤六：整个隧道内的支护结构制作完成后，在隧道内部底端靠近二次衬砌层210的两侧分别铺设第一出水管324和第一进水管325，第一出水管324的进水口与热能回收机构300的出口连通，第一出水管324远离热能回收机构300的一端与第一进水管325连通，第一进水管325的出水口与热能回收机构300的进口连通，热能回收机构300设置在隧道的外侧；

步骤七：然后把第二泵体520的进口和第二进水管530连通，第二进水管530和第一出水管324连通，第二泵体520的出口和第二出水管540连通，第二出水管540的另一端和钢管网121的进口连通，钢管网121的出口和第三进水管560连通，第三进水管560的另一端和第三泵体550的进口连通，第三泵体550通过第三出水管570和第一进水管325连通，进而热能回收机构300、第一出水管324、第二泵体520、钢管网121、第三泵体550和第一进水管325之间形成了一个水循环回路，通过回路中水的流动把隧道内的热量导出，实现散热、降温；

步骤八：在二次衬砌层210的外侧固定数据收集仪器123，数据收集仪器123通过引出导线与温度测试探头122连接，用于收集统计温度测试探头122监测隧道内部温度数值；

步骤九：在隧道内部靠近第一进水管325的一侧附近埋设有第二排气管640，第二排气管640的出口连通有第二换热器650，第二换热器650设置在隧道外侧，第二排气管640上连通有多个第一排气管630，第一排气管630的进口设置于第三泵体550附近，当钢管网121受到损坏断裂导致内部水流外泄时，不能通过水流进行热量传递，把钢管网121进口处的第二泵体520换成冷风机610，钢管网121的出口与排风机620的入口连通，排风机620的出口与预留的第一排气管630连通，通过冷风机610向损坏的钢管网121内吹入冷气，利用冷气进行隧道内降温，然后升温后的气体由钢管网121的出口进入第一排气管630，然后进入到第二排气管640，最后进入第二换热器650进行热量回收，此时冷风机610、钢管网121、排风机620、第一排气管630、第二排气管640和第二换热器650之间形成气体循环回路，利用气体进行对隧道降温，气路循环降温作为水路循环降温损坏后的备用措施。

需要说明的是，温度测试探头122、数据收集仪器123、第一泵体323、第二泵体520、第三泵体550、电机332、冷风机610、排风机620、太阳能控制器430、太阳能逆变器450、第一换热器334和第二换热器650具体的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。

温度测试探头122、数据收集仪器123、第一泵体323、第二泵体520、第三泵体550、电机332、冷风机610、排风机620、太阳能控制器430、太阳能逆变器450、第一换热器334和第二换热器650的供电及其原理对本领域技术人员来说是清楚的，在此不予详细说明。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超高地温隧道支护结构，其特征在于，包括初期支护结构（100），所述初期支护结构（100）包括初衬层（110）、热交换层（120）、防水层（130）和锚杆（140），所述初衬层（110）施做于围岩表面，所述防水层（130）施做于所述初衬层（110）远离围岩的一面，所述热交换层（120）设置于所述防水层（130）的内部，所述热交换层（120）内均匀的设置有钢管网（121），所述锚杆（140）的端部与所述钢管网（121）固定连接在一起，所述锚杆（140）的锚头插接于围岩内；后期支护结构（200），所述后期支护结构（200）包括二次衬砌层（210）和隔热层（220），所述隔热层（220）施做于所述防水层（130）远离所述初衬层（110）的一面，所述二次衬砌层（210）施做于所述隔热层（220）远离所述防水层（130）的一面；热能回收机构（300），所述热能回收机构（300）与所述热交换层（120）连通，所述热能回收机构（300）包括支撑组件（310）、散热组件（320）和回收组件（330），所述散热组件（320）设置于所述支撑组件（310）上，所述回收组件（330）设置于所述散热组件（320）上；太阳能发电机构（400），所述太阳能发电机构（400）与所述热能回收机构（300）电性连接，所述太阳能发电机构（400）包括第二安装架（410）、太阳能电池板（420）、太阳能控制器（430）、蓄电池（440）和太阳能逆变器（450），所述第二安装架（410）固定安装于开设隧道的山体上，所述太阳能电池板（420）固定安装于所述第二安装架（410），所述太阳能控制器（430）电性连接于所述太阳能电池板（420），所述蓄电池（440）电性连接于所述太阳能控制器（430），所述太阳能逆变器（450）电性连接于所述蓄电池（440）；所述支撑组件（310）包括安装板（311）、第一支撑板（312）和第二支撑板（313），所述第一支撑板（312）固定安装于所述安装板（311）的一端，所述第二支撑板（313）固定安装于所述安装板（311）远离所述第一支撑板（312）的一侧；所述散热组件（320）包括筒体（321）、散热管（322）、第一泵体（323）、第一出水管（324）和第一进水管（325），所述筒体（321）固定安装于所述第一支撑板（312）和所述第二支撑板（313）之间，所述散热管（322）固定安装于所述筒体（321）内，所述第一泵体（323）的进口与所述散热管（322）的一端连通，所述第一泵体（323）固定安装于所述安装板（311），所述第一出水管（324）与所述第一泵体（323）的出口连通，所述第一出水管（324）远离所述第一泵体（323）的一端与所述第一进水管（325）连通，所述第一进水管（325）与所述散热管（322）远离所述第一泵体（323）的一端连通；所述初期支护结构（100）和所述后期支护结构（200）在长度方向上分为若干组热交换模块（500），所述热交换模块（500）包括隔离层（510）、第二泵体（520）、第二进水管（530）、第二出水管（540）、第三泵体（550）、第三进水管（560）和第三出水管（570），相邻的两组所述热交换模块（500）之间通过所述隔离层（510）分开，所述第二进水管（530）的一端与所述第二泵体（520）的进口连通，所述第二进水管（530）的另一端与所述第一出水管（324）连通，所述第二出水管（540）的一端与所述第二泵体（520）的出口连通，所述第二出水管（540）的另一端与所述钢管网（121）的入口连通，所述钢管网（121）的出口与所述第三进水管（560）的一端连通，所述第三进水管（560）的另一端与所述第三泵体（550）的进口连通，所述第三泵体（550）的出口与所述第三出水管（570）的一端连通，所述第三出水管（570）的另一端与所述第一进水管（325）连通；所述热交换模块（500）上设置有备用模块（600），所述备用模块（600）包括冷风机（610）、排风机（620）、第一排气管（630）、第二排气管（640）和第二换热器（650），所述冷风机（610）的出口与所述第二出水管（540）远离所述钢管网（121）的一端连通，所述第三进水管（560）远离所述钢管网（121）的一端与所述排风机（620）的进口连通，所述排风机（620）的出口与所述第一排气管（630）的一端连通，所述第一排气管（630）的另一端与所述第二排气管（640）连通，所述第二排气管（640）与所述第二换热器（650）的入口连通，所述第二换热器（650）安装于隧道外侧；所述回收组件（330）包括第一安装架（331）、电机（332）、扇叶（333）和第一换热器（334），所述第一支撑板（312）上开设有进气孔（3121），所述第一安装架（331）固定安装于所述进气孔（3121），所述进气孔（3121）与所述筒体（321）的内部连通，所述电机（332）固定安装于所述第一安装架（331）的一侧，所述扇叶（333）固定安装于所述电机（332）的输出轴端部，所述扇叶（333）设置于所述第一安装架（331）远离所述电机（332）的一侧，所述第一换热器（334）的入口与所述筒体（321）远离所述扇叶（333）的一端连通，所述第一换热器（334）固定安装于所述安装板（311）远离所述第一支撑板（312）的一端。

2.根据权利要求1所述的一种超高地温隧道支护结构，其特征在于，所述安装板（311）远离所述第一支撑板（312）和所述第二支撑板（313）的一面固定有底座（3111）。

3.根据权利要求1所述的一种超高地温隧道支护结构，其特征在于，所述进气孔（3121）远离所述第一安装架（331）的一侧固定有防尘网（3122）。

4.根据权利要求1所述的一种超高地温隧道支护结构，其特征在于，所述初衬层（110）由多孔泡沫混凝土构成，所述热交换层（120）由少孔泡沫混凝土构成。

5.根据权利要求1所述的一种超高地温隧道支护结构，其特征在于，所述初衬层（110）和所述二次衬砌层（210）内均加入钢纤维。

6.根据权利要求1所述的一种超高地温隧道支护结构，其特征在于，所述防水层（130）由纳米复合陶瓷材料构成。

7.根据权利要求1所述的一种超高地温隧道支护结构，其特征在于，所述隔热层（220）由硅酸盐复合隔热材料和硬质聚氨酯隔热材料构成。