利用熱管技術(shù)和地源熱泵技術(shù)防治隧道凍害的研究

曹彥國，郭 勝，陳 娟

(1.天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300240;2.北京鐵路局，北京 100038)

1 寒區(qū)隧道凍害的防治措施及其問題

目前，我國已成為世界上隧道最多、隧道建設(shè)速度最快、隧道工程地質(zhì)問題最為復(fù)雜的國家之一。隨著我國進一步加強同中亞、東北亞地區(qū)的交流，位于寒區(qū)的交通隧道數(shù)量還會繼續(xù)增加，伴隨而來的隧道凍害問題會更多更加突出，探索科學(xué)防治隧道凍害的技術(shù)措施十分緊迫。

據(jù)統(tǒng)計，日本嚴(yán)寒地區(qū)的隧道發(fā)生凍害占日本全國隧道總數(shù)的34%;我國40個寒區(qū)的交通隧道中，只有16%的未發(fā)生凍害，存在凍害的占到60%，而嚴(yán)重凍害的占24% ，嚴(yán)重影響到人民生命財產(chǎn)安全。

目前隧道凍害的防治主要措施如表1所示?？梢钥闯?，目前更多采用的是簡單的被動措施，其出發(fā)點是想通過更多地排除隧道襯砌周圍地下水這個凍害的介質(zhì)、增加保溫隔熱材料以防止襯砌表面及內(nèi)部溫度的降低，但也有的工程技術(shù)人員進行了一些利用地層中熱量的熱管技術(shù)及地源熱泵技術(shù)的探討，這是今后具有進一步推廣應(yīng)用價值的措施。

從國內(nèi)多個寒區(qū)隧道如鷓鴣山隧道、梯子嶺隧道和昆侖山隧道等應(yīng)用情況分析來看，其保溫隔熱層的最好效果可以達到隔熱層內(nèi)外兩側(cè)的最大溫差可達10℃。也就是說，當(dāng)洞口段的最低氣溫在－10℃以上時，保溫隔熱層的作用效果較好。但嚴(yán)寒地區(qū)的年平均氣溫大都在0℃以下，即使采用保溫隔熱層也不能避免隧道凍害發(fā)生。其主要原因是，保溫材料本身并不產(chǎn)生熱量，只能減小或阻止熱量的傳播以緩解凍結(jié)速度。例如在大阪山隧道采用此項措施效果就不很理想。

表1 目前隧道凍害防治的主要措施情況

保溫水溝和中心深埋水溝措施，例如白卡爾隧道和西羅二號隧道，其運營不到10年就因嚴(yán)重凍害不得不進行大修。同時，中心深埋水溝在隧道施工和運營過程中還嚴(yán)重地破壞了隧道襯砌墻腳及仰拱下的力學(xué)約束條件，可能會影響整個隧道襯砌的穩(wěn)定性。雖然防寒泄水洞是寒區(qū)隧道防排水措施最好的選擇，但也存在著冰塞現(xiàn)象，同時也可能因過量排泄地下水而對生態(tài)環(huán)境造成永久損害。

防寒保溫門的設(shè)立必然會對隧道的運營造成影響，如果車流量很大時，其保溫效果將明顯下降。而高速鐵路隧道和高速公路隧道，要關(guān)閉防寒保溫門幾乎是不可能的。

國內(nèi)有一些隧道例如阿爾山公路隧道、七道梁公路隧道采用向排水溝通暖氣的措施，冬季每天送3遍氣，效果很好。長春至琿春高速公路的新交洞隧道在隧道全長范圍內(nèi)的二次襯砌與防水層之間設(shè)置了PTV電熱帶加熱襯砌，并在隧道兩側(cè)的下隅角設(shè)置高2 m、厚5 cm的巖棉保溫層，效果明顯。但是采用燃煤供熱顯然耗能大且不環(huán)保，而采用電加熱方法耗能大是其主要問題［3］。

通過以上分析可以得出，僅利用被動類型防寒措施是不能徹底根除隧道凍害的，必須更多地采取主動供暖加熱或主動供暖加熱與被動防寒相結(jié)合的辦法。

2 利用熱管技術(shù)防治寒區(qū)隧道凍害的探討

2.1 熱管的概念、基本構(gòu)造和工作原理

所謂的熱管是一種利用特殊物理現(xiàn)象(圖1)制成的新型高效傳熱部件，其主要功能是在管兩端溫差很小的情況下快速傳遞熱量。其相對導(dǎo)熱率是熱的良導(dǎo)體(如金屬銀)的1 000～10 000倍，有“熱流超導(dǎo)體”的美譽。

圖1 熱管物理原理試驗

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，這項發(fā)明于20世紀(jì)40年代的技術(shù)日益成熟，制造成本大幅降低，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，已不再限于航空航天等高科技領(lǐng)域，而是逐漸進入工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和和民用領(lǐng)域，小到電子技術(shù)方面、大到鍋爐，最常見的應(yīng)用是如空調(diào)與采暖。

熱管是一個封閉的空間，其內(nèi)部為真空，主要是由管殼、起毛細管作用的吸液芯以及傳遞熱能的工質(zhì)3個部分構(gòu)成，如圖2所示。

從熱的傳導(dǎo)方面可以將整個熱管分為蒸發(fā)段、冷凝段和絕熱段。在蒸發(fā)段(即如圖1中的酒精燈加熱部分)管壁和浸飽工質(zhì)的吸液芯受熱使液體工質(zhì)的溫度上升，液面蒸發(fā)，待達到飽和蒸氣壓時熱量以汽化潛熱方式傳給工質(zhì)蒸氣，在蒸氣壓作用下，工質(zhì)蒸氣沿管道快速向低壓(溫度較低)的冷凝段流動，并在冷凝段的氣液界面上冷凝，放出冷凝潛熱。放出的熱量從氣液界面通過充滿工質(zhì)的吸液芯和管壁傳給管外介質(zhì)。冷凝的液體通過吸液芯中形成的毛細虹吸作用快速回流到蒸發(fā)段，如此循環(huán)。為了能將更多的熱量從蒸發(fā)段傳送到冷凝段，在熱管中間一段的外壁進行絕熱處理，就是所謂的絕熱段。為了傳導(dǎo)更多的熱量，還發(fā)明了熱“二極管”，即保證熱量的單向高效傳導(dǎo)。

圖2 熱管結(jié)構(gòu)示意

2.2 熱管技術(shù)的工程應(yīng)用

在實際應(yīng)用中，熱管不都是水平放置的，而更多的是豎直或者是傾斜的(圖3)［5］。

圖3 利用熱管技術(shù)進行機場或道路融雪系統(tǒng)示意

由于熱管具有卓越的導(dǎo)熱性能，尤其是熱的傳導(dǎo)速度再加上絕熱段的設(shè)計，可在溫差很小的情況下實現(xiàn)較遠距離的傳遞熱量，這就為從狹窄的空間實現(xiàn)熱量向外傳遞，再加上可變熱導(dǎo)性和可變熱阻性、熱二極管和熱開關(guān)等技術(shù)的應(yīng)用，使熱傳遞效果更佳。

按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分，有低溫?zé)峁堋⒊責(zé)峁?、中溫?zé)峁?、高溫?zé)峁艿?，將工作溫度范圍在?0～120℃的熱管稱為低溫?zé)峁堋ｏ@然在交通工程及建筑領(lǐng)域應(yīng)用的熱管技術(shù)多為這種熱管。

圖3是利用地?zé)岬臒峁芗夹g(shù)進行地表積雪融化示意，其“L”形熱管的豎直管端可深入地表下18 m，間距以20 cm為宜，“L“形熱管的水平一端埋在公路表面的鋪路材料中。

美國曾在20世紀(jì)80年代應(yīng)用該項技術(shù)使橫貫阿拉斯加的1 259 km石油管線處于“永凍”狀態(tài)，共用去13萬根碳－氨熱管，熱管深入地表下15 m，地表上4.2 m，避免了夏天因凍土消融而引起管道彎曲開裂，應(yīng)用至今，此項技術(shù)在美國、日本、波蘭、瑞士、挪威、冰島及我國的機場、橋梁及山區(qū)公路彎道冬季融雪廣泛采用［6－10］，前蘇聯(lián)開始也再此項技術(shù)研究上取得一定成果［11－12］。

同理，青藏鐵路、青藏公路都有一段是處于多年凍土地段，為防止因凍土消融而引起鐵路路基的沉降，在青藏鐵路線的路基兩旁每隔2.8～3.3 m設(shè)一根熱管，熱管深入地表以下5～9 m，從而將地層中的熱量傳導(dǎo)到熱管的上端發(fā)散到空氣中(圖4)，保持路基處于“永凍”狀態(tài)。每根熱管的有效作用范圍大約為1.7 m;而在青藏公路550多km的多年凍土段的道路兩邊共安裝了18 200根低溫?zé)峁埽?1－13］。

圖4 青藏鐵路熱管構(gòu)造及散熱部(單位:m)

2.3 應(yīng)用熱管技術(shù)防止隧道凍害

日本東北新干線的箕輪隧道應(yīng)用熱管技術(shù)防治隧道凍害的案例。它是從隧道邊墻底部以20°的夾角斜向?qū)峁艽蛉氲貙又? m多深作為蒸發(fā)段，利用其散熱來加熱襯砌的冷凝段則彎曲成襯砌的形狀，長度為4 m。為了充分發(fā)揮加熱效果，對每根熱管的冷凝段均用隔熱保溫材料做成1.0 m×0.4 m的槽形板反扣熱管［1］。

位于河北省青龍縣內(nèi)的秦青公路梯子嶺隧道，1972年改建后隧道長1 142.72 m，冬季隧道凍害十分嚴(yán)重。在最冷的時候洞口處的凍結(jié)深度達到了近2 m，洞內(nèi)的最小凍結(jié)深度也近1 m。考慮比照日本箕輪隧道同樣的熱管技術(shù)，如果不考慮熱管長期作用對地層溫度的影響，洞口處熱管的蒸發(fā)段只要達到隧道墻腳以下7 m，其中5 m為加熱段;而散熱段可選用4 m;這樣一根熱管長度約為11 m。

3 應(yīng)用地源熱泵型供熱系統(tǒng)加熱防治隧道凍害

3.1 地源熱泵的概念、原理及其系統(tǒng)構(gòu)成

地源熱泵是一種利用淺層地?zé)崮茉?也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等的能量)的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能技術(shù)。其原理是分別在冬季將地層(水)中熱量作為熱泵供熱的熱源、夏季制冷的冷源，供給室內(nèi)采暖和制冷。通常地源熱泵消耗1 kW·h的能量，用戶可以得到4 kW·h以上的熱量或冷量。其概念最早是1912年由瑞士的專家提出，上升到技術(shù)層面始于英、美，廣泛應(yīng)用于北歐等國家。其典型的特點是熱源可選、自動運行、成本低廉、維護方便，使用壽命可達50年。目前在國內(nèi)民居和工業(yè)廠房應(yīng)用較多。

民用的地源熱泵系統(tǒng)由以室外系統(tǒng)(取熱段)、室內(nèi)系統(tǒng)(加熱段)、機房系統(tǒng)(熱泵和分集水管路)3部分組成。其中室外系統(tǒng)主要由地埋管、地埋管填料組成。地埋管是室外地下?lián)Q熱器，就是讓水通過地埋管在地下循環(huán)，在地層中進行熱交換。地埋管填料是地埋管的輔助材料，是為了讓地埋管能夠更好的在底下達到換熱的效果。室內(nèi)系統(tǒng)中包含連接水管、電動二通閥門組件和風(fēng)機盤管(空調(diào))以及地暖組成。連接水管的主要作用是進行熱水和冷水的輸送。

3.2 地源熱泵技術(shù)在隧道凍害防治中的應(yīng)用

當(dāng)確定隧道埋深足夠大，隧道中部圍巖中達到接近恒溫時，利用地源熱泵系統(tǒng)從隧道中部的圍巖中吸收地層熱量，經(jīng)過熱泵系統(tǒng)升溫處理后，向埋設(shè)于隧道洞口段二襯和復(fù)合式防水板之間或者二襯表面的隔熱保溫層之下的散熱管供熱，實現(xiàn)對寒區(qū)隧道凍害襯砌的加熱［15］(圖5)。

圖5 寒區(qū)隧道地源熱泵型防凍保暖工作原理示意

日本Nanaori－Toge隧道長1 045 m，為了解決冬季隧道出口處路面結(jié)冰打滑引起交通安全事故，探索了由Fukushima發(fā)明的水平U形管(HUT)地源熱泵系統(tǒng)(圖6)。在隧道中部500 m范圍內(nèi)布置水平U形取熱管，管徑為40 mm，材質(zhì)為烯酸樹脂，共20組，每組50 m折返管長100 m，順?biāo)淼垒S向埋入隧道中部路面下1.2 m處。在隧道出口處用管徑為15 mm的烯酸樹脂管作為加熱部分，加熱長度70 m，由20組φ15 mm水平U形管組成，每組面積7 m2，總加熱面積175 m2，垂直于隧道軸向水平布置于防凍路面之下［16］。

國內(nèi)博牙高速公路林場隧道也進行了這方面的試驗研究。林場隧道位于內(nèi)蒙古牙克石市免渡河鎮(zhèn)，為雙洞分離式，全長2.525 km，最大埋深為100 m，經(jīng)鉆孔實測隧道中部圍巖中的地溫可以作為熱源供應(yīng)。根據(jù)實際情況確定隧道洞口需要供熱段長度為75 m，保溫水溝的加熱長度為100 m，隧道供暖總熱負荷為50 kW［17］。

圖6 地源熱泵型加熱防治日本的Nanaori-Toge隧道凍害示意

如圖7所示，取熱段的熱交換管路位于隧道中部，埋設(shè)于隧道初支和防水板之間，材料為聚乙稀塑料管(PE管);隧道洞口為加熱段，材料同樣為聚乙稀塑料管(PE管)，埋設(shè)于二襯表面與保溫隔熱層之間，隔熱層厚度8 cm。保溫水溝內(nèi)也布置了管路。為了防止管路凍結(jié)。采用了含防凍液的介質(zhì)，介質(zhì)通過水泵的驅(qū)動實現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，吸收圍巖中的地溫能，經(jīng)地源熱泵對其提升后，輸送到隧道洞口段對隧道襯砌及保溫水溝進行供熱。

圖7 林場隧道地源熱泵供熱系統(tǒng)示意

圖8 和圖9 為熱交換管布置的實際情況［18－20］。即:取熱管路以等環(huán)向間距與隧道軸線平行布置，每組總長度400 m，縱向?qū)挾?0 m，環(huán)向間距0.5 m;加熱管則以等間距0.5 m呈環(huán)向布置，熱交換管的進、出口設(shè)計溫差為5℃。PE管的外徑統(tǒng)一采用25 mm。

圖8 取熱段(隧道中部)管路布置(照片)

實測得知，熱交換管從圍巖取走的熱量對圍巖中的溫度場影響顯著。在運行初期，圍巖中溫度下降非常迅速，運行20 d后，圍巖溫度呈緩慢下降趨勢。因此在試驗中采取了間歇運行，有助于圍巖溫度的恢復(fù)，也有助于熱泵運行效率的提高。很顯然，該系統(tǒng)比熱管技術(shù)具有成本優(yōu)勢。

相關(guān)研究已經(jīng)表明，寒區(qū)交通隧道襯砌背后的圍巖含水率大于50%時，凍脹破壞作用明顯增大;凍結(jié)深度越大則凍脹力明顯增大［17］;因此，在采用熱管技術(shù)和地源熱泵型加熱系統(tǒng)時可考慮向襯砌背后的圍巖中進行帷幕堵水注漿，同時應(yīng)加強對隧道排水系統(tǒng)的管理，及時清理，冬季之前要做好檢修并注意保暖防寒，外表加敷保溫隔熱層。

如前文所述，當(dāng)保溫隔熱層厚度達到8 cm時，可以保證層內(nèi)外有10℃左右的溫差。因此在采用熱管技術(shù)和地源熱泵技術(shù)時，可根據(jù)需要設(shè)置足夠厚度的隔熱保溫層，使隧道凍害防治效果更好。

4 結(jié)論

通過綜合分析目前防治寒區(qū)隧道凍害的措施，以及利用地層熱源的熱管技術(shù)和地源熱泵技術(shù)進行隧道凍害防治等方面的研究探索，得出如下結(jié)論。

(1)傳統(tǒng)的寒區(qū)隧道凍害防治措施普遍存在措施不徹底，或有燃煤運營成本而且污染環(huán)境，特別是高速鐵路、高速公路迅速發(fā)展的今天也很難適應(yīng)交通運輸量和安全的需要，應(yīng)該加以改進或者擯棄。

(2)熱管技術(shù)日益成熟，生產(chǎn)和安裝成本較為低廉，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)遍及工業(yè)、工程建設(shè)和民用，同時這項技術(shù)還具有自動運行、管理成本低、使用壽命長、環(huán)保等特點，建議在目前國內(nèi)外進行研究探索的基礎(chǔ)上，交通工程管理部門進行隧道防治凍害等方面的技術(shù)開發(fā)，形成定型新產(chǎn)品，制定生產(chǎn)安裝維護技術(shù)規(guī)范，推廣應(yīng)用。

(3)在隧道埋深相對較大，隧道中部圍巖中具備可利用的地溫條件時，可以采用地源熱泵型加熱技術(shù)解決隧道凍害問題。因為地源熱泵型加熱系統(tǒng)除了具有熱管技術(shù)的特點外，還具有施工相對容易、材料便宜、經(jīng)濟性較好等優(yōu)點。建議交通工程管理部門進行該項技術(shù)應(yīng)用研發(fā)，形成定型新產(chǎn)品，制定生產(chǎn)安裝維護技術(shù)規(guī)范，推廣應(yīng)用。

(4)為了提高隧道凍害防治效果，在采用熱管和地源熱泵加熱隧道襯砌時，還應(yīng)安裝一定厚度的隔熱保溫層，并對接縫進行處理;同時可考慮對襯砌背后圍巖進行一定深度的帷幕注漿，并應(yīng)加強對隧道排水系統(tǒng)的管理，及時檢查清理，做好保暖防寒工作。

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