利用热管技术和地源热泵技术防治隧道冻害的研究

曹彦国，郭 胜，陈 娟

(1.天津铁道职业技术学院，天津 300240;2.北京铁路局，北京 100038)

1 寒区隧道冻害的防治措施及其问题

目前，我国已成为世界上隧道最多、隧道建设速度最快、隧道工程地质问题最为复杂的国家之一。随着我国进一步加强同中亚、东北亚地区的交流，位于寒区的交通隧道数量还会继续增加，伴随而来的隧道冻害问题会更多更加突出，探索科学防治隧道冻害的技术措施十分紧迫。

据统计，日本严寒地区的隧道发生冻害占日本全国隧道总数的34%;我国40个寒区的交通隧道中，只有16%的未发生冻害，存在冻害的占到60%，而严重冻害的占24% ，严重影响到人民生命财产安全。

目前隧道冻害的防治主要措施如表1所示。可以看出，目前更多采用的是简单的被动措施，其出发点是想通过更多地排除隧道衬砌周围地下水这个冻害的介质、增加保温隔热材料以防止衬砌表面及内部温度的降低，但也有的工程技术人员进行了一些利用地层中热量的热管技术及地源热泵技术的探讨，这是今后具有进一步推广应用价值的措施。

从国内多个寒区隧道如鹧鸪山隧道、梯子岭隧道和昆仑山隧道等应用情况分析来看，其保温隔热层的最好效果可以达到隔热层内外两侧的最大温差可达10℃。也就是说，当洞口段的最低气温在－10℃以上时，保温隔热层的作用效果较好。但严寒地区的年平均气温大都在0℃以下，即使采用保温隔热层也不能避免隧道冻害发生。其主要原因是，保温材料本身并不产生热量，只能减小或阻止热量的传播以缓解冻结速度。例如在大阪山隧道采用此项措施效果就不很理想。

表1 目前隧道冻害防治的主要措施情况

保温水沟和中心深埋水沟措施，例如白卡尔隧道和西罗二号隧道，其运营不到10年就因严重冻害不得不进行大修。同时，中心深埋水沟在隧道施工和运营过程中还严重地破坏了隧道衬砌墙脚及仰拱下的力学约束条件，可能会影响整个隧道衬砌的稳定性。虽然防寒泄水洞是寒区隧道防排水措施最好的选择，但也存在着冰塞现象，同时也可能因过量排泄地下水而对生态环境造成永久损害。

防寒保温门的设立必然会对隧道的运营造成影响，如果车流量很大时，其保温效果将明显下降。而高速铁路隧道和高速公路隧道，要关闭防寒保温门几乎是不可能的。

国内有一些隧道例如阿尔山公路隧道、七道梁公路隧道采用向排水沟通暖气的措施，冬季每天送3遍气，效果很好。长春至珲春高速公路的新交洞隧道在隧道全长范围内的二次衬砌与防水层之间设置了PTV电热带加热衬砌，并在隧道两侧的下隅角设置高2 m、厚5 cm的岩棉保温层，效果明显。但是采用燃煤供热显然耗能大且不环保，而采用电加热方法耗能大是其主要问题［3］。

通过以上分析可以得出，仅利用被动类型防寒措施是不能彻底根除隧道冻害的，必须更多地采取主动供暖加热或主动供暖加热与被动防寒相结合的办法。

2 利用热管技术防治寒区隧道冻害的探讨

2.1 热管的概念、基本构造和工作原理

所谓的热管是一种利用特殊物理现象(图1)制成的新型高效传热部件，其主要功能是在管两端温差很小的情况下快速传递热量。其相对导热率是热的良导体(如金属银)的1 000～10 000倍，有“热流超导体”的美誉。

图1 热管物理原理试验

随着科学技术的进步，这项发明于20世纪40年代的技术日益成熟，制造成本大幅降低，应用领域十分广泛，已不再限于航空航天等高科技领域，而是逐渐进入工农业生产和和民用领域，小到电子技术方面、大到锅炉，最常见的应用是如空调与采暖。

热管是一个封闭的空间，其内部为真空，主要是由管壳、起毛细管作用的吸液芯以及传递热能的工质3个部分构成，如图2所示。

从热的传导方面可以将整个热管分为蒸发段、冷凝段和绝热段。在蒸发段(即如图1中的酒精灯加热部分)管壁和浸饱工质的吸液芯受热使液体工质的温度上升，液面蒸发，待达到饱和蒸气压时热量以汽化潜热方式传给工质蒸气，在蒸气压作用下，工质蒸气沿管道快速向低压(温度较低)的冷凝段流动，并在冷凝段的气液界面上冷凝，放出冷凝潜热。放出的热量从气液界面通过充满工质的吸液芯和管壁传给管外介质。冷凝的液体通过吸液芯中形成的毛细虹吸作用快速回流到蒸发段，如此循环。为了能将更多的热量从蒸发段传送到冷凝段，在热管中间一段的外壁进行绝热处理，就是所谓的绝热段。为了传导更多的热量，还发明了热“二极管”，即保证热量的单向高效传导。

图2 热管结构示意

2.2 热管技术的工程应用

在实际应用中，热管不都是水平放置的，而更多的是竖直或者是倾斜的(图3)［5］。

图3 利用热管技术进行机场或道路融雪系统示意

由于热管具有卓越的导热性能，尤其是热的传导速度再加上绝热段的设计，可在温差很小的情况下实现较远距离的传递热量，这就为从狭窄的空间实现热量向外传递，再加上可变热导性和可变热阻性、热二极管和热开关等技术的应用，使热传递效果更佳。

按照热管管内工作温度区分，有低温热管、常温热管、中温热管、高温热管等，将工作温度范围在－60～120℃的热管称为低温热管。显然在交通工程及建筑领域应用的热管技术多为这种热管。

图3是利用地热的热管技术进行地表积雪融化示意，其“L”形热管的竖直管端可深入地表下18 m，间距以20 cm为宜，“L“形热管的水平一端埋在公路表面的铺路材料中。

美国曾在20世纪80年代应用该项技术使横贯阿拉斯加的1 259 km石油管线处于“永冻”状态，共用去13万根碳－氨热管，热管深入地表下15 m，地表上4.2 m，避免了夏天因冻土消融而引起管道弯曲开裂，应用至今，此项技术在美国、日本、波兰、瑞士、挪威、冰岛及我国的机场、桥梁及山区公路弯道冬季融雪广泛采用［6－10］，前苏联开始也再此项技术研究上取得一定成果［11－12］。

同理，青藏铁路、青藏公路都有一段是处于多年冻土地段，为防止因冻土消融而引起铁路路基的沉降，在青藏铁路线的路基两旁每隔2.8～3.3 m设一根热管，热管深入地表以下5～9 m，从而将地层中的热量传导到热管的上端发散到空气中(图4)，保持路基处于“永冻”状态。每根热管的有效作用范围大约为1.7 m;而在青藏公路550多km的多年冻土段的道路两边共安装了18 200根低温热管［11－13］。

图4 青藏铁路热管构造及散热部(单位:m)

2.3 应用热管技术防止隧道冻害

日本东北新干线的箕轮隧道应用热管技术防治隧道冻害的案例。它是从隧道边墙底部以20°的夹角斜向将热管打入地层中5 m多深作为蒸发段，利用其散热来加热衬砌的冷凝段则弯曲成衬砌的形状，长度为4 m。为了充分发挥加热效果，对每根热管的冷凝段均用隔热保温材料做成1.0 m×0.4 m的槽形板反扣热管［1］。

位于河北省青龙县内的秦青公路梯子岭隧道，1972年改建后隧道长1 142.72 m，冬季隧道冻害十分严重。在最冷的时候洞口处的冻结深度达到了近2 m，洞内的最小冻结深度也近1 m。考虑比照日本箕轮隧道同样的热管技术，如果不考虑热管长期作用对地层温度的影响，洞口处热管的蒸发段只要达到隧道墙脚以下7 m，其中5 m为加热段;而散热段可选用4 m;这样一根热管长度约为11 m。

3 应用地源热泵型供热系统加热防治隧道冻害

3.1 地源热泵的概念、原理及其系统构成

地源热泵是一种利用浅层地热能源(也称地能，包括地下水、土壤或地表水等的能量)的既可供热又可制冷的高效节能技术。其原理是分别在冬季将地层(水)中热量作为热泵供热的热源、夏季制冷的冷源，供给室内采暖和制冷。通常地源热泵消耗1 kW·h的能量，用户可以得到4 kW·h以上的热量或冷量。其概念最早是1912年由瑞士的专家提出，上升到技术层面始于英、美，广泛应用于北欧等国家。其典型的特点是热源可选、自动运行、成本低廉、维护方便，使用寿命可达50年。目前在国内民居和工业厂房应用较多。

民用的地源热泵系统由以室外系统(取热段)、室内系统(加热段)、机房系统(热泵和分集水管路)3部分组成。其中室外系统主要由地埋管、地埋管填料组成。地埋管是室外地下换热器，就是让水通过地埋管在地下循环，在地层中进行热交换。地埋管填料是地埋管的辅助材料，是为了让地埋管能够更好的在底下达到换热的效果。室内系统中包含连接水管、电动二通阀门组件和风机盘管(空调)以及地暖组成。连接水管的主要作用是进行热水和冷水的输送。

3.2 地源热泵技术在隧道冻害防治中的应用

当确定隧道埋深足够大，隧道中部围岩中达到接近恒温时，利用地源热泵系统从隧道中部的围岩中吸收地层热量，经过热泵系统升温处理后，向埋设于隧道洞口段二衬和复合式防水板之间或者二衬表面的隔热保温层之下的散热管供热，实现对寒区隧道冻害衬砌的加热［15］(图5)。

图5 寒区隧道地源热泵型防冻保暖工作原理示意

日本Nanaori－Toge隧道长1 045 m，为了解决冬季隧道出口处路面结冰打滑引起交通安全事故，探索了由Fukushima发明的水平U形管(HUT)地源热泵系统(图6)。在隧道中部500 m范围内布置水平U形取热管，管径为40 mm，材质为烯酸树脂，共20组，每组50 m折返管长100 m，顺隧道轴向埋入隧道中部路面下1.2 m处。在隧道出口处用管径为15 mm的烯酸树脂管作为加热部分，加热长度70 m，由20组φ15 mm水平U形管组成，每组面积7 m2，总加热面积175 m2，垂直于隧道轴向水平布置于防冻路面之下［16］。

国内博牙高速公路林场隧道也进行了这方面的试验研究。林场隧道位于内蒙古牙克石市免渡河镇，为双洞分离式，全长2.525 km，最大埋深为100 m，经钻孔实测隧道中部围岩中的地温可以作为热源供应。根据实际情况确定隧道洞口需要供热段长度为75 m，保温水沟的加热长度为100 m，隧道供暖总热负荷为50 kW［17］。

图6 地源热泵型加热防治日本的Nanaori-Toge隧道冻害示意

如图7所示，取热段的热交换管路位于隧道中部，埋设于隧道初支和防水板之间，材料为聚乙稀塑料管(PE管);隧道洞口为加热段，材料同样为聚乙稀塑料管(PE管)，埋设于二衬表面与保温隔热层之间，隔热层厚度8 cm。保温水沟内也布置了管路。为了防止管路冻结。采用了含防冻液的介质，介质通过水泵的驱动实现在系统内循环，吸收围岩中的地温能，经地源热泵对其提升后，输送到隧道洞口段对隧道衬砌及保温水沟进行供热。

图7 林场隧道地源热泵供热系统示意

图8 和图9 为热交换管布置的实际情况［18－20］。即:取热管路以等环向间距与隧道轴线平行布置，每组总长度400 m，纵向宽度10 m，环向间距0.5 m;加热管则以等间距0.5 m呈环向布置，热交换管的进、出口设计温差为5℃。PE管的外径统一采用25 mm。

图8 取热段(隧道中部)管路布置(照片)

实测得知，热交换管从围岩取走的热量对围岩中的温度场影响显著。在运行初期，围岩中温度下降非常迅速，运行20 d后，围岩温度呈缓慢下降趋势。因此在试验中采取了间歇运行，有助于围岩温度的恢复，也有助于热泵运行效率的提高。很显然，该系统比热管技术具有成本优势。

相关研究已经表明，寒区交通隧道衬砌背后的围岩含水率大于50%时，冻胀破坏作用明显增大;冻结深度越大则冻胀力明显增大［17］;因此，在采用热管技术和地源热泵型加热系统时可考虑向衬砌背后的围岩中进行帷幕堵水注浆，同时应加强对隧道排水系统的管理，及时清理，冬季之前要做好检修并注意保暖防寒，外表加敷保温隔热层。

如前文所述，当保温隔热层厚度达到8 cm时，可以保证层内外有10℃左右的温差。因此在采用热管技术和地源热泵技术时，可根据需要设置足够厚度的隔热保温层，使隧道冻害防治效果更好。

4 结论

通过综合分析目前防治寒区隧道冻害的措施，以及利用地层热源的热管技术和地源热泵技术进行隧道冻害防治等方面的研究探索，得出如下结论。

(1)传统的寒区隧道冻害防治措施普遍存在措施不彻底，或有燃煤运营成本而且污染环境，特别是高速铁路、高速公路迅速发展的今天也很难适应交通运输量和安全的需要，应该加以改进或者摈弃。

(2)热管技术日益成熟，生产和安装成本较为低廉，应用领域已经遍及工业、工程建设和民用，同时这项技术还具有自动运行、管理成本低、使用寿命长、环保等特点，建议在目前国内外进行研究探索的基础上，交通工程管理部门进行隧道防治冻害等方面的技术开发，形成定型新产品，制定生产安装维护技术规范，推广应用。

(3)在隧道埋深相对较大，隧道中部围岩中具备可利用的地温条件时，可以采用地源热泵型加热技术解决隧道冻害问题。因为地源热泵型加热系统除了具有热管技术的特点外，还具有施工相对容易、材料便宜、经济性较好等优点。建议交通工程管理部门进行该项技术应用研发，形成定型新产品，制定生产安装维护技术规范，推广应用。

(4)为了提高隧道冻害防治效果，在采用热管和地源热泵加热隧道衬砌时，还应安装一定厚度的隔热保温层，并对接缝进行处理;同时可考虑对衬砌背后围岩进行一定深度的帷幕注浆，并应加强对隧道排水系统的管理，及时检查清理，做好保暖防寒工作。

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