利用地温能的隧道保温加热水沟技术经济分析

张玉强，张国柱，夏才初，杨 勇

(1.呼伦贝尔市交通技术管理站，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.东南大学地下工程系，江苏 南京 210096；3.同济大学地下工程系，上海 200092；4.上海申通地铁集团有限公司，上海 201100)



利用地温能的隧道保温加热水沟技术经济分析

张玉强1，张国柱2，夏才初3，杨 勇4

(1.呼伦贝尔市交通技术管理站，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.东南大学地下工程系，江苏 南京 210096；3.同济大学地下工程系，上海 200092；4.上海申通地铁集团有限公司，上海 201100)

为根除严寒地区冻害对隧道运营安全的危害，内蒙古博牙高速公路扎敦河隧道首次应用利用地温能的隧道保温加热水沟技术。该技术通过封闭的热交换管路提取隧道中部围岩地温能，经地源热泵设备提升后，利用供热管路对隧道保温水沟进行加热。与深埋中心水沟和防寒泄水洞相比，保温加热水沟施工工艺简单，对施工进度和隧道结构安全均无影响，施工期间排水通畅，不易被施工污水堵塞，隧道施工环境好；保温加热水沟的前期工程建设投资和后期运营维护费用均低于深埋中心水沟和防寒泄水洞。

寒区隧道；防冻；保温水沟；加热；地温能；经济分析

0 引言

我国多年冻土区和季节冻土区的面积分别占国土面积的21.5%和53.5%，即有75%的国土陆地面积呈冬冻夏融的周期变化。多年冻土主要分布在我国的青藏高原、东北大小兴安岭和西部高山等地，约为215万平方公里，位居世界第三[1]。冻土地区特殊的气候条件和地质条件，给公路隧道的设计、施工及使用带来了巨大困难，因而冻土地区隧道修筑一直被视为世界性难题。

随着西部大开发战略的实施，我国在20世纪90年代建成了青海省大坂山隧道，2003年建成了四川省鹧鸪山隧道以及位于多年冻土区的青藏铁路的昆仑山隧道和风火山隧道，随后又建成了青海省河卡山、青砂山等寒区公路隧道。在东北和西北地区已建有数十座铁路及公路隧道。这些高海拔及高寒地区隧道的建成，为高寒地区隧道建设积累了丰富经验。然而这些高寒隧道运营后有不少隧道出现了不同程度的冻害，影响了隧道的正常运营和隧道结构的安全，甚至造成了巨大的经济损失。例如，甘肃省七道梁公路隧道，每到冬季，排水沟便冻结，使隧道排水不畅，衬砌背后也产生冻胀现象，导致衬砌混凝土开裂，造成隧道渗漏、路面结冰，严重影响行车安全[2]；新疆217国道天山段的玉希莫勒盖隧道，长1 007 m，投资5 480多万元，由于路面结冰、洞顶挂冰，车辆无法通行[3]；昆仑山隧道浅埋段施工完成两个月以后，拱腰和局部施工缝处出现漏水现象[4]。如何控制寒区隧道冻害现象发生，是当前隧道工程界迫切需要解决的问题。国内外常用的防冻保暖措施可归纳为被动防寒和主动供暖[5]。被动防寒措施主要包括防寒泄水洞、深埋排水沟、保温水沟等排水措施；主动供暖措施主要包括保温水沟内铺设加热电缆、隧道内通暖气，以及衬砌内植入电加热板等[6]。从现有寒区隧道冻害统计来看，仅依靠防排水措施无法避免隧道冻害的发生，塔河-樟岭段的白卡尔隧道和西罗二号隧道采用保温水沟和深埋水沟等排水措施，运营七八年后，由于冻害严重，于1974年进行大修。嫩林线呼中支线翠岭二号隧道使用7年后，穿越多年冻土层的泄水洞曾出现冰塞现象。

目前寒区隧道采用的常规防冻保温措施不能长期解决寒区隧道的冻胀和结冰等病害问题，而采用常规加热方法的主动供暖措施又有能耗大、运营成本高等缺点，本文以内蒙古扎敦河隧道为依托，将地源热泵技术运用到寒区公路隧道的防冻保暖中，从技术和经济角度，将隧道地源热泵型防冻保暖系统与深埋中心排水沟和防寒泄水洞进行对比分析。

1 扎敦河隧道排水方案设计

1.1 工程概况

内蒙古博牙高速林场隧道绥满国道主干线博克图至牙克石高速公路扎敦河隧道，位于内蒙古自治区牙克石市免渡河镇，东经120°27′～120°29′，北纬49°04′～49°05′，距免渡河镇东约30 km处。扎敦河隧道设计为双洞分离式，左幅起点里程桩号K225+955，终点里程桩号K228+470，全长2.515 km；右幅起点里程桩号K225+965，终点里程桩号K228+490，全长2.525 km。隧道区位于欧亚大陆中纬度偏高地带，属于温带大陆性半干旱草原性气候。冬季寒冷漫长，夏季温凉短促；春季干燥风大，秋季气温聚降，霜冻早。历年最高气温36.5 ℃(1969年)，最低气温-46.7 ℃(1970年)。多年平均风速3.3 m/s，平均最大风速18.6 m/s，历年最大风速29 m/s。多年平均无霜期95 d，最大冻结深度为2.2 m。

地下水来源为大气降水和积雪融化，以补给山间河水方式排泄，雨季时水量偏大。隧道围岩节理、裂隙发育程度差异，洞体开挖时洞身部位可产生滴水、渗水现象，洞口部位及局部洞身段可出现淋雨现象。

1.2 扎敦河隧道排水设计

1.2.1 深埋中心排水沟

扎敦河隧道深埋中心排水沟采用内径50 cm、壁厚8 cm的钢筋混凝土圆管，排水沟顶端距隧道底板的距离为3.0 m。两侧边墙底部排水盲沟每25 m设置一道横向排水管与深埋中心排水管相连，中心排水管中每隔250 m左右设置一处中心水沟检查井，用于检查疏通中心排水管。钢筋混凝土管采用土工布包裹，中心水沟的沟槽设置方式采用梯形。

1.2.2 防寒泄水洞

扎敦河隧道防寒泄水洞宽2 m，高2.6 m，泄水洞顶面距隧道路面5.5 m。泄水洞正上方隧道底处设置纵向中心排水盲沟，两侧边墙底部排水盲沟每25 m设置一道横向排水管与中心排水盲沟相连，中心排水盲沟每10 m设置一处φ10cm的钻孔与防寒泄水洞相连，为保持钻孔的稳定性，在Ⅳ、Ⅴ级围岩段的钻孔内设置φ10cm花管。泄水洞每隔50m设置1处横通道，并在隧道两侧纵向排水盲沟下钻φ10cm圆孔与横通道相连，以保证隧道衬砌外的地下水得以顺利排出。

1.2.3 利用地温能的保温加热水沟

以隧道中部一定埋深的温度相对恒定的围岩作为热源，将地源热泵的热交换管(PE管)布置于初衬与多层式防水板之间，利用管内的传热循环介质与围岩之间的温差，通过初衬吸收围岩中的地温能，经热泵提升后，通过位于保温水沟内的供热管，实现对保温水沟的加热。利用地温能的隧道保温加热水沟工作原理如图1所示。

图1 利用地温能的隧道保温加热水沟原理图

沿扎敦河隧道左右两侧路面下方50cm设置保温加热水沟，水沟宽36cm，高35cm，水沟由内向外铺设1cm厚的沥青涂层、2cm厚的保温层和1cm厚的沥青涂层。两侧边墙底部排水盲沟每25m设置一道横向排水管与保温加热水沟相连，每隔250m左右设置一处水沟检查井，用于检查疏通排水沟。扎敦河隧道保温加热水沟如图2所示。

图2 扎敦河隧道保温加热水沟断面图

2 扎敦河隧道排水方案技术对比分析

从防冻机理、施工工艺、对隧道施工进度影响、对周围环境影响、施工经验、施工环境和防冻效果等多方面技术对比分析深埋中心排水沟、防寒泄水洞和利用地温能的隧道保温加热水沟。对比结果如表1所示。

表1 技术对比分析表

由表1可得：保温加热水沟在防冻效果、施工工艺、环境影响、施工进度等方面，均优于深埋中心排水沟和防寒泄水洞，其缺点是施工经验不足。

3 扎敦河隧道排水方案经济对比分析

以前期建设投资和后期运行维护费作为经济对比指标，经济对比分析防寒泄水洞，深埋中心排水沟和保温加热水沟三个方案，为扎敦河隧道确定经济可靠的排水措施。

3.1 前期建设投资

深埋中心排水沟、防寒泄水洞和保温加热水沟的前期建设投资由材料费和人工费组成，三个方案的建造费用如表2所示。

表2 经济对比分析表

由表2可得：防寒泄水的洞的初期投资最高，中心深埋水沟次之，保温加热水沟初期投资最低。与防寒泄水洞相比，保温加热水沟节省初期投资452.49万元；与深埋中心排水沟相比，保温加热水沟节省初期投资165.41万元。保温加热水沟具有节省初期投资的优势。

3.2 后期运行维护费用

3.2.1 防寒泄水洞和深埋中心排水沟

防寒泄水洞和深埋中心排水沟属于被动防冻保暖措施，后期费用主要为隧道病害检测费用及隧道冻害治理费用。在遇到极端低温的情况下，无法避免隧道衬砌和排水系统不受冻害破坏，容易诱发隧道排水系统瘫痪，隧道路面结冰，拱顶挂冰，衬砌剥落等病害现象，其整治费用十分昂贵。严重时，整个隧道面临着报废的危险，治理费用巨大。

扎敦河隧道防寒泄水洞和深埋中心排水沟的后期运行维护费计算公式如下：

(1)

式中：Cdop——隧道运营n年后的隧道后期运行维护总投资；

i——银行利率；

g——通货膨胀率；

Cdrp——隧道冻害的检测和维修费用。

冻害检测和治理费用与隧道排水系统的形式有关，防排水系统越可靠，隧道发生冻害的概率越低，其治理费用也越低。隧道冻害严重威胁隧道的运行服役寿命和运行安全，隧道冻害检测和治理费用计算公式如下：

Cdrp=Ctpω

(2)

式中：Ctp——隧道初期建设投资；

ω——检测维护和治理费用与初期投资的比值。

考虑初期投资和维护费用的隧道防寒泄水洞或深埋中心排水沟的总投资为：

Cdrp=Cdp(1+i)n-1+Cdop

(3)

式中：Cdtp——隧道防寒泄水洞或深埋中心排水沟的总投资；

Cdp——隧道防寒泄水洞或深埋中心排水沟的前期建设投资。

3.2.2 利用地温能的保温加热水沟

保温加热水沟可以确保排水系统通畅，彻底避免因排水不畅诱发的隧道冻害，其后期费用为运行和设备更新费用。

在运行期内，地源热泵型保温水沟加热系统的运行和设备更新费用计算公式如下：

(4)

式中：Cpop——隧道运营n年后的隧道后期运行维护总投资；

Cpep——地源热泵设备更新费用；

Qd——供暖季节内的隧道保温水沟供暖热负荷；

ωp——地源热泵设备的折旧率；

COP——地源热泵系统的运行效率，根据现场监测数据获得；

pe——运行第1年的电费。

考虑初期建设投资和后期运行维护费用的隧道地源热泵型保温水沟加热系统的总投资为：

Cptp=Cpp(1+i)n-1+Cpop

(5)

式中：Cptp——地源热泵型保温水沟加热系统运行n年后的总投资；

Cpp——地源热泵型保温水沟加热系统的初期投资。

扎敦河隧道三个排水方案经济对比分析所需的计算参数如表3所示。

表3 计算参数表

利用式(1)～(5)计算所得投资如表4及图3～4所示。

表4 三个方案投资表

图3 扎敦河隧道排水系统方案运行维护费对比图(运行期50年)

图4 扎敦河隧道排水系统方案总投资对比图(运行期50年)

由表4及图3～4可得：从运行维护费角度来看，深埋中心排水沟费用最高，防寒泄水洞次之，采用地源热泵型保温水沟加热系统的总投资最低。这主要是因为深埋中心排水沟和防寒泄水洞在隧道运行期内需要进行冻害检查和治理，而深埋中心排水沟冻害发生几率高于防寒泄水洞；地源热泵型保温水沟加热系统在施工过程即对管路系统进行水压试验，以检查管路是否通畅受损，而正常使用期间管路破损的可能性很小，因此用于检查和维修的费用最低。从总投资费用角度看，防寒泄水洞总投资费用最高，这主要是因为防寒泄水洞的初期投资最高，随着隧道运行期的增加并考虑银行利率，所产生的费用会高于其他两种方案；但是隧道运行期近50年左右时，深埋中心排水沟的总投资超过防寒泄水洞，这主要是因为深埋中心排水沟每年用于冻害检查和维护的费用高于防寒泄水洞。地源热泵型保温水沟供热系统的总投资最低，这主要是因为该系统的初期投资和后期运行维护费用都较少，因而总投资最低。从运行安全角度看，地源热泵型保温水沟供热系统属于主动供暖措施，而其他两种方案属于被动防寒措施，因而，地源热泵型保温水沟供热系统更加安全可靠。

从经济和安全角度考虑，如果仅需加强防排水系统即可解决冻害问题，建议采取地源热泵型保温水沟加热系统防排水措施。

4 结语

(1)在国内首次将利用地温能的隧道保温加热水沟应用于博牙高速扎敦河隧道，该技术将地源热泵技术与隧道工程结合，实现隧道能源自供给，是运营隧道节能新趋势。

(2)扎敦河隧道的深埋中心排水沟和防寒泄水洞均位于仰拱下方，深埋中心排水沟的开槽和防寒泄水洞掘进不但对围岩稳定和隧道结构安全非常不利，还会拖延隧道施工工期；深埋中心排水沟的排水管容易被施工污水堵塞，导致排水系统瘫痪，路面泥泞积水；保温加热水沟位于仰拱上方，对隧道结构和施工工期均不产生影响。

(3)防寒泄水洞的初期投资最高，深埋中心排水沟次之，保温加热水沟初期投资最低；从运行维护费角度来看，深埋中心排水沟费用最高，防寒泄水洞次之，保温加热水沟最低；从总投资费用角度看，防寒泄水洞总投资费用最高，保温加热水沟的总投资最低。

(4)技术经济对比分析表明，利用地温能的隧道保温加热水沟在技术和经济上均优于深埋中心排水沟和防寒泄水洞，扎敦河隧道优先选用保温加热水沟。

[1]夏才初，张国柱，曹诗定，等.寒区公路隧道防冻保暖技术及其发展趋势[C].2009年全国公路隧道学术会议，2009.

[2]吕康成，崔凌秋，解赴东.寒区隧道春融期渗流水原因分析及预防方法[J].现代隧道技术，2001，38(4)：58-62.

[3]崔凌秋，吕康成，王潮海，等.寒冷地区隧道渗漏与冻害综合防治技术探讨[J].现代隧道技术，2005，42(5)：22-26.

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[8]张国柱，夏才初，孙 猛.隧道地源热泵供热系统加热段隔热层厚度及热负荷计算[J].岩石力学与工程学报，2012，31(4)：746-753.

Technical and Economic Analysis of Tunnel Insulation and Heating Ditch by Using the Geothermal Energy

ZHANG Yu-qiang1，ZHANG Guo-zhu2，XIA Cai-chu3，YANG Yong4

(1.Hulun Buir Transportation Technology Management Station，Hulun Buir，Inner Mongolia，021000；2.Department of Underground Engineering，Southeast University，Nanjing，Jiangsu，210096；3.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai，200092；4.Shanghai Shentong Metro Group Co.，Ltd.，Shanghai，201100)

In order to eradicate the freezing hazards to tunnel operation safety in cold regions，the tunnel insulation and heating ditch technology by utilizing the geothermal energy was utilized for the first time in Boya Expressway Zhadunhe Tunnel in Inner Mongolia.This technology extracted the geothermal energy of surrounding rock in central tunnel through the closed heat exchange tubing，and after being enhanced by ground-source heat pump equipment，it used the heating tubing for heating the tunnel insulation ditch.Compared to deeply buried center ditch and anti-freezing drainage holes，the insulation and heating ditch has simple construction process，without any impact on the construction progress and tunnel structure safety，and it can keep smooth drainage during the construction，difficult to be clogged by con-struction sewage，and with good tunnel construction environment；the upfront construction investment and post operation and maintenance costs of insulation and heating ditch are all lower than the deeply buried center ditch and anti-freezing drainage holes.

Tunnels in cold regions；Antifreeze；Insulation ditch；Heating；Geothermal energy；Economic analysis

张玉强(1970—)，男，高级工程师，硕士，主要从事隧道与地下工程建造、运营管理相关工作；

张国柱(1982—)，男,博士,主要从事隧道及地下工程相关的教学和科研工作；

夏才初(1963—)，男，博士研究生导师，主要从事隧道及地下工程相关的教学和科研工作;

杨 勇(1988—)，男，硕士，主要从事地下结构与能源地下工程相关工作。

国家自然科学基金资助项目(51308107)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20130622)；教育部博士点新教师基金资助项目(201300 92120059)

U455.4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.006

1673-4874(2015)01-0022-06

2014-12-10