張玉強(qiáng)，張國(guó)柱，夏才初，楊 勇

(1.呼倫貝爾市交通技術(shù)管理站，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.東南大學(xué)地下工程系，江蘇 南京 210096；3.同濟(jì)大學(xué)地下工程系，上海 200092；4.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海 201100)

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利用地溫能的隧道保溫加熱水溝技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

張玉強(qiáng)1，張國(guó)柱2，夏才初3，楊 勇4

(1.呼倫貝爾市交通技術(shù)管理站，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.東南大學(xué)地下工程系，江蘇 南京 210096；3.同濟(jì)大學(xué)地下工程系，上海 200092；4.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海 201100)

為根除嚴(yán)寒地區(qū)凍害對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)安全的危害，內(nèi)蒙古博牙高速公路扎敦河隧道首次應(yīng)用利用地溫能的隧道保溫加熱水溝技術(shù)。該技術(shù)通過封閉的熱交換管路提取隧道中部圍巖地溫能，經(jīng)地源熱泵設(shè)備提升后，利用供熱管路對(duì)隧道保溫水溝進(jìn)行加熱。與深埋中心水溝和防寒泄水洞相比，保溫加熱水溝施工工藝簡(jiǎn)單，對(duì)施工進(jìn)度和隧道結(jié)構(gòu)安全均無影響，施工期間排水通暢，不易被施工污水堵塞，隧道施工環(huán)境好；保溫加熱水溝的前期工程建設(shè)投資和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用均低于深埋中心水溝和防寒泄水洞。

寒區(qū)隧道；防凍；保溫水溝；加熱；地溫能；經(jīng)濟(jì)分析

0 引言

我國(guó)多年凍土區(qū)和季節(jié)凍土區(qū)的面積分別占國(guó)土面積的21.5%和53.5%，即有75%的國(guó)土陸地面積呈冬凍夏融的周期變化。多年凍土主要分布在我國(guó)的青藏高原、東北大小興安嶺和西部高山等地，約為215萬平方公里，位居世界第三[1]。凍土地區(qū)特殊的氣候條件和地質(zhì)條件，給公路隧道的設(shè)計(jì)、施工及使用帶來了巨大困難，因而凍土地區(qū)隧道修筑一直被視為世界性難題。

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)在20世紀(jì)90年代建成了青海省大坂山隧道，2003年建成了四川省鷓鴣山隧道以及位于多年凍土區(qū)的青藏鐵路的昆侖山隧道和風(fēng)火山隧道，隨后又建成了青海省河卡山、青砂山等寒區(qū)公路隧道。在東北和西北地區(qū)已建有數(shù)十座鐵路及公路隧道。這些高海拔及高寒地區(qū)隧道的建成，為高寒地區(qū)隧道建設(shè)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。然而這些高寒隧道運(yùn)營(yíng)后有不少隧道出現(xiàn)了不同程度的凍害，影響了隧道的正常運(yùn)營(yíng)和隧道結(jié)構(gòu)的安全，甚至造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如，甘肅省七道梁公路隧道，每到冬季，排水溝便凍結(jié)，使隧道排水不暢，襯砌背后也產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，導(dǎo)致襯砌混凝土開裂，造成隧道滲漏、路面結(jié)冰，嚴(yán)重影響行車安全[2]；新疆217國(guó)道天山段的玉希莫勒蓋隧道，長(zhǎng)1 007 m，投資5 480多萬元，由于路面結(jié)冰、洞頂掛冰，車輛無法通行[3]；昆侖山隧道淺埋段施工完成兩個(gè)月以后，拱腰和局部施工縫處出現(xiàn)漏水現(xiàn)象[4]。如何控制寒區(qū)隧道凍害現(xiàn)象發(fā)生，是當(dāng)前隧道工程界迫切需要解決的問題。國(guó)內(nèi)外常用的防凍保暖措施可歸納為被動(dòng)防寒和主動(dòng)供暖[5]。被動(dòng)防寒措施主要包括防寒泄水洞、深埋排水溝、保溫水溝等排水措施；主動(dòng)供暖措施主要包括保溫水溝內(nèi)鋪設(shè)加熱電纜、隧道內(nèi)通暖氣，以及襯砌內(nèi)植入電加熱板等[6]。從現(xiàn)有寒區(qū)隧道凍害統(tǒng)計(jì)來看，僅依靠防排水措施無法避免隧道凍害的發(fā)生，塔河-樟嶺段的白卡爾隧道和西羅二號(hào)隧道采用保溫水溝和深埋水溝等排水措施，運(yùn)營(yíng)七八年后，由于凍害嚴(yán)重，于1974年進(jìn)行大修。嫩林線呼中支線翠嶺二號(hào)隧道使用7年后，穿越多年凍土層的泄水洞曾出現(xiàn)冰塞現(xiàn)象。

目前寒區(qū)隧道采用的常規(guī)防凍保溫措施不能長(zhǎng)期解決寒區(qū)隧道的凍脹和結(jié)冰等病害問題，而采用常規(guī)加熱方法的主動(dòng)供暖措施又有能耗大、運(yùn)營(yíng)成本高等缺點(diǎn)，本文以內(nèi)蒙古扎敦河隧道為依托，將地源熱泵技術(shù)運(yùn)用到寒區(qū)公路隧道的防凍保暖中，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度，將隧道地源熱泵型防凍保暖系統(tǒng)與深埋中心排水溝和防寒泄水洞進(jìn)行對(duì)比分析。

1 扎敦河隧道排水方案設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

內(nèi)蒙古博牙高速林場(chǎng)隧道綏滿國(guó)道主干線博克圖至牙克石高速公路扎敦河隧道，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)牙克石市免渡河鎮(zhèn)，東經(jīng)120°27′～120°29′，北緯49°04′～49°05′，距免渡河鎮(zhèn)東約30 km處。扎敦河隧道設(shè)計(jì)為雙洞分離式，左幅起點(diǎn)里程樁號(hào)K225+955，終點(diǎn)里程樁號(hào)K228+470，全長(zhǎng)2.515 km；右幅起點(diǎn)里程樁號(hào)K225+965，終點(diǎn)里程樁號(hào)K228+490，全長(zhǎng)2.525 km。隧道區(qū)位于歐亞大陸中緯度偏高地帶，屬于溫帶大陸性半干旱草原性氣候。冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季溫涼短促；春季干燥風(fēng)大，秋季氣溫聚降，霜凍早。歷年最高氣溫36.5 ℃(1969年)，最低氣溫-46.7 ℃(1970年)。多年平均風(fēng)速3.3 m/s，平均最大風(fēng)速18.6 m/s，歷年最大風(fēng)速29 m/s。多年平均無霜期95 d，最大凍結(jié)深度為2.2 m。

地下水來源為大氣降水和積雪融化，以補(bǔ)給山間河水方式排泄，雨季時(shí)水量偏大。隧道圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育程度差異，洞體開挖時(shí)洞身部位可產(chǎn)生滴水、滲水現(xiàn)象，洞口部位及局部洞身段可出現(xiàn)淋雨現(xiàn)象。

1.2 扎敦河隧道排水設(shè)計(jì)

1.2.1 深埋中心排水溝

扎敦河隧道深埋中心排水溝采用內(nèi)徑50 cm、壁厚8 cm的鋼筋混凝土圓管，排水溝頂端距隧道底板的距離為3.0 m。兩側(cè)邊墻底部排水盲溝每25 m設(shè)置一道橫向排水管與深埋中心排水管相連，中心排水管中每隔250 m左右設(shè)置一處中心水溝檢查井，用于檢查疏通中心排水管。鋼筋混凝土管采用土工布包裹，中心水溝的溝槽設(shè)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寬2 m，高2.6 m，泄水洞頂面距隧道路面5.5 m。泄水洞正上方隧道底處設(shè)置縱向中心排水盲溝，兩側(cè)邊墻底部排水盲溝每25 m設(shè)置一道橫向排水管與中心排水盲溝相連，中心排水盲溝每10 m設(shè)置一處φ10cm的鉆孔與防寒泄水洞相連，為保持鉆孔的穩(wěn)定性，在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段的鉆孔內(nèi)設(shè)置φ10cm花管。泄水洞每隔50m設(shè)置1處橫通道，并在隧道兩側(cè)縱向排水盲溝下鉆φ10cm圓孔與橫通道相連，以保證隧道襯砌外的地下水得以順利排出。

1.2.3 利用地溫能的保溫加熱水溝

以隧道中部一定埋深的溫度相對(duì)恒定的圍巖作為熱源，將地源熱泵的熱交換管(PE管)布置于初襯與多層式防水板之間，利用管內(nèi)的傳熱循環(huán)介質(zhì)與圍巖之間的溫差，通過初襯吸收圍巖中的地溫能，經(jīng)熱泵提升后，通過位于保溫水溝內(nèi)的供熱管，實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫水溝的加熱。利用地溫能的隧道保溫加熱水溝工作原理如圖1所示。

圖1 利用地溫能的隧道保溫加熱水溝原理圖

沿扎敦河隧道左右兩側(cè)路面下方50cm設(shè)置保溫加熱水溝，水溝寬36cm，高35cm，水溝由內(nèi)向外鋪設(shè)1cm厚的瀝青涂層、2cm厚的保溫層和1cm厚的瀝青涂層。兩側(cè)邊墻底部排水盲溝每25m設(shè)置一道橫向排水管與保溫加熱水溝相連，每隔250m左右設(shè)置一處水溝檢查井，用于檢查疏通排水溝。扎敦河隧道保溫加熱水溝如圖2所示。

圖2 扎敦河隧道保溫加熱水溝斷面圖

2 扎敦河隧道排水方案技術(shù)對(duì)比分析

從防凍機(jī)理、施工工藝、對(duì)隧道施工進(jìn)度影響、對(duì)周圍環(huán)境影響、施工經(jīng)驗(yàn)、施工環(huán)境和防凍效果等多方面技術(shù)對(duì)比分析深埋中心排水溝、防寒泄水洞和利用地溫能的隧道保溫加熱水溝。對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 技術(shù)對(duì)比分析表

由表1可得：保溫加熱水溝在防凍效果、施工工藝、環(huán)境影響、施工進(jìn)度等方面，均優(yōu)于深埋中心排水溝和防寒泄水洞，其缺點(diǎn)是施工經(jīng)驗(yàn)不足。

3 扎敦河隧道排水方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

以前期建設(shè)投資和后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)作為經(jīng)濟(jì)對(duì)比指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析防寒泄水洞，深埋中心排水溝和保溫加熱水溝三個(gè)方案，為扎敦河隧道確定經(jīng)濟(jì)可靠的排水措施。

3.1 前期建設(shè)投資

深埋中心排水溝、防寒泄水洞和保溫加熱水溝的前期建設(shè)投資由材料費(fèi)和人工費(fèi)組成，三個(gè)方案的建造費(fèi)用如表2所示。

表2 經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析表

由表2可得：防寒泄水的洞的初期投資最高，中心深埋水溝次之，保溫加熱水溝初期投資最低。與防寒泄水洞相比，保溫加熱水溝節(jié)省初期投資452.49萬元；與深埋中心排水溝相比，保溫加熱水溝節(jié)省初期投資165.41萬元。保溫加熱水溝具有節(jié)省初期投資的優(yōu)勢(shì)。

3.2 后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

3.2.1 防寒泄水洞和深埋中心排水溝

防寒泄水洞和深埋中心排水溝屬于被動(dòng)防凍保暖措施，后期費(fèi)用主要為隧道病害檢測(cè)費(fèi)用及隧道凍害治理費(fèi)用。在遇到極端低溫的情況下，無法避免隧道襯砌和排水系統(tǒng)不受凍害破壞，容易誘發(fā)隧道排水系統(tǒng)癱瘓，隧道路面結(jié)冰，拱頂掛冰，襯砌剝落等病害現(xiàn)象，其整治費(fèi)用十分昂貴。嚴(yán)重時(shí)，整個(gè)隧道面臨著報(bào)廢的危險(xiǎn)，治理費(fèi)用巨大。

扎敦河隧道防寒泄水洞和深埋中心排水溝的后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Cdop——隧道運(yùn)營(yíng)n年后的隧道后期運(yùn)行維護(hù)總投資；

i——銀行利率；

g——通貨膨脹率；

Cdrp——隧道凍害的檢測(cè)和維修費(fèi)用。

凍害檢測(cè)和治理費(fèi)用與隧道排水系統(tǒng)的形式有關(guān)，防排水系統(tǒng)越可靠，隧道發(fā)生凍害的概率越低，其治理費(fèi)用也越低。隧道凍害嚴(yán)重威脅隧道的運(yùn)行服役壽命和運(yùn)行安全，隧道凍害檢測(cè)和治理費(fèi)用計(jì)算公式如下：

Cdrp=Ctpω

(2)

式中：Ctp——隧道初期建設(shè)投資；

ω——檢測(cè)維護(hù)和治理費(fèi)用與初期投資的比值。

考慮初期投資和維護(hù)費(fèi)用的隧道防寒泄水洞或深埋中心排水溝的總投資為：

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溝的總投資；

Cdp——隧道防寒泄水洞或深埋中心排水溝的前期建設(shè)投資。

3.2.2 利用地溫能的保溫加熱水溝

保溫加熱水溝可以確保排水系統(tǒng)通暢，徹底避免因排水不暢誘發(fā)的隧道凍害，其后期費(fèi)用為運(yùn)行和設(shè)備更新費(fèi)用。

在運(yùn)行期內(nèi)，地源熱泵型保溫水溝加熱系統(tǒng)的運(yùn)行和設(shè)備更新費(fèi)用計(jì)算公式如下：

(4)

式中：Cpop——隧道運(yùn)營(yíng)n年后的隧道后期運(yùn)行維護(hù)總投資；

Cpep——地源熱泵設(shè)備更新費(fèi)用；

Qd——供暖季節(jié)內(nèi)的隧道保溫水溝供暖熱負(fù)荷；

ωp——地源熱泵設(shè)備的折舊率；

COP——地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得；

pe——運(yùn)行第1年的電費(fèi)。

考慮初期建設(shè)投資和后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的隧道地源熱泵型保溫水溝加熱系統(tǒng)的總投資為：

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

(5)

式中：Cptp——地源熱泵型保溫水溝加熱系統(tǒng)運(yùn)行n年后的總投資；

Cpp——地源熱泵型保溫水溝加熱系統(tǒng)的初期投資。

扎敦河隧道三個(gè)排水方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析所需的計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 計(jì)算參數(shù)表

利用式(1)～(5)計(jì)算所得投資如表4及圖3～4所示。

表4 三個(gè)方案投資表

圖3 扎敦河隧道排水系統(tǒng)方案運(yùn)行維護(hù)費(fèi)對(duì)比圖(運(yùn)行期50年)

圖4 扎敦河隧道排水系統(tǒng)方案總投資對(duì)比圖(運(yùn)行期50年)

由表4及圖3～4可得：從運(yùn)行維護(hù)費(fèi)角度來看，深埋中心排水溝費(fèi)用最高，防寒泄水洞次之，采用地源熱泵型保溫水溝加熱系統(tǒng)的總投資最低。這主要是因?yàn)樯盥裰行呐潘疁虾头篮顾丛谒淼肋\(yùn)行期內(nèi)需要進(jìn)行凍害檢查和治理，而深埋中心排水溝凍害發(fā)生幾率高于防寒泄水洞；地源熱泵型保溫水溝加熱系統(tǒng)在施工過程即對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以檢查管路是否通暢受損，而正常使用期間管路破損的可能性很小，因此用于檢查和維修的費(fèi)用最低。從總投資費(fèi)用角度看，防寒泄水洞總投資費(fèi)用最高，這主要是因?yàn)榉篮顾吹某跗谕顿Y最高，隨著隧道運(yùn)行期的增加并考慮銀行利率，所產(chǎn)生的費(fèi)用會(huì)高于其他兩種方案；但是隧道運(yùn)行期近50年左右時(shí)，深埋中心排水溝的總投資超過防寒泄水洞，這主要是因?yàn)樯盥裰行呐潘疁厦磕暧糜趦龊z查和維護(hù)的費(fèi)用高于防寒泄水洞。地源熱泵型保溫水溝供熱系統(tǒng)的總投資最低，這主要是因?yàn)樵撓到y(tǒng)的初期投資和后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都較少，因而總投資最低。從運(yùn)行安全角度看，地源熱泵型保溫水溝供熱系統(tǒng)屬于主動(dòng)供暖措施，而其他兩種方案屬于被動(dòng)防寒措施，因而，地源熱泵型保溫水溝供熱系統(tǒng)更加安全可靠。

從經(jīng)濟(jì)和安全角度考慮，如果僅需加強(qiáng)防排水系統(tǒng)即可解決凍害問題，建議采取地源熱泵型保溫水溝加熱系統(tǒng)防排水措施。

4 結(jié)語

(1)在國(guó)內(nèi)首次將利用地溫能的隧道保溫加熱水溝應(yīng)用于博牙高速扎敦河隧道，該技術(shù)將地源熱泵技術(shù)與隧道工程結(jié)合，實(shí)現(xiàn)隧道能源自供給，是運(yùn)營(yíng)隧道節(jié)能新趨勢(shì)。

(2)扎敦河隧道的深埋中心排水溝和防寒泄水洞均位于仰拱下方，深埋中心排水溝的開槽和防寒泄水洞掘進(jìn)不但對(duì)圍巖穩(wěn)定和隧道結(jié)構(gòu)安全非常不利，還會(huì)拖延隧道施工工期；深埋中心排水溝的排水管容易被施工污水堵塞，導(dǎo)致排水系統(tǒng)癱瘓，路面泥濘積水；保溫加熱水溝位于仰拱上方，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和施工工期均不產(chǎn)生影響。

(3)防寒泄水洞的初期投資最高，深埋中心排水溝次之，保溫加熱水溝初期投資最低；從運(yùn)行維護(hù)費(fèi)角度來看，深埋中心排水溝費(fèi)用最高，防寒泄水洞次之，保溫加熱水溝最低；從總投資費(fèi)用角度看，防寒泄水洞總投資費(fèi)用最高，保溫加熱水溝的總投資最低。

(4)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析表明，利用地溫能的隧道保溫加熱水溝在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均優(yōu)于深埋中心排水溝和防寒泄水洞，扎敦河隧道優(yōu)先選用保溫加熱水溝。

[1]夏才初，張國(guó)柱，曹詩定，等.寒區(qū)公路隧道防凍保暖技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[C].2009年全國(guó)公路隧道學(xué)術(shù)會(huì)議，2009.

[2]呂康成，崔凌秋，解赴東.寒區(qū)隧道春融期滲流水原因分析及預(yù)防方法[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001，38(4)：58-62.

[3]崔凌秋，呂康成，王潮海，等.寒冷地區(qū)隧道滲漏與凍害綜合防治技術(shù)探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005，42(5)：22-26.

[4]BrandlH.Energyfoundationsandotherthermo-activestructures[J].Geotechnique，2006，56(2)：81-122.

[5]IalamMS，F(xiàn)ukuharaT，WatanabeH，etal.HorizontalU-tuberoadheatingsystemusingtunnelgroundheat[J].JournalofSnowEngineeringofJapan，2006，22(3)：229-234.

[6]ZhangGZ，XiaCC，SunM.Anewmodelandanalyticalsolutionfortheheatconductionoftunnellininggroundheatexchangers[J].ColdRegionsScienceandTechnology，2013，88(3)：59-66

[7]ZhangG.Z.，XiaC.C.，SunM.Experimentalstudyonthethermalperformanceoftunnellininggroundheatexchangers[J].EnergyandBuildings，2014，77(7)：149-157

[8]張國(guó)柱，夏才初，孫 猛.隧道地源熱泵供熱系統(tǒng)加熱段隔熱層厚度及熱負(fù)荷計(jì)算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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

張玉強(qiáng)(1970—)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事隧道與地下工程建造、運(yùn)營(yíng)管理相關(guān)工作；

張國(guó)柱(1982—)，男,博士,主要從事隧道及地下工程相關(guān)的教學(xué)和科研工作；

夏才初(1963—)，男，博士研究生導(dǎo)師，主要從事隧道及地下工程相關(guān)的教學(xué)和科研工作;

楊 勇(1988—)，男，碩士，主要從事地下結(jié)構(gòu)與能源地下工程相關(guān)工作。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308107)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20130622)；教育部博士點(diǎn)新教師基金資助項(xiàng)目(201300 92120059)

U455.4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.006

1673-4874(2015)01-0022-06

2014-12-10