能源隧道热交换对土体及结构性能的影响研究

李玉成 李孟琳

(江苏华东地质建设集团有限公司，江苏 南京 210007)

0 引言

能源隧道是一种将传统地埋管地源热泵技术的热交换管路直接植入隧道衬砌结构内的新型地温能开发利用技术，同时承担结构和暖通双重功能，利用隧道衬砌内的热交换管路提取隧道围岩中的地温能，经地源热泵提升后，实现隧道附近建筑的供热/制冷服务(见图1)，具有传热效果好、占地少、成本低等显著优点，解决了在城市中推广地源热泵技术中占地和成本高两个主要障碍，比传统空调系统节能30%以上[3-5]。

能源隧道与周围土体热交换势必会改变土体温度场，在夏季制冷工况向土体散热会引起土体温度升高约15 ℃～30 ℃，而在冬季供热工况从土体取热会导致土体温度下降约15 ℃～20 ℃。不同土体的传热规律也具有显著差异。

1 土体的热力性能研究

1.1 温度对土体变形性能的影响

相关研究结果表明，细粒土在单调加热排水条件下的温度响应为：正常固结土加热时产生热收缩，且部分体积变化不可逆；强超固结土加热时体积膨胀，冷却时膨胀可以恢复；弱超固结土的热学响应介于两者之间，土体在加热时一开始体积膨胀随后收缩，冷却时体积收缩。不同土具体表现为膨胀还是收缩与土的OCR值有关。Campanella和Mitchell，Hueckel和Baldi对循环热荷载作用下土体的变形响应进行研究，研究表明正常固结黏土经受第一次温度循环荷载时就已经完成了大部分不可逆的体积变形，之后相同幅度的温度循环只产生很小的不可逆变形增量，循环次数越多，不可逆变形增量越少。

1.2 温度对土体抗剪强度的影响温度

温度对土体抗剪强度的影响与土性、排水条件及应力历史等因素有关，Cekerevac等学者研究发现排水剪切条件下正常固结高岭土在22 ℃～90 ℃范围内升温对其摩擦角不产生影响，Alsherif的研究成果表明在23℃～64℃范围内升温对粉土的摩擦角影响也不显著，但Despax开展高岭土在22 ℃～88 ℃范围内升温不排水剪切实验，研究发现其摩擦角随着温度升高而减小；欧孝夺[8]研究发现温度对红黏土和膨胀土的摩擦角和粘结力的影响程度显著不同；Hueckel研究发现在不排水条件下土样中的孔隙水压力随着温度升高显著上升，孔隙水压的上升会导致有效应力下降，而偏应力不变，最终导致土样破坏；白冰[5]研究发现红黏土的最大孔压接近了围压，在升温过程中排水会提高土体固结抗剪强度，温度持续时间越长强度增长越大；Cekerevac对比了恒温20 ℃和升温至90 ℃条件下不同超固结比高岭土排水剪切试验，正常固结土的峰值强度在温度升高后有所提高，对超固结土峰值强度的影响不大，但是升温和常温下的残余强度却没有差别，说明温度并不影响土体的临界状态。

1.3 温度对土体刚度的影响

Cekerevac测试了超固结和正常固结土升温后的初始割线模量，研究发现90℃下的初始割线模量比室温状态下有所提高；Abuel研究得出温度升高和循环温度荷载作用后的割线模量均会提高，且温度循环作用后的模量更高；Burghignoli研究发现仅升温并不影响切线体积模量和割线模量，而温度循环荷载对其有增加作用。

2 考虑温度效应的结构—土相互作用

国内外学者系统开展了能源桩桩—土相互作用研究，代表成果如下：Lalou等开展了不同温差下的冷热循环荷载和建筑物加载条件下能源桩的力学响应试验，试验结果表明：在温差(ΔT=21 ℃)条件下，由于温度变化在桩身甚至产生高达1 300 kN的附加荷载；Bourne-Webb等人发现桩身侧阻力明显受到温度变化的影响，进而影响到桩基竖向承载力；Amatya对已有的能源桩足尺试验成果整理发现，在桩的热膨胀/收缩阶段桩土接触面的滑动摩擦力发生变化；程晓辉等人开展了保持桩顶加载条件下施加温度荷载下的桩身结构响应现场试验，研究发现冷热循环导致了桩顶累计沉降；Wang B在1g条件下进行了桩—土接触面模型试验测量温度对摩阻力的影响，试验得出湿度2%和4%的砂中的摩阻力大约是干砂的2倍，温度升高40 ℃，湿度2%的砂中的摩阻力大约是干砂的1/2，温度导致了土体中的水分迁移，从而对桩侧摩力产生影响；McCartney等开展能源桩离心机模型试验，研究发现随着管内流体与管外土层温差的增加，桩的侧摩阻力增大，土与桩基的相互作用增强。

3 能源隧道热力性能

能源隧道传热模型及其解析，研究了通风和地下渗流对能源隧道长期运行性能和地温恢复的影响，当地下水渗流速度为1×10-4m/s时，洞内未通风时，地下水渗流场上下游的温差为1.2 ℃；当隧道通风后，地下水渗流场上下游处的最大温差为2.9 ℃；当地下水渗流速度为5×10-4m/s时，洞内未通风时，地下水渗流场上下游的温差为0.7 ℃；当隧道通风后，地下水渗流场上下游处的最大温差为2.6 ℃，隧道通风加剧了围岩地温场分布不均匀。

在分析温度应力时，取整个隧道断面来进行温度应力的分析会相对复杂，温度应力集中表现在热交换管周围的衬砌内，因此分析所关心的是单个热交换管周围衬砌内所产生温度应力的大小。在温度场分析模型的基础上，取包含拱顶三个热交换管断面的扇形来作为温度应力分析的简化模型，并且针对中间的一个热交换管周围衬砌内的温度应力进行分析。计算分析表明，热交换管附近有明显的应力集中现象产生，但是影响范围较小，基本都在以热交换管为中心10 cm半径的圆内；衬砌结构因温度变化产生的最大压应力达到了0.7 MPa，而C25混凝土的抗压强度标准值为16.7 MPa，温度应力占到抗压强度标准值的4.2%；热交换管周围最大拉应力为0.035 MPa，相对于C25混凝土的抗拉强度标准值1.78 MPa，占到混凝土抗拉强度标准值的2%。

4 结语

1)研究表明温度变化对土体的强度和变形性能具有显著影响，但室内试验结果无法精确体现土体的热力行为，迫切需要从宏观角度去研究天然赋存条件下土体的热力特征，利用原位测试技术精确感知土体的热力响应。

2)研究表明温度对桩—土的相互作用产生了显著影响。软土地层中的能源隧道受力机理与能源桩虽存在差异，但也有相似之处，能源隧道结构—土相互作用研究是在其应用中急需解决的关键科学问题。

3)国内外学者对能源隧道提取地温能对其结构及周围土体长期热力性态影响的研究不足。

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