随着我国在青藏高原铁路、公路建设的兴起，寒冷地区隧道的抗防冻问题日益受到工程界的关注和重视。在寒冷地区修建交通隧道工程，最主要的问题是隧道主体结构尤其是洞口段的结构抗防冻能力、运营期间的安全性及结构的长期寿命等问题。目前我国在寒冷地区建成的公路隧道数量较少，但从国内寒冷地区的铁路隧道和欧美日本等国寒冷地区的铁路、公路隧道的使用情况看，冻害现象十分严重，甚至因严重冻害而导致隧道主体结构报废和运营期间发生重大交通安全事故。如日本公路隧道中，仅北海道地区的302座大型公路隧道中发生严重冻害的就达104座。
为了长期地解决寒区隧道的冻胀和结冰等病害，需要采取一定的主动供热措施，但常规的各种电力和燃煤方式的加热方法，都存在能耗大、运营成本高等缺点。寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖技术是对隧道进行主动供热的节能技术，既能长期地解决寒区隧道的冻胀和结冰等病害问题，又有比常规的加热方法能耗小、运营成本低等优点。
由中铁十五局负责承建的博牙高速公路第十四合同段林场隧道右幅，全长1259米，施工地处大兴安岭高寒高纬度无人林区，自然环境恶劣，每年无霜期只有69天，因此隧道防冻保暖技术是当地施工中亟待解决的问题。由于以往寒区隧道的防冻保温措施在使用后若干年内就需要翻修，为解决这一弊端，同济大学在博牙高速公路设立了采用新型防冻保暖技术科研项目的试点工程，我项目部林场隧道作为隧道新型防冻保暖技术的全国唯一试点单位进行试验。
博牙高速公路林场隧道右幅地源热泵型防冻保暖技术工作原理如下:在距离隧道洞口一定深度处，一定埋深条件下的隧道围岩可为地源热泵系统提供所需的地温能。在隧道初衬与二衬之间按一定的间距铺设热交换管并形成环路，传热介质在热交换管环路系统中循环时与初衬和围岩进行热交换，吸收热量，该部分热量经过地源热泵系统提升后，加热铺设在隧道洞口段二衬与隔热层之间和保温水沟内的供热管内的传热介质，以低温热水辐射供暖的方式对洞口段二衬和排水沟进行加热。为充分发挥热泵的制热效率，通过辅助电加热设备保证蒸发器入口温度。为防止在热泵因故未能工作时，隧道失去防寒能力，采用备用电锅炉设备代替热泵作为热源对隧道进行供暖。
博牙高速公路林场隧道右幅地源热泵型防冻保暖技术在国内寒区隧道中尚属首次应用，该项技术的传热模型，设计方法和施工技术都处于摸索阶段。现在我标段林场隧道右幅洞口段选取了一试验段，采用利用地温能的地源热泵型防冻保暖技术,通过试验段检验地源热泵型防冻保暖方案的防冻保暖效果，总结经验，以便今后推广该技术。目前，此项技术正处于现场施工阶段。
图1寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖技术效果图
寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖技术能为社会带来巨大的经济和社会效益。
（一）项目经济效益
利用地温能的寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术能长期避免寒区隧道的冻害问题。该技术成熟后，可以替代深埋中心排水沟或防寒泄水洞，可以大大节省土建成本，提高施工安全性和施工进度。
利用地温能的寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术试验段获得的热能主要用于隧道洞口段的防冻保暖，以避免隧道内水沟结冰和隧道中渗漏水导致隧道路面和衬砌结构结冰，影响隧道内的设备和交通安全；同时也可以用于隧道养护管理用房的冬季供暖。
与我国南疆线奎先隧道采用的电加热器和甘肃七道梁隧道采用了燃煤锅炉暖气供热相比。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，地源热泵型寒区隧道防冻保暖技术比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量。与传统供热系统相比，运行可靠，使用寿命长，所需维护费用低，经济效果明显。寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术与其他几种供热方式的对比如表1所示。
表1 几种供热方式的对比
供热方式 | 一次能效率E | 存在问题 |
电热 | 0.33 | 效率低、不经济 |
燃煤锅炉 | 0.6 | 污染、效率低 |
燃油（气）锅炉 | 0.8 | 污染、不安全 |
风冷热泵（电动） | 0.99 | 可靠性差、成本高 |
该项目的新技术 | >1.3 | 无 污染，可再生 |
此外，采用寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术，可以减少保温隔热材料的用量，也节省大量的材料费用和初期投资。
（二）项目社会效益
我国每年能源消费就达 2 亿多吨标准煤，而采用的锅炉由于吨位小、效率低、燃烧点严重分散等因素更加重了大气污染。采用寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术除了给隧道洞口段防冻保暖外，还可以给附近建筑物供热，可节约常规能源的消耗，减少煤或油在低燃点燃烧所排放出的二氧化碳、二氧化硫等有害物质，与空气源热泵相比，相当于减少40％ 以上，与电供暖相比，相当于减少70％ 以上，对于有效降低环境污染和减少温室效应具有积极作用。
利用地温能的地源热泵型寒区隧道防冻保暖技术既能长期避免寒区隧道的冻害问题，避免了现在的被动式防冻保暖运营一段时期后需要翻修的弊端，达到增加了寒区隧道的运行安全性和可靠性。
该项技术的进一步推广应用，一条隧道就成为一个能源工厂，为隧道附近的城市和村镇提供采暖和制冷的能源，对发展公路沿线当地的经济水平，提高工作环境和生活环境质量，提高“节能减排”效率做出贡献。
能源隧道应用技术研究积极响应了国家“十一五”规划《纲要》提出的“节能减排”号召，将“节能减排”落到了实处，将大大推进节能减排科技进步，为实现“十一五”规划确定的节能减排目标作出应有的贡献，依托工程试验段的建成，将在全国范围内起到了示范作用。
