能源地下結構研究及應用進展

溫繼偉，侯珺瀧，劉星宏，曾現恩，項 天，陳昊天

(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043；2.成都理工大學 環境與土木工程學院，四川 成都 610059)

隨著我國社會經濟高速發展與城鎮化進程不斷推進，以及“一帶一路”“交通強國建設”等國家重大需求和發展戰略的相繼提出，地下軌道交通、地下綜合管廊、地下通道和停車場等地下結構基礎設施建設得到了高速發展。然而，在碳達峰碳中和目標新形勢下，減少CO2排放、提升能效、緩解全球變暖也是當前需要解決的重大社會和環境難題。目前，建筑能耗約占全國總能耗的1/3，而暖通空調(Heating,Ventilating and Air Conditioning，HVAC)能耗在建筑能耗中的占比高達2/3，因此，通過地熱能等清潔能源的開發利用，降低建筑能耗，尤其是暖通空調能耗，顯得尤為必要和迫切[1]。

目前，地熱能通過傳統地源熱泵技術的運用得到一定程度的開發利用，它是將一定深度內的地層作為熱/冷源為地面建(構)筑物冬季供熱、夏季制冷的綠色、低碳、環保型建筑節能技術[2]。能源地下結構是一種由傳統地源熱泵引申而來的建筑節能結構新形式，本文系統總結了常見的 4 種能源地下結構，闡述了能源地下結構的研究現狀、應用進展、主要不足和發展前景，分析了在煤礦巷道中布設能源地下結構的可行性，以期對綠色礦井建設中亟待解決的深部礦區作業時的高溫熱害及寒冷地區煤礦巷道的凍害等難題提供新的解決思路。

1 能源地下結構的概念及優勢

能源地下結構自1980 年首次提出以來，經過40余年的發展，已在世界各地形成多種應用形式。常見的能源地下結構有能源隧道、能源樁(能源錨桿)、能源地下連續墻、能源綜合管廊等形式[3]。它是通過在建筑基礎構件和地下結構物中植入地下環路管系統，形成地下換熱器，從地下結構本身處于的一定深度且常年處于恒溫的地層中獲取或釋放能量。這種將地下換熱器和地下結構緊密結合的方式，既能有效確保建筑結構及煤礦巷道等的穩定和安全，也能保證其換熱性能的可靠和持久。

基于能源地下結構獨有的結構形式，其具備以下主要優勢[1-4]：(1) 與傳統的石油、天然氣和煤炭等以碳基為主的非再生化石能源不同，地熱能是一種可再生、可持續安全利用的非碳基清潔能源。淺層地熱能的能量主要來源于太陽輻射和地球梯度增溫，中深層地熱能的能量主要來自地球內部的熔融巖漿和放射性物質衰變。因此，相比于空氣源熱泵(常規暖通空調)，地源熱泵能夠更有效地起到節能減排、生態環保的功效。(2) 能源地下結構創新性地將地下換熱構件與地下結構緊密結合在一起，節省了傳統埋管式地源熱泵所需的地下空間，有利于當前我國大城市的地下空間開發。(3) 相比于傳統地源熱泵技術，能源地下結構的經濟效益更好。在建筑結構施工時，可兼顧對地層的勘察，減少了傳統地源熱泵工程前期的地質勘察成本；同時，由于能源地下結構將地下換熱器和地下結構緊密結合，無需額外施工鉆孔，可有效降低初始投資費用。(4) 能源地下結構使用的換熱管埋設在混凝土等結構構件中，相比于傳統的地源熱泵，不會污染地下水，也不會影響地下水位。(5) 將能源地下結構技術理念運用于煤礦巷道等采礦作業及礦井建設中，在實現節能減排、生態環保前提下，既能有效解決深部礦區作業時的高溫熱害難題，還可防止寒冷地區的煤礦巷道等發生凍害。

2 巖土熱物性參數及換熱材料

在對能源地下結構進行設計選型時，獲得地層巖土熱物性參數十分重要，其決定了熱源的可靠性和持久性。與能源地下結構設計相關的巖土熱物性參數，主要包括熱傳導系數、比熱容和熱擴散系數[5]。由于巖土復雜的物理化學結構和分布地域的差異性，使得其熱物性參數既無法通過簡單的理論計算，又難以利用資料查閱得到精確可靠的數據，因此，在工程實踐中主要通過巖土熱物性原位測試方法，即現場熱響應實驗法(Thermal Response Test，TRT) 來獲取[6-8]。此外，能源地下結構的換熱性能受地下能源結構材料(可理解為傳統地源熱泵中的回填料)的換熱性能影響較大。國內外眾多學者通過在水泥或膨潤土中添加粉煤灰、螢石、石墨、石英砂等添加劑的方式，制備出高導熱的結構材料，能夠滿足不同工況下的換熱需求[9-15]。在工程實踐中，出于方便施工的考量，換熱管材料逐漸由高密度的聚乙烯或 PVC 管換作金屬材質的換熱管；同時，為避免水在零度以下結冰體積膨脹，易造成換熱管道破裂，因此，在低溫環境下需向水中加入鹽、乙二醇、甲醇等抗凍處理劑或防凍液[16-17]。

3 常見的能源地下結構現狀

3.1 能源隧道

能源隧道是通過在隧道襯砌中埋設換熱管，提取隧道圍巖地熱能及(或)隧道內部空氣熱能的一種結構形式。其工作原理是將分、集水管與地源熱泵前端相連，形成換熱管封閉系統，如圖1 所示，通過水泵驅動使系統內的循環介質在換熱管內循環流動，在此過程中吸收隧道圍巖地熱能及(或)隧道內部空氣熱能，再將其用于相關建(構)筑物的供熱或制冷[18]。在地下隧道和地下車站中，車輛、機電設備和人群等產生的熱量(廢熱)不易排出，此時隧道內溫度高于圍巖溫度，使用常規暖通空調系統會造成大量能耗，而能源隧道通過將換熱管埋設在隧道襯砌中，加速隧道內廢熱的散出，達到制冷的效果，并能有效降低暖通空調系統能耗；同時，能源隧道也可在冬季圍巖溫度高于隧道內溫度時提取圍巖熱量來為車站及周邊建(構)筑物供熱[20]。

圖1 地下能源隧道與地上建筑物連接方式[19]Fig.1 Connection mode of underground energy tunnel and s urface buil ding[19]

在使用新奧法(New Austrian Tunnelling Method，NATM)等傳統工法施工隧道時，換熱管可在場外預先連接到無紡土工合成材料上，再將其放置在一次和二次襯砌之間[21]，這種預制式的能源隧道施工方式，使現場安裝換熱管相對方便。當采用機械化掘進時，隧道襯砌管片可在工廠預制，再由隧道掘進機在現場鋪設；在裝配能源隧道襯砌時，每個襯砌管片里的回路通過液體管路與相鄰部分的回路相連，由6～7 個襯砌管片形成襯環回路，2 個或2 個以上的環組成一個子回路，然后再通過主管道與熱泵連通[22]，如圖2 所示。

圖2 能源隧道襯砌結構形式[19]Fig.2 Liningstructuralmodeofenergy tunnel[19]

能源隧道及其換熱能力、溫度應力的測試研究已有不少成果，主要集中在能源隧道換熱系統的換熱影響因素、換熱效率，以及換熱過程中溫度應力的變化對能源隧道結構穩定性的影響等方面。M.Barla 等[23]通過三維數值模型預測了意大利都靈地鐵一號線埋設換熱系統后夏季與冬季的換熱量分別為74、53 W/m2。夏才初等[20]通過恒定進口溫度法開展了熱性能測試(Thermal Performance Test，TPT)，在內蒙古林場隧道的一個能源隧道試驗段分析了熱交換管入口溫度、流量及管間距對換熱量的影響。郭紅仙等[24]利用COMSOL 軟件對新八達嶺長城站能源隧道試驗段熱響應試驗進行了數值分析與適用性評價。馬康等[25]基于ABAQUS 通用有限元軟件與清華巖土熱力學模型有限元分元程序(Tsinghua Thermo-soil Model Finite Element Program，TTS-FEP)，分析了能源隧道換熱過程中產生的溫度應力，其中的環向應力變化較為明顯，徑向應力在襯砌與圍巖界面處會產生明顯的應力集中現象。

此外，近些年來，能源隧道也已被成功應用于寒區隧道的防凍保暖中[26-30]，如圖3 所示。張國柱等[27]通過開展寒區隧道地源熱泵的巖土熱響應實驗，進行了一系列熱交換管內循環介質溫度對襯砌和周邊圍巖溫度場的影響分析。陳明全[28]通過設計2 種不同的太陽能與地源熱泵復合寒區隧道防凍系統，通過補償寒區隧道過度的熱能提取，以期有效避免能源隧道在冬季從地下提取的熱量大于夏季釋放到地下的熱量而造成地面凍結現象，運用TRNSYS 軟件對其可行性進行了分析，并通過傳統地源熱泵系統進行了數值模擬對比研究。

圖3 寒區能源隧道結構形式[30]Fig.3 Structural modeofenergy tunnelinthecold zone[30]

事實上，能源隧道的應用范圍十分廣泛，城市地區是其最好的應用地點，在城市交換的熱量可以直接被鄰近的建(構)筑物所利用，還可集成到地區的供暖和制冷系統中。斯圖加特薩南霍夫隧道、奧地利維也納2 號線地鐵、意大利都靈地鐵隧道、日本的Nanaoritoge 隧道以及我國的新京張鐵路清華園隧道都成功應用了該技術[29]。在寒冷地區，能源隧道還可以達到防凍保暖的效果，內蒙古博牙高速扎敦河隧道就是一個典型的成功案例[30]。

能源隧道的技術理念還可以運用到煤礦巷道工程實踐中，由于煤礦鉆掘的巷道大多處于地下200 m 以深，形成的硐室既可作為寶貴的地下空間資源加以利用，同時還可利用煤礦巷道充足的換熱條件。首先，大部分煤礦巷道處于中深層地熱能利用帶，具有豐富的地熱能資源；其次，由于巷道較長、與圍巖接觸面積較大，換熱表面積大，因此，煤礦巷道是一個極為理想的天然蓄熱器和恒溫器[31]。此外，煤礦深部巷道開挖過程中幾乎不可避免地存在高溫熱害難題，會導致井下人員和設備長期處于高溫、濕熱的作業環境中，不僅造成采礦效率大幅衰減，還會嚴重影響著人員健康和設備使用壽命[32]。

為有效解決深部礦產資源開采所遇到的高溫難題，降低深部地熱開采成本，高效利用中深層地熱能，蔡美峰院士等[33] 開創性地提出深部礦產資源開采系統和地熱開發系統“共建-共存-共用”的理論體系，為深部礦產和地熱資源共采戰略提出了地質勘查、科技創新、扶持政策、頂層規劃與科研示范基地等方面的發展建議。亢方超等[34] 基于開挖、爆破、崩落等采礦技術提出的開挖式增強型地熱系統( Enhanced GeothermalSystems Based on Excavation Technology,EGS-E)，為突破傳統基于鉆孔和水力壓裂技術的干熱巖型地熱資源開采方法-增強型地熱系統(Enhanced Geothermal Systems，EGS) 的瓶頸，實現干熱巖型地熱資源大規模商業開發提供了一種全新的解決方案。

在煤礦巷道中布設地埋管換熱系統與能源隧道施工類似，將U 型管布置在垂直于巷道壁的鉆孔中，并對鉆孔進行封堵充填，使其與地下煤礦巷道周圍巖體形成統一整體。多根U型管連接形成換熱管網，通過管內換熱流體的循環流動，便可實現將地下熱量與地面熱量進行熱交換[35]。相較于目前常見的淺層地埋管系統，礦山地埋管系統埋深較大，受地溫梯度影響，隨深度的增加采暖效果逐漸增強，因此，對取熱需求較大的北方寒冷地區具有明顯優勢。

礦山地埋管換熱系統不僅可以通過采取地熱能實現清潔能源高效利用，還能有效解決礦山作業時的高溫熱害及保溫防凍難題。隨著我國礦產資源，特別是煤炭、金屬等固體礦產資源開發逐步向深部推進，以及地熱能這一非碳基清潔能源的廣泛使用，我國礦山地熱開發的發展空間和前景將是十分廣闊的。

3.2 能源樁(能源錨桿)

能源樁是在樁基礎中埋設換熱管，在滿足樁基礎力學性能的基礎上，通過樁體實現埋管與地層的熱交換[36]。常見的能源樁類型包括預制樁、鋼筋混凝土樁及鋼管樁等，其中鋼筋混凝土樁的應用最廣，這得益于其良好的儲熱和傳熱性能[37]。圖4 是能源樁的結構形式。

圖4 能源樁的結構形式[16]Fig.4 Structuralmodeof energypile[16]

圖5 是能源樁換熱管常用的埋設方式，主要有單U 型、串聯雙 U 型(W 型)、并聯雙 U 型、并聯三 U 型和螺旋型等[38]。

圖5 能源樁埋管形式Fig.5 Buried pipe modes in the energy pile

圖6 為能源樁冬夏季工況的熱交換行為示意圖。其中，夏季制冷工況時，地上室內溫度高于地下土壤溫度，換熱介質將室內的熱能提取出來，通過熱泵循環流動釋放到土壤中，從而降低室內溫度，達到制冷的效果[39]；冬季供熱工況時系統工作過程則相反。在能源樁傳熱模型研究方面，對于不同結構的能源樁，其傳熱模型也有所不同，如在直徑較小的樁基中多用空心圓柱熱源模型，螺旋管換熱器適于用實心圓柱熱源模型，而線圈熱源模型與螺旋線熱源模型適合所有樁埋管形式[41]，但上述傳熱模型研究成果對于微觀層面的樁-土接觸狀態、土顆粒接觸形式對能源樁換熱效率影響方面的考慮有所欠缺。

圖6 能源樁冬夏季工況的熱交換行為[40]Fig.6 Heat exchange behaviorof energy pile in winterand summer[40]

在能源樁力學特性研究方面，桂樹強等[42]研究了在溫度荷載、結構荷載，以及樁側和樁端約束的多種工況條件下，樁身的應力-應變特性和樁周側摩阻力變化的一般規律，并建立了相關簡化分析模型。張琦等[43]通過室內試驗，測試了樁身-巖土體接觸界面在溫度循環條件下的變形特征。程曉輝等[44]基于清華熱力學巖土本構模型(Tsinghua Thermodynamical Soil Model，TTS 模型)，開展了飽和高嶺土升溫排水試驗和能源樁的有限元分析。可以發現，對于能源樁的力學特性研究主要通過建立簡化力學分析模型，而對于復雜條件下能源樁的熱力耦合性能研究仍較少。

能源樁不僅可用于礦區建(構)筑物施工中，對于地下煤礦巷道支護工程同樣適用，運用相似的原理將換熱構件與支護錨桿結合可形成能源錨桿。目前，少數國外地鐵站臺已將其運用于站臺的溫度調節[16,45]，但國內部分學者對能源錨桿僅進行了探索性研究，還未見工程應用實例報道。韓建飛[46]通過有限元分析軟件ADINA 建立了流-固耦合的 PE 管-錨桿-土壤三維溫度場模型，分析了不同工況、進水速度、流體速度、供水溫度和導熱系數條件下能源錨桿的換熱性能及傳熱機理，并進行了現場試驗，對能源錨桿的施工工藝進行了研究；李志毅等[47]基于有限元分析軟件ADINA，模擬冬季工況下能源錨桿熱泵系統運行狀況，探究了土壤熱物性參數、供水溫度、埋管流體速度及鉆孔填充材料等關鍵參數對能源錨桿換熱效率的影響。總之，不論是能源樁還是能源錨桿，在煤礦巷道等礦區建設中都有廣闊的應用前景，這種綠色低碳、環保節能的結構形式應在未來的礦區建設和運營維護中得到運用推廣。

能源樁作為最早應用的能源地下結構，在世界范圍都有大量的工程應用實例。瑞典PAGO 公司的辦公大樓、日本札幌市立大學教職工公寓、德國圖賓根Kreissparkasse Tuebingen 銀行、波鴻市Stadtwerke 公司及法蘭克福某塔等都在其建筑內采用了能源樁結構。德國法蘭克福某塔使用213 根直徑1.5 m、長30 m 的鉆孔樁支撐，其中112 根鉆孔樁應用了能源樁技術，滿足了20% 的供熱和100% 的制冷需求[48]。英國建筑面積達50 000 m2的One New Change 大廈辦公樓的能源樁系統能夠滿足2 MW 的供熱和制冷需求，每年可節省花費超6 萬英鎊，減少CO2排放近300 t。國內對能源樁應用最早的是2004 年位于天津的一個能源樁工程，2006 年同濟大學修建的旭日樓能源樁深達28 m，運行效果良好[49]。2007 年南京朗詩·國際街區項目在1 200 根樁基礎中埋設了U 型或W 型傳熱管，樁長約30 m，并在建筑物外圍加設了302 口深60 m 的換熱井，使項目整體能耗減少40% 以上[50]。2010 年，上海世博會的世博軸采用直接式江水源熱泵系統和能源樁復合熱泵形式，樁長采用25、40 m 兩種尺寸、樁間距4～6 m，共計6 000 根工程樁構成樁基埋管換熱器，是目前世界上單體能源樁用量最大的工程，均埋設W 型換熱管，每年可減少CO2排放量5 629 t，全年節能率可達61.40%。此外，在天津、寧波、吳江、溫州等地的辦公樓、小區等，也均有應用能源樁的實例[51]。

3.3 能源地下連續墻

能源地下連續墻是將地下埋管直接綁扎在地下連續墻的主筋上，與地下連續墻一起形成換熱構件的結構形式[52]，如圖7 所示。與能源樁的軸對稱屬性相比，能源地下連續墻幾何結構更加復雜且可能存在地下臨空面(圖8)，會造成能源地下連續墻的熱邊界條件受外界環境的季節性變化影響而不確定，因此，目前國內外更多聚焦在能源地下連續墻的換熱模型、換熱計算等理論和數值模擬研究，實地測試數據較少。

圖7 能源地下連續墻結構形式[16]Fig.7 Struct uralmodeofenergyundergrounddiaphragm wall[16]

圖8 能源地下連續墻埋管形式Fig.8 Form of buried pipe in energy diaphragm wall

夏才初[53]、孫猛[54]等通過建立開挖面上下兩部分的能源地下連續墻傳熱模型，并采用格林函數法推導其解析解，找到可優化分析能源地下連續墻埋管布置工藝及間歇運行時間等參數的方法，又通過現場試驗測試了埋管布置形式、循環水流速、進水溫度和運行模式對能源地下連續墻換熱效果的影響。董盛時[55]分析了換熱條件下能源地下連續墻的力學響應問題，通過大尺寸模型試驗及數值模擬方法得到了換熱條件下的溫度場、墻內應力應變狀態與墻土接觸面法向應力的變化規律。上述研究均發現，地下連續墻在不同工況條件造成溫度變化的情況下會產生分布不均的溫度應力，且換熱管附近會有應力集中現象。此外，P.J.Bourne-Webb 等[56]通過設置不同的埋管布置方式、隧道墻體臨空面邊界條件及墻和土的熱膨脹系數比值，分析了對能源地下連續墻體彎矩的影響。K.Soga 等[57]通過二維有限元數值模擬方法，對比分析了無換熱和換熱過程中墻側土體孔隙水壓力、墻體的水平位移及墻體的彎矩變化。

在礦區，防滲墻、連續墻、水閘墻等墻體結構大量存在于地下煤礦井巷系統中，將換熱構件埋設在墻體中的結構形式同樣具有廣闊的應用前景。如將換熱系統布設在水閘墻或連續墻等墻體結構中，既可以提取地下高溫熱水及高溫圍巖中的熱量為需要的建(構)筑物供熱，又能以此方式通過循環換熱介質將地面的低溫流體輸送到地下，降低煤礦巷道高溫，有效緩解煤礦巷道采掘作業時的熱害難題，將使深部資源開采時遇到的高水溫、高地溫難題變害為利[58]。

1996 年，奧地利和瑞士率先將地埋管換熱系統應用于地下連續墻中，維也納U2 地鐵線將大量地下連續墻當作熱交換元件[16]。2009 年建成的上海自然博物館地下連續墻內埋有452 組W 型埋管，運行效果良好[54]。由于能源地下連續墻較為復雜，導致對能源地下連續墻在換熱條件下的力學及變形特性尚缺乏統一的認識，其內在的變形特征及機理尚不明確，在工程設計中也缺乏相應的優化設計計算方法，同樣影響了能源地下連續墻的應用與推廣[55]。

3.4 能源綜合管廊

與能源隧道結構相似，能源綜合管廊是將地埋管換熱系統設置在地下管廊混凝土結構中的一種兼具承載及換熱功效的新型結構工程。能源綜合管廊系統原理如圖9 所示[59]。該結構冬季從綜合管廊周圍地層中吸收熱量，通過能源站中的熱泵機組輸送至用戶終端，實現建筑空間的供熱，夏季則利用地層低溫為建筑空間制冷。這種方式既有效實現了對不同管線的集中敷設和管理，節省寶貴的城市地下空間資源，又能達到節能減排的效果。

圖9 能源綜合管廊原理[59]Fig.9 Energyintegratedpipegallery[59]

目前對于能源綜合管廊的研究較少，李思茹等[60-61]建立了管內流體、管廊內空氣及混凝土結構和土壤的耦合換熱數理模型，對能源綜合管廊的換熱特性、一定工況下的最優布置方式及全年周期的運行特性等能源綜合管廊的可行性展開了分析，認為地埋管在管廊混凝土結構內的最優埋設位置是在距離管廊內壁200 mm 處，且能源綜合管廊只有在嚴寒地區(如新疆烏魯木齊等)的冬季時無法運行，而在我國另外4 個氣候分區內冬夏季均可正常運行。

由于能源綜合管廊的概念提出時間比其他能源地下結構晚，且由于綜合管廊大多位于地下淺層土壤內，存在明顯的溫度分層現象，溫度值并非恒定，目前對此研究較少，尚未見有實際工程應用報道。

在煤炭行業，為保障煤礦作業區正常的生活及生產需求，敷設了大量輸氣、供水、電纜及通信等多種管線，若這些管線直接裸埋在地下，必定會造成難以維護、易損壞等問題，因此，將能源綜合管廊應用于礦區，既可有效保護各種管線，也可有效利用礦區地下的地熱能，實現煤礦的低碳綠色采掘。

4 能源地下結構的防災減災設計研究

由于地下空間開發的不可逆性及對工程安全的日益重視，在能源地下結構規劃中對防災減災設計必不可少。結合已有的實際工程及相關研究，地下結構的防災重點主要集中于隧道和綜合管廊的抗震、抗爆和防火設計等方面。

國內外學者主要通過原位觀測(現場災害調查)、模型試驗及建立數理模型對地下結構的地震反應、變形破壞特征和抗震可靠性等進行計算來分析地下結構的抗震減震性能[62-64]。地下結構內的爆炸破壞力大、沖擊力強，對結構穩定性、人員人身安全都會造成較大危害，因此，受到普遍重視。研究人員主要通過有限元軟件建立爆炸荷載作用下地下結構的數值模型，分析其襯砌結構的動力響應及損傷機理，發現地下結構襯砌的損傷破壞具有局部性和弱傳遞性，并探查出不同地下結構的抗爆薄弱區[65-67]。

火災作為地下結構最常見、危害最大的災害之一，除了對身處地下結構內的人員造成巨大傷害外，還會對地下結構的四周襯砌結構產生較大破壞，因此，對地下結構火災的發展規律、人員逃生、襯砌結構高溫力學性能等方面的研究至關重要。相關學者主要通過數值模擬或與工程實例結合的方法，對地下結構火場發展規律、人員逃生設計，以及高溫火災作用下襯砌結構的溫度場分布和破損規律進行了研究[68-70]。

地震、爆炸及火災等災害都會不可避免地對能源地下結構的穩定性造成危害，并會影響換熱系統的正常運行。結合現有地下工程的防災減災設計，對能源地下結構的防災減災設計提出如下建議和展望：

(1) 地下結構抗震計算方法主要有 3 種：靜力法、反應位移法及其變化形式和動力分析法[71]。然而，上述3 種計算方法適用范圍有限，使用時有諸多限制，如現行規范中的靜力法無法對隧道及綜合管廊縱向進行抗震計算、傳統反應位移法無法適用于非均質地層、動力分析法計算量大，受限于計算機容量及計算能力等，因此，對于簡便、可靠的抗震計算方法和專門針對能源地下結構的抗震減震設計規范的制定和完善，仍是今后能源地下結構抗震設計研究的重點。

(2) 能源地下結構的防震害措施應通過抗震和減震2 方面進行設計規劃，具體為：前者可通過采用柔性連接方式過斷層破碎帶、設置抗震縫及根據斷層蠕變和錯動量采取擴挖措施等實現；后者主要思路是通過在能源地下結構，如在隧道的襯砌和圍巖間設減震層，構成圍巖-減震層-襯砌系統，吸收部分地震能量(圖10)，從而有效減小或改變地震對結構的作用強度和方式，但需注意的是，能源地下結構的減震層和換熱層可能存在位置重疊及相互影響等不良效果，因此，當能源地下結構通過地質斷裂帶時，不建議布設換熱系統。

圖10 圍巖-減震層-襯砌系統[63]Fig.10 Sketchdiagramof rock-layer-lining system[63]

(3) 建議加強能源地下結構在地質條件復雜或地質條件突變處，以及在其附屬結構如豎井、聯絡橫通道連接處等結構剛度突變部位的防護，以加強能源地下結構的抗震性能。建議加強能源地下結構重點迎爆面，如能源綜合管廊燃氣艙的艙壁厚度、焊縫處的焊接強度等，以提高能源地下結構的抗爆性能，也可通過敷設吸能緩沖效果良好的材料(如泡沫鋁、聚苯乙烯泡沫EPS、聚乙烯泡沫EPE 等)吸收和抵抗爆炸沖擊波。當前，地下結構在爆炸荷載作用下的動力響應與毀傷效應仍以數值模擬分析為主，可適當開展相應能源地下結構大尺寸模型爆炸實驗獲取更為準確的數據資料；同時，還應加強對強沖擊作用下的能源地下結構變形問題、抗震抗爆設施耐久性等問題的研究。

(4) 建議加強不同能源地下結構截面尺寸、截面形狀、能源地下結構內風機對于火災的發展規律與煙氣的運動規律的影響研究，還應加強襯砌結構高溫力學性能阻燃材料、新型滅火技術及救援與人員逃生等能源地下結構防火重點等方面的研究。

5 能源地下結構存在的主要不足及發展前景展望

通過總結4 種不同能源地下結構的研究及應用，發現目前能源地下結構研究及應用領域還存在以下主要不足：

(1) 對能源樁的研究主要集中在換熱性能和熱力耦合性能2 大方面。前者研究內容主要關于換熱管規格、布置方式、換熱流體介質、換熱流體流速等宏觀層面，而對于微觀層面的樁-土接觸狀態、土顆粒接觸形式對能源樁換熱效率的影響研究較少；后者研究內容主要集中在建立簡化力學分析模型，但對于復雜條件下能源樁的熱力耦合性能研究較少，后續應開展傳熱學、巖土力學、流體力學等多學科交叉融合基礎研究，聚焦溫度應力作用下能源樁承載力變化的具體機理，考慮多因素全方位評估能源樁的熱力耦合性能。

(2) 對能源隧道的施工構件預制化、施工方式機械化等施工標準的研究尚有欠缺，不同的施工標準會影響施工進度及能源隧道的換熱效果；同時，能源隧道的應用場景也較為有限，根據國內外為數不多的應用案例可發現，能源隧道目前主要應用于城市地鐵換熱及山區隧道防凍，后續應加強能源隧道在非傳統隧道領域(如煤礦巷道、礦山采掘等)的應用研究，并聚焦能源隧道在極端條件(如嚴寒凍土區)下的防凍應用難題，拓展能源隧道的應用范圍。

(3)對于能源地下連續墻和能源綜合管廊的研究及應用都較少，二者在國內外都鮮有實際工程案例。在地下連續墻方面，應首先聚焦模型建立及簡化，并依托合適工程進行實地數據測量，將數值模擬數據與實地測試數據驗證對比，優化建立的能源地下連續墻數學物理模型，進一步推進其應用。而對于后者，應依托能源隧道的研究應用背景，深化對于能源綜合管廊的淺埋地層溫度分層現象、矩形管節的換熱管布置方式、能源綜合管廊換熱效率、管廊內多線路運行熱干擾等能源綜合管廊可行性研究，為實際工程應用提供理論支持。

在“一帶一路”“交通強國建設”“碳達峰碳中和”“城鎮化快速推進”及“城市地下空間開發利用”等國家重大需求的時代背景下，能源地下結構未來的發展方向應更貼合城市規劃開發需求、更環保低碳、更節能高效、更廣泛的應用場景，因此，還需加強對于復合能源系統的開發，可綜合利用太陽能、風能等非碳基清潔能源，構建綜合清潔能源利用系統，進一步降低城市建筑能耗。此外，還可拓展能源地下結構在諸如礦區建(構)筑物及煤礦巷道的新應用，在這種應用場景下不僅能實現地熱能的高效利用，還能有效解決礦山巷道作業時的高溫熱害難題。對嚴寒地區取熱需求較大的礦區，在煤礦巷道結構中采取能源隧道的形式能有效解決防凍難題，且由于礦井通常處于中深層地熱能利用帶，地熱資源豐富，隨深度的增加采暖效果逐漸增強，因此，能源地下結構在寒區煤礦具有明顯優勢。

由于地熱能具有可再生性，穩定可靠、清潔持久，經濟效益、社會效益和環境效益均十分顯著，且能源地下結構既能保證地下換熱系統的穩定性、耐久性，又有相對低廉的造價，還具有通用性，可與任何地下建筑結構相結合，節省地下空間，因此，該技術相較于傳統地源熱泵技術優勢明顯。國內地源熱泵技術起步較晚，尤其是能源地下結構在國內的應用并不多見，加之在“碳達峰碳中和”的新形勢下我國對非碳基清潔能源和城市地下空間開發利用的迫切需求與日俱增，能源地下結構具有十分廣闊的應用和推廣前景。

6 結論

a.能源地下結構不僅可有效利用非碳基清潔能源-地熱能，降低碳排放，還能與多種地下建筑結構相結合，節省且高效利用寶貴的地下空間資源；同時，在煤礦巷道布設能源地下結構既能有效解決深部礦區作業時的高溫熱害難題，還可在嚴寒地區的煤礦巷道起到防治凍害的效果。

b.在對能源地下結構的研究中，為避免求解困難，現有理論研究與數值模擬均進行了簡化而未充分考慮所有因素對能源地下結構的影響，導致研究結果與實際工況存在偏差；同時，由于目前大部分研究均是基于不同假設和條件提出的，使得不同模型和模擬都有其各自的適用性和局限性。

c.建議后續對能源地下結構的研究能更好地結合工程實際情況，盡可能考慮所有因素對結構工程的影響，從而減少研究結果與工程實際的差異；同時，還應重視對能源地下結構防災減災設施的研究、設計和規劃，在最大程度上確保人員和結構安全的前提下要充分考慮能源地下結構換熱系統的可行性和穩定性。加強對煤礦巷道及礦井地區布設能源地下結構的研究與應用，是碳達峰、碳中和背景下實現綠色礦井建設的有效途徑。此外，由于地下空間是不可逆的寶貴資源，在加快能源地下結構發展的同時一定要注重提前合理規劃，避免浪費或造成不必要的損失。