高寒隧道隔熱層防凍法的分析研究

劉玉勇

0 引言

在高寒地區(qū)修建隧道，容易產生凍害問題，對于可能產生凍害的寒區(qū)隧道來說，僅僅采用抗凍措施是不夠的，而應該從防凍方面出發(fā)進行根本性的解決。擬建317國道雀兒山隧道工程區(qū)域海拔高度在4200 m以上，地處高寒地區(qū)，屬季節(jié)性凍土，隧道的防凍技術措施將是隧道修建的關鍵因素。

使用敷設隔熱層防凍法對交通沒有影響，且一次安裝完畢后，后期運營管理費用少，尤其是采用表面隔熱處理，它的防凍效果更能得到保證，對襯砌也起到了保護作用，是一種理想的防凍害措施。

隔熱層法的敷設方式有三種:一種是在二次襯砌混凝土內表面上直接敷設隔熱層，即貼壁式(見圖1a));另一種是在初期支護與二次襯砌之間敷設隔熱層，即夾心式(見圖1b));還有一種是在襯砌混凝土和隔熱層之間設置了空氣層來增強隔熱效果(如日本的上羽晃隧道)，即離壁式(見圖1c))。

圖1 隔熱層的不同敷設方式

1 貼壁式和夾心式的技術比選

1.1 貼壁式的優(yōu)缺點

1)隔熱材料設在襯砌內表面，保護了襯砌混凝土，使其不易產生凍害破壞;2)對隔熱材料的強度和密度要求不高，隔熱的效果容易達到要求;3)容易遭到車輛的撞擊或人為的破壞等，要加強管理和維護;4)要求隔熱材料的阻燃性較高。

1.2 夾心式的優(yōu)缺點

1)要求襯砌混凝土自身有抗凍能力;2)對隔熱材料的強度和彈性模量都要求較高，但同時密度、導熱系數(shù)隨之提高，就達不到隔熱的效果;若要達到隔熱效果，則隔熱材料的強度和彈性模量都較低，受力后隔熱層會被破壞或壓縮，從而降低隔熱的功能;3)隧道頂部容易存在積水空隙，在二次襯砌和隔熱材料之間存在隧道局部凍脹或凍害的隱患;4)因施工或耐久性的問題，一旦隔熱材料失效，將難以對其進行更換。

綜上所述，采用夾心式敷設方式，對材料性能要求高，施工難度大，很難保證隔熱材料的隔熱功能正常發(fā)揮。相比之下，采用貼壁式敷設方式，在能夠對襯砌和圍巖進行隔熱的同時，隔熱層對原來的結構受力沒有太大影響，且可隨時掌握隔熱材料的實際狀態(tài)，當隔熱材料失效后，其更換工作方便。

通過上述對貼壁式和夾心式的優(yōu)缺點的比較分析，從結構的安全、防水、維護和耐久性上來考慮認為貼壁式比較有利。下面就貼壁式和夾心式兩種敷設方式的隔熱效果進行計算分析，比較兩種敷設方式下隧道襯砌和圍巖的溫度場情況，確定雀兒山隧道中合適的隔熱層敷設方式。

1.3 計算條件、參數(shù)及工況

1)隧道斷面。隧道計算橫斷面如圖2所示。

圖2 隧道橫斷面圖

2)氣象條件。本階段數(shù)值計算，認為隧道通風良好，隧道內氣溫按與隧道口兩端大氣溫度相同考慮，取海拔標高4300 m處月平均氣溫變化進行計算。假設隧道從最熱月7月開挖，計算時間起點為7月。海拔標高4300 m處月平均氣溫變化見表1。

表1 海拔標高4300 m處月平均氣溫變化 ℃

表2 計算參數(shù)

3)地熱梯度。考慮到雀兒山隧道的地理位置、海拔高度以及巖性情況，暫取地熱梯度為5.0℃/100 m。

4)熱物理參數(shù)。選硬質聚氨酯泡沫材料為隔熱材料，其導熱系數(shù)為 0.027 W/(m·K)，比熱為 2000 J/(kg·K)，密度為60.4 kg/m3。

選取埋深190 m的花崗巖作為計算巖樣，不考慮巖石的裂隙的影響，考慮未凍圍巖和混凝土含水量及冰水相變對隧道圍巖及結構溫度場的影響。二維瞬態(tài)相變溫度場數(shù)值模擬計算采用的參數(shù)見表2。

5)計算工況見表3。

表3 計算工況

1.4 計算結果及分析

隧道襯砌和圍巖的典型計算建模圖、溫度場分布云圖、溫度隨時間變化曲線圖分別見圖3～圖5。在隔熱層貼壁式和夾心式兩種敷設方式下，主要考慮了海拔高度4300 m、地熱梯度5.0、隧道埋深500 m、不同計算工況進行組合計算分析，得出相關計算結果。

圖3 隧道計算建模圖

圖4 溫度場分布云圖

圖5 貼壁式和夾心式，1年中襯砌和圍巖的溫度變化曲線

1)在隧道貫通后1年內，當隔熱材料導熱系數(shù)為0.027、貼壁式時，隧道襯砌和圍巖的溫度都在0℃以上，不需要考慮凍脹力的影響;夾心式時，隧道襯砌的溫度都隨氣溫正負交替變化，圍巖的溫度在0℃以上，隧道襯砌需要考慮年季節(jié)性凍脹。2)夾心式時，隔熱材料導熱系數(shù)0.054與0.027相比較，隧道襯砌的溫度差別不大，圍巖的溫度有一定差別，說明夾心式考慮導熱系數(shù)增大時，圍巖的溫度受氣溫的影響增大。夾心式時，隔熱材料的導熱系數(shù)無論是0.027還是0.054，隧道襯砌都需要考慮年季節(jié)性凍脹的影響。3)通過上述分析，夾心式時，即使敷設了隔熱層，隧道圍巖雖得到很好的保護，但隧道襯砌要考慮凍脹影響;而貼壁式時，敷設了10cm厚的隔熱層，不僅很好的保護了隧道圍巖，連隧道襯砌也能保證不發(fā)生年季節(jié)性凍脹。

2 離壁式敷設方式

2.1 離壁式簡介

由于空氣在不考慮對流熱交換的情況下其導熱系數(shù)較低，約為0.03 W/(m·K)，可采取空氣隔熱層代替隔熱材料對隧道襯砌進行隔熱防凍。隔熱材料與襯砌混凝土之間增加一層空氣作為隔熱層即離壁式敷設方式，其結構形式示意圖見圖6。

圖6 離壁式結構形式示意圖

離壁式結構實質上是通過增加空氣隔熱層的厚度來防止襯砌背后的圍巖發(fā)生凍結。達到相同的隔熱效果時，空氣隔熱層的厚度與隔熱材料的厚度是比較接近的。

2.2 離壁式敷設方式的保溫效果室內試驗

離壁式在國外有很多年的建設經驗，在國內目前尚未得到采用，這種結構形式本身有它優(yōu)越的一面，但要應用好這種結構形式必須要做些基礎性研究、室內試驗和現(xiàn)場試驗等工作。

2.2.1 試驗工況

對空腔間距為10cm和20cm進行比較研究，在每個空腔間距試驗過程中，對隔熱材料進行開孔，孔徑由小到大分別為d1=3mm，d2=5mm，d3=10mm，d4=15mm，共10種試驗工況。

2.2.2 試驗結果分析

通過室內試驗對離壁式保溫襯套結構的隔熱效果進行了分析研究，針對不同工況下的溫度測試情況，分析了結構徑向位置溫度變化和不同孔徑時空腔內溫度隨時間變化等情況，試驗結果表明:1)在空腔四周密封、保溫隔熱很好的情況下，空腔內的溫度基本上能維持開始封閉時的溫度并保持穩(wěn)定，離壁式保溫襯套能達到保溫隔熱效果;2)空腔內若開孔(有孔隙)，空腔內與外界產生對流交換情況，空腔內的溫度很快就會降低，且隨孔徑的增大，溫度越來越低。說明空腔內空氣一旦與外界有對流交換(開孔)，空腔內溫度下降很快，保溫隔熱效果很難達到要求;3)孔徑越大，空腔內下降的溫度越低，且持續(xù)時間比較短后，都會趨于一個穩(wěn)定的溫度(在0℃以上)，由于試驗提供的冷源有限，空腔內的溫度都在0℃以上。若提供的冷源足夠，能否使空腔內的溫度下降到0℃以下，這還有待進一步的現(xiàn)場試驗驗證;4)在室內條件下，試驗裝置可以按比較理想的方式進行安裝，但在現(xiàn)場能否達到室內試驗情況，有待下一步的現(xiàn)場試驗來驗證。一旦空腔內產生空氣對流交換(從開孔看出)，離壁式保溫襯套的隔熱效果將很難得到保證。

3 結語

通過對寒區(qū)隧道隔熱層貼壁式和夾心式的計算分析以及離壁式結構的室內試驗，總結出以下幾點:

1)從結構的安全、防水、維護和耐久性上來考慮，使用貼壁式敷設法對交通沒有影響，且一次安裝完畢后不再產生額外的后期運營管理費用，是一種理想的防凍措施。2)通過計算分析，在隔熱層厚度相同的情況下，貼壁式敷設法很好的保護了隧道圍巖和隧道襯砌不發(fā)生年季節(jié)性凍脹，而采用夾心式敷設法時，隧道襯砌溫度在0℃附近交替變化，需要考慮季節(jié)性凍脹的影響。因此，推薦雀兒山隧道采用貼壁式隔熱層法來進行防凍。3)離壁式保溫襯套的室內試驗可以按比較理想方式進行，但在現(xiàn)場能否達到室內試驗的效果，有待下一步的現(xiàn)場試驗來驗證。一旦空腔內產生空氣對流交換(從開孔看出)，離壁式保溫襯套的隔熱效果將很難得到保證，因此，需要謹慎處理。

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