高海拔嚴寒地區特長公路隧道隔熱層敷設材料選型

劉玉勇

(中鐵西南科學研究院，四川成都610031)

在高寒地區修建隧道，容易產生凍害問題。防止凍融循環所產生破壞的重要措施之一是敷設隔熱層。敷設隔熱層的目的是阻礙熱交換，使圍巖保持原狀，不同的凍土地層中敷設隔熱層的作用在暖季和寒季有所不同。對于多年凍土的嚴寒地區，當年積算冷度的絕對值大于年積算熱度時，要求在暖季時隔熱層能夠阻礙隧道內的熱空氣與圍巖中冷空氣進行交換，防止圍巖中凍土的融化，保持圍巖的原有狀態;對于季節性凍土地區的隧道，則要求在寒季時隔熱層能夠阻礙隧道內的冷空氣與圍巖空氣進行交換，保持圍巖原有狀態。防止隧道背后的圍巖中的水產生凍融循環。

擬建317國道雀兒山隧道工程區域海拔高度在4 200m以上，地處高寒地區，屬季節性凍土，隧道的防凍技術措施將是隧道修建的關鍵的因素。而隔熱層的敷設對隔熱效果是至關重要的，因此需對隔熱層材料進行合理的選擇。

1 高寒隧道隔熱層防凍

隔熱層法是在襯砌表面或初期支護與二次襯砌之間敷設隔熱材料，利用隔熱材料盡量阻礙圍巖中的熱量放出或者是外部熱量的侵入，借以保持隧道襯砌背后的圍巖保持原狀，不發生凍融循環。

對于雀兒山高寒隧道的防凍來說，使用敷設隔熱層法對交通沒有影響，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。因此，推薦雀兒山隧道采用敷設隔熱層法來進行防凍。隔熱層法有貼壁式和夾心式兩種敷設方式，如圖1所示。合理地選擇隔熱層材料將有利于保證隔熱層的隔熱效果。

圖1 隔熱層兩種敷設方式

2 隔熱材料

通過市場的調查和實際工程的分析，表1給出了幾種適合于在雀兒山隧道中應用的隔熱材料的各項性能指標。

表1 隔熱材料性能

3 模糊綜合評判選擇隔熱材料

圖1中，兩種隔熱層敷設方式除了要求隔熱材料能達到隔熱效果外，對隔熱材料性能要求各有側重。貼壁式敷設方式要求隔熱材料的阻熱性較高，夾心式則要求隔熱材料的抗壓強度較高。隔熱材料的某些性能指標(抗壓強度、密度、導熱系數等)之間是相互關聯的、又是相互沖突的。如在夾心式敷設方式中，要求隔熱材料的抗壓強度高，其密度就會大，導致其導熱系數增大，達不到隔熱效果;隔熱材料周圍存在水份時，其吸水率越高，隔熱材料的導熱系數增大的越快，達不到隔熱效果。

因此下面采用模糊綜合評判的方法，綜合考慮各因素，對隔熱材料進行選擇。

3.1 模糊綜合評判的基本原理

隔熱材料選擇的合理與否，直接影響到隔熱材料的隔熱效果。通過理論分析評價，找出影響隔熱材料的主要因素。模糊數學綜合評判決策是通過建立影響隔熱材料的因素集合U和抉擇評判集合V，找出U的模糊子集權重集合A，得出從U到V的模糊關系矩陣R，即:

式中:rij=uR(ui，vj);(0≤rij≤1)表示因素集合 U 中，因素ui抉擇評判集合V中重要性vj的隸屬度。

對于權重 A=(a1，a2，．．．，an)，取max－min 合成運算，即用模型M(∧，∨)計算，可得綜合評判:

B=A°R

3.2 模糊綜合評判的應用

在對影響隔熱材料的因素進行重要性評價時，首先要建立因素集合。根據現場調查及目前隔熱材料的使用情況，經過深入調查研究，影響隔熱材料的主要因素有:u1(導熱系數)、u2(燃燒性能)、u3(抗凍性)、u4(密度)、u5(吸水率)、u6(使用溫度范圍)、u7(抗壓強度)。由此構成一個因素集合U:

U=(u1u2u3u4u5u6u7)

式中:U為因素集合;ui(i=1～7)指因素集合中的單因素。U可以根據實際情況增減若干個因素。

根據各因素對隔熱材料的影響程度大小，即在隔熱材料中的重要性可給定一評判集V:

V{很重要，重要，比較重要，不很重要，不重要，很不重要，極不重要}

3.2.1 貼壁式

根據對比權衡法對因素集合U中的各個因素進行相互權衡對比，當兩個單因素對比時，重要的一方計1分，次重要的一方計0分，自己與自己對比計1分，然后計算權重αi。

式中:αi指單因素ui的權重;Qi指ui的權衡對比積分總和;Q指各因素權衡對比總和。于是得出各因素權重如表2。

其權重集合為

3.2.1.1 硬質聚氨酯泡沫材料

表2 因素權重

對每一個單因素隸屬于評語集合v的程度采取工程技術專家打分刻劃，滿分1分。各個子因素的重要性評價如表3所示。

表3 模糊關系評價

將表3中的數據代入式(1)，即可得出影響隔熱材料因素的模糊關系矩陣:

用模型M(∧，∨)進行綜合評判，即將式(3)、式(4)代入式(5)，得

B1={0.25，0.2，0.2，0.21，0.18，0.1，0}將B1歸一化得:

{0.22，0.18，0.18，0.18，0.16，0.09，0}為了獲得清晰的評比結果，采取得分方式如下:視評判結果所形成的向量為一權重(歸一化)，將評判集的等級用1分制數量化，則將評判結果進行加權平均，可得到總分。

評判集V{很重要，重要，比較重要，不很重要，不重要，很不重要，極不重要}

數量化表示為:

V{1.00，0.90，0.80，0.70，0.60，0.50，0.40 }T

得分為:

3.2.1.2 其它材料

同理，對其它幾種材料建立模糊關系矩陣，取相同的權重集合A，進行綜合評判。可得出結果如表4。

表4 各種隔熱材料評判及得分

3.2.2 夾心式

當隔熱材料敷設在初支與二襯之間時，各因素權重要發生變化，但各種材料的模糊關系矩陣不變化。其中，重要性:導熱系數＞抗壓強度＞吸水率＞密度＞抗凍性＞使用溫度范圍＞燃燒性能。

其權重集合為:

對隔熱材料建立模糊關系矩陣，取相同的權重集合A1，進行綜合評判，可得出結果如表5。

表5 各種隔熱材料評判及得分

續表5

3.3 評判結果

根據綜合評判，得出結果如下表6。貼壁式敷設方式中，硬質聚氨酯泡沫材料(0.793分)和干法硅酸鋁纖維材料(0.789分)得分較高;夾心式敷設方式中，硬質聚氨酯泡沫材料(0.788分)和擠塑聚苯乙烯發泡隔熱材料(0.780分)得分較高。

表6 評判結果

4 結論

通過對雀兒山隔熱層敷設方式及可供選擇的隔熱材料分析，和應用模糊綜合評判方法對隔熱材料進行合理選擇，得出以下幾點結論。

(1) 高寒地區隧道襯砌背后的或圍巖中的水產生凍融循環是隧道發生凍害的主要原因。對隧道的防凍措施可采用不同的方法，每種防凍方法都有其優缺點，通過分析，推薦雀兒山隧道工程選用敷設隔熱層法對隧道進行防凍。

(2) 對7 種隔熱材料進行比選，選出了適合雀兒山隧道防凍的隔熱材料。若采用貼壁式敷設方式，推薦選用硬質聚氨酯泡沫材料和干法硅酸鋁纖維材料; 若采用夾心式敷設方式，推薦選用硬質聚氨酯泡沫材料和擠塑聚苯乙烯發泡材料。

(3) 模糊綜合評判的方法可以在類似工程中應用，只需根據工程實際情況增減若干種評判項目，如隔熱材料的數量;以及增減影響評判項目的若干個影響因素，如工程造價、施工工藝等。

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