寒區隧道保溫計算及試驗研究

楊麗梅

(黑龍江省公路勘察設計院，哈爾濱 150080)

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寒區隧道保溫計算及試驗研究

楊麗梅

(黑龍江省公路勘察設計院，哈爾濱 150080)

摘要：本文以黑龍江省霧凇嶺隧道為依托工程，對寒區公路隧道的保溫防凍問題進行系統研究。以國內外寒區隧道抗防凍措施的應用調查研究為基礎，提出設計與計算防凍隔溫層長度和厚度的方法。通過測試隧道的溫度場的分布情況，并從多方面分析凍害機理的特點，得到隧道圍巖溫度場的時變規律，為我國寒區隧道設計與計算防凍保溫層提供了依據，對實際工程有重要的指導意義。

關鍵詞：寒區隧道；保溫層設計；溫度場

0引言

寒冷地區的隧道常在春融期出現滲漏。滲漏還會引發各種凍害，凍害通常表現為路面結冰、側墻掛冰溜和洞頂部懸冰柱等，干擾車輛通行，降低結構的穩定性和安全性，甚至會造成巨大的經濟損失[1]。極端氣溫是隧道結構破壞的最顯著因素[2]，因此隧道防凍措施及設計就顯得異常重要。國內外學者在基礎性研究的支撐下，提出了許多切實有效的隧道防凍措施[3-7]。相關學者進行了在寒冷的區域隧道內的通風和空氣巖傳熱特性分析[8-9]，進行冷區隧道凍脹力的應力和變形分析，提出彈塑性解決方案[10]。日本的隧道工作者對凍害的防治措施可分為隔熱法和加熱法兩類。斯堪的那維亞半島和阿爾卑斯山的隧道經常出現凍結現象，一些北歐國家通過一系列研究和試驗，選取注漿和設置防水防凍棚的方法預防霜凍和漏水，工程實踐證明，該方法工程費用低，效果好，是切實可行的[11]。到目前為止，防凍隔溫層、保溫水溝法、防寒泄水洞和中心深埋水溝[12]是國內處理寒冷地區隧道防凍害的主要方法。其中，防凍隔溫層已成為寒區隧道防治凍害的有效方法，得到了各國隧道工作者的認可[13-17]。但由于防凍隔溫層的材料性能、鋪設方式、鋪設厚度和鋪設長度等問題缺乏系統研究，使得很多經驗沒有修繕到隧道的設計工作中，因此有關防凍隔溫層的研究仍需完善。

1依托工程簡介

霧松嶺隧道是綏滿公路上的關鍵工程，霧松嶺隧道位于黑龍江省東南部，是綏滿公路上的關鍵工程。由于受到剝蝕作用，隧道穿越的山體西北側和東南側表現形式差異較大，西北側山體表現為漫坡狀，而東南側山體很陡峭。本路段屬于北溫帶大陸季風性氣侯區，年平均氣溫3.5℃，極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為34.8、-41℃。該路段平均積雪厚度和最大凍深分別為0.4、2.02 m。地面穩定凍結日期和解凍日期分別為11月下旬和第二年4月中旬。該路段冬季最大風速可以達到22 m/s，主導風向為西南風。霧松嶺隧道斷面采用上下行分離式單向雙車道。該隧道行車道凈寬為8.5 m，凈高為5.5 m，并設置凈高為2.5 m的檢修道。隧道襯砌結構采用以新奧法(NATM)為核心的錨噴支護復合襯砌(柔性襯砌)，隧道橫斷面采用錨噴支護復合模筑混凝土襯砌，內夾防排水板，保溫層設置在二次襯砌外側。隧道橫斷面如圖1所示。

圖1　霧凇嶺隧道斷面圖Fig.1 Sectional view of the Wu-song-ling tunnel

2隧道防凍隔溫層的設計研究

2.1防凍隔溫層厚度的計算方法

解析計算法和有限元模擬計算法是防凍隔溫層厚度的主要計算方法。

解析計算法主要分為兩種，等效厚度換算法[5]和氣象解析法。等效厚度換算法是根據圍巖的最大凍結深度，結合隧道-圍巖的一維穩態熱對流/熱傳導分析模型進行計算；氣象解析法是根據年平均溫度和年溫度振幅等氣象統計資料，結合隧道-地層的一維非穩態熱對流/熱傳導分析模型的簡化公式進行計算。防凍隔溫層的厚度[6]是利用熱分析有限元軟件分析隧道二維溫度場后計算得出的。

2.2隧道抗凍保溫層厚度計算

由于隧道橫斷面的高度和寬度的尺寸遠小于長度方向，隧道模型可按平面模擬。由于隧道橫斷面中心對稱，有限元分析可以采用平面應變軸對稱模型，選取模型的一半進行分析，節約計算時間。有限元模型高度與寬度分別為60、35 m，隧道上、下邊界均為25 m。該有限元模型采用ANSYS進行建立和模擬，霧松嶺隧道抗凍保溫層厚度的主要計算步驟如下。

(1)推算巖石邊界溫度值(即原始地溫值)T0。隧址年平均氣溫3.5℃，擬定巖石邊界溫度即為原始地溫值，取值為3.5+2=5.5℃，作為研究范圍的巖石邊界溫度值。

(2)圍巖的最大凍結深度。

圍巖的最大凍結深度計算公式(1)。

(1)

式中：δ0為氣象資料中的最大凍深，m；λ0為地表的松散巖(土)體的導熱系數，W/m·℃；δ1為圍巖的換算最大凍結深度，m；λ1為圍巖的導熱系數，W/m·℃；A為傳熱面積，m2。計算得到最大凍深4.8 m。

(3)假設所研究的圍巖邊界溫度恒定的前提條件下，通過有限元軟件計算得出，當最大凍深達到4.8 m時，隧道內的氣溫達到T1。

(4)擬定邊界條件如下：取T1為隧道內部的溫度，T0為圍巖的邊界溫度。在有限元軟件中輸入各項材料物理力學參數后，計算分析保溫層材料取用不同厚度時，對防水板背部溫度場分布的影響，保溫材料厚度的擬定需要調整該厚度直至防水板背部溫度達到0℃以上時確定。假設圍巖上緣下緣邊界部分計算過程中溫度保持不變，其左右兩側邊界沒有熱傳遞，隧道側壁僅能與空氣進行熱傳遞。經試算后得出當最大凍深為4.8 m時，隧道內氣溫T1為-2.5℃。隧道最大凍深如圖2所示，洞頂溫度與深度關系曲線如圖3所示。

圖2　隧道最大凍深圖Fig.2 Maximum frost depth of the tunnel

圖3　洞頂溫度與深度關系圖Fig.3 Relationship roof temperature and depth

隧道圍巖負溫度分布情況在保溫層厚度設定為3 cm情況下，如圖4所示；隧道圍巖負溫度分布情況在保溫層厚度設定為4 cm情況下，圖5可以看出，隧道內表面保溫層厚度取為4 cm時，二期襯砌背后溫度基本在0℃以上。

圖4　溫度分布圖(設定3 cm保溫層)Fig.4 The temperature distribution (Set 3 cm insulation)

圖5　溫度分布圖(設定4 cm保溫層)Fig.5 The temperature distribution (Set 4 cm insulation)

3隧道溫度場的現場測試及分析

3.1測點布置

霧松嶺隧道下行線每隔142～147 m設置一個圍巖溫度場觀測斷面，共設置5個觀測斷面，如圖6所示。其中1、3、5號觀測斷面共設置5個觀測點，分別為A、B、C、D、E。如圖7所示，2、4號觀測斷面共設置3個觀測點，分別為A、C、E。每個觀測點共設置3個測溫探頭，分別放置在保溫層表面、保溫層立面及二次襯砌內部，如圖8所示。隧道斷面溫度的觀測是利用放置在洞內每個斷面處的測溫探頭觀測的。由于篇幅限制，下文僅討論1#斷面A點的實測數據。

圖6　霧松嶺隧道測點斷面縱向布置Fig.6 Setting of the measuring points in Wu-song-ling Tunnel longitudinal section

圖7　霧松嶺隧道橫斷面測點布置Fig.7 The measuring points of cross section in Wu-song-ling Tunnel

圖8　霧松嶺隧道測溫探頭布置Fig.8 Setting of temperature probe in Wu-song-ling Tunnel

3.2隧道溫度場的分布規律

(1)隧道徑向溫度分布。圖9為霧松嶺隧道1#斷面A點2007年12月至2008年2月間溫度-時間關系曲線。其中距下行線進口5 m處斷面為1#斷面。圖中A點、A1點、A2點和A3點分別表示為檢修道上方1 m處測點、保溫層外表面測點、保溫層內表面測點和二襯混凝土內30 cm處測點。

圖9　1#斷面A點溫度-時間曲線Fig.9 Temperature-time curve for A point in # 1 section

測點布置見表1。

表1　測點布置Tab.1 Setting of the measuring points

由圖9可看出，當洞內溫度降低時，保溫層內、外溫度和襯砌內溫度有所降低，但下降速率有所不同。當保溫層外表面點的溫度下降時，洞內部的溫度也隨之下降，兩者下降速率基本相同，洞內部的溫度下降幅度高于保溫層內表面點及襯砌內點溫度下降幅度。同一時刻，沿著圍巖長度方向，圍巖里側點的溫度較外側點的溫度高。當洞內氣溫的升高時，保溫層內、外溫度和襯砌內溫度同時升高。保溫層外表面點的溫度上升速率與洞內部的溫度上升速率保持一致，洞內部溫度上升速率要高于保溫層內表面點及襯砌內點的溫度上升速率。同一時刻，沿著圍巖長度的方向，也存在著與上述相反的情況，即存在外側點比內側點溫度高的情況。

圖10為霧松嶺隧道1#斷面A點2009年11月22日至2009年12月10日間連續20 d溫度與時間關系曲線。

由圖10可看出，保溫層外表面點溫度變化顯著，曲線震蕩較為劇烈；保溫層內表面點溫度變化相對外表面點更為平穩，振幅比外邊面點更小，但曲線也表現出震蕩走勢；上述三者中，溫度變化最不明顯的是二期襯砌混凝土內部點溫度，曲線基本沒有震蕩態勢，從圖中可以看出，二期襯砌混凝土擁有較好的保溫隔熱作用。

圖10　1#斷面A點溫度-時間曲線(連續觀測)Fig.10 Temperature-time curve for A point in # 1 section(continuous observation)

(2)隧道縱向溫度分布。圖11為霧松嶺隧道1#斷面A點2007.12～2008.2間溫度沿隧道縱向變化圖。

圖11　A點溫度縱向分布(2007年12月28日)Fig.11 Vertical distribution of temperature in A point(Dec.28，2007)

由圖11可看出，環境溫度的變化對洞內溫度影響較大，當環境溫度下降時，洞口溫度較洞中溫度低，所以洞內的溫度呈現倒V字型分布，其中最高溫度與最低溫度的差值可以達到2～3℃。當周圍溫度升高時，洞口溫度較洞中溫度高，所以洞內溫度呈現與前者相反的走勢，即呈V字型分布，其中最高溫度與最低溫度的差值可以達到2～3℃。由于隧道長度較短，且平面線型為直線，所以一般情況下沿隧道縱向的隧道內溫度變化不大。保溫層內表面溫度沿隧道縱向該溫度分布為倒V型分布，即隧道洞中部的溫度高，洞口處的溫度低，且隧道出口處溫度高，進口處溫度低。其中最高溫度與最低溫度的差值可以達到5～6℃。距離混凝土襯砌內側30cm處溫度分布規律同保溫層內表面溫度。

(3)日平均溫度及溫度振幅變化規律。圖12為霧松嶺隧道1#斷面A點平均溫度隨時間變化曲線。由圖可知：隨著時間的變化，保溫層內、外表面點(A1和A2)平均溫度變化規律及相位基本相同。而二期襯砌混凝土內30cm處點(A3)平均溫度較保溫層內、外表面點(A1和A2)更為平緩。由此可知，不能忽略二期襯砌混凝土的保溫隔熱效應。

圖12　1#斷面A點日平均溫度-時間關系圖Fig.12 Average daily temperature-time graph for A point in #1 section

4結論

本文以黑龍江省綏滿公路上的霧凇嶺隧道為研究對象，詳細介紹了其防凍隔溫層的計算及設計過程，并與溫度場實測數據進行了對比，得到了以下幾點有益的結論：

(1)霧松嶺隧道保溫層內表面溫度及混凝土襯砌內溫度沿隧道縱向溫度變化呈倒V型分布，隧道洞中部的溫度高，洞口處的溫度低，且隧道出口處溫度高，進口處溫度低。其中最高溫度與最低溫度的差值可以達到5～6℃。

(2)從1月下半旬開始，霧松嶺隧道襯砌內部溫度降到零下，隧道中部最低溫度能達到-3℃，隧道進口處最低溫度能達到-11℃，隧道出口處最低溫度能達到-6℃。由于隧道洞口處附近保溫層厚度不足，為了防止二期襯砌混凝土受凍，可以增加襯砌混凝土厚度或采取其他有效的措施。

(3)霧松嶺隧道溫度最低處位于進口斷面。在隧道內部與外部溫度的聯合影響下，隧道上部混凝土襯砌內溫度有所下降，下降值為-11℃左右，邊墻混凝土襯砌內溫度也有所下降，下降值為-6℃左右。對洞口淺埋段建議隧道內外均設置保溫隔熱層，以防止二期襯砌混凝土受凍。

(4)霧松嶺隧道保溫層外表面點溫度變化顯著，曲線震蕩較為劇烈；保溫層內表面點溫度變化相對外表面點更為平穩，振幅比外邊面點更小，曲線也表現出震蕩走勢；上述三者中，溫度變化最不明顯的是二期襯砌混凝土內部點溫度，曲線基本沒有震蕩態勢，從圖中可以看出，二期襯砌混凝土擁有較好的保溫隔熱作用。

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收稿日期：2016-01-10

第一作者簡介：楊麗梅，高級工程師。研究方向：橋梁、隧道、涵洞。E-mail：532244794@qq.com

中圖分類號：U 452

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)04-0065-05

Calculation Method and Experimental Study ofHeat Preservation in a Tunnel in Cold Region

Yang Limei

(Highway Survey and Design Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150080)

Abstract：Based on the project of Wusongling Tunnel in Heilongjiang Province，the problems of heat preservation and freeze protection of highway tunnels in cold regions were studied systematically.After reviewing the measurements of freeze protection applied to highway tunnels in cold regions at home and abroad，the methods of designing and calculating the thickness and the length of freeze protection layer were proposed.Through the test of temperature field distribution of tunnels and the analysis of the freezing damage mechanism，the time-dependent rules of the temperature field of tunnel surrounding rocks were obtained，which can provide a reference for the tunnel designs and the calculation of freeze protection layers in cold regions of our country and has a significant guidance to the actual projects.

Keywords：tunnel in cold region；thermal insulating layer design；temperature field

引文格式：楊麗梅.寒區隧道保溫計算及試驗研究[J].森林工程，2016，32(4)：65-69.