考慮隔熱層的寒區隧道圍巖溫度徑向傳播規律及相關參數研究

李又云， 張玉偉,*， 張志耕

(1.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064；2.內蒙古高等級公路建設開發有限責任公司， 內蒙古 呼和浩特 010051)

?

考慮隔熱層的寒區隧道圍巖溫度徑向傳播規律及相關參數研究

李又云1， 張玉偉1,*， 張志耕2

(1.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064；2.內蒙古高等級公路建設開發有限責任公司， 內蒙古 呼和浩特 010051)

寒區隧道圍巖徑向溫度傳播規律對隧道保溫設計具有重要的指導意義。目前寒區溫度場的研究多為現場實測與理論分析2個方面。為得到寒區隧道支護結構與圍巖溫度沿徑向變化的規律，自行研制了溫度模擬足尺試驗儀器，并在此基礎上開展了無隔熱層與有隔熱層2種條件下的模擬試驗，分析了隧道圍巖徑向溫度場變化規律。結果表明：模擬環境溫度為-12.5 ℃條件下，無隔熱層時，90 h時環境溫度降到-9 ℃，初噴混凝土層與圍巖的交界面處的溫度降低至0 ℃，當溫度進一步降低時，圍巖出現凍結狀態，且隨著時間的推移，凍結范圍逐步擴大，192 h時環境溫度降低到-12.5 ℃，各界面溫度基本達到穩定； 設置4.5 cm隔熱層時，由于隔熱層作用，450 h時支護結構混凝土及圍巖內的溫度均大于0 ℃。結合試驗最后確定了隔熱層、隧道支護混凝土與圍巖的導熱系數與導溫系數，結果可為寒區隧道保溫設計提供依據。

寒區隧道； 徑向溫度場； 隔熱層； 傳播規律； 模型試驗

0 引言

寒區隧道常常受到凍融循環作用而出現襯砌開裂漏水和襯砌掛冰等病害。研究圍巖溫度場分布規律，做好保溫措施是解決寒區隧道凍害的基礎[1-6]。截至目前，國內外學者對寒區隧道溫度場做了大量的研究，主要分為2個方面：首先是寒區隧道溫度場現場測試，如乜鳳鳴[7]對嫩林線西羅奇2號隧道溫度場進行了測試，得到了隧道洞內外氣溫分布規律； 吳紫汪等[8]對青海227國道寧張段的達坂山隧道進行了溫度場的現場測試與研究，得出了隧道洞內與洞壁的溫度變化規律； 何川等[9]對國道317線的鷓鴣山隧道進行了溫度場現場測試，得出了溫度場的年變化規律； 賴金星等[10]對青海省平阿高速青沙山隧道洞內外也進行了溫度場現場測試，得出了溫度場沿隧道縱向的變化規律； 其次是在現場實測的基礎上對溫度場變化規律進行理論分析，如C.Bonacina等[11]提出了相變熱傳導溫度場的數值求解方法； C.Comini等[12]對相變熱傳導溫度場的非線性問題進行了有限元分析； 賴遠明等[13]運用Galerkin法對寒區隧道溫度場和滲流場耦合非線性問題進行了分析研究； 楊旭等[14]基于圍巖溫度場現場測試研究，利用ANSYS有限元軟件，同時考慮水文地質條件、混凝土襯砌水化熱、大氣溫度和地溫隨時間變化等影響因素，預測、比較隧道施加隔熱層和未施加隔熱層的凍融循環圈。由以上研究可以看出，寒區隧道溫度場變化規律采用現場測試和理論分析的方法較為普遍，但是通過室內模型試驗對寒區隧道溫度場分析的研究尚不多見。

本文根據寒區隧道的實際狀況，為分析寒區隧道溫度場的徑向變化規律，自行研制了溫度場試驗模型，開展了無隔熱層與有隔熱層2種條件下的試驗研究，得到了溫度沿隧道襯砌至圍巖的徑向變化規律，并對隔熱層、隧道支護混凝土與圍巖的導熱系數與導溫系數進行了分析，研究結果可為寒區隧道保溫設計提供一定的借鑒。

1 試驗原理與方法

1.1 試驗原理

試驗參考準穩態平板的導熱問題來設計，由于條件限制，采取無限大平板是不可能實現的，一般試驗要求試件的橫向尺寸為板厚的6倍以上。本試驗由于模型試驗框架尺寸限制，橫向尺寸僅為板厚的2.5倍，為保證達到準穩態平板試驗的預期效果，對模型頂層、底層及其周邊進行了保溫處理，保證測試材料層周邊傳熱對試驗對象中心的影響可忽略不計。

通過循環冷浴系統的制冷鋁板來模擬環境溫度變化，溫度的控制依據現場洞內溫度的實測結果，并選取最低溫度作為實際控制指標，確定最低溫度為-12.5 ℃(現場采集的溫度數據為隧道貫通之前的數據，洞內外空氣未充分交換，溫度相對較高)，而模型底部即圍巖外層的初始控制溫度保持在0 ℃(用來模擬隧道圍巖凍結與融化交界面位置的溫度)。試驗材料采用與隧道支護結構相同強度的混凝土，板厚采用隧道二次襯砌設計的常見厚度40 cm，初期支護厚度選取為20 cm，圍巖的厚度選取為40 cm，其中圍巖可從隧道施工爆破產生的巖石塊體經拼接、細砂灌封處理得到。

1.2 熱流量的估算

為了使溫度控制達到預期效果，熱流量的控制最為關鍵。熱流量控制主要針對隧道無隔熱層與有隔熱層2種情況，可以結合隧道的實際狀況，通過計算進行確定[15]。

未鋪設襯砌與隔熱層條件下，其熱流量

(1)

式中：Δt為圓筒壁兩側的溫差，℃；L為隧道的長度，m；λ為已融土或已凍土的導熱系數，W/(m·K)；H為融化或凍結深度，m；r為隧道當量半徑，m， 其值為隧道開挖寬度與高度之和的0.25倍。其中，無論在多年凍土區，還是在季節性凍土區，凍結或融化的深度可以參考斯蒂芬公式進行確定，如果有實測數據時，按實測數據確定。對于多年凍土區，圍巖深度取融化深度； 對于季節性凍土區，圍巖深度則取凍結深度。

若隧道鋪設了厚度為hw、導熱系數為λw的隔熱層，又鋪設了厚度為hc(該厚度包含二次襯砌與初噴混凝土層)、導熱系數為λc的混凝土襯砌，可按2層圓筒壁模型計算其熱流量

(2)

如果將二次襯砌混凝土與初噴混凝土層分開計算，可按3層圓筒壁模型計算其熱流量。在公式(2)中，隔熱層與襯砌混凝土的導熱系數可通過模型試驗過程中采集的數據進行確定。

1.3 試驗方案

試驗具體分為2種方案：一是無隔熱層條件下的溫度場模擬試驗； 二是綜合考慮隔熱層材料的常規物性、熱力學性質、成本以及使用的普遍性，并參考其他已建或在建隧道隔熱層的材料使用情況進行模擬試驗。本次試驗選用硬質福利凱(FLOLIC FOAM)材料作為隔熱層，層厚為4.5 cm，測溫探頭按照在每一界面埋設2個進行布置，其主要目的是檢查該試驗過程與準穩態試驗過程的吻合效果，具體布設見圖1。

圖1 各層模擬材料布置(單位：mm)

試驗開始前，主要進行2項準備工作：1)測試原件埋設； 2)巡檢儀溫度校正。實際工程中要求圍巖、初期支護、防水板和二次襯砌之間彼此緊密相連，若試驗中直接安裝，很難保證彼此間密實不留空隙，同時由于各層間的熱量傳遞將主要通過熱對流來進行，在各層之間形成“空氣隔熱層”，阻止溫度的傳遞，導致熱對流的效率遠低于熱傳導。為防止此現象發生，在每層的表面涂抹導熱性能較好的凡士林，使試驗更接近實際情況，同時可以保護測溫元件不受損壞。

2 試驗模型組成

試驗模型主要由模型箱、冷浴刻槽頂板和底板、循環冷浴系統、自動采集系統和保溫板等組成。該模型具有測試原理簡單、操作簡便、測試數據精度高的特點。

2.1 溫度模型箱

依據寒區隧道初期支護和二次襯砌的工程實際情況，并考慮到試驗拼裝與試驗過程的簡便性，模型箱采用框架結構設計，試驗箱體尺寸為1 005 mm×1 005 mm×1 005 mm。試驗箱整體為可拆卸結構，如圖2所示，便于重復試驗，試驗過程中，箱體周圍敷設保溫板進行保溫。

2.2 冷浴刻槽板和底板

模型箱頂面與底面均鋪設鋁制制冷平板，冷浴頂面和底面均由9個平均分布的刻槽圓盤組成，如圖3所示，圓盤之間采用防腐蝕的橡膠管連接并用保溫材料包裹，接頭處用萬能膠封口，使制冷液體循環流動處在一個全密封、高保溫環境中，整個冷浴系統保持動態恒溫。

2.3 循環冷浴系統

試驗采用HC-2010型低溫恒溫槽和乙二醇組成的循環冷浴系統，對保溫箱溫度進行控制調節。HC-2010型低溫恒溫槽最低溫度可以控制在-30 ℃，乙二醇與水按1∶1的比例混合組成冷卻液，冷卻液的冰點可以達到-36.7 ℃，滿足冷浴液體既具有較好的流動性，其冰點又低于試驗溫度(防止冷浴系統結凍)的要求。

圖2 溫度場試驗模型箱

(a) (b)

2.4 數據采集系統

試驗采用SWD-809型自動打印數據采集系統，通過16路巡檢溫度測試儀對模型箱內的溫度進行連續監控和定時打印，并按要求進行溫度校正，每2～3 d更換一次記錄紙帶。

2.5 精密測溫探頭

試驗采用WZP-011型Pt100單支鉑熱電阻感應元件作為測溫探頭，測量范圍為-200～220 ℃； 溫度分辨率為負溫0.01～0.005 ℃，正溫0.01～0.03 ℃； 測量精度為0.05 ℃。傳感器外部用不銹鋼合金保護，防止銹蝕，可長期使用，傳感器引出導線長5 m。熱流計主要測試模型頂部熱流量的變化情況。

3 試驗結果與分析

3.1 無隔熱層條件下的試驗結果分析

未鋪設隔熱層時模型各界面位置的溫度變化情況如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，試驗開始時，室內溫度為9 ℃左右，隨著熱量的傳遞，模型各界面的溫度逐漸降低。模型頂部D界面由于和冷浴板相接觸，溫度降低速度最快，且幅度降低最大，最終保持穩定在-12.5 ℃左右，所需時間為160 h； 底部A界面的溫度降低也較快，最終保持穩定在0 ℃附近，所需時間為60 h； C與D界面溫度降低相對緩慢。

圖4 無隔熱層各界面溫度隨時間變化規律

Fig. 4 Variation of interface temperatures vs. time without thermal insulation layer

圖5 無隔熱層各界面溫度變化規律

Fig. 5 Variation of interface temperature without thermal insulation layer

由圖5可以看出，在試驗開始前，各層界面的溫度分布相對均勻，隨著時間的增加，各界面溫度逐漸降低，呈現出頂部與底部降溫幅度大，中間相對較小的狀態。

B界面為圍巖層與初期支護層之間的界面，是寒區隧道溫度場研究中重點關注的部位。該處的溫度變化直接反應出圍巖內部是否產生負溫區。無隔熱層時，當B界面溫度降至0 ℃時，各界面溫度值見表1。

表1 B界面溫度降至0 ℃時各界面溫度值

Table 1 Interface temperatures when the temperature of interface B reduces to 0 ℃

界面溫度值/℃A0.2B0C-0.8D-9.1

根據表1和圖5，大約在96 h時，模型頂部D界面的溫度下降至大約-9 ℃，在無隔熱層條件下，擁有40 cm厚的二次襯砌和20 cm厚的初期支護條件下寒區隧道的圍巖層表面溫度值達到0 ℃，說明混凝土層從某種程度上可以起到一定的保溫作用。

此外，結合圖4與表1可知，為保證隧道周邊圍巖處于正溫狀態，避免凍脹引起的危害，在隧道復合式襯砌總體厚度為65 cm的情況下，當隧道洞內氣溫持續4 d低于-9 ℃時，應當考慮鋪設隔熱層。由圖4可以看出，隨著時間的推移，熱量不斷地傳導，頂部界面的溫度不斷下降，圍巖內溫度處于0 ℃以下的影響范圍不斷擴大。

無隔熱層條件下溫度恒定時各界面溫度值見表2。由表2可知，各界面溫度變化基本穩定時，D界面的最低溫度控制在-12.5 ℃， A、B和C界面的溫度均處于負溫狀態，表明隧道圍巖處于凍結狀態，且凍結深度大于0.4 m。在試驗開始時，雖然隧道圍巖底部的溫度保持在0 ℃，但是在圍巖頂部與底部存在溫差影響作用下，熱量繼續向下傳播，直至穿透圍巖層，使底部溫度降低了1 ℃，保持在負溫狀態。

表2 無隔熱層溫度恒定時各界面溫度值

Table 2 Interface temperatures under a constant temperature without thermal insulation layer

界面恒定溫度值/℃A-1B-3.2C-4.5D-12.5

3.2 內置隔熱層條件下的試驗結果分析

為了縮短試驗時間，在上述無隔熱層試驗結束后，立即在D界面與冷浴刻槽板之間鋪設4.5 cm硬質福利凱(FLOLIC FOAM)材料作為隔熱層并進行試驗，各分層界面位置的溫度隨時間的變化規律如圖6和圖7所示。由圖6可以看出，隨著時間的延長，除E界面的溫度基本保持不變，維持在-12.5 ℃左右外，其余各界面的溫度則隨著時間的增加，呈現逐漸增加的趨勢。其原因是由于隔熱層的隔熱作用，使得穿越隔熱層的熱流量急劇降低，絕大部分的熱量不能傳遞到隧道襯砌D界面，而下部支護結構混凝土材料及圍巖在模型箱內外溫差的影響下，不斷從外界吸收熱量，導致溫度不斷升高，當達到動態平衡時，溫度保持穩態不變，最終表現為除隔熱層頂面的溫度為負值外，其余各個界面的溫度都保持在正溫狀態。

圖6 有隔熱層條件下各界面溫度隨時間變化規律

Fig. 6 Variation of interface temperature vs. time with thermal insulation layer

圖7 有隔熱層條件下各界面溫度變化規律

Fig. 7 Variation of interface temperature with thermal insulation layer

由圖7可知，雖然C界面離頂部界面距離較近，但測試結果顯示其溫度比B、A界面的溫度還要略高。究其原因，首先是由于加設了隔熱層，將模型與頂面冷浴隔離開來，熱量向襯砌混凝土傳導受阻，模型中低溫區實際上由溫度箱底部冷浴刻槽平板控制，從而導致熱量的傳導方向與無隔熱層條件下傳導方向相反； 其次是模型箱外部溫度較高，外部熱量緩慢向箱內傳導，最終使遠離底面的C界面溫度值會高于距底面較近的B、A界面的溫度值。

在隔熱層頂部溫度為-12.5 ℃的條件下，時間接近400 h之前，各界面溫度均有顯著上升，到模型中各界面的溫度基本保持穩定時，不同界面的溫度值見表3。

當溫度變化穩定時，由圖6和表3可以看出，中間B、C和D界面的溫度較之底面A與頂面E的溫度高，且A界面的溫度也由初始的0 ℃上升到1.4 ℃左右。這首先是由于鋪設隔熱層對熱量傳導的阻礙作用，隧道襯砌混凝土和圍巖與隧道洞內氣體的熱交換被基本切斷； 其次是由于外部環境溫度的變化，外界熱流密度與底板冷浴刻槽板控制的熱流密度的相互影響，導致A界面的溫度由初始控制的0 ℃逐漸上升到1.4 ℃。

表3 有隔熱層溫度恒定時各界面溫度值

Table 3 Interface temperatures under a constant temperature with thermal insulation layer

界面恒定溫度值/℃A1.4B4.8C6.2D4.4E-12.5

由上述試驗數據可知，B、C和D界面較A和E界面的溫度高，D界面雖然距離E界面只有4.5 cm，但E界面溫度為-12.5 ℃的情況下，D界面溫度仍然為4.4 ℃，這表明隔熱層具有良好的保溫效果； C界面溫度最高，主要因為該界面位于各測試界面中間的位置，相對溫度較低的E、A界面的距離最遠，熱量交換的速度最慢。

綜上所述，當隔熱層的隔熱效果良好，如果二次襯砌內表面的溫度呈現正溫狀態，那么依據隧道熱量傳遞邊界狀態變化規律的分析，襯砌混凝土與圍巖的溫度場的變化主要取決于外部區域的圍巖初始溫度。圍巖的初始溫度場的影響因素較多，其主要影響因素有3種：一是圍巖的埋深，二是周邊的地熱狀況，三是圍巖自身礦物組成。雖然不同地區的圍巖溫度有所差異，但當圍巖埋置較深時，其溫度不受外界影響，保持恒定，且在0 ℃以上。在該狀態下，圍巖內的水不會存在結冰狀態，隧道凍害不會發生。

3.3 隧道支護混凝土與隔熱層溫度場參數的確定

寒區隧道支護混凝土與隔熱層的導熱系數和導溫系數是影響寒區隧道溫度場的重要參數，對寒區隧道的保溫效果有直接影響，是隔熱層選取與設計中的重要參數。圍巖作為隧道環境介質，在低溫環境下的凍結范圍與導熱系數和導溫系數有著密切聯系。因此，對其進行測試具有重要意義。依據準穩態平板試驗的基本原理，如果確定了試驗中熱流量q、試驗板材的厚度2δ及其加熱面與板中溫度差Δt′就可以計算出試驗材料的導熱系數和導溫系數[16-17]。

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：λ為導熱系數，W/(m·K)； Δt′為平板中心面與加熱面之間的溫度差；α為導溫系數，m2/s；τ為時間，s。通過計算，隔熱層、襯砌混凝土、初期支護與圍巖的導熱系數λ和導溫系數α的取值見表4。

表4 各層材料的導熱系數與導溫系數

Table 4 Material coefficients of thermal conductivity and thermal diffusivity of every layer

各層材料導熱系數λ/(W/(m·K))導溫系數α/(m2/s)隔熱層0.033.74×10-10二次襯砌1.422.96×10-7初期支護1.571.85×10-6圍巖1.233.70×10-7

4 結論與建議

研制了寒區隧道圍巖溫度場試驗模型，該模型測試原理簡單，操作簡便，測試數據精度高，通過該試驗平臺開展了不同條件下寒區隧道溫度場模擬試驗，通過試驗分析，得到如下結論和建議。

1)在無隔熱層條件下，隧道支護結構及其圍巖各界面的溫度隨著時間的變化而逐漸下降，經歷90 h時，模型箱頂部界面溫度為-9 ℃的狀態下，圍巖與初期支護混凝土界面的溫度降為0 ℃。

2)依據無隔熱層試驗結果，當環境溫度由室溫降低到-12.5 ℃，且保持-12.5 ℃恒定時，歷經192 h時，各界面溫度基本穩定，且為負值，這為寒區隧道隔熱層厚度設計中的環境溫度取值標準提供了參考。

3)在設置4.5 cm隔熱層條件下，歷經450 h，當溫度變化穩定時，隔熱層與二次襯砌界面的溫度呈正溫狀態，其余各界面也呈現正溫狀態，表明保溫材料的保溫效果明顯。

4)基于試驗結果，最終確定了試驗用隔熱層材料、隧道支護混凝土及圍巖的導熱系數與導溫系數等參數。

5)隧道環境溫度呈周期性變化，試驗中著重考慮了降溫和升溫過程隧道圍巖溫度場的傳播規律，隧道環境溫度周期變化的復雜情況有待于進一步研究。

[1] 陳建勛,昝永杰.寒冷地區公路隧道防凍隔溫層效果現場測試與分析[J].中國公路學報,2001,14(4): 75-79.(CHEN Jianxun, ZAN Yongjie. Field test and analysis of anti-freezing thermal-protective layer effect of the highway tunnel in cold area[J]. China Journal of Highway and Transport, 2001, 14(4): 75-79. (in Chinese))

[2] 朱艷峰,吳亞平,李文英. 寒區高速鐵路長大隧道溫升問題研究[J].隧道建設,2015,35(8): 772-777.(ZHU Yanfeng, WU Yaping, LI Wenying. Study of temperature increasing in long tunnels on high-speed railways in permafrost regions[J]. Tunnel Construction,2015,35(8): 772-777.(in Chinese))

[3] 賴遠明,吳紫汪,張淑娟,等.寒區隧道保溫效果的現場觀察研究[J].鐵道學報,2003,25(1): 81-86.(LAI Yuanming, WU Ziwang, ZHANG Shujuan, et al. In-situ observed study for effect of heat preservation in cold regions tunnels[J]. Journal of the China Railway Society, 2003,25(1): 81-86. (in Chinese))

[4] 陳建勛, 羅彥斌. 寒冷地區隧道溫度場的變化規律[J]. 交通運輸工程學報, 2008, 8(2): 44-48.(CHEN Jianxun, LUO Yanbin. Changing rules of temperature field for tunnel in cold area[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2008, 8(2): 44-48. (in Chinese))

[5] Kawamura T, Mikami T, Fukunoto K. An estimation of inner temperature at cold region tunnel for heat insulator design[J]. Journal of Structural Engineering, 2008, 54A: 32-38.

[6] 田俊峰,楊更社,劉慧.寒區隧道巖石凍害機理及防治研究[J].地下空間與工程學報,2007,3(8): 1484-1489.(TIAN Junfeng, YANG Gengshe, LIU Hui. Study of the freezing damage mechanism and its prevention in cold region rock tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2007,3(8): 1484-1489. (in Chinese))

[7] 乜風鳴. 寒凍地區鐵路隧道氣溫狀態[J]. 冰川凍土, 1988, 10(4): 450-453.(NIE Fengming. Dynamic state of air temperature in railway tunnels in cold regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 1988, 10(4): 450-453. (in Chinese))

[8] 吳紫汪, 賴遠明, 藏恩穆, 等. 寒區隧道工程[M]. 北京: 海洋出版社, 2003. (WU Ziwang, LAI Yuanming, ZANG Enmu, et al. Tunnel in cold region[M]. Beijing: China Ocean Press, 2003. (in Chinese))

[9] 晏啟祥,何川,曾東洋. 寒區隧道溫度場及保溫隔熱層研究[J]. 四川大學學報(工程科學版),2005,37(3): 24-27. (YAN Qixiang, HE Chuan, ZENG Dongyang. Study of temperature field and heat preservation and insulation layer for tunnel in cold area[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition),2005,37(3): 24-27. (in Chinese))

[10] 賴金星,謝永利,李群善. 青沙山隧道地溫場測試與分析[J].中國鐵道道科學,2007,28(5): 78-82. (LAI Jinxing, XIE Yongli, LI Qunshan. In-Situ test and analysis of the ground temperature field in Qingshashan Highway Tunnel[J]. China Railway Science, 2007,28(5): 78-82. (in Chinese))

[11] Bonacina C, Comini G, Fasano A, et al. Numerical solution of phase-change problems[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1973, 16(6): 1852-1832.

[12] Comini C, Del Guidice S, Lewis R W, et al. Finite element solution of nonlinear heat conduction problems with special reference to phase change[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1974, 8(6): 613-624.

[13] 賴遠明, 吳紫汪, 朱元林,等. 寒區隧道凍脹力的粘彈性解析解[J]. 鐵道學報, 1999, 21(6): 70-74. (LAI Yuanming, WU Ziwang, ZHU Yuanlin，et al. Analytical viscoelastic solution for frost force of cold regional tunnels[J]. Journal of the China Railway Society, 1999, 21(6): 70-74. (in Chinese))

[14] 楊旭, 嚴松宏, 馬麗娜. 季節性凍土區隧道溫度場分析與預測[J].隧道建設,2012,32(1): 57-60. (YANG Xu，YAN Songhong，MA Lina. Analysis and prediction of temperature field of tunnels located in seasonal frozen area[J]. Tunnel Construction, 2012,32(1): 57-60. (in Chinese))

[15] 張耀,賴遠明,張學富. 寒區隧道隔熱層設計參數的實用計算方法[J].中國鐵道科學,2009,30(2): 66-70. (ZHANG Yao, LAI Yuanming, ZHANG Xuefu. A practical method for calculating the design parameters of the heat insulation layer in clod region tunnel[J]. China Railway Science, 2009,30(2): 66-70. (in Chinese))

[16] 肖建莊,宋志文,張楓.混凝土導熱系數試驗與分析[J].建筑材料學報, 2010,13(1): 17-21. (XIAO Jianzhuang, SONG Zhiwen, ZHANG Feng. An experimental study of thermal conductivity of concrete[J]. Journal of Building Materials, 2010,13(1): 17-21. (in Chinese))

[17] 康凱,劉曉燕,劉揚,等. 嚴寒地區土壤導溫系數對土壤溫度場的影響分析[J].油氣田地面工程，2010, 29(3): 8-10. (KANG Kai, LIU Xiaoyan，LIU Yang，et al. Analysis of temperature diffusivity of soil effect to soil temperature field in Chilliness area[J]. Oil-Gasfield Surface Engineering, 2010, 29(3): 8-10. (in Chinese))

Study of Radial Propagation Laws of Surrounding Rocks Temperature Considering Thermal Insulation Layer of Tunnel in Cold Regions and Their Relevant Parameters

LI Youyun1, ZHANG Yuwei1, *, ZHANG Zhigeng2

(1.KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,Chang’anUniversity,Xi’an710064,Shaanxi,China; 2.InnerMongoliaFirst-ClassHighwayConstructionDevelopmentLimitedLiabilityCompany,Huhhot010051,InnerMongolia,China)

Radial propagation of temperature field of surrounding rocks of tunnel in cold regions is the key to design of thermal insulation. The study of temperature field of surrounding rocks of tunnel in cold regions focuses on site monitoring and theoretical analysis. Full scale testing device for temperature simulation is developed, on basis of which simulation tests with and without thermal insulation layer are carried out; and the radial propagation laws of temperature of surrounding rocks and support structure of tunnel in cold regions are analyzed. The study results show that: 1) The temperature of contact face between primary shotcrete and surrounding rocks is 0 ℃ after 90 h under the conditions of environmental temperature of -9℃ and no thermal insulation layer; and the surrounding rocks froze when the temperature keeps going down. The temperatures of every interface of structure become stable after 192 h and under condition of stable environment temperature of -12.5 ℃. 2) The internal temperatures of support structure and concrete are larger than 0 ℃ after 450 h under the conditions of environmental temperature of -12.5 ℃ and thermal insulation layer of 4.5 cm thickness. 3) The thermal conductivity and the thermal diffusivity of the thermal insulation layer, support concrete and surrounding rocks of the tunnel are determined. The results can provide reference for thermal insulation design of tunnels in cold region.

tunnel in cold region; radial temperature field; thermal insulation layer; propagation law; model test

2015-12-14;

2016-03-23

內蒙古自治區交通廳科技項目(NJ200702)； 交通運輸部應用基礎研究項目(2015319812140)

李又云(1973—)，男，山東聊城人，2000年畢業于長安大學，巖土工程專業，博士，副教授，主要從事巖土與隧道工程方面的教學與研究工作。E-mail: liyouyun2006@163.com。*通訊作者：張玉偉， E-mail：1032659676@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.005

U 45

A

1672-741X(2016)07-0800-06