季節性凍土區隧道保溫層御寒保溫技術研究

袁金秀，王道遠，2，馬海龍

(1.河北交通職業技術學院土木工程系，石家莊 050091；2.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊 050043；3.中國鐵路上海局集團有限公司徐州工務段，江蘇徐州 221000)

隨著我國“一帶一路”建設的推進，穿越高寒凍土地區隧道工程越來越多[1]。已有調查[2]表明70%寒區隧道均存在不同程度的凍害，給交通隧道行車安全埋下重大安全隱患。為應對凍害產生的襯砌開裂、剝落、結冰等不利影響，國內外學者對隧道御寒保溫技術開展了一系列研究，并取得了較為豐富的成果。夏才初等[3]通過推導寒區隧道瞬態溫度場顯式解析解，得出二襯內側溫度與保溫層厚度的增加呈正向關系，但隔熱層厚度超過5 cm后，其對二襯內側巖溫的提升效率較低。陳建勛等[4]結合某寒區隧道工程資料，提出了寒區隧道防凍隔溫層設計計算方法，并于應用中取得了良好效果。姚紅志等[5]通過利用ANSYS有限元軟件，分析了保溫隔熱層不同鋪設方式下的溫度場變化，并結合模糊綜合評價方法對不同保溫材料的保溫性能進行了評價。祝安龍[6]結合東北多條新建鐵路隧道的凍脹病害，闡述了多種治理措施，但治理效果并不理想，加之對隧道凍害機理的分析，提出采用保溫隔熱層的方法進行凍害治理。季海峰等[7]通過對我國西部某隧道工程增加保溫隔熱層凍害治理的研究，提出將?；⒅楸厣皾{應用于寒區隧道隔熱保溫。葉朝良等[8]依托高寒地區后安山大斷面隧道工程，利用Abaqus建立有限元計算模型，研究了保溫層厚度對隧道貫通前后溫度場和保溫設防段的影響，并給出了后安山大斷面隧道鋪設保溫層御寒保溫技術方案。

本文在前人研究基礎上，依托樺皮嶺隧道工程，建立“圍巖-襯砌-保溫層-空氣”氣固耦合力學模型，對季節性凍土區隧道保溫層設置效果進行深入探討，為寒區交通生命線抗凍裂技術提供理論支持和實踐參考。

1 隧道洞口溫度實測

1.1 工程概況

樺皮嶺隧道地處張北縣，為分離式上、下行獨立雙洞四車道隧道，該區域夏季短促涼爽，冬季漫長寒冷干燥，多年統計年平均氣溫5.1 ℃，極端最高、最低氣溫分別可達35.1 ℃和-34.8 ℃；年最熱和最冷月份出現在7月份和1月份，平均氣溫分別為19.8 ℃和-12.3 ℃。年平均風速約4.8 m/s，年平均大風日數為63.3 d，最高大風日數可達96 d，隧道通過段內最大標準凍結深度為220 cm。

1.2 洞口段溫度監測結果分析

通過利用WS-A1型溫濕度表，對隧道施工期內洞口進口段每日14：00和02：00的氣溫進行監測，計算得到每日平均氣溫值。同時結合監測溫度數據，利用修正后的余弦函數回歸法[9]，擬合得到了隧道洞口段溫度變化函數

(1)

式中，t為月份；T(t)為t月時的月平均溫度，℃。

擬合洞口段氣溫與實測值變化對比見圖1。

圖1 洞口段溫度監測與擬合溫度對比

由圖1可知，隧道洞口段全年氣溫呈周期性三角函數變化；全年平均氣溫為5.2 ℃，月平均氣溫最高和最低值出現在7月份和1月份，分別為20.4 ℃和-11.4 ℃。擬合函數求得的隧道洞口氣溫與監測溫度具有較好的一致性，為后續計算提供精確溫度載荷。

2 隧道隔熱層數值計算模型

2.1 計算模型的建立

隧道鋪設保溫層的保溫效果與保溫層的鋪設厚度、材質及鋪設方式有關。以控制單一變量法，對樺皮嶺隧道鋪設保溫隔熱層的厚度、材質、鋪設方式進行對比分析。首先，通過隧道表面鋪設不同厚度硬質聚氨酯保溫材料的保溫效果對比，優選出最佳保溫層鋪設厚度；其次，以優選的保溫層厚度為基礎，在隧道表面鋪設另外兩種(聚酚醛泡沫塑料、泡沫玻璃)常用的保溫材料，對其防凍效果給出評判；最后，采用上述優化結果，對保溫層表層鋪設(二襯表面)、夾層鋪設(初支和二襯之間)、雙層鋪設(初期支護與二襯之間及二襯外表面)的御寒保溫效果進行評價。

建立“圍巖-襯砌-保溫層-空氣”氣固耦合計算模型[9-11]，經試算，氣溫對隧道徑向溫度場的最大影響深度在8 m左右。故確定模型尺寸為：左右邊界距隧道起拱處表面為15 m，上邊界距隧道拱頂表面25 m，下邊界距隧道仰拱表面25 m。隧道初支和二襯混凝土厚度[12]分別為25、50 cm。利用Gambit建立模型并劃分網格，在隧道洞壁范圍內網格適當加密，以提高計算精度和可靠性，模型及網格劃分見圖2。

圖2 計算模型與網格劃分

2.2 邊界條件與參數選取

隧道表面與外界氣流直接接觸發生對流換熱，設定對流換熱系數為15 W/m2·K，其中氣流溫度以擬合得到的氣溫變化函數為加載溫度，見式(1)。

隧道地質勘測資料顯示，該區域巖體的地溫梯度為0.012 5 ℃，隧道處于外界氣溫影響線以下，測試的樺皮嶺隧道洞口段豎直鉆孔圍巖溫度隨深度的變化見圖3。

圖3 圍巖溫度隨深度的變化

由圖3可知，地表層巖土隨深度的增加受到的外界干擾逐漸減弱，之后巖土溫度隨地熱梯度呈升高趨勢；巖土溫度活動層范圍在8～10 m。隧道開挖后，外界氣流與圍巖界面的熱量交換，使得原有的溫度場分布已失去了對當前圍巖熱過程的影響；同時，已無法準確地確定圍巖初始狀態的溫度場[13]。樺皮嶺隧道洞口段屬于典型的淺埋偏壓隧道，由于隧道斷面埋深較淺，其周圍巖體溫度可近似為一個接近于外界年平均氣溫值的常數[14]。為了簡化計算，假定模型初始巖溫均布為外界年平均溫度，即5 ℃；模型左右和上邊界為絕熱邊界，下邊界由于受地熱影響，參考隧道地勘水文資料，設定熱流密度為0.06 W/m2。

計算涉及到的相關材料的物理參數見表1，其中混凝土物理參數采用實驗室配比測定值；圍巖物理參數根據樺皮嶺地勘揭露的地層巖性，查閱相關文獻得到[15]；保溫材料參數以多家生產廠家公布的材料數據為參考[16-17]。

表1 材料物理參數

3 數值計算模型合理性驗證

在隧道不采取保溫措施時，分析隧道不同徑向深度處的圍巖溫度隨外界年氣溫變化的規律；以及隧道在不同低溫月份時，圍巖溫度沿徑向深度的變化。通過對比隧道最大凍結深度的數值計算值與勘測值，以驗證數值模型設置的合理性和計算的可靠性。不同徑向深度的圍巖溫度隨年氣溫變化見圖4；低溫月份圍巖溫度沿徑向深度變化見圖5。

圖4 距隧道表面不同徑向深度圍巖溫度隨年氣溫變化

圖5 低溫月份圍巖溫度沿徑向深度變化

由圖4可知，隧道圍巖溫度隨外界氣溫呈三角函數變化，隨距隧道表面徑向深度的增加，圍巖年溫度變化振幅減小，出現負溫時間變短，直至不出現。當距離隧道表面徑向深度達8 m時，圍巖溫度已基本不受外界全年氣溫變化的影響；證明了模型尺寸設置的合理性。

由圖5可知，隧道徑向溫度較外界氣溫變化具有明顯的滯后性。以4月份隧道徑向圍巖溫度變化為例，當外界氣溫升高，隧道表面一定范圍內的圍巖很快受到影響并隨之升溫，但內部圍巖溫度受之前低溫月份影響還未來得及反應，仍表現出較低溫度；隨著隧道徑深的進一步增加，圍巖溫度又漸漸升高至初始巖溫。由此，隧道出現最大凍結深度的月份為2月，而非最冷月1月份；計算得出隧道不采取保溫措施的最大凍結深度為2.12 m；對比地勘揭露的最大凍結深度2.20 m，數值計算誤差小于5 %，驗證了本文數值求解方法的可靠及精確性。

4 保溫層鋪設參數優化

4.1 保溫層鋪設厚度優化

在隧道表面鋪設不同厚度的硬質聚氨酯保溫材料，并以二次襯砌內表面溫度不小于0 ℃作為保溫層鋪設厚度判別條件。則保溫層鋪設厚度不同時，隧道二襯內側溫度隨外界氣溫變化見圖6。

圖6 鋪設不同厚度保溫層二襯內側溫度隨外界氣溫變化

由圖6可知，隧道鋪設保溫層后，外界氣流和隧道表面接觸的介質由二襯變為了保溫材料；由此，隧道依靠保溫層良好的隔熱效應，受外界氣溫的影響隨保溫層鋪設厚度的增加而減弱。當保溫層鋪設厚度為5 cm時，二襯內側表面最低溫度為0.87 ℃，已然達到了防凍要求；其與不設保溫層的年溫度振幅比較，減少了3.0 ℃。

考慮隧道巖溫變化的“滯后效應”，優化外界最冷的1月份前后，滿足防凍要求的保溫層鋪設厚度見圖7。

圖7 隧道二襯內側表面溫度隨保溫層鋪設厚度變化

由圖7可知，隨著保溫層鋪設厚度的增加，二襯內側表面溫度逐漸升高。其中保溫層鋪設厚度不大于1 cm時的工作效率明顯較高，但又通常不能滿足防凍要求；當其鋪設厚度超過1 cm后，隧道二襯內側溫度隨保溫層厚度的增加，在平穩緩慢中升高，直至初始巖溫。在2月份，隧道所需滿足防凍要求的保溫層厚度最大，為4.12 cm；考慮隧道保溫層施作時的便利性及其面對極端不利低溫所需預留的冗余值，建議保溫鋪設厚度為5 cm。

4.2 保溫層鋪設材料優化

考慮隧道投入運營后可能面對的極端不利氣溫條件，在隧道表面鋪設5 cm厚度不同保溫隔熱材料，對比極端低溫-34.8 ℃下，隧道暴露30 d后的溫度場分布，見圖8。

圖8 鋪設不同保溫材料極端溫度下隧道溫度場分布

由圖8可知，隧道不采取保溫措施下， 隧道會直接暴露在空氣中，低溫氣流與隧道壁面不斷地對流換熱，并在固-固熱傳導作用下，隧道逐漸出現負溫區域，并且越靠近隧道壁面溫度越低；而采取保溫措施后，隧道出現的負溫區域明顯減小，由溫度場分布云圖看，保溫效果最好的是硬質聚氨酯，其次是聚酚醛泡沫塑料，最差的是鋪設泡沫玻璃保溫材料。

隧道鋪設不同保溫材料時，隧道暴露在極端氣溫中不同時間下的凍結深度見圖9。

圖9 隧道在極端氣溫中凍結深度與暴露時間關系

由圖9可知，不設保溫層時，隧道凍結深度隨暴露時間近似呈二次上拋線增加；而鋪設保溫層后，隨著保溫材料保溫性能的提升，隧道凍結深度由上拋線逐漸過渡到線性趨勢增加，并且出現凍結的時間延后、深度減小。隧道鋪設硬質聚氨酯低溫暴露30 d后的凍結深度為1.05 m，相對于聚酚醛泡沫塑料、泡沫玻璃的防凍工作效率分別提高了20.6%、80.9%。從保溫防凍效果來看，建議保溫層鋪設優先選用硬質聚氨酯材料。

4.3 保溫層鋪設方式優選

在隧道二襯內表面，初支與二襯之間以及雙層鋪設5 cm厚保溫層3種工況，觀測保溫層不同鋪設方式下，隧道出現最大凍結深度時的徑向圍巖溫度變化，見圖10。

圖10 隧道徑向圍巖溫度與保溫層不同鋪設方式關系

由圖10可知，表層鋪設保溫在整個隧道的御寒保溫效果上較夾層保溫方式都較為有利；而對比雙層保溫，表層保溫在二襯凍害防治上明顯占優，但在初支及后側圍巖抵抗外界溫度干擾上又相對處于劣勢；但不管采取何種保溫層鋪設方式，在隧道凍害防治上都要好于不設保溫隔熱層，并在保溫層內外兩側溫度都會出現“跳躍”，最大溫差可達8 ℃。綜合御寒防凍效果，并結合夾層鋪設的保溫層容易受到圍巖壓力的擠壓破壞及其破壞后的不利更換條件和雙層鋪設時的工序繁瑣性，因此隧道保溫層建議優先選用表層鋪掛方式。

5 結論

以季凍區樺皮嶺隧道為依托，首先，通過環境溫度的現場監測獲得了計算模型所需精準溫度荷載；其次，建立了基于fluent流體計算軟件的“圍巖-襯砌-保溫層-空氣”氣固耦合力學模型，并通過對比現場地勘驗證了模型的合理性；最后，對不同保溫材質、不同鋪設厚度和鋪掛方式進行了對比分析。所得主要結論如下。

(1)隧道圍巖溫度隨外界氣溫呈三角函數變化，但“滯后效應”明顯；當隧道徑向深度達8 m時，圍巖溫度已基本不受外界氣溫變化的影響。

(2)硬質聚氨酯保溫材料較聚酚醛泡沫塑料和泡沫玻璃御寒保溫效果分別提高了近20%和80.9%，但保溫層處內外溫度存在“跳躍”現象，最高內外溫差達8 ℃。

(3)推薦保溫層最優鋪掛方式為隧道表面鋪設，最優鋪掛厚度為5 cm。