寒區隧道襯砌智能保溫技術研究*

赫傳凱

(國家電子工程建筑及環境性能質量監督檢驗中心，北京 100142)

0 引言

在寒冷地區，由于隧道周圍的巖土處于季節性反復凍融作用之中，對隧道的正常服役影響很大[1-2]。長期的工程實踐表明，寒區隧道在服役期內均存在不同嚴重程度的凍害[3-5]。由于襯砌開裂乃至剝落，導致普遍存在滲水現象，在冬季很易在拱頂出現一系列懸掛的冰錐，并在路面凍結成冰，不僅嚴重影響隧道的正常使用，同時也給隧道結構安全帶來不利影響。因此，必須考慮對隧道凍害加以防治[6-8]。

常規的方法是在襯砌之上鋪設保溫板或襯砌采用特種混凝土施工。鋪設保溫板存在有效期問題，而特種混凝土成本太高，不能從根本上解決這一問題[9-10]。因此，本文嘗試采取新的技術措施進行隧道抗凍防護研究。

1 智能保溫裝置構造

為兼顧隧道襯砌抗凍的效率和經濟性問題，研究提出下述自適應智能保溫裝置，包括鍍鋅鋼絲網、溫控箱、溫度傳感器、發熱電纜、鋁箔層和泡沫隔熱層等部件，如圖1所示。其中，鍍鋅鋼絲網固定在隧道二次襯砌表面，發熱電纜鋪設到鍍鋅鋼絲網內，溫度傳感器按監控需要分布在發熱電纜覆蓋區域的襯砌表面，鋁箔層將發熱電纜工作區域密封，泡沫隔熱層噴涂至鋁箔外表面以阻隔環境溫度場的影響。

圖1 隧道自適應智能保溫裝置

2 智能保溫裝置智能控制原理

該裝置通過發熱電纜通電產生熱輻射提升防護區內的襯砌結構溫度，設置鋁箔層可進一步增強對隧道結構層的熱輻射量，而泡沫隔熱層作為多閉孔結構能有效阻隔熱量散失。考慮到節能需求，該系統采取智能反饋控制原理進行自適應控制方案設計，即通過程序編制可使控制單元(溫度控制器)根據測量裝置(溫度傳感器)獲得的隧道結構實際值和預期值的偏差，自行控制可執行單元(可控電源)，自動化程度較高。控制系統工作原理為：在冬季當襯砌溫度達到保護既定目標值時，宜減小加熱電路電壓(電流)，直至電路中斷，供熱裝置處于休眠狀態；當低于目標值時，說明電熱能量不足，控制器發出指令增大加熱電路電壓(電流)，繼續提升襯砌工作溫度，直至滿足要求(見圖2)。

圖2 保溫裝置智能控制原理

3 工程概況與計算建模

3.1 簡化模型

以某公路隧道作為研究對象，對其進行寒區隧道襯砌抗凍保溫研究。隧道全長480m，初襯采用C25鋼筋混凝土，厚度為8cm；二次襯砌采用用C25鋼筋混凝土，厚度為 30cm。建立的隧道-圍巖整體模型如圖3所示，模型寬36m、高30m，隧道尺寸參考設計圖紙選取。

圖3 計算模型

3.2 計算參數

模擬隧道襯砌-圍巖溫度場分布時，首先需明確襯砌和圍巖的熱物理參數，如導熱系數、比熱和密度等；同時，隧道和圍巖因為其內部結構的復雜性，不利于模型的建立，因此簡化為假設隧道結構各層材料分布均勻，且符合材料的熱物理性質。參考工程勘察資料，計算中需用到的熱物理參數如表1所示。

表1 熱物理參數

3.3 邊界條件

隧道襯砌的外表面與冷空氣接觸，兩者之間主要進行對流傳熱。空氣對流換熱系數取15W/(m2·K)，-25℃作為外界溫度荷載。圍巖內部一定深度內存在恒溫區，取4℃作為圍巖溫度邊界條件。

4 數值模擬

先后考慮隧道襯砌無防護和采取智能保溫2種模式進行數值模擬，以便對比分析。

4.1 無防護模式

此模式下在隧道襯砌外表面不設任何防護措施。按設置的隧道襯砌和圍巖等物質的材料屬性，對應的結構模型如圖4所示。

圖4 無保溫模式下隧道結構布局

在此基礎上，運用ANSYS軟件進行穩態熱分析，可得出隧道襯砌-圍巖在無防護模式下的溫度場分布云圖，如圖5所示。

圖5 隧道襯砌-圍巖初始溫度場分布

4.2 智能保溫模式

智能保溫措施的構造相對較復雜，結構建模時需考慮熱源、空氣層、鋁箔反射層、聚氨酯噴涂層、襯砌和圍巖等，對應的結構布局如圖6所示。

圖6 智能保溫措施下隧道結構布局

計算時，需考慮圍巖溫度和冷空氣對流換熱2種邊界條件，并輸入發熱電纜熱流通量、發熱電纜發射率和鋁箔的發射率等參數。采取相同的初始環境條件，該模式下最終的穩態熱分析結果如圖7所示。

圖7 智能保溫措施下隧道溫度分布云圖

4.3 對比分析

結合以上數值分析結果可知，無防護模式下隧道襯砌溫度處于-22～-17℃；而在智能保溫模式下的襯砌溫度下限在2.5℃左右，上限在5.6℃左右。無防護模式下隧道圍巖的溫度處于-17～4℃；智能保溫措施下圍巖溫度的最高處為發熱電纜鋪設區域，受其影響，圍巖靠近襯砌部分的溫度較恒溫區略高, 溫度下限為4℃。

5 現場測試

由于國家范圍內突發事件影響，導致隧道現場測試無法在冬季進行，但延期春季測試數據仍可說明問題，不失一般性。隧道現場氣候環境多變，需考慮風力和光照可能帶來的影響。因此，將試驗測點設置在距離隧道洞口10m處，分別在監測區襯砌的表面建立試驗組和環境對照組。試驗組采用本文提出的智能保溫裝置覆蓋襯砌外表面；環境對照組襯砌外表面裸露，直接與外界接觸。試驗組與環境對照組的覆蓋區各占隧道襯砌表面一半，試驗組測點與環境對照組測點以襯砌對稱面左、右均等分布，各組內測點布置如圖8所示。發熱電纜按圖9進行鋪設，并要進行密封。

圖8 測點現場布置

圖9 發射電纜鋪設現場

每天監測數據采集2次，時間分別為7：00和12：30，共持續監測9d。選用Et表示某一時間點試驗組內各監測點的平均溫度值，Ee表示在某一時間點環境對照組內各監測點的平均溫度值，在此基礎上可給出采取保溫措施與否的溫度曲線，如圖10所示。

圖10 監測點溫度對比曲線

通過對Et，Ee的監測數據進行分析可發現，隨著每日氣溫的變化，環境溫度波動也較大。然而，采取智能保溫措施后，可有效消除上述波動現象，使襯砌的溫度基本處于穩定狀態。

6 結語

1)采取智能保溫措施后，隧道襯砌表面溫度可大幅度提升，從而消除其后圍巖凍脹力的影響。

2)環境氣溫一般具有較強的波動性，導致溫差變化較大，而采取智能保溫措施可使隧道襯砌結構保持在基本恒定的理想溫度，有效避免凍害發生。

3)該裝置能結合周圍環境和待保護對象的熱力參數，自動對環境溫度和襯砌表面溫度進行實時在線監測，智能調節控制襯砌供熱系統的運行，綜合考慮了能耗損失和系統經濟性雙重因素的影響，實際效果顯著。