高巖溫鐵路隧道隔熱效果研究

李力亨

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京　100000）

高巖溫鐵路隧道隔熱效果研究

李力亨

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京100000）

由于西部山區地質復雜，隧道在修建時都會不同程度地受到地質災害的影響，其中高巖溫便是比較顯著的一種地質災害。高巖溫不僅對襯砌結構存在安全隱患，而且惡化隧道施工環境，甚至嚴重影響隧道施工人員和機具的正常作業。本論述以拉日線上的吉沃希嘎隧道工程為依托，通過現場實測、結合傳熱學理論，采用ANSYS有限元軟件進行數值計算，通過在隧道初支和二次襯砌之間設置隔熱層，研究了隔熱層對二次襯砌溫度場分布的影響。由ANSYS有限元軟件數值模擬計算結果可知，無隔熱層時，襯砌施做5 d后的最大溫度為45.976℃，分布在襯砌外邊緣，最小溫度分布在仰拱處，為28.342℃。在初支和二次襯砌之間設置了10 cm厚的隔熱層，加載5 d后，襯砌的最大溫度為30.226℃，同樣分布在襯砌外邊緣，最小溫度為28.024℃，分布在仰拱處。由此可見，隔熱材料在很大程度上可以抑制圍巖的高溫向隧道內傳遞。

鐵路隧道；高巖溫；數值模擬；隔熱

0　引言

我國過去修建的隧道多為里程短、埋深較淺，因此很少遇到過高巖溫現象。隨著西部大開發戰略的深入實施，深埋長大隧道的數量也不斷增多，熱害問題逐漸成為了隧道建設中不可避免的障礙。譬如，上世紀九十年代修建的秦嶺隧道最大埋深達1 600 m，最大埋深處原始巖溫高達40℃以上。位于云南省滇南地區蒙自境內的舊寨隧道，最大埋深150 m左右，隧道全長4 460 m，在2007年6月施工時，洞內溫度高達40℃以上，隨著掌子面的繼續開挖，隧道內空氣溫度始終保持在40℃左右，并且拱頂、邊墻及底板處均有溫度為37℃～47℃的熱水流出。

一般來講，當地表以下某處的掩體溫度超過30℃時，便可以稱為高巖溫，鐵道部規定隧道內氣溫要嚴格控制在28℃內。由地溫變化規律可知，當隧道埋深越大，里程越長時，其地溫也越高，由此引起的熱害問題也更加嚴重。如果在隧道的施工過程中遇到高巖溫問題，特別是高溫突涌水，不僅危害人體健康，降低勞動生產率，而且高溫環境將對某些施工材料提出更高的要求。

毫無疑問，高巖溫的存在，一方面將加大施工的難度，同時在一定程度上影響施工工期，尤其當巖溫異常高時，甚至會影響到工程的可行性。鑒于此，深入研究高巖溫隧道隔熱降溫顯得尤為重要。

1　工程概況

拉薩至日喀則線位于青藏高原西南部，地處北緯29°30′～29°45′，東經88°45′～91°15′。拉日鐵路為青藏鐵路的延伸線，東起拉薩車站，出站后沿拉薩河南下至協榮村，經過堆龍德慶縣，然后跨越拉薩河到達曲水縣，緊接著向西溯雅魯藏布江而上，到達色麥后，穿越長度約90 km的雅魯藏布江大峽谷區，繼而經過尼木、仁布縣后到達日喀則市，拉日鐵路全線長253.1 km。拉日鐵路也是我國目前穿越巖溫最高、地熱活動范圍最大的鐵路，其中，色麥至仁布段地熱已探明的最高溫度可達80℃以上。

拉日線峽谷區熱儲構造為條帶狀，其影響邊界主要受南北向斷裂構造的控制，其中吉沃希嘎隧道長4 070 m，洞身大部分埋深在34～75 m，最小埋深為34 m，最大埋深為102 m左右。該段線路通過地層主要為第四系覆蓋層，燕山期、喜山期花崗巖、花崗閃長巖、石英閃長巖、閃長巖、角閃巖為主的巖漿巖，地層巖性雜亂，類型繁多，洞身有3條斷層通過，隧道洞身測溫顯示，路肩部位溫度在45℃～60.5℃。

2　隧道初始地溫場

2.1計算模型

隧址區計算模型采用1∶1的比例建模，見圖1所示，計算模型的Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ處的溫度載荷分別如下定義。

圖1 隧道計算模型

模型邊界Ⅰ為山體實測線，即為地表線，根據隧道縱斷面圖來確定；模型邊界Ⅱ為恒溫層所在位置；模型邊界Ⅲ為圖中測溫鉆孔的深度。

2.2計算參數及荷載邊界條件

由于吉沃希嘎隧道洞身所在圍巖為花崗閃長巖，且該區有三條斷裂層，斷層角礫的導熱系數較高，因此經綜合考慮，計算時導熱系數選為3.5 W/m·K。

為了確保測溫數據的準確性，本論述選取測溫平均值來進行研究。上邊界的溫度荷載值取該區年平均氣溫15℃，恒溫層的溫度荷載取恒溫層溫度25℃，下邊界的溫度載荷取鉆孔的實測溫度。

2.3計算結果及分析

圖2　沿隧道前進方向地溫分布曲線圖

圖2為吉沃希嘎隧道模擬計算得出的巖溫曲線及實測巖溫曲線圖，結果顯示，兩者最大溫差僅為4.6℃，由數值模擬計算得出的隧道的巖溫曲線圖與實測的隧道巖溫曲線圖走勢一致，基本重合。說明用ANSYS有限元數值模擬計算得到的隧址區初始地溫場分布規律基本正確，且有較高的可靠性及精確性，從而確保了軟件計算的可行性及正確性。

圖3　隧道開挖初始實測巖溫

3　隔熱材料對溫度場的影響分析

3.1隔熱材料的基本性能

隔熱材料，亦稱熱絕緣材料，其物質結構使其具備減小熱量傳遞的性能。為了達到控制熱量傳遞的目的，隔熱材料通常具有疏松、多孔、密度小的特征，隔熱層的作用是通過其特有的材料性質達到阻滯一定熱量的效果。由于隔熱材料導熱系數小，能在一定的時間內使通過它的熱量降到最小，而隔熱材料效果的優劣，主要取決于其材料厚度、性能以及防潮措施等。

3.2隔熱材料的選取結果

寒區隧道常用苯乙烯、聚氨酯和硅酸鹽復合絕熱材料作為隧道的隔熱保溫材料，表1為這三種隔熱材料的相應參數。作為一種新型的隔熱保溫材料，硅酸鹽復合材料除了具備不燃、防火及耐腐蝕等優良性能外，同時價格便宜，柔韌性能好，便于施工。鑒于此，本論述選取硅酸鹽復合材料作為研究對象。

表1　隔熱材料參數

3.3計算模型及邊界條件

模型的選取尺寸：左右邊界分別距隧道中心線30 m，上邊界距隧道中心線30 m，下邊界距隧道中心線30 m。隔熱層厚度取10 cm，圖4為隧道隔熱保溫結構示意圖。

圖4　隧道隔熱保溫結構形式

圖5　隧道平面溫度場模型有限元劃分圖（整體和局部）

圖5的局部圖中紅色代表隔熱層，藍色代表二襯，隔熱層施做在初支和二襯之間，初支在圖中沒有表示出來。

規范規定，鐵路隧道施工和運營期間的溫度應低于28℃。因此，假定襯砌的初始溫度為28℃，且均勻分布，襯砌外側溫度載荷選取實測溫度55℃，襯砌內輪廓施加28℃的空氣對流荷載。

3.4有限元計算結果分析

圖6～圖15為分別加載5 d、10 d、15 d、20 d及30 d后的溫度分布情況。由表2可知，當無隔熱層時，襯砌內側溫度由加載5 d后的28.342℃增大到加載30 d后的37.835℃，變化較大；當加隔熱層后，襯砌內側溫度由加載 5 d后的 28.024℃加載到加載 30 d的30.005℃，變化很小。

3.5計算結果

在隧道初支和二次襯砌之間設置隔熱層后，襯砌的溫度場分布發生了很大的變化，見圖6~圖15所示。

5 d

圖6　無隔熱層的溫度分布云圖

圖7　加隔熱層的溫度分布云圖

10 d

圖8　無隔熱層的溫度分布云圖

圖9加隔熱層的溫度分布云圖

15 d

圖10　無隔熱層的溫度分布云圖

圖11加隔熱層的溫度分布云圖

20 d

圖12　無隔熱層的溫度分布云圖

圖13　加隔熱層的溫度分布云圖

30 d

圖14　無隔熱層的溫度分布云圖

圖15　加隔熱層的溫度分布云圖

表2　隧道襯砌無隔熱層和加隔熱層后的溫度

（1）襯砌施做5 d后，在無隔熱層的情況下，襯砌最高溫度為45.976℃，分布在襯砌外側。隨時間的推移襯砌溫度逐漸增大，且高溫逐漸向襯砌內側擴展，拱頂處溫度變化最明顯，襯砌的最低溫度值為28.342℃，分布在填充處。在設置了隔熱層后，襯砌的最高溫度為30.226℃，同樣分布在襯砌外側，襯砌最低溫度為28.024℃，分布在填充處。

（2）襯砌施做后，隨時間的推移溫度逐漸升高，襯砌施做30 d后，在無隔熱層的情況下，襯砌最高溫度為49.488℃，分布在整個拱頂處，最低溫度為37.835℃，分布在填充處。在設置了隔熱層的情況下，襯砌最高溫度為35.522℃，同樣分布在填充處，最低溫度為30.005℃。

（3）吉沃希嘎隧道內致使空氣氣溫上升的主要熱源為來自于圍巖的高溫，設置隔熱層并加載30 d后，襯砌內側的溫度在30～35℃之間，相比無隔熱層并加載30 d后襯砌內側的溫度（約46℃），其更接近于鐵路隧道規范要求28℃。此時，只需少量的冷能，即可將溫度降至可施工溫度。

4　　結束語

針對高海拔、高巖溫復雜地質條件下的吉沃希嘎特長鐵路隧道，采用現場實測及數值模擬分析方法，就隔熱材料對襯砌溫度場分布的影響進行了探討，結合大量文獻資料，得出以下結論：

（1）當在隧道二次襯砌與初支間不設隔熱層時，隧道開挖后，洞內溫度從拱頂開始，逐漸快速上升至整個隧道。當設置隔熱層后，能很好地抑制洞內溫度的上漲，這為洞內施工創造了一個較安全舒適的作業環境。

（2）在初支與二次襯砌之間設置隔熱層不僅對襯砌溫度分布具有很大的影響，在短期內可抑制圍巖的高溫向隧道內傳遞，而且縮小了襯砌內外側的溫度差，從力學角度分析，襯砌更趨于安全。

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U457+.5

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.04.022

2016-2-19

李力亨（1987-）男，漢族，甘肅隴西人，研究生，助理工程師，主要研究方向：隧道與地下工程。