寒區(qū)隧道保溫層隔熱效果研究

趙志忠，張晶晶

(1.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

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寒區(qū)隧道保溫層隔熱效果研究

趙志忠1，張晶晶2

(1.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

為了研究寒區(qū)隧道保溫層的隔熱效果，文章以內(nèi)蒙古烏零一級公路巴勒根達隧道為依托，采用有限元軟件ANSYS計算分析了隧道洞口淺埋段有無保溫層下溫度場分布情況。結(jié)果表明：在設(shè)單層保溫層后，隧道內(nèi)圍巖溫度平均提升9 ℃，兩側(cè)和底部的凍結(jié)深度較不設(shè)保溫層降低了約30%，隧道洞室頂部隔熱效果不明顯。

寒區(qū)隧道；保溫層；溫度場；有限元計算；隔熱效果

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對交通出行的需求日益迫切，公路建設(shè)也逐漸向各種地質(zhì)情況復(fù)雜和自然環(huán)境惡劣的地區(qū)延伸，工程建設(shè)中出現(xiàn)了大量的長大隧道，部分隧道由于受寒冷氣候的影響，極易產(chǎn)生隧道凍害現(xiàn)象。鑒于寒區(qū)隧道遭受凍害的嚴峻形勢，對隧道溫度場的研究成為凍害研究的關(guān)鍵。本文通過對隧道洞口淺埋段有無保溫層溫度場分布情況進行分析計算，驗證隧道保溫層的放冷效果，為合理設(shè)計隧道防冷害提供可靠依據(jù)。

1 工程背景

省道203線烏蘭浩特至零點段一級公路巴勒根達板隧道，位于內(nèi)蒙古興安盟科爾沁右翼前旗，隧道沿東西走向，隧道全長約1 725 m，最大埋深約116 m，雙向四車道設(shè)計標準，設(shè)計時速80 km/h。隧道圍巖以凝灰?guī)r為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，其地下水類型主要為河谷洼地區(qū)的孔隙潛水、丘陵山區(qū)孔隙潛水。地下水的補給、逕流與排泄主要以接受垂向大氣降水補給為主。

2 溫度場計算參數(shù)的確定

混凝土熱學(xué)參數(shù)：C40混凝土的參數(shù)參考已有值，如表1所示。

表1 混凝土熱學(xué)參數(shù)表

水熱學(xué)參數(shù)：隧道區(qū)地下或地表水的存在是隧道區(qū)產(chǎn)生凍害的必要條件。而當(dāng)水中溶質(zhì)的類別及濃度不同時，其結(jié)冰點是不同的，通常而言，水中溶質(zhì)含量越大、濃度越高，水的結(jié)冰點就越低。因此，需要通過導(dǎo)熱性試驗確定水體導(dǎo)熱性參數(shù)，現(xiàn)場取樣試驗結(jié)果如表2所示。

表2 水熱學(xué)參數(shù)表

圍巖熱學(xué)參數(shù)：隧道區(qū)山體巖性為凝灰?guī)r，本次計算采用的巖體熱學(xué)參數(shù)源于項目地質(zhì)勘察報告。由于水在圍巖中存在形式為裂隙水，呈離散形分布，因此，在進行數(shù)值模擬中，并未將水作為單一材料類型，而是將含水巖體作為一種材料。考慮在最不利情況下，圍巖的含水量定為15%。其熱學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖熱學(xué)參數(shù)表

巴勒根達板隧道采用福利凱熱固性保溫材料，材料特性如表4所示。

表4 保溫材料特性表

3 隧道溫度場有限元計算模型建立

隧道出口處于淺埋段，隧區(qū)冬季多為東北風(fēng)，凍害最為嚴重，本次選取K144+895斷面建立二維1∶1模型，K144+895斷面埋深為10.4 m。網(wǎng)格劃分原則根據(jù)隧道溫度梯度的大小對隧道內(nèi)不同材料類型進行確定：區(qū)域網(wǎng)格按溫度梯度大小進行劃定，溫度梯度大的區(qū)域網(wǎng)格劃分密，溫度梯度小的區(qū)域網(wǎng)格較稀疏。單元為四節(jié)點四邊形單元PLANE55，整個模型共劃分19 112個單元、19 789個節(jié)點，計算模型如圖1所示。

(a)整體

(b)部分

4 有限元計算結(jié)果

本次計算對最寒冷的1月份進行加載，由于洞室處于淺埋段，隧道洞頂部大氣溫度影響不可忽略，故在隧道洞室內(nèi)混凝土表面施加溫度函數(shù)載荷的同時，對隧道頂部同時施加溫度荷載。計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 隧道K144+900斷面1月份地溫分布圖(無保溫層)

溫度場計算云圖與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本吻合，在該斷面無保溫層的情況下，最大凍結(jié)深度約為3 m左右，且隧道周邊等溫線分布基本與隧道輪廓大體一致。在K144+895斷面處洞頂?shù)膬鼋Y(jié)深度遠大于洞底的凍結(jié)深度，拱腳處的凍結(jié)深度在三者中最小，由于隧道處于淺埋段，地表溫度對洞室頂部圍巖影響明顯，基本上處于負溫。

在計算模型添加保溫層單元，對有保溫層情況下的隧道溫度場進行數(shù)值模擬。保溫單元的導(dǎo)熱系數(shù)為0.027(W/m·K)，比熱容為1 045(J/kg·K)，其計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 隧道K144+900斷面1月份地溫分布圖(有保溫層)

在設(shè)置保溫層后，圍巖內(nèi)部溫度分布情況大體一致，但與無保溫層時相對比，隧道內(nèi)部溫度平均提高了約9 ℃，凍結(jié)深度約2.1 m，較不設(shè)保溫層降低了約30%，說明保溫層發(fā)揮了很大作用。但隧道洞室頂部覆蓋層較薄，受地表大氣溫度影響明顯，保溫層保溫效果不明顯，應(yīng)針對頂部采取專門防凍措施。

5 結(jié)語

通過對巴勒根達板隧道洞口處K144+900斷面，進行有無保溫層兩種工況下圍巖溫度場分布狀況模擬計算，得出結(jié)論如下：

(1)在設(shè)單層保溫層后，隧道內(nèi)圍巖溫度平均提升9 ℃，凍結(jié)深度約2.1 m，較不設(shè)保溫層降低了約30%，說明保溫材料可以有效改善隧道內(nèi)部溫度環(huán)境，減小圍巖及支護承受的融凍破壞，延長隧道的使用年限。

(2)隧道洞室頂部覆蓋層較薄，受地表大氣溫度影響明顯，保溫層保溫效果不明顯，應(yīng)針對頂部應(yīng)采取專門的防凍措施。

(3)保溫層無法完全解決隧道凍脹問題，隧道襯砌后圍巖仍存在一定的凍結(jié)深度。建議在寒區(qū)隧道中，結(jié)合隧道洞口處的防排水設(shè)計與施工，采取機械改善洞室熱環(huán)境、加強襯砌等綜合措施，以達到有效防治寒區(qū)隧道凍害的目的。

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Study on Insulation Effects of Tunnel Insulation Layers in Cold Regions

ZHAO Zhi-zhong1，ZHANG Jing-jing2

(1.Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530028；2.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

In order to study the insulation effect of tunnel heat-insulation layers in cold regions，relying on Balegenda Tunnel of Inner Mongolia Wuling Class-I Highway，and by using the finite element analysis software ANSYS，this article calculated and analyzed the temperature field distribution situation of shallow-buried segment at tunnel entrance with and without insulation layer.The results showed that：after setting a single-layer insulation layer，the surrounding rock temperature in the tunnel has the average increase by 9 ℃，the freezing depth at both sides and the bottom is decreased by about 30% compared to no insulation layer，and the insulation effect at the top of tunnel cavern is not obvious.

Tunnels in cold regions；Insulation layer；Temperature field；FEM；Insulation effect

U455

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.018

1673-4874(2016)09-0068-03

2016-08-04

趙志忠(1984—)，碩士，工程師，研究方向：項目管理；

張晶晶(1983—)，碩士，工程師，研究方向：公路勘察設(shè)計。