不同保溫材料保溫效果數(shù)值模擬計算

張誼鵬，黃奕軒(四川省川建勘察設計院, 四川成都 610031)

不同保溫材料保溫效果數(shù)值模擬計算

張誼鵬，黃奕軒
(四川省川建勘察設計院, 四川成都 610031)

針對某高海拔嚴寒地區(qū)隧道保護問題，利用數(shù)值模擬計算方法，分別模擬保溫層材料類型、敷設厚度對隧道襯砌保溫效果的影響。結果表明，導熱系數(shù)最小的硅酸鋁纖維保溫板的保溫效果最好。研究結果可為隧道保溫層設計提供參考。

隧道；保溫材料；保溫層厚度

高海拔寒冷地區(qū)隧道開挖后，受冷空氣的影響，隧道洞壁將會出現(xiàn)負溫的不利情況。如不采取保溫措施，隧道勢必出現(xiàn)凍害，影響行車安全，降低隧道使用壽命。在我國，對寒區(qū)隧道的防寒保溫措施主要有3種，供熱法，防寒門法和敷設保溫材料法[1]。國內寒區(qū)隧道多采用鋪設保溫隔熱材料的方式來減少凍害的發(fā)生[2]。本文利用二維瞬態(tài)有限元程序，對保溫材料的類型、厚度對保溫效果的影響進行計算與分析。

1 依托工程概況

隧道位于四川省省道S303線小金縣，進口海拔3 849 m，出口海拔3 852 m。隧址區(qū)年平均氣溫1.8 ℃，其中12月至次年1月平均氣溫在-5 ℃以下，最低氣溫為-16.1 ℃。隧址區(qū)地層以三疊系中統(tǒng)雜谷腦組和三疊系上統(tǒng)侏倭組的砂巖夾板巖為主。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

隧道洞壁設置的混凝土二次襯砌，厚度為70 cm, 在二次襯砌的表面敷設保溫材料。為了定量研究敷設保溫材料后隧道二次襯砌及隧道圍巖的溫度變化情況，在數(shù)值模型中設立了3個典型位置的深度-溫度監(jiān)測線，分別位于隧道拱頂中央位置，隧道邊墻4.1 m高位置和隧道底部中央位置，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測位置布置示意

2.2 保溫材料熱物理參數(shù)

為了給隧道保溫防寒設計提供合理的參數(shù)，經(jīng)對國內外目前生產(chǎn)使用的不同材質的保溫隔熱材料進行比選，選取了如下4種保溫材料：硅酸鋁纖維板、聚乙烯保溫板、聚酚醛保溫板、聚氨酯泡沫保溫板。

根據(jù)測定及查閱資料，得出混凝土、保溫材料、瀝青的熱物理參數(shù)，如表1所示。

表1 防凍保溫材料熱物理參數(shù)

3 保溫隔熱材料類型對保溫效果的影響

保溫材料的類型不同，其導熱系數(shù)不同。隧道洞壁的保溫材料選取硅酸鋁纖維板、聚酚醛保溫板、聚乙烯泡沫板和聚氨酯泡沫板。選取距離隧道進口端10 m處為研究對象。為了保證數(shù)值模擬計算的結果應用在工程上有足夠的安全性，選擇計算時間為30 d、極端氣溫-16.1℃的計算模型，建立二維瞬態(tài)熱傳遞模型。

研究選取4種保溫材料在厚度為5 cm時隧道的溫度場分布規(guī)律，提取隧道二次襯砌表面的溫度，如表2、表3所示。

由表2可知，敷設了5 cm厚的4種保溫材料之后，隧道拱頂二次襯砌表面的溫度不同，可以總結為隨著保溫材料導熱系數(shù)的增大，隧道拱頂二次襯砌的表面溫度逐漸降低。以硅酸鋁纖維為保溫材料的隧道拱頂二次襯砌表面溫度最高，為0.3049 ℃；以聚酚醛保溫板為保溫材料的隧道拱頂二次襯砌表面溫度最低，為-0.23008 ℃。

表2 敷設不同保溫材料時隧道拱頂二襯表面溫度

表3 敷設不同保溫材料時隧道邊墻二襯表面溫度

由表3可知，敷設了5 cm厚的4種保溫材料之后，隧道邊墻二次襯砌表面的溫度不同。其規(guī)律也是隨著保溫隔熱材料導熱系數(shù)的增大，隧道邊墻二次襯砌表面的溫度逐漸減小。4種保溫材料中，只有以硅酸鋁纖維保溫板作為隧道保溫材料的隧道邊墻二次襯砌表面的溫度為0 ℃以上，其余3種保溫材料后的二次襯砌表面溫度均為0 ℃以下。

綜上可以得知，給隧道敷設不同類型的保溫材料厚度相同時，導熱系數(shù)小的保溫材料的保溫效果更好，可以更好地阻止冷空氣對隧道洞壁的影響。

4 保溫材料厚度對保溫效果的影響

選取4種保溫材料，敷設厚度分別為3 cm、4 cm、5 cm、6 cm。研究不同保溫材料不同厚度時隧道二次襯砌表面溫度。提取溫度場云圖相關節(jié)點的溫度，繪制敷設不同厚度不同類型保溫材料時隧道拱頂二次襯砌表面的溫度曲線，如圖2、圖3所示。

通過圖2可以看出敷設不同類型不同厚度的保溫材料之后，同一種材料不同厚度時二次襯砌表面的溫度不同。隧道二次襯砌表面的溫度隨著保溫材料厚度的增大而上升。敷設硅酸鋁保溫板時，當敷設厚度為3 cm和4 cm時，隧道拱頂二次襯砌的溫度均小于0℃，不符合要求；當敷設厚度為5 cm和6 cm時，隧道拱頂二次襯砌表面的溫度大于0℃，滿足要求。敷設聚乙烯泡沫塑料時，當敷設厚度為3 cm和4 cm時，隧道拱頂二次襯砌表面的溫度小于0℃，當敷設厚度為5 cm和6 cm時，隧道拱頂二次襯砌表面溫度大于0℃。敷設硬質聚氨酯泡沫塑料后，隧道拱頂二次襯砌表面的溫度同以上兩種保溫材料情況相同，都是3 cm和4 cm時不符合要求，5 cm和6 cm時符合要求。當敷設聚酚醛保溫板時，敷設厚度為3 cm、4 cm和5 cm時隧道拱頂?shù)亩我r砌表面溫度均為0℃以下，只有當敷設厚度為6 cm時隧道拱頂二次襯砌表面溫度才達到0℃以上。

圖2 不同保溫材料不同厚度隧道拱頂二襯表面溫度

圖3 不同保溫材料不同厚度隧道邊墻二襯表面溫度

通過圖3可知，敷設硅酸鋁纖維保溫板時，敷設厚度為3 cm和4 cm時，隧道邊墻二次襯砌表面溫度均小于0℃，敷設厚度為5 cm和6 cm時隧道邊墻二次襯砌表面的溫度大于0℃。余下3種保溫材料，在敷設厚度為3 cm、4 cm和5 cm時，隧道邊墻二次襯砌表面的溫度均為0℃以下，只有當敷設厚度為6 cm時，隧道邊墻的二次襯砌表面溫度才達到0℃以上。

可知，敷設5 cm厚的硅酸鋁纖維保溫板可有效保持隧道襯砌表面溫度在0℃以上。

5 結論

(1)導熱系數(shù)最小的硅酸鋁纖維保溫板的保溫效果最好。

(2)增加保溫材料的厚度，隧道二次襯砌表面的溫度會升高。當給隧道洞壁敷設5 cm厚的硅酸鋁纖維板時隧道的拱頂和邊墻的二次襯砌表面溫度大于0℃，其它幾種保溫材料在敷設厚度為5 cm時隧道邊墻的二次襯砌表面溫度未達到0℃。

[1] 謝紅強, 何川, 李永林.寒區(qū)公路隧道保溫層厚度的相變溫度場研究[J].巖石力學與工程學報, 2007,26(S2):4395-4407.

[2] 姚紅志, 張曉旭, 董長松, 等.多年凍土區(qū)公路隧道保溫隔熱層鋪設方式及材料性能對比分析[J].中國公路學報, 28(12): 106-113.

張誼鵬(1979～)，男，學士，工程師，從事建筑工程建設項目管理工作。

TU55+1.1

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[定稿日期]2016-06-15