季節(jié)性凍土區(qū)隧道保溫層御寒保溫技術(shù)研究

袁金秀，王道遠(yuǎn)，2，馬海龍

(1.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，石家莊 050091；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043；3.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司徐州工務(wù)段，江蘇徐州 221000)

隨著我國“一帶一路”建設(shè)的推進(jìn)，穿越高寒凍土地區(qū)隧道工程越來越多[1]。已有調(diào)查[2]表明70%寒區(qū)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(yīng)對凍害產(chǎn)生的襯砌開裂、剝落、結(jié)冰等不利影響，國內(nèi)外學(xué)者對隧道御寒保溫技術(shù)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(dǎo)寒區(qū)隧道瞬態(tài)溫度場顯式解析解，得出二襯內(nèi)側(cè)溫度與保溫層厚度的增加呈正向關(guān)系，但隔熱層厚度超過5 cm后，其對二襯內(nèi)側(cè)巖溫的提升效率較低。陳建勛等[4]結(jié)合某寒區(qū)隧道工程資料，提出了寒區(qū)隧道防凍隔溫層設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并于應(yīng)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(shè)方式下的溫度場變化，并結(jié)合模糊綜合評價(jià)方法對不同保溫材料的保溫性能進(jìn)行了評價(jià)。祝安龍[6]結(jié)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(jī)理的分析，提出采用保溫隔熱層的方法進(jìn)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，提出將玻化微珠保溫砂漿應(yīng)用于寒區(qū)隧道隔熱保溫。葉朝良等[8]依托高寒地區(qū)后安山大斷面隧道工程，利用Abaqus建立有限元計(jì)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(shè)防段的影響，并給出了后安山大斷面隧道鋪設(shè)保溫層御寒保溫技術(shù)方案。

本文在前人研究基礎(chǔ)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(xué)模型，對季節(jié)性凍土區(qū)隧道保溫層設(shè)置效果進(jìn)行深入探討，為寒區(qū)交通生命線抗凍裂技術(shù)提供理論支持和實(shí)踐參考。

1 隧道洞口溫度實(shí)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(dú)立雙洞四車道隧道，該區(qū)域夏季短促?zèng)鏊韭L寒冷干燥，多年統(tǒng)計(jì)年平均氣溫5.1 ℃，極端最高、最低氣溫分別可達(dá)35.1 ℃和-34.8 ℃；年最熱和最冷月份出現(xiàn)在7月份和1月份，平均氣溫分別為19.8 ℃和-12.3 ℃。年平均風(fēng)速約4.8 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)為63.3 d，最高大風(fēng)日數(shù)可達(dá)96 d，隧道通過段內(nèi)最大標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為220 cm。

1.2 洞口段溫度監(jiān)測結(jié)果分析

通過利用WS-A1型溫濕度表，對隧道施工期內(nèi)洞口進(jìn)口段每日14：00和02：00的氣溫進(jìn)行監(jiān)測，計(jì)算得到每日平均氣溫值。同時(shí)結(jié)合監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)，利用修正后的余弦函數(shù)回歸法[9]，擬合得到了隧道洞口段溫度變化函數(shù)

(1)

式中，t為月份；T(t)為t月時(shí)的月平均溫度，℃。

擬合洞口段氣溫與實(shí)測值變化對比見圖1。

圖1 洞口段溫度監(jiān)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(shù)變化；全年平均氣溫為5.2 ℃，月平均氣溫最高和最低值出現(xiàn)在7月份和1月份，分別為20.4 ℃和-11.4 ℃。擬合函數(shù)求得的隧道洞口氣溫與監(jiān)測溫度具有較好的一致性，為后續(xù)計(jì)算提供精確溫度載荷。

2 隧道隔熱層數(shù)值計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型的建立

隧道鋪設(shè)保溫層的保溫效果與保溫層的鋪設(shè)厚度、材質(zhì)及鋪設(shè)方式有關(guān)。以控制單一變量法，對樺皮嶺隧道鋪設(shè)保溫隔熱層的厚度、材質(zhì)、鋪設(shè)方式進(jìn)行對比分析。首先，通過隧道表面鋪設(shè)不同厚度硬質(zhì)聚氨酯保溫材料的保溫效果對比，優(yōu)選出最佳保溫層鋪設(shè)厚度；其次，以優(yōu)選的保溫層厚度為基礎(chǔ)，在隧道表面鋪設(shè)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(yōu)化結(jié)果，對保溫層表層鋪設(shè)(二襯表面)、夾層鋪設(shè)(初支和二襯之間)、雙層鋪設(shè)(初期支護(hù)與二襯之間及二襯外表面)的御寒保溫效果進(jìn)行評價(jià)。

建立“圍巖-襯砌-保溫層-空氣”氣固耦合計(jì)算模型[9-11]，經(jīng)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(wǎng)格，在隧道洞壁范圍內(nèi)網(wǎng)格適當(dāng)加密，以提高計(jì)算精度和可靠性，模型及網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件與參數(shù)選取

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

隧道地質(zhì)勘測資料顯示，該區(qū)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?zé)崽荻瘸噬呲厔荩粠r土溫度活動(dòng)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(dāng)前圍巖熱過程的影響；同時(shí)，已無法準(zhǔn)確地確定圍巖初始狀態(tài)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(gè)接近于外界年平均氣溫值的常數(shù)[14]。為了簡化計(jì)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?zé)嵊绊懀瑓⒖妓淼赖乜彼馁Y料，設(shè)定熱流密度為0.06 W/m2。

計(jì)算涉及到的相關(guān)材料的物理參數(shù)見表1，其中混凝土物理參數(shù)采用實(shí)驗(yàn)室配比測定值；圍巖物理參數(shù)根據(jù)樺皮嶺地勘揭露的地層巖性，查閱相關(guān)文獻(xiàn)得到[15]；保溫材料參數(shù)以多家生產(chǎn)廠家公布的材料數(shù)據(jù)為參考[16-17]。

表1 材料物理參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算模型合理性驗(yàn)證

在隧道不采取保溫措施時(shí)，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(guī)律；以及隧道在不同低溫月份時(shí)，圍巖溫度沿徑向深度的變化。通過對比隧道最大凍結(jié)深度的數(shù)值計(jì)算值與勘測值，以驗(yàn)證數(shù)值模型設(shè)置的合理性和計(jì)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(shù)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(xiàn)負(fù)溫時(shí)間變短，直至不出現(xiàn)。當(dāng)距離隧道表面徑向深度達(dá)8 m時(shí)，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(shè)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(dāng)外界氣溫升高，隧道表面一定范圍內(nèi)的圍巖很快受到影響并隨之升溫，但內(nèi)部圍巖溫度受之前低溫月份影響還未來得及反應(yīng)，仍表現(xiàn)出較低溫度；隨著隧道徑深的進(jìn)一步增加，圍巖溫度又漸漸升高至初始巖溫。由此，隧道出現(xiàn)最大凍結(jié)深度的月份為2月，而非最冷月1月份；計(jì)算得出隧道不采取保溫措施的最大凍結(jié)深度為2.12 m；對比地勘揭露的最大凍結(jié)深度2.20 m，數(shù)值計(jì)算誤差小于5 %，驗(yàn)證了本文數(shù)值求解方法的可靠及精確性。

4 保溫層鋪設(shè)參數(shù)優(yōu)化

4.1 保溫層鋪設(shè)厚度優(yōu)化

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

圖6 鋪設(shè)不同厚度保溫層二襯內(nèi)側(cè)溫度隨外界氣溫變化

由圖6可知，隧道鋪設(shè)保溫層后，外界氣流和隧道表面接觸的介質(zhì)由二襯變?yōu)榱吮夭牧希挥纱耍淼酪揽勘貙恿己玫母魺嵝?yīng)，受外界氣溫的影響隨保溫層鋪設(shè)厚度的增加而減弱。當(dāng)保溫層鋪設(shè)厚度為5 cm時(shí)，二襯內(nèi)側(cè)表面最低溫度為0.87 ℃，已然達(dá)到了防凍要求；其與不設(shè)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(yīng)”，優(yōu)化外界最冷的1月份前后，滿足防凍要求的保溫層鋪設(shè)厚度見圖7。

圖7 隧道二襯內(nèi)側(cè)表面溫度隨保溫層鋪設(shè)厚度變化

由圖7可知，隨著保溫層鋪設(shè)厚度的增加，二襯內(nèi)側(cè)表面溫度逐漸升高。其中保溫層鋪設(shè)厚度不大于1 cm時(shí)的工作效率明顯較高，但又通常不能滿足防凍要求；當(dāng)其鋪設(shè)厚度超過1 cm后，隧道二襯內(nèi)側(cè)溫度隨保溫層厚度的增加，在平穩(wěn)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(shí)的便利性及其面對極端不利低溫所需預(yù)留的冗余值，建議保溫鋪設(shè)厚度為5 cm。

4.2 保溫層鋪設(shè)材料優(yōu)化

考慮隧道投入運(yùn)營后可能面對的極端不利氣溫條件，在隧道表面鋪設(shè)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(shè)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(dǎo)作用下，隧道逐漸出現(xiàn)負(fù)溫區(qū)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(xiàn)的負(fù)溫區(qū)域明顯減小，由溫度場分布云圖看，保溫效果最好的是硬質(zhì)聚氨酯，其次是聚酚醛泡沫塑料，最差的是鋪設(shè)泡沫玻璃保溫材料。

隧道鋪設(shè)不同保溫材料時(shí)，隧道暴露在極端氣溫中不同時(shí)間下的凍結(jié)深度見圖9。

圖9 隧道在極端氣溫中凍結(jié)深度與暴露時(shí)間關(guān)系

由圖9可知，不設(shè)保溫層時(shí)，隧道凍結(jié)深度隨暴露時(shí)間近似呈二次上拋線增加；而鋪設(shè)保溫層后，隨著保溫材料保溫性能的提升，隧道凍結(jié)深度由上拋線逐漸過渡到線性趨勢增加，并且出現(xiàn)凍結(jié)的時(shí)間延后、深度減小。隧道鋪設(shè)硬質(zhì)聚氨酯低溫暴露30 d后的凍結(jié)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(shè)優(yōu)先選用硬質(zhì)聚氨酯材料。

4.3 保溫層鋪設(shè)方式優(yōu)選

在隧道二襯內(nèi)表面，初支與二襯之間以及雙層鋪設(shè)5 cm厚保溫層3種工況，觀測保溫層不同鋪設(shè)方式下，隧道出現(xiàn)最大凍結(jié)深度時(shí)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(shè)方式關(guān)系

由圖10可知，表層鋪設(shè)保溫在整個(gè)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(yōu)，但在初支及后側(cè)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(shè)方式，在隧道凍害防治上都要好于不設(shè)保溫隔熱層，并在保溫層內(nèi)外兩側(cè)溫度都會出現(xiàn)“跳躍”，最大溫差可達(dá)8 ℃。綜合御寒防凍效果，并結(jié)合夾層鋪設(shè)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(shè)時(shí)的工序繁瑣性，因此隧道保溫層建議優(yōu)先選用表層鋪掛方式。

5 結(jié)論

以季凍區(qū)樺皮嶺隧道為依托，首先，通過環(huán)境溫度的現(xiàn)場監(jiān)測獲得了計(jì)算模型所需精準(zhǔn)溫度荷載；其次，建立了基于fluent流體計(jì)算軟件的“圍巖-襯砌-保溫層-空氣”氣固耦合力學(xué)模型，并通過對比現(xiàn)場地勘驗(yàn)證了模型的合理性；最后，對不同保溫材質(zhì)、不同鋪設(shè)厚度和鋪掛方式進(jìn)行了對比分析。所得主要結(jié)論如下。

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

(2)硬質(zhì)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(nèi)外溫度存在“跳躍”現(xiàn)象，最高內(nèi)外溫差達(dá)8 ℃。

(3)推薦保溫層最優(yōu)鋪掛方式為隧道表面鋪設(shè)，最優(yōu)鋪掛厚度為5 cm。