寒區運營公路隧道保溫材料優化設計

郭沛，傅宇浩，韓猛，李哲

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；2.空間信息應用與防災減災技術交通運輸行業研發中心，北京 100089 3.長安大學公路學院，西安 710064）

隨著我國大西北建設浪潮的興起，在高海拔高緯度寒冷地區修建大量的公路隧道是必不可少的，由于高海拔寒冷地區特殊的地理環境，隧道結構的抗防凍能力要求非常高，而現有的保溫材料設計并不能滿足實際需求，所以對保溫材料的研究十分必要。

通過對寒區隧道大量病害的調查發現，病害的產生與隧道圍巖溫度場的分布有著密切聯系。針對高海拔寒區隧道溫度場，國內外學者已經做了大量研究：國際隧道協會前主席埃納爾·布羅赫（Einar Broch，挪威）通過采用雙層襯砌保溫技術處理，通過在上羽晃隧道中襯砌與保溫層之間加設空氣層來增強隧道保溫效果。鐵道部第三勘察設計院的乜鳳鳴通過對位于多年凍土段鐵路隧道氣溫狀態，給該地區隧道防凍及排水設計提供參考。鐵道部第一勘察設計院的黃雙林等結合昆侖山隧道的基本情況，提出寒區隧道的保溫隔熱的設計方法。中科院寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室的賴遠明等通過對大坂山隧道洞口設置保溫門、洞內設置保溫層及在洞外進出口處加設保溫防雪棚后，對現場溫度監測數據進行系統分析，并對不同保溫效果進行了對比和評價，結果發現安裝防寒保溫門比防雪棚的保溫效果顯著。雖然高海拔寒冷地區隧道的保溫抗防凍及排水問題研究不少，但是由于現場地質情況較為復雜，影響隧址區環境溫度的因素較多，致使很多隧道的防凍設計具有盲目性，沒有明確的保溫與排水設計標準，一些設計和施工措施較難從根本上解決防凍問題。

針對以上問題，本文基于現場實測溫度，運用熱流量公式反推算出運營期隧道的保溫鋪設厚度，得到了隧道各分區段及過渡段保溫材料的布設厚度。研究結果可以有效減小寒區隧道襯砌和圍巖的凍結，為類似寒區隧道工程保溫材料的施工和設計提供一定的參考和借鑒。

一、保溫材料設計理論

（一）基本假設

（二）保溫層厚度計算方法

圖1 隧道圍巖溫度場示意圖

圖2 有襯砌保溫層計算工況

二、工程實例

（一）工程概況

（二）計算過程

1.計算基本參數

表1 大坂山和紅土山隧道保溫層計算基本參數

圖3 大坂山隧道最冷測試溫度與進深的關系

圖4 紅土山隧道冷期與進深的關系曲線

根據公式（1）～（4），可以求出隧道進口和出口的保溫層厚度，表3和表4分別為大坂山隧道進口和出口的溫度計算結果，通過上表3和表4可知，如果以二襯表面溫度（Tb＞0）作為保溫層設防厚度的參考值，進、出口保溫層設防厚度的最小值為90mm和110mm；當以初襯表面溫度（Ts＞0）作為保溫層設防厚度時，進、出口保溫層設防厚度為80mm和100mm。表5和表6為分別為紅土山隧道進口和出口的溫度計算結果。通過上表5和表6可以得知，對于紅土山隧道而言，如果以二襯表面的溫度（Tb＞0）作為保溫層設防厚度的參考值，進、出口保溫層設防厚度的最小值為75mm和60mm；當以初襯表面溫度（Ts＞0）作為保溫層設防厚度時，進、出口保溫層設防厚度為65mm和55mm。

表2 不同隧道氣溫隨進深函數關系式

表3 進口處界面溫度計算結果（大坂山隧道）

表4 出口處界面溫度計算結果（大坂山隧道）

表5 進口處界面溫度計算結果（紅土山隧道）

表6 出口處界面溫度計算結果（紅土山隧道）

三、理論值、設計值與優化值比較

（一）實際保溫層厚度

見表7。

（二）計算保溫層厚度

見表8。

（三）優化后保溫層厚度

如果以二襯表面及初襯表面溫度大于0℃作為設置的依據，不同區段的保溫層設置如下：對隧道沿軸向溫度分布區域劃分，依據對隧道軸向分區變化形式給出函數關系式，分別對隧道各斷面進行保溫層設置。針對紅土山隧道，根據隧道現場測試分區及現場冷期中間段的氣溫大于0℃，將隧道沿軸向溫度變化分為3個函數表達式，在計算保溫層厚度時，應充分利用現場條件。表9和表10分別為大坂山和紅土山隧道優化后的軸向保溫層布設厚度，具體結果見表9和表10。

表7 現場隧道實際采用保溫設防段落長度

表8 隧道計算保溫設防段落長度

表9 大坂山隧道軸向保溫層布設厚度（單位：mm）

表10 紅土山隧道軸向保溫層布設厚度（單位：mm）

圖9 大坂山隧道保溫層設防段落示意圖

圖10 紅土山隧道保溫層設防段落示意圖

圖9和圖10給出了大坂山隧道和紅土山隧道按縱向溫度分區相應的保溫設防長度和厚度，并給出了兩個分區之間過渡段的保溫層設防段落值。通過現場實測數據可知，大坂山隧道在冷期洞內氣溫都處在負溫環境下，需要全長布設保溫層；而對于紅土山隧道，隨著隧道長度的增加，穩定區的氣溫較高，全長布設保溫層又顯得不合理，這樣既不能達到隧道洞口防凍的目的，洞身段造成保溫材料浪費，同時也增加了隧道建設的費用。由于隧道進出口段和外界環境直接相通，洞口段受大氣氣溫影響最為嚴重，為了使隧道洞口圍巖免受凍害，在設置保溫層時需分段不等厚度布設。

四、結論

大坂山隧道氣溫與進深擬合曲線為T=0.001X－1.97×10-6X2-14.95，紅土山隧道為T=0.005X－1.45×10-6X2-11.9（0m≤x≤1500m），T=0.005X－1.69×10-6X2-12.67（1500m≤x≤3020m）。

對隧道在分區段函數關系式的基礎上，通過理論計算，在強影響區和弱影響區布設不等厚度保溫材料并給出了過渡段的保溫層厚度。

優化后的保溫層厚度較設計值與理論值的結果較為合理，且更能滿足后期襯砌及圍巖抗凍的要求。