高寒隧道隔熱層防凍法的分析研究

劉玉勇

0 引言

在高寒地區(qū)修建隧道，容易產(chǎn)生凍害問(wèn)題，對(duì)于可能產(chǎn)生凍害的寒區(qū)隧道來(lái)說(shuō)，僅僅采用抗凍措施是不夠的，而應(yīng)該從防凍方面出發(fā)進(jìn)行根本性的解決。擬建317國(guó)道雀兒山隧道工程區(qū)域海拔高度在4200 m以上，地處高寒地區(qū)，屬季節(jié)性凍土，隧道的防凍技術(shù)措施將是隧道修建的關(guān)鍵因素。

使用敷設(shè)隔熱層防凍法對(duì)交通沒(méi)有影響，且一次安裝完畢后，后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用少，尤其是采用表面隔熱處理，它的防凍效果更能得到保證，對(duì)襯砌也起到了保護(hù)作用，是一種理想的防凍害措施。

隔熱層法的敷設(shè)方式有三種:一種是在二次襯砌混凝土內(nèi)表面上直接敷設(shè)隔熱層，即貼壁式(見(jiàn)圖1a));另一種是在初期支護(hù)與二次襯砌之間敷設(shè)隔熱層，即夾心式(見(jiàn)圖1b));還有一種是在襯砌混凝土和隔熱層之間設(shè)置了空氣層來(lái)增強(qiáng)隔熱效果(如日本的上羽晃隧道)，即離壁式(見(jiàn)圖1c))。

圖1 隔熱層的不同敷設(shè)方式

1 貼壁式和夾心式的技術(shù)比選

1.1 貼壁式的優(yōu)缺點(diǎn)

1)隔熱材料設(shè)在襯砌內(nèi)表面，保護(hù)了襯砌混凝土，使其不易產(chǎn)生凍害破壞;2)對(duì)隔熱材料的強(qiáng)度和密度要求不高，隔熱的效果容易達(dá)到要求;3)容易遭到車輛的撞擊或人為的破壞等，要加強(qiáng)管理和維護(hù);4)要求隔熱材料的阻燃性較高。

1.2 夾心式的優(yōu)缺點(diǎn)

1)要求襯砌混凝土自身有抗凍能力;2)對(duì)隔熱材料的強(qiáng)度和彈性模量都要求較高，但同時(shí)密度、導(dǎo)熱系數(shù)隨之提高，就達(dá)不到隔熱的效果;若要達(dá)到隔熱效果，則隔熱材料的強(qiáng)度和彈性模量都較低，受力后隔熱層會(huì)被破壞或壓縮，從而降低隔熱的功能;3)隧道頂部容易存在積水空隙，在二次襯砌和隔熱材料之間存在隧道局部?jī)雒浕騼龊Φ碾[患;4)因施工或耐久性的問(wèn)題，一旦隔熱材料失效，將難以對(duì)其進(jìn)行更換。

綜上所述，采用夾心式敷設(shè)方式，對(duì)材料性能要求高，施工難度大，很難保證隔熱材料的隔熱功能正常發(fā)揮。相比之下，采用貼壁式敷設(shè)方式，在能夠?qū)σr砌和圍巖進(jìn)行隔熱的同時(shí)，隔熱層對(duì)原來(lái)的結(jié)構(gòu)受力沒(méi)有太大影響，且可隨時(shí)掌握隔熱材料的實(shí)際狀態(tài)，當(dāng)隔熱材料失效后，其更換工作方便。

通過(guò)上述對(duì)貼壁式和夾心式的優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析，從結(jié)構(gòu)的安全、防水、維護(hù)和耐久性上來(lái)考慮認(rèn)為貼壁式比較有利。下面就貼壁式和夾心式兩種敷設(shè)方式的隔熱效果進(jìn)行計(jì)算分析，比較兩種敷設(shè)方式下隧道襯砌和圍巖的溫度場(chǎng)情況，確定雀兒山隧道中合適的隔熱層敷設(shè)方式。

1.3 計(jì)算條件、參數(shù)及工況

1)隧道斷面。隧道計(jì)算橫斷面如圖2所示。

圖2 隧道橫斷面圖

2)氣象條件。本階段數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為隧道通風(fēng)良好，隧道內(nèi)氣溫按與隧道口兩端大氣溫度相同考慮，取海拔標(biāo)高4300 m處月平均氣溫變化進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)隧道從最熱月7月開(kāi)挖，計(jì)算時(shí)間起點(diǎn)為7月。海拔標(biāo)高4300 m處月平均氣溫變化見(jiàn)表1。

表1 海拔標(biāo)高4300 m處月平均氣溫變化 ℃

表2 計(jì)算參數(shù)

3)地?zé)崽荻??？紤]到雀兒山隧道的地理位置、海拔高度以及巖性情況，暫取地?zé)崽荻葹?.0℃/100 m。

4)熱物理參數(shù)。選硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料為隔熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為 0.027 W/(m·K)，比熱為 2000 J/(kg·K)，密度為60.4 kg/m3。

選取埋深190 m的花崗巖作為計(jì)算巖樣，不考慮巖石的裂隙的影響，考慮未凍圍巖和混凝土含水量及冰水相變對(duì)隧道圍巖及結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響。二維瞬態(tài)相變溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算采用的參數(shù)見(jiàn)表2。

5)計(jì)算工況見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算工況

1.4 計(jì)算結(jié)果及分析

隧道襯砌和圍巖的典型計(jì)算建模圖、溫度場(chǎng)分布云圖、溫度隨時(shí)間變化曲線圖分別見(jiàn)圖3～圖5。在隔熱層貼壁式和夾心式兩種敷設(shè)方式下，主要考慮了海拔高度4300 m、地?zé)崽荻?.0、隧道埋深500 m、不同計(jì)算工況進(jìn)行組合計(jì)算分析，得出相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

圖3 隧道計(jì)算建模圖

圖4 溫度場(chǎng)分布云圖

圖5 貼壁式和夾心式，1年中襯砌和圍巖的溫度變化曲線

1)在隧道貫通后1年內(nèi)，當(dāng)隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.027、貼壁式時(shí)，隧道襯砌和圍巖的溫度都在0℃以上，不需要考慮凍脹力的影響;夾心式時(shí)，隧道襯砌的溫度都隨氣溫正負(fù)交替變化，圍巖的溫度在0℃以上，隧道襯砌需要考慮年季節(jié)性凍脹。2)夾心式時(shí)，隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)0.054與0.027相比較，隧道襯砌的溫度差別不大，圍巖的溫度有一定差別，說(shuō)明夾心式考慮導(dǎo)熱系數(shù)增大時(shí)，圍巖的溫度受氣溫的影響增大。夾心式時(shí)，隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)論是0.027還是0.054，隧道襯砌都需要考慮年季節(jié)性凍脹的影響。3)通過(guò)上述分析，夾心式時(shí)，即使敷設(shè)了隔熱層，隧道圍巖雖得到很好的保護(hù)，但隧道襯砌要考慮凍脹影響;而貼壁式時(shí)，敷設(shè)了10cm厚的隔熱層，不僅很好的保護(hù)了隧道圍巖，連隧道襯砌也能保證不發(fā)生年季節(jié)性凍脹。

2 離壁式敷設(shè)方式

2.1 離壁式簡(jiǎn)介

由于空氣在不考慮對(duì)流熱交換的情況下其導(dǎo)熱系數(shù)較低，約為0.03 W/(m·K)，可采取空氣隔熱層代替隔熱材料對(duì)隧道襯砌進(jìn)行隔熱防凍。隔熱材料與襯砌混凝土之間增加一層空氣作為隔熱層即離壁式敷設(shè)方式，其結(jié)構(gòu)形式示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 離壁式結(jié)構(gòu)形式示意圖

離壁式結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是通過(guò)增加空氣隔熱層的厚度來(lái)防止襯砌背后的圍巖發(fā)生凍結(jié)。達(dá)到相同的隔熱效果時(shí)，空氣隔熱層的厚度與隔熱材料的厚度是比較接近的。

2.2 離壁式敷設(shè)方式的保溫效果室內(nèi)試驗(yàn)

離壁式在國(guó)外有很多年的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)目前尚未得到采用，這種結(jié)構(gòu)形式本身有它優(yōu)越的一面，但要應(yīng)用好這種結(jié)構(gòu)形式必須要做些基礎(chǔ)性研究、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等工作。

2.2.1 試驗(yàn)工況

對(duì)空腔間距為10cm和20cm進(jìn)行比較研究，在每個(gè)空腔間距試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)隔熱材料進(jìn)行開(kāi)孔，孔徑由小到大分別為d1=3mm，d2=5mm，d3=10mm，d4=15mm，共10種試驗(yàn)工況。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)離壁式保溫襯套結(jié)構(gòu)的隔熱效果進(jìn)行了分析研究，針對(duì)不同工況下的溫度測(cè)試情況，分析了結(jié)構(gòu)徑向位置溫度變化和不同孔徑時(shí)空腔內(nèi)溫度隨時(shí)間變化等情況，試驗(yàn)結(jié)果表明:1)在空腔四周密封、保溫隔熱很好的情況下，空腔內(nèi)的溫度基本上能維持開(kāi)始封閉時(shí)的溫度并保持穩(wěn)定，離壁式保溫襯套能達(dá)到保溫隔熱效果;2)空腔內(nèi)若開(kāi)孔(有孔隙)，空腔內(nèi)與外界產(chǎn)生對(duì)流交換情況，空腔內(nèi)的溫度很快就會(huì)降低，且隨孔徑的增大，溫度越來(lái)越低。說(shuō)明空腔內(nèi)空氣一旦與外界有對(duì)流交換(開(kāi)孔)，空腔內(nèi)溫度下降很快，保溫隔熱效果很難達(dá)到要求;3)孔徑越大，空腔內(nèi)下降的溫度越低，且持續(xù)時(shí)間比較短后，都會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定的溫度(在0℃以上)，由于試驗(yàn)提供的冷源有限，空腔內(nèi)的溫度都在0℃以上。若提供的冷源足夠，能否使空腔內(nèi)的溫度下降到0℃以下，這還有待進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證;4)在室內(nèi)條件下，試驗(yàn)裝置可以按比較理想的方式進(jìn)行安裝，但在現(xiàn)場(chǎng)能否達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)情況，有待下一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。一旦空腔內(nèi)產(chǎn)生空氣對(duì)流交換(從開(kāi)孔看出)，離壁式保溫襯套的隔熱效果將很難得到保證。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)寒區(qū)隧道隔熱層貼壁式和夾心式的計(jì)算分析以及離壁式結(jié)構(gòu)的室內(nèi)試驗(yàn)，總結(jié)出以下幾點(diǎn):

1)從結(jié)構(gòu)的安全、防水、維護(hù)和耐久性上來(lái)考慮，使用貼壁式敷設(shè)法對(duì)交通沒(méi)有影響，且一次安裝完畢后不再產(chǎn)生額外的后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用，是一種理想的防凍措施。2)通過(guò)計(jì)算分析，在隔熱層厚度相同的情況下，貼壁式敷設(shè)法很好的保護(hù)了隧道圍巖和隧道襯砌不發(fā)生年季節(jié)性凍脹，而采用夾心式敷設(shè)法時(shí)，隧道襯砌溫度在0℃附近交替變化，需要考慮季節(jié)性凍脹的影響。因此，推薦雀兒山隧道采用貼壁式隔熱層法來(lái)進(jìn)行防凍。3)離壁式保溫襯套的室內(nèi)試驗(yàn)可以按比較理想方式進(jìn)行，但在現(xiàn)場(chǎng)能否達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)的效果，有待下一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。一旦空腔內(nèi)產(chǎn)生空氣對(duì)流交換(從開(kāi)孔看出)，離壁式保溫襯套的隔熱效果將很難得到保證，因此，需要謹(jǐn)慎處理。

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