高海拔嚴(yán)寒地區(qū)特長公路隧道隔熱層敷設(shè)材料選型

劉玉勇

(中鐵西南科學(xué)研究院，四川成都610031)

在高寒地區(qū)修建隧道，容易產(chǎn)生凍害問題。防止凍融循環(huán)所產(chǎn)生破壞的重要措施之一是敷設(shè)隔熱層。敷設(shè)隔熱層的目的是阻礙熱交換，使圍巖保持原狀，不同的凍土地層中敷設(shè)隔熱層的作用在暖季和寒季有所不同。對于多年凍土的嚴(yán)寒地區(qū)，當(dāng)年積算冷度的絕對值大于年積算熱度時，要求在暖季時隔熱層能夠阻礙隧道內(nèi)的熱空氣與圍巖中冷空氣進行交換，防止圍巖中凍土的融化，保持圍巖的原有狀態(tài);對于季節(jié)性凍土地區(qū)的隧道，則要求在寒季時隔熱層能夠阻礙隧道內(nèi)的冷空氣與圍巖空氣進行交換，保持圍巖原有狀態(tài)。防止隧道背后的圍巖中的水產(chǎn)生凍融循環(huán)。

擬建317國道雀兒山隧道工程區(qū)域海拔高度在4 200m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)鍵的因素。而隔熱層的敷設(shè)對隔熱效果是至關(guān)重要的，因此需對隔熱層材料進行合理的選擇。

1 高寒隧道隔熱層防凍

隔熱層法是在襯砌表面或初期支護與二次襯砌之間敷設(shè)隔熱材料，利用隔熱材料盡量阻礙圍巖中的熱量放出或者是外部熱量的侵入，借以保持隧道襯砌背后的圍巖保持原狀，不發(fā)生凍融循環(huán)。

對于雀兒山高寒隧道的防凍來說，使用敷設(shè)隔熱層法對交通沒有影響，且一次安裝完畢后，后期運營管理費用少，尤其是采用表面隔熱處理，它的防凍效果更能得到保證，對襯砌也起到了保護作用，是一種理想的防凍害措施。因此，推薦雀兒山隧道采用敷設(shè)隔熱層法來進行防凍。隔熱層法有貼壁式和夾心式兩種敷設(shè)方式，如圖1所示。合理地選擇隔熱層材料將有利于保證隔熱層的隔熱效果。

圖1 隔熱層兩種敷設(shè)方式

2 隔熱材料

通過市場的調(diào)查和實際工程的分析，表1給出了幾種適合于在雀兒山隧道中應(yīng)用的隔熱材料的各項性能指標(biāo)。

表1 隔熱材料性能

3 模糊綜合評判選擇隔熱材料

圖1中，兩種隔熱層敷設(shè)方式除了要求隔熱材料能達到隔熱效果外，對隔熱材料性能要求各有側(cè)重。貼壁式敷設(shè)方式要求隔熱材料的阻熱性較高，夾心式則要求隔熱材料的抗壓強度較高。隔熱材料的某些性能指標(biāo)(抗壓強度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等)之間是相互關(guān)聯(lián)的、又是相互沖突的。如在夾心式敷設(shè)方式中，要求隔熱材料的抗壓強度高，其密度就會大，導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)增大，達不到隔熱效果;隔熱材料周圍存在水份時，其吸水率越高，隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大的越快，達不到隔熱效果。

因此下面采用模糊綜合評判的方法，綜合考慮各因素，對隔熱材料進行選擇。

3.1 模糊綜合評判的基本原理

隔熱材料選擇的合理與否，直接影響到隔熱材料的隔熱效果。通過理論分析評價，找出影響隔熱材料的主要因素。模糊數(shù)學(xué)綜合評判決策是通過建立影響隔熱材料的因素集合U和抉擇評判集合V，找出U的模糊子集權(quán)重集合A，得出從U到V的模糊關(guān)系矩陣R，即:

式中:rij=uR(ui，vj);(0≤rij≤1)表示因素集合 U 中，因素ui抉擇評判集合V中重要性vj的隸屬度。

對于權(quán)重 A=(a1，a2，．．．，an)，取max－min 合成運算，即用模型M(∧，∨)計算，可得綜合評判:

B=A°R

3.2 模糊綜合評判的應(yīng)用

在對影響隔熱材料的因素進行重要性評價時，首先要建立因素集合。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及目前隔熱材料的使用情況，經(jīng)過深入調(diào)查研究，影響隔熱材料的主要因素有:u1(導(dǎo)熱系數(shù))、u2(燃燒性能)、u3(抗凍性)、u4(密度)、u5(吸水率)、u6(使用溫度范圍)、u7(抗壓強度)。由此構(gòu)成一個因素集合U:

U=(u1u2u3u4u5u6u7)

式中:U為因素集合;ui(i=1～7)指因素集合中的單因素。U可以根據(jù)實際情況增減若干個因素。

根據(jù)各因素對隔熱材料的影響程度大小，即在隔熱材料中的重要性可給定一評判集V:

V{很重要，重要，比較重要，不很重要，不重要，很不重要，極不重要}

3.2.1 貼壁式

根據(jù)對比權(quán)衡法對因素集合U中的各個因素進行相互權(quán)衡對比，當(dāng)兩個單因素對比時，重要的一方計1分，次重要的一方計0分，自己與自己對比計1分，然后計算權(quán)重αi。

式中:αi指單因素ui的權(quán)重;Qi指ui的權(quán)衡對比積分總和;Q指各因素權(quán)衡對比總和。于是得出各因素權(quán)重如表2。

其權(quán)重集合為

3.2.1.1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料

表2 因素權(quán)重

對每一個單因素隸屬于評語集合v的程度采取工程技術(shù)專家打分刻劃，滿分1分。各個子因素的重要性評價如表3所示。

表3 模糊關(guān)系評價

將表3中的數(shù)據(jù)代入式(1)，即可得出影響隔熱材料因素的模糊關(guān)系矩陣:

用模型M(∧，∨)進行綜合評判，即將式(3)、式(4)代入式(5)，得

B1={0.25，0.2，0.2，0.21，0.18，0.1，0}將B1歸一化得:

{0.22，0.18，0.18，0.18，0.16，0.09，0}為了獲得清晰的評比結(jié)果，采取得分方式如下:視評判結(jié)果所形成的向量為一權(quán)重(歸一化)，將評判集的等級用1分制數(shù)量化，則將評判結(jié)果進行加權(quán)平均，可得到總分。

評判集V{很重要，重要，比較重要，不很重要，不重要，很不重要，極不重要}

數(shù)量化表示為:

V{1.00，0.90，0.80，0.70，0.60，0.50，0.40 }T

得分為:

3.2.1.2 其它材料

同理，對其它幾種材料建立模糊關(guān)系矩陣，取相同的權(quán)重集合A，進行綜合評判?？傻贸鼋Y(jié)果如表4。

表4 各種隔熱材料評判及得分

3.2.2 夾心式

當(dāng)隔熱材料敷設(shè)在初支與二襯之間時，各因素權(quán)重要發(fā)生變化，但各種材料的模糊關(guān)系矩陣不變化。其中，重要性:導(dǎo)熱系數(shù)＞抗壓強度＞吸水率＞密度＞抗凍性＞使用溫度范圍＞燃燒性能。

其權(quán)重集合為:

對隔熱材料建立模糊關(guān)系矩陣，取相同的權(quán)重集合A1，進行綜合評判，可得出結(jié)果如表5。

表5 各種隔熱材料評判及得分

續(xù)表5

3.3 評判結(jié)果

根據(jù)綜合評判，得出結(jié)果如下表6。貼壁式敷設(shè)方式中，硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料(0.793分)和干法硅酸鋁纖維材料(0.789分)得分較高;夾心式敷設(shè)方式中，硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料(0.788分)和擠塑聚苯乙烯發(fā)泡隔熱材料(0.780分)得分較高。

表6 評判結(jié)果

4 結(jié)論

通過對雀兒山隔熱層敷設(shè)方式及可供選擇的隔熱材料分析，和應(yīng)用模糊綜合評判方法對隔熱材料進行合理選擇，得出以下幾點結(jié)論。

(1) 高寒地區(qū)隧道襯砌背后的或圍巖中的水產(chǎn)生凍融循環(huán)是隧道發(fā)生凍害的主要原因。對隧道的防凍措施可采用不同的方法，每種防凍方法都有其優(yōu)缺點，通過分析，推薦雀兒山隧道工程選用敷設(shè)隔熱層法對隧道進行防凍。

(2) 對7 種隔熱材料進行比選，選出了適合雀兒山隧道防凍的隔熱材料。若采用貼壁式敷設(shè)方式，推薦選用硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料和干法硅酸鋁纖維材料; 若采用夾心式敷設(shè)方式，推薦選用硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料和擠塑聚苯乙烯發(fā)泡材料。

(3) 模糊綜合評判的方法可以在類似工程中應(yīng)用，只需根據(jù)工程實際情況增減若干種評判項目，如隔熱材料的數(shù)量;以及增減影響評判項目的若干個影響因素，如工程造價、施工工藝等。

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