高地溫隧道隔熱技術(shù)研究

白國權(quán)，仇文革，張俊儒

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，昆明 650011;2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

1 高地溫隧道概述及研究現(xiàn)狀

在設(shè)計深埋長大越嶺隧道時，必須考慮在施工過程中人員和機(jī)具的工作條件，而首先要解決的問題是所有的工程地質(zhì)問題，天然地溫便是其中比較突出的一個。高地溫，或者稱作地?zé)?，在我國分布較廣，尤其在西南的云南地區(qū)，分布較為顯著。對于隧道工程而言，當(dāng)?shù)販爻^30℃時，便稱為高地溫，也稱作熱害。隧道工程中若發(fā)生高地溫問題，一方面將惡化施工作業(yè)環(huán)境，降低勞動生產(chǎn)效率，并嚴(yán)重威脅到施工人員的生命安全;另一方面將影響到施工材料的選取和混凝土的耐久性，而且附加溫度應(yīng)力還可以引起襯砌開裂，將嚴(yán)重影響隧道的穩(wěn)定性。從國內(nèi)外部分深埋長大隧道的地溫值及主要穿越的地層巖性統(tǒng)計(表1)可以看出，大部分深埋長大隧道都修建在比較堅硬的圍巖中，由于這些巖石的熱導(dǎo)率較低，傳熱性能差，在巖體中容易聚集熱能。隨著隧道埋深的增加，地溫值一般也逐漸增加，但這種增加的趨勢并非線性;地溫值還與隧道所在地區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、近期巖漿活動，以及地下水的活動等因素均有密切關(guān)系。

目前國內(nèi)外針對隧道熱害的研究一般都側(cè)重于對地溫場進(jìn)行模擬［1］，這類研究多采用有限元數(shù)值解或數(shù)值模擬的方法以求解溫度場的分布，分析隧道地溫場特征，對隧道圍巖溫度進(jìn)行預(yù)測、分析［2-4］。有部分研究是針對隧道熱害進(jìn)行總體評估［5］，其分析方法是根據(jù)實際調(diào)查資料，考慮相關(guān)影響因素，通過層次分析以及其他方法來進(jìn)行。還有部分研究對高地溫隧道在設(shè)計和施工技術(shù)方面的措施進(jìn)行了簡單的探討［6］，這種探討主要是結(jié)合初步的地質(zhì)勘探等資料做概述性的比較分析。高地溫隧道具體該如何降溫，應(yīng)該采取哪些方面的措施，僅有少量的研究［7］，其研究方法主要是通過編程計算，對采用人工制冷降溫措施解決掌子面高地溫的問題進(jìn)行分析和探討。對高地溫隧道的降溫以及其他的隔熱措施在其對應(yīng)的功效方面的研究還未見。

表1 部分深埋長隧道的地溫值

相對于高地溫隧道，目前高地溫礦井方面的研究較為深入些，主要包括通過數(shù)值模擬來研究礦井的溫度場分布［8-9］和熱害治理時地層儲冷［10］。另外煤炭行業(yè)還根據(jù)其行業(yè)的特殊性和危險性，制定了相應(yīng)的熱害防治設(shè)計規(guī)范［11］，但其具體的防治措施是根據(jù)既經(jīng)濟(jì)又有效的原則，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗進(jìn)行擬定的，其側(cè)重點是強(qiáng)調(diào)通風(fēng)散熱和制冷。

本文以擬建大瑞鐵路高黎貢山隧道將穿越高地溫圍巖為背景，主要通過有限元數(shù)值模擬，對隧道在不同隔熱材料、不同地溫(邊界條件)下的隔熱效果和所需的制冷功率進(jìn)行試算、分析，并確定其功率值，計算得出相應(yīng)的制冷劑用量;另外通過計算還得出了隔熱層厚度與冷能補給量的對應(yīng)關(guān)系并繪制了關(guān)系曲線，通過分析得出了二者的關(guān)系。

2 隔熱和隔熱材料

隔熱又稱絕熱，它相對于傳熱而言。隔熱層的作用是使通過它的傳熱量最小，隔熱效果的好壞，取決于隔熱材料的性能、厚度及防潮措施等。

作為隔熱材料，應(yīng)具備導(dǎo)熱系數(shù)小、輕質(zhì)、均質(zhì)、吸水性差、耐火性好等特征，同時還需綜合考慮其力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。常用的隔熱材料及其基本特征參數(shù)見表2。

3 不同材料的隔熱效果及耗能比較

采用有限元熱分析方法，對不同隔熱材料(在此選取苯乙烯和聚氨酯兩種)的隔熱效果和對應(yīng)的消耗補給冷能進(jìn)行計算分析。有限元計算時的材料參數(shù)見表3，其中部分熱物理參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)選?。?2］。

表2 各種隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)

表3 材料參數(shù)

隧道考慮為復(fù)合式襯砌支護(hù)形式，圍巖與初支密貼，初支和二襯之間設(shè)置隔熱層(和防水層)，有限元數(shù)值模擬的計算模型見圖1。

圖1 FEM計算網(wǎng)格劃分模型

通過多次試算，模擬在較高的原始地溫(100℃和60℃)條件下，當(dāng)沒有隔熱層材料和設(shè)置隔熱層(材料分別為苯乙烯和聚氨酯)的情況下，需要補給多少冷能來將隧道內(nèi)的溫度降到可工作溫度(28℃)。計算共考慮了不設(shè)置隔熱層、設(shè)置10 cm和5 cm厚隔熱層(苯乙烯和聚氨酯)分別在100℃和60℃兩種原始地溫等條件下的10種組合工況。

圖2～圖6所示為不設(shè)置隔熱層和設(shè)置10 cm厚隔熱層(苯乙烯)分別在100℃和60℃原始地溫共計4種工況下將隧道內(nèi)溫度降至28℃后的溫度場分布圖和溫度場梯度分布圖。另外6種工況的計算結(jié)果未在圖中示出。

圖2 不設(shè)置隔熱層情況下降溫后的溫度場分布

圖3 設(shè)10 cm厚苯乙烯隔熱層，原始地溫為100℃降溫后溫度場分布圖

為將隧道內(nèi)溫度降至28℃，需要對隧道洞內(nèi)進(jìn)行冷能補給以達(dá)到降溫的效果，通過對前述10種工況進(jìn)行多次試算和比較，可以基本確定其對應(yīng)的冷能補給值，即單位面積功率值(以負(fù)表示)，見表4。按隧道周界邊長29 m換算為單位長度能冷補給功率值，列于表5(以正表示)。從兩表可以看出，不設(shè)置隔熱層所需冷能補給大于設(shè)置隔熱層的工況，苯乙烯作為隔熱層所需冷能補給大于聚氨酯的工況，10 cm厚隔熱層所需冷能補給小于5 cm厚的工況。

圖4 設(shè)10 cm厚苯乙烯隔熱層，原始地溫為100℃降溫后溫度場分布梯度

圖5 設(shè)10 cm厚苯乙烯隔熱層，原始地溫為60℃降溫后溫度場分布

圖6 設(shè)10 cm厚苯乙烯隔熱層，原始地溫為60℃降溫后溫度場分布梯度圖

表4 降溫冷能補給比較一 W/m2

表5 降溫冷能補給比較二 W/m

4 制冷劑的選用比較

前述計算已經(jīng)可以確定冷能補給的功率值，但具體到不同的制冷劑所需要的用量，還需要通過轉(zhuǎn)換進(jìn)一步計算。在此選用冰和液氮2種制冷劑進(jìn)行比較分析，其用量計算公式如下

式中 M——制冷劑用量，kg/(m·h);

Pl——延米冷能補給功率值，W/m;

C——制冷劑比熱，J/(kg·K);

t1——隧道內(nèi)的可工作溫度，取最高28℃;

1）引入車輛實例，結(jié)合車輛知識，讓控制“活”起來，加入MATLAB仿真技術(shù)，讓課程“動”起來，這樣做會提升學(xué)生的興趣。

t0——制冷劑的相變點溫度，℃。

制冷劑的熱物理參數(shù)見表6。通過計算，將各種工況下隧道每小時需要的制冷劑用量列于表7中。

表6 制冷劑熱物理參數(shù)

表7 制冷劑用量比較 kg/(m·h)

通過計算，對結(jié)果進(jìn)行比較分析，可以看出:不設(shè)置隔熱層所需的制冷劑用量較設(shè)置時大，苯乙烯作為隔熱層材料時所需的制冷劑用量較聚氨酯的大。另外，液氮的相變點比冰的低，作為制冷劑的降溫效果比冰好，但液氮的制造成本比冰高。

5 隔熱層厚度與冷能補給量的關(guān)系

直觀地理解，隔熱層厚，其隔熱效果應(yīng)該好，但是否是越厚就越好呢?在此做進(jìn)一步分析，通過計算確定隔熱層厚度和冷能補給量之間的關(guān)系。前面已經(jīng)計算了10 cm和5 cm兩種厚度工況，在此，以聚氨酯作為隔熱層材料，再選取15 cm和2 cm兩種厚度工況進(jìn)行計算，選取初始地溫為100℃，降至可工作溫度28℃。

對計算結(jié)果進(jìn)行列表(表8)比較并對圖示(圖7)分析，可看出隔熱層厚度和冷能補給量間的關(guān)系。

表8 不同隔熱層厚度與對應(yīng)的冷能補給量

圖7 隔熱層厚度與冷能補給的關(guān)系曲線

由圖7可以看出，當(dāng)保溫隔熱層達(dá)到一定厚度時，通過繼續(xù)增大其厚度的措施來實現(xiàn)隔熱的效果不再很明顯，即通過增加保溫隔熱層的厚度來達(dá)到隧道內(nèi)降溫的效果是有限的。但是，具體選用何種隔熱材料以及隔熱層的厚度取多少更顯合理，還需要對材料的各種性能進(jìn)行綜合比較分析。

6 高地溫隧道建設(shè)建議

本文所述為一種新的研究方式:通過有限元數(shù)值模擬，對不同隔熱材料在不同地溫條件下的隔熱效果和所需的制冷功率進(jìn)行試算、分析，確定其功率值，得出相應(yīng)的制冷劑用量;通過計算得出了不同隔熱層厚度對應(yīng)的冷能補給量，分析得二者的關(guān)系。

作為下一步研究的內(nèi)容，同時對包括擬建的大瑞鐵路高黎貢山隧道在內(nèi)的高地溫隧道的建設(shè)提出以下建議。

(1)在高地溫條件下，隧道支護(hù)形式的選擇要綜合施工及運營時兩方面的要求綜合確定。表9是建議的6種支護(hù)形式。

表9 高地溫隧道支護(hù)形式

針對不同的支護(hù)形式，應(yīng)對其安全性、隔熱效果、經(jīng)濟(jì)性、耐久性等指標(biāo)進(jìn)行綜合比較，確定最優(yōu)方案。文中前述研究方法可用于對各種支護(hù)形式的隔熱效果進(jìn)行比較。

(2)施工過程中，隧道開挖后應(yīng)盡快施作初期支護(hù)，及時量測隧道內(nèi)拱頂、拱腰、邊墻和拱腳的位移收斂及圍巖的溫度，并及時反饋，采用信息反饋法指導(dǎo)現(xiàn)場施工。另外，應(yīng)適當(dāng)?shù)臏p少炮孔數(shù)目，縮短鉆爆施工時間，保證孔內(nèi)巖體溫度低于炸藥安全使用溫度，以降低地?zé)釁^(qū)爆破施工危險程度。

(3)結(jié)合煤礦的經(jīng)驗，在施工過程中，采取通風(fēng)、灑水或兩者相結(jié)合的措施，對隧道洞內(nèi)進(jìn)行降溫，必要時，可采用大型通風(fēng)設(shè)備。如遇熱水涌出的情況，可增建降水、排水設(shè)施和排水鉆孔，以降低水位;如果水量仍然較大，可采用水玻璃水泥系藥液注漿，以發(fā)揮堵截水和穩(wěn)定圍巖的作用。

(4)應(yīng)研究并采用新型材料，提高結(jié)構(gòu)在高地溫條件下的耐久性。在掌握了材料的相應(yīng)熱物理參數(shù)的條件下，仍可通過文中前述的研究方法對各新型材料的隔熱效果進(jìn)行比較。

7 結(jié)論

我國對凍土隧道凍害的研究已經(jīng)取得了大量的成果并已應(yīng)用于實際工程，但在高地溫隧道熱害領(lǐng)域的研究還很少。本文主要通過有限元數(shù)值模擬的方法，對不同初始地溫、不同隔熱條件下，需要將隧道內(nèi)的溫度降至可工作溫度所需的制冷功率進(jìn)行試算和比較;分別計算了不同制冷劑在各種工況下的用量;分析了隔熱層厚度與冷能補給量的關(guān)系。通過分析，可得出如下結(jié)論。

(1)聚氨酯作為保溫隔熱層材料的效果較苯乙烯好;液氮的相變點比冰的低，作為制冷劑的降溫效果比冰好，但液氮的的制造成本比冰的高。

(2)隔熱層厚度厚時其隔熱效果好，但當(dāng)其達(dá)到一定厚度時，繼續(xù)增厚降溫的效果不再很明顯，即通過增加保溫隔熱層的厚度來實現(xiàn)隧道內(nèi)降溫的效果是有限的。

本文所述的研究方法和相關(guān)結(jié)論，特別是各種工況的對應(yīng)的冷能補給量和制冷劑需用量，可以作為今后高地溫隧道隔熱設(shè)計的一種比較依據(jù)和參照標(biāo)準(zhǔn)。

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