寒區(qū)隧道保溫層隔熱效果研究

趙志忠，張晶晶

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

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寒區(qū)隧道保溫層隔熱效果研究

趙志忠1，張晶晶2

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

為了研究寒區(qū)隧道保溫層的隔熱效果，文章以內(nèi)蒙古烏零一級公路巴勒根達(dá)隧道為依托，采用有限元軟件ANSYS計(jì)算分析了隧道洞口淺埋段有無保溫層下溫度場分布情況。結(jié)果表明：在設(shè)單層保溫層后，隧道內(nèi)圍巖溫度平均提升9 ℃，兩側(cè)和底部的凍結(jié)深度較不設(shè)保溫層降低了約30%，隧道洞室頂部隔熱效果不明顯。

寒區(qū)隧道；保溫層；溫度場；有限元計(jì)算；隔熱效果

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對交通出行的需求日益迫切，公路建設(shè)也逐漸向各種地質(zhì)情況復(fù)雜和自然環(huán)境惡劣的地區(qū)延伸，工程建設(shè)中出現(xiàn)了大量的長大隧道，部分隧道由于受寒冷氣候的影響，極易產(chǎn)生隧道凍害現(xiàn)象。鑒于寒區(qū)隧道遭受凍害的嚴(yán)峻形勢，對隧道溫度場的研究成為凍害研究的關(guān)鍵。本文通過對隧道洞口淺埋段有無保溫層溫度場分布情況進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證隧道保溫層的放冷效果，為合理設(shè)計(jì)隧道防冷害提供可靠依據(jù)。

1 工程背景

省道203線烏蘭浩特至零點(diǎn)段一級公路巴勒根達(dá)板隧道，位于內(nèi)蒙古興安盟科爾沁右翼前旗，隧道沿東西走向，隧道全長約1 725 m，最大埋深約116 m，雙向四車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。隧道圍巖以凝灰?guī)r為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，其地下水類型主要為河谷洼地區(qū)的孔隙潛水、丘陵山區(qū)孔隙潛水。地下水的補(bǔ)給、逕流與排泄主要以接受垂向大氣降水補(bǔ)給為主。

2 溫度場計(jì)算參數(shù)的確定

混凝土熱學(xué)參數(shù)：C40混凝土的參數(shù)參考已有值，如表1所示。

表1 混凝土熱學(xué)參數(shù)表

水熱學(xué)參數(shù)：隧道區(qū)地下或地表水的存在是隧道區(qū)產(chǎn)生凍害的必要條件。而當(dāng)水中溶質(zhì)的類別及濃度不同時(shí)，其結(jié)冰點(diǎn)是不同的，通常而言，水中溶質(zhì)含量越大、濃度越高，水的結(jié)冰點(diǎn)就越低。因此，需要通過導(dǎo)熱性試驗(yàn)確定水體導(dǎo)熱性參數(shù)，現(xiàn)場取樣試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 水熱學(xué)參數(shù)表

圍巖熱學(xué)參數(shù)：隧道區(qū)山體巖性為凝灰?guī)r，本次計(jì)算采用的巖體熱學(xué)參數(shù)源于項(xiàng)目地質(zhì)勘察報(bào)告。由于水在圍巖中存在形式為裂隙水，呈離散形分布，因此，在進(jìn)行數(shù)值模擬中，并未將水作為單一材料類型，而是將含水巖體作為一種材料。考慮在最不利情況下，圍巖的含水量定為15%。其熱學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖熱學(xué)參數(shù)表

巴勒根達(dá)板隧道采用福利凱熱固性保溫材料，材料特性如表4所示。

表4 保溫材料特性表

3 隧道溫度場有限元計(jì)算模型建立

隧道出口處于淺埋段，隧區(qū)冬季多為東北風(fēng)，凍害最為嚴(yán)重，本次選取K144+895斷面建立二維1∶1模型，K144+895斷面埋深為10.4 m。網(wǎng)格劃分原則根據(jù)隧道溫度梯度的大小對隧道內(nèi)不同材料類型進(jìn)行確定：區(qū)域網(wǎng)格按溫度梯度大小進(jìn)行劃定，溫度梯度大的區(qū)域網(wǎng)格劃分密，溫度梯度小的區(qū)域網(wǎng)格較稀疏。單元為四節(jié)點(diǎn)四邊形單元PLANE55，整個(gè)模型共劃分19 112個(gè)單元、19 789個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型如圖1所示。

(a)整體

(b)部分

4 有限元計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算對最寒冷的1月份進(jìn)行加載，由于洞室處于淺埋段，隧道洞頂部大氣溫度影響不可忽略，故在隧道洞室內(nèi)混凝土表面施加溫度函數(shù)載荷的同時(shí)，對隧道頂部同時(shí)施加溫度荷載。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 隧道K144+900斷面1月份地溫分布圖(無保溫層)

溫度場計(jì)算云圖與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，在該斷面無保溫層的情況下，最大凍結(jié)深度約為3 m左右，且隧道周邊等溫線分布基本與隧道輪廓大體一致。在K144+895斷面處洞頂?shù)膬鼋Y(jié)深度遠(yuǎn)大于洞底的凍結(jié)深度，拱腳處的凍結(jié)深度在三者中最小，由于隧道處于淺埋段，地表溫度對洞室頂部圍巖影響明顯，基本上處于負(fù)溫。

在計(jì)算模型添加保溫層單元，對有保溫層情況下的隧道溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬。保溫單元的導(dǎo)熱系數(shù)為0.027(W/m·K)，比熱容為1 045(J/kg·K)，其計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 隧道K144+900斷面1月份地溫分布圖(有保溫層)

在設(shè)置保溫層后，圍巖內(nèi)部溫度分布情況大體一致，但與無保溫層時(shí)相對比，隧道內(nèi)部溫度平均提高了約9 ℃，凍結(jié)深度約2.1 m，較不設(shè)保溫層降低了約30%，說明保溫層發(fā)揮了很大作用。但隧道洞室頂部覆蓋層較薄，受地表大氣溫度影響明顯，保溫層保溫效果不明顯，應(yīng)針對頂部采取專門防凍措施。

5 結(jié)語

通過對巴勒根達(dá)板隧道洞口處K144+900斷面，進(jìn)行有無保溫層兩種工況下圍巖溫度場分布狀況模擬計(jì)算，得出結(jié)論如下：

(1)在設(shè)單層保溫層后，隧道內(nèi)圍巖溫度平均提升9 ℃，凍結(jié)深度約2.1 m，較不設(shè)保溫層降低了約30%，說明保溫材料可以有效改善隧道內(nèi)部溫度環(huán)境，減小圍巖及支護(hù)承受的融凍破壞，延長隧道的使用年限。

(2)隧道洞室頂部覆蓋層較薄，受地表大氣溫度影響明顯，保溫層保溫效果不明顯，應(yīng)針對頂部應(yīng)采取專門的防凍措施。

(3)保溫層無法完全解決隧道凍脹問題，隧道襯砌后圍巖仍存在一定的凍結(jié)深度。建議在寒區(qū)隧道中，結(jié)合隧道洞口處的防排水設(shè)計(jì)與施工，采取機(jī)械改善洞室熱環(huán)境、加強(qiáng)襯砌等綜合措施，以達(dá)到有效防治寒區(qū)隧道凍害的目的。

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Study on Insulation Effects of Tunnel Insulation Layers in Cold Regions

ZHAO Zhi-zhong1，ZHANG Jing-jing2

(1.Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530028；2.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

In order to study the insulation effect of tunnel heat-insulation layers in cold regions，relying on Balegenda Tunnel of Inner Mongolia Wuling Class-I Highway，and by using the finite element analysis software ANSYS，this article calculated and analyzed the temperature field distribution situation of shallow-buried segment at tunnel entrance with and without insulation layer.The results showed that：after setting a single-layer insulation layer，the surrounding rock temperature in the tunnel has the average increase by 9 ℃，the freezing depth at both sides and the bottom is decreased by about 30% compared to no insulation layer，and the insulation effect at the top of tunnel cavern is not obvious.

Tunnels in cold regions；Insulation layer；Temperature field；FEM；Insulation effect

U455

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.018

1673-4874(2016)09-0068-03

2016-08-04

趙志忠(1984—)，碩士，工程師，研究方向：項(xiàng)目管理；

張晶晶(1983—)，碩士，工程師，研究方向：公路勘察設(shè)計(jì)。