寒區(qū)隧道圍巖初始溫度場及保溫材料對非穩(wěn)態(tài)溫度場的影響

廉海潯，林立彬，朱 彤

寒區(qū)隧道圍巖初始溫度場及保溫材料對非穩(wěn)態(tài)溫度場的影響

廉海潯1，林立彬2，*朱 彤1

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200082；2.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，遼寧，沈陽 110111）

本研究利用商用模擬軟件FLUENT，分別使用非穩(wěn)態(tài)初始條件和均溫初始條件，對寒區(qū)隧道圍巖內(nèi)溫度場隨時間的變化特性進(jìn)行了模擬仿真，表明隧道圍巖的初始溫度場分布對準(zhǔn)確模擬寒流導(dǎo)致的圍巖溫度分布有重要影響。分析了不同保溫層材料對隧道圍巖結(jié)構(gòu)溫度分布的影響，由于三種保溫材料的熱導(dǎo)率均比較小，5 cm厚保溫層后的圍巖溫度相差不大，但是5 cm厚保溫層不足以保證所依托隧道結(jié)構(gòu)不發(fā)生凍害；需要根據(jù)寒區(qū)隧道的氣象條件鋪設(shè)主動加熱帶，從而有效防止凍害現(xiàn)象的發(fā)生。

隧道凍害，保溫層，圍巖溫度場，非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

從既有公路隧道運營狀況來看，排水設(shè)施、消防設(shè)施的凍害問題在建成之初就已經(jīng)出現(xiàn)，并具有一定普遍性。由于我國東北地區(qū)多為季節(jié)性凍土區(qū)，季凍區(qū)的氣溫變化，尤其是冬季寒冷工況給隧道工程的設(shè)計及施工帶來了很多的問題，也為后期運營和維護(hù)帶來了困難，處理不慎就會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。目前，寒區(qū)公路隧道凍害主要有：襯砌漏水、掛冰；拱腳、檢修道滲水、積冰；隧道底部冒水、路面結(jié)冰；襯砌凍融開裂、酥碎、剝落；中心水溝（檢查井）保溫深度不足；“三縫”滲水結(jié)冰；襯砌局部滲水掛冰；襯砌大面積滲水掛冰；中心水溝（檢查井）淤堵；排水系統(tǒng)結(jié)晶等。一旦凍害發(fā)生，將會造成極大的交通運行及車輛行駛的安全隱患，并且大大增加了隧道的維護(hù)及運行成本[2]。

隧道發(fā)生凍害的原因一般有以下兩點：（1）圍巖溫度低于0℃；（2）含水量充足。因此凍害的防治措施多是針對以上兩點，分為主動措施和被動措施。主動防凍措施主要目的是從源頭上防止出現(xiàn)凍害，向圍巖提供熱量以延緩甚至消除其凍結(jié)的傾向，主要加熱措施有電伴熱系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)。被動防凍措施則是減緩巖體溫度下降速率，主要方法多是在襯砌與圍巖之間鋪設(shè)保溫層。

國內(nèi)外很多專家日益重視凍害問題的防治問題。Moncef Krart[3]建立了地下隧道的熱分析模型，該模型可以預(yù)測隧道徑向任意時刻溫度，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。Guymon和Luthin[4]建立了基于理查茲方程的一維熱濕相互作用模型。Weiwei Liu[5]利用FLAC3D軟件對玉希莫勒蓋隧道簡化三維模型進(jìn)行了仿真模擬，進(jìn)口風(fēng)速和溫度隨時間的變化采用正弦函數(shù)的方式給定，并對保溫層厚度與溫度場關(guān)系進(jìn)行探究，得到以下結(jié)論：5 cm厚的保溫層減少了長度方向的凍結(jié)長度，從原來的143 m減少到70 m，入口最大徑向凍結(jié)深度從4.7 m變?yōu)?.4 m。孫曉鵬[6]對隧道凍害防治措施進(jìn)行了研究，采用仿真模擬的手段對陳家溝隧道凍害機(jī)理做出分析，認(rèn)為保溫層鋪設(shè)厚度應(yīng)與隧道洞口距離成反比。羅彥斌[7]針對祥云嶺隧道設(shè)計了隧道溫度場測試方案，并通過擬合及仿真分析，認(rèn)為防凍隔溫層應(yīng)鋪設(shè)在襯砌中間，此時厚度要比鋪設(shè)在襯砌表面厚度要少1 cm左右，經(jīng)濟(jì)效益較好。

目前，已有文獻(xiàn)中隧道溫度場數(shù)值模擬的初始條件主要采用賦定值的方式，但實際上多年運行的隧道初場不應(yīng)是均勻定值，而應(yīng)是變化周期相對較長的溫度波。這種溫度波與圍巖結(jié)構(gòu)、保溫材料以及隧道所在地的氣象環(huán)境變化周期等因素有關(guān)。一般很難測量得到不同徑向深度位置處的溫度值。為此，本研究以某公路隧道為背景，利用數(shù)值模擬的方法研究隧道洞內(nèi)冷空氣與圍巖之間的傳熱過程，探索如何獲得相對準(zhǔn)確的非穩(wěn)態(tài)溫度場的初始分布；通過不同的初始溫度場設(shè)置，分析其對最終模擬計算結(jié)果的影響，為寒區(qū)隧道數(shù)值模擬初場設(shè)置提供理論指導(dǎo)；另外，還分析了保溫層及其材料對寒區(qū)隧道圍巖溫度場的影響，從而為寒區(qū)公路隧道凍害防治提供理論指導(dǎo)。

1 隧道結(jié)構(gòu)初始場溫度分布數(shù)值模擬

在面對復(fù)雜的公路隧道圍巖結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜多變的氣象條件時，隧道圍巖溫度場是不可能有解析解的。需要使用數(shù)值模擬仿真計算方法，才能計算分析公路隧道圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布。

公路隧道正常運營時，圍巖與周圍空氣熱交換的方式為對流傳熱。為此，需要針對具體隧道形狀、圍巖結(jié)構(gòu)、保溫層鋪設(shè)方式以及中心管溝等具體結(jié)構(gòu)，根據(jù)能量守恒、動量守恒和質(zhì)量守恒定律等理論建立數(shù)學(xué)模型。

圖1為某隧道的橫截面圖，根據(jù)圍巖溫度影響范圍為隧道斷面設(shè)計跨度的3～4倍，確定橫斷面方向圍巖邊界距離隧道結(jié)構(gòu)50 m，為方便計算，對模型進(jìn)行簡化，應(yīng)用Solidworks軟件進(jìn)行建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖1 某隧道截面示意圖

圖2 某隧道對應(yīng)的仿真模型及網(wǎng)格圖

2 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

該隧道圍巖、襯砌的材料及熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及襯砌熱物性參數(shù)

根據(jù)該隧道所在地的氣象數(shù)據(jù)，假定隧道進(jìn)口氣溫為以年為周期且按正弦規(guī)律變化的曲線。參考該隧道所在地區(qū)的平均年氣溫為-2.1℃，氣溫年較差為60℃，則隧道進(jìn)口空氣溫度變化曲線為：T=30sin(2π/+3/2π)-2.1，其中=360(day)=31104000(s)。換算后，約在每年的2月1日氣溫最低為-32.1℃，在8月1日氣溫最高為27.9℃。

根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速條件，忽略外部條件對寒風(fēng)方向及大小的影響，將進(jìn)口風(fēng)速簡化為年平均風(fēng)速2 m/s，方向平行于隧道縱深方向。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 初始場不同圍巖溫度場仿真結(jié)果對比

為分析比較非穩(wěn)態(tài)溫度場的初始條件對模擬計算結(jié)果的影響，假定在某個時間寒流來襲，那么，不同初始條件下，隧道圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場有哪些不同？為此，我們開展了兩種初始條件的模擬計算。一種是取無保溫層的隧道模型，應(yīng)用商業(yè)計算流體力學(xué)軟件Fluent，采用非穩(wěn)態(tài)流固耦合模擬計算方法，獲得在前述周期性進(jìn)氣邊界條件下、一年后的圍巖及隧道結(jié)構(gòu)溫度場；將其作為初始溫度場進(jìn)行寒流來襲工況的模擬計算。把這種初始條件稱為非穩(wěn)態(tài)初始條件。另一種則是取初始溫度場為均一定值，稱為均溫初始條件。很明顯前者初始條件相比后者更符合實際情況。

隧道內(nèi)壁面與地面的交點多是隧道上面的滲水匯集處，是易發(fā)生凍害的薄弱點，選取此點作為溫度比較的監(jiān)測點，命名為A點，沿圍巖方向深7.5m點為B點。如圖3所示。

圖3 后處理位置示意圖

假定該隧道在1月15日(此時氣溫為-25℃)突然遇到為期3 d的寒流，寒流溫度為-30℃，風(fēng)速為3 m/s(平行于隧道縱深方向)，對此種工況進(jìn)行模擬分析。均溫初始溫度場初始溫度為8℃。

兩種不同初始條件下的A點溫度隨時間變化曲線分布見圖4和圖5。

圖4 非穩(wěn)態(tài)初始條件下的模擬結(jié)果

圖 5 均溫初始條件下的模擬結(jié)果

通過圖4與圖5的對比，可見兩種不同初始條件的模擬結(jié)果相差很大。前者隧道不同縱深的內(nèi)壁面溫度已在-22℃至-16℃，在-30℃寒流的作用下，溫度變化并不是很大，經(jīng)過80 h后，隧道內(nèi)壁面A點的溫度下降1℃左右。而后者不同縱深處的A點溫度均是從8℃開始下降，在寒流作用下，降溫明顯，縱深10m處的A點經(jīng)過70 h，溫度降低22℃；隨著縱深加大，溫度降低值相對減少。由此可說明初始場的合理設(shè)置對溫度場計算結(jié)果的影響很大。

隧道縱深100 m處A點至B點，即沿圍巖深度方向的第三天溫度分布見圖6。均溫初始條件下，寒流導(dǎo)致距離隧道內(nèi)壁面約1.2 m深的圍巖溫度下降；而采用非穩(wěn)態(tài)初始溫度場的工況，則距離隧道內(nèi)壁面的溫度變化不大，這是因為初始?xì)庀髼l件以及圍巖內(nèi)部溫度與-30℃的寒流溫差小，引起的熱量散失遠(yuǎn)小于前者。

圖6 兩種工況對比曲線

3.2 保溫層對圍巖溫度分布的影響

為分析保溫層對隧道溫度分布的影響，假定于12月15日（氣溫為-16℃）隧道突遇寒流（-30℃，3m/s），采用非穩(wěn)態(tài)初始條件，分別模擬不同材料貼壁保溫層的隧道圍巖溫度分布，保溫層厚度均為5 cm。

縱深100 m處，沒有敷設(shè)保溫層的圍巖溫度分布如圖7所示，圖 a中的15.8 m表示隧道圍巖A點至8℃等溫線的水平長度，代表由于隧道開通后，在環(huán)境通風(fēng)以及在寒流作用下，圍巖溫度的變化范圍；圖 b為隧道內(nèi)空氣的溫度分布，反映隧道外氣流在流過100 m長后的溫度變化。

在隧道內(nèi)壁面敷設(shè)5 cm厚酚醛泡沫保溫層，在同樣外界氣象條件變化后，圍巖溫度分布如圖8所示。環(huán)境通風(fēng)及寒流作用引起的圍巖溫度變化范圍減少至11.9 m，相比無保溫層情況小很多，保溫層后隧道圍巖結(jié)構(gòu)溫度要高于無保溫層工況。

圖7 無保溫層溫度云圖

圖 8 有保溫層溫度云圖

在寒流來襲情況下，不同縱深處A點溫度隨時間變化如圖9、圖10所示?？梢姡貙痈采w隧道內(nèi)壁面后，有效提高了保溫層后圍巖結(jié)構(gòu)的溫度，相比沒有保溫層溫度提高了10℃多。盡管從圖9和圖10的比較中，有保溫層情況下，A點溫度變化幅度大于無保溫層情況，但這是因為沒有保溫層情況下隧道內(nèi)壁面溫度與寒流溫度差小于有保溫層情況，在同樣的流動風(fēng)速下，氣流與隧道內(nèi)壁面的對流傳熱系數(shù)接近，故前者隧道壁面熱量散失增加量小于后者。

圖9 無保溫層計算結(jié)果

圖10 有保溫層計算結(jié)果

為進(jìn)一步探究保溫材料熱物性對圍巖溫度場的影響，選取三種常用的保溫材料[9-10]進(jìn)行模擬計算。保溫層厚度均為5cm，同樣為12月15日遇到3天寒流（3m/s,-30℃）。

表2 保溫材料熱物性表

在敷設(shè)三種不同保溫材料后，不同縱深處的A點溫度隨時間變化曲線見圖11-13。

圖11 酚醛泡沫工況

圖12 聚氨酯計算工況

圖13 巖棉計算工況

72 h寒流來襲后，不同縱深處A點溫度下降數(shù)值如表3所示。

表3 不同保溫材料3天寒流后溫度降低值

由模擬計算結(jié)果可知，熱導(dǎo)率小的保溫材料，A點溫度相對要高一點。盡管酚醛泡沫的熱導(dǎo)率僅為巖棉的一半，但在寒流來襲情況下，兩者A點的溫度降低值相差不到1℃。當(dāng)然，三種工況的最終溫度都在0℃以下，說明此時隧道圍巖結(jié)構(gòu)有發(fā)生凍害的可能。表明季凍區(qū)冬季氣溫較低，5 cm厚保溫層并不足以阻止隧道及圍巖凍害的發(fā)生，還需要主動加熱措施，防止凍害發(fā)生。

4 結(jié)論

通過對隧道凍害問題分析，基于數(shù)值模擬仿真，分析研究了在非穩(wěn)態(tài)傳熱過程模擬中初始溫度場和保溫層材料對模擬結(jié)果的影響。得到如下結(jié)論：

1）初始條件設(shè)置對最終模擬結(jié)果有重要影響，準(zhǔn)確的初始條件設(shè)置才能反映實際的隧道圍巖結(jié)構(gòu)溫度分布狀況。一般需要通過長周期的非穩(wěn)態(tài)溫度場模擬，獲得某一時刻的圍巖溫度場，將其作為初始條件，然后才能開始模擬研究突變條件下的圍巖溫度場分布。

2）在隧道內(nèi)壁面敷設(shè)常用的三種保溫材料后，圍巖結(jié)構(gòu)的溫度均比沒有敷設(shè)保溫材料的高，但由于季凍區(qū)冬季溫度較低，5 cm厚保溫層并不足以阻止隧道及圍巖凍害的發(fā)生，還需要主動采取加熱措施，防止凍害現(xiàn)象的發(fā)生。

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EFFECT OF SURROUNDING ROCK’S INITIAL TEMPERATURE FIELD IN COLD REGIONS AND THERMAL INSULATION MATERIAL ON UNSTEADY TEMPERATURE FIELD

LIAN Hai-xun1, LIN Li-bin2,*ZHU Tong1

（1. School of Mechanical Engineering ,Tongji University, Shanghai 200082, China;2.Liaoning Transportation Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Shenyang, Liaoning 110111, China）

The variation characterization of the temperature field with time in the tunnel surrounding rock was simulated by using FLUENT, including two initial conditions as the unsteady and uniform temperature field. The results showed the initial temperature field had an important influence on the accuracy of the simulation results. Since the thermal conductivity of the three insulation materials is relatively small, the temperature difference after 5cm insulation layer was not very obvious. However, the 5cm thick insulation layer was not enough to guarantee the structure away from freezing damage. Therefore, it was necessary to lay a heating zone according to the weather conditions to prevent the occurrence of freezing damage.

tunnel freezing damage; insulation layer; surrounding rock temperature field; unsteady heat conduction

1674-8085（2021）06-0082-06

U451+.2

A

10.3669/j.issn.1674-8085.2021.06.015

2021-08-17；

2021-09-24

廉海潯(1991-)，男，黑龍江海倫人，碩士生，主要從事散熱方案設(shè)計、仿真模擬等方面的研究(E-mail:lianhaixun@126.com)；

林立彬(1974-)，男，吉林農(nóng)安人，教授級高級工程師，主要從事公路隧道養(yǎng)護(hù)設(shè)計咨詢方面的生產(chǎn)和研究(E-mail:llb_ln@163.com)；

*朱 彤(1969-)，男，浙江杭州人，教授，博士，主要從事高效潔凈燃燒技術(shù)、燃燒穩(wěn)定性和能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)等研究(E-mail:zhu_tong@#edu.cn).