寒區(qū)隧道電熱膜加熱保溫技術(shù)研究

陶琦

中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司，江蘇 無錫 214028

隧道凍害已經(jīng)成為制約我國(guó)隧道工程發(fā)展的難點(diǎn)問題。截至2014年底，我國(guó)15117座鐵路隧道中發(fā)生凍害的有7921座，占總數(shù)的52.4%，發(fā)生嚴(yán)重凍害的隧道3855座，占總數(shù)的25.5%［1］。我國(guó)發(fā)生凍害的隧道主要集中于高緯度和高海拔地區(qū)，分布在青藏高原、東北、內(nèi)蒙古等地區(qū)。

季海峰等［2］提出將玻化微珠保溫砂漿隔熱層應(yīng)用到寒區(qū)隧道保溫領(lǐng)域，并給出保溫層厚度計(jì)算方法。王仁遠(yuǎn)等［3］研究發(fā)現(xiàn)圍巖地溫、洞口風(fēng)速以及凍結(jié)時(shí)間是影響寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的主要因素。高焱等［4］提出寒區(qū)隧道空氣幕保溫系統(tǒng)，利用空氣幕聯(lián)合保溫層的方法進(jìn)行隧道防寒保溫。湯貴海等［5］開展聚氨酯凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隧道運(yùn)營(yíng)期復(fù)雜的工程環(huán)境容易引起聚氨酯保溫板結(jié)構(gòu)耐久性下降，進(jìn)而失去防寒保溫效果。高焱等［6］發(fā)現(xiàn)保溫層具有一定的適用范圍，當(dāng)隧道洞口氣溫低于-16.77℃時(shí)，保溫層失效。王亞瓊等［7］以東南里隧道為例，對(duì)隧道內(nèi)漏水處進(jìn)行局部加熱，解決隧道凍害問題。夏才初等［8］研究發(fā)現(xiàn)知亥代隧道保溫設(shè)防長(zhǎng)度600 m是合理的，采用抗凍等級(jí)為F800的混凝土可滿足隧道防寒保溫設(shè)計(jì)要求。嚴(yán)健等［9］以雀兒山隧道為例，研究發(fā)現(xiàn)通過向隧道內(nèi)通熱風(fēng)可解決因掌子面溫度過低、影響混凝土施工質(zhì)量的問題。葉朝良等［10］在國(guó)內(nèi)35座隧道凍害數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，擬合得到保溫層設(shè)防長(zhǎng)度的計(jì)算公式。保溫材料被動(dòng)抵御寒冷氣流的入侵，不能根據(jù)隧道外環(huán)境的變化而主動(dòng)調(diào)節(jié)，具有一定的溫度適應(yīng)范圍，無法從根本上解決隧道凍害問題。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，須采用或者聯(lián)合其他保溫措施共同抵御寒冷氣流的入侵。

本文結(jié)合東南里隧道工程，研究寒區(qū)隧道設(shè)防長(zhǎng)度和保溫層厚度的確定方法，分析保溫層適應(yīng)性，提出寒區(qū)隧道電熱膜加熱保溫系統(tǒng)。

1 東南里隧道溫度實(shí)測(cè)

東南里隧道地處吉林省延邊朝鮮族自治州圖們市，全長(zhǎng)2012 m，為設(shè)計(jì)速度80 km/h的公路隧道。在隧道洞口每隔50 m安裝一臺(tái)溫濕度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)隧道洞口及隧道內(nèi)部溫度變化情況。隧道洞外、洞內(nèi)50 m以及隧道洞內(nèi)中間處實(shí)測(cè)大氣溫度擬合曲線見圖1。

由圖1可知，東南里隧道實(shí)測(cè)洞內(nèi)外大氣溫度擬合曲線近似符合正弦（余弦）變化規(guī)律。隧道洞內(nèi)外大氣溫度T的變化規(guī)律計(jì)算公式為

圖1 隧道大氣溫度擬合曲線

式中：t為時(shí)間，d；ta和tb為計(jì)算參數(shù)。

由式（1）可對(duì)東南里隧道測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。洞外、洞內(nèi)50 m以及洞內(nèi)中間處大氣溫度變化規(guī)律分別為

由圖1可知，東南里隧道最冷月平均氣溫發(fā)生在2月份，為-18.5℃。依據(jù)式（2），隧道洞外大氣溫度變化曲線可作為寒區(qū)公路隧道設(shè)防長(zhǎng)度或者溫度場(chǎng)變化規(guī)律數(shù)值分析時(shí)溫度邊界條件。

高焱等［11］通過對(duì)80座寒區(qū)隧道測(cè)試數(shù)據(jù)擬合分析，得到最冷月平均氣溫與設(shè)防長(zhǎng)度關(guān)系，見圖2。

圖2 最冷月平均氣溫與設(shè)防長(zhǎng)度擬合關(guān)系曲線

單側(cè)隧道設(shè)防長(zhǎng)度x與最冷月平均氣溫的關(guān)系為

通過式（5）可得，東南里隧道單側(cè)隧道防寒保溫設(shè)防長(zhǎng)度為775 m，隧道兩端設(shè)防總長(zhǎng)度為1550 m。

2 保溫層厚度計(jì)算方法

采用等效厚度法對(duì)東南里隧道保溫層厚度進(jìn)行計(jì)算。該方法依據(jù)圍巖凍結(jié)層和襯砌層的熱量之和等于保溫層熱量，計(jì)算得到保溫層的厚度。

圍巖凍結(jié)層熱量Q1、襯砌層熱量QC、保溫層熱量Q2的計(jì)算公式為

式中：λ1、λ2、λC分別為圍巖、保溫層材料和混凝土襯砌導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；S為熱交換面積，m2；TW1、TW2、TW3、t0分別為圍巖地溫、圍巖與襯砌接觸面溫度、襯砌與保溫層接觸面溫度以及洞內(nèi)平均氣溫，℃；δ1、δC分別為最大凍結(jié)深度和襯砌厚度，m。

求解過程中，令圍巖凍結(jié)層和襯砌層的熱量之和等于保溫層熱量，即Q1+QC=Q2，則

依據(jù)東南里隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用式（9）計(jì)算可得東南里隧道保溫層厚度，分別計(jì)算洞口處、距離進(jìn)口100、400、700 m處保溫層設(shè)防厚度。東南里隧道保溫層采用聚氨酯材料，其圍巖、保溫層、混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.160、0.022、2.560 W/(m·℃)，混凝土厚度為1 m。其他計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果

由表1可知，保溫層設(shè)置的厚度不是一成不變的，越往隧道里面洞內(nèi)氣溫越高，保溫層設(shè)置厚度相對(duì)越薄。這與傳統(tǒng)保溫層采用單一厚度鋪設(shè)相比，更符合實(shí)際工程防寒保溫要求。寒區(qū)隧道實(shí)際工程可采用變厚度設(shè)置保溫層，一般而言洞口段相對(duì)厚一點(diǎn)，隧道里面設(shè)置得相對(duì)薄一點(diǎn)。

3 保溫層適應(yīng)性分析

采用有限元軟件ANSYS中solid 70單元模擬隧道結(jié)構(gòu)，建立三維溫度場(chǎng)計(jì)算模型。劃分網(wǎng)格單元數(shù)為201250，節(jié)點(diǎn)數(shù)為208602，隧道總長(zhǎng)2012 m。保溫層為11.6 cm厚的聚氨酯，其在隧道一端設(shè)防長(zhǎng)度為775 m。計(jì)算參數(shù)參見表1。

以東南里隧道外界氣溫-18.5℃、圍巖地溫5℃為初始溫度邊界條件，計(jì)算隧道內(nèi)鋪設(shè)11.6 cm厚聚氨酯的條件下隧道內(nèi)保溫層后、二次襯砌后和初期支護(hù)后負(fù)溫由洞口向隧道內(nèi)的發(fā)展情況，見表2。

表2 負(fù)溫由洞口向隧道內(nèi)的發(fā)展情況

由表2可知：在隧道外界氣溫為-18.5℃、圍巖地溫為5℃條件下，外界低溫持續(xù)15 d后，保溫層后距洞口45 m范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)溫，即距洞口45 m范圍內(nèi)容易出現(xiàn)凍害，還需要采取其他主動(dòng)保溫措施；外界低溫持續(xù)45 d后，二次襯砌后距洞口145 m范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)溫，此時(shí)距洞口382 m范圍內(nèi)容易出現(xiàn)凍害；外界低溫持續(xù)60 d后，初期支護(hù)后距洞口182 m范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)溫，此時(shí)距洞口567 m范圍內(nèi)容易出現(xiàn)凍害；外界低溫持續(xù)90 d時(shí)，距洞口683 m范圍內(nèi)都容易出現(xiàn)凍害。

在隧道外界氣溫為-18.5℃、圍巖地溫為5℃條件下，隧道拱頂和仰拱處溫度縱向分布見圖3。距洞口800 m處隧道內(nèi)溫度分布見表3。

圖3 外界低溫持續(xù)條件下隧道內(nèi)壁溫度縱向分布

由圖3和表3可知，當(dāng)外界低溫持續(xù)時(shí)間超過45 d后，隧道拱頂處和仰拱處負(fù)溫分布范圍大于800 m，此時(shí)隧道初期支護(hù)后和二次襯砌后均出現(xiàn)負(fù)溫分布，若有水存在，將會(huì)引發(fā)隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凍害現(xiàn)象。因此，當(dāng)隧道外界氣溫為-18.5℃、圍巖地溫為5℃時(shí)，外界低溫持續(xù)時(shí)間超過45 d后，11.6 cm厚的聚氨酯材料保溫失效。

表3 距洞口800 m處隧道內(nèi)溫度

綜上，當(dāng)隧道外界氣溫低于-18.5℃時(shí)，應(yīng)考慮采用其他主動(dòng)保溫措施。

4 電熱膜加熱系統(tǒng)保溫效果分析

我國(guó)寒區(qū)隧道保溫方法見表4。目前，保溫層法是國(guó)內(nèi)解決寒區(qū)隧道凍害問題的主要方法。該方法屬于被動(dòng)保溫措施，主要缺點(diǎn)在于保溫層材料不能隨隧道外界氣溫降低而變化，在極端低溫條件下容易出現(xiàn)保溫失效的情況，因此具有一定的溫度適應(yīng)范圍，無法完全解決隧道凍害問題。

表4 我國(guó)寒區(qū)隧道保溫方法

為解決寒區(qū)隧道凍害問題，提出電熱膜加熱保溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括中央處理器、溫度信號(hào)分析模塊、保溫系統(tǒng)加熱模塊、電能監(jiān)測(cè)模塊。該系統(tǒng)的控制方法包括以下步驟。

1）采集溫度信號(hào)。溫度感應(yīng)器測(cè)量二次襯砌的溫度值并反饋給溫度信號(hào)分析模塊。

2）溫度信號(hào)分析。溫度信號(hào)分析模塊將采集的溫度值與預(yù)設(shè)溫度值進(jìn)行對(duì)比后通過傳輸模塊傳輸給保溫系統(tǒng)加熱模塊。

3）控制操作。當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，保溫系統(tǒng)加熱模塊控制對(duì)應(yīng)位置電熱膜加熱；當(dāng)溫度高于設(shè)定的閾值時(shí)，保溫系統(tǒng)加熱模塊控制對(duì)應(yīng)位置的電熱膜停止加熱。

該保溫系統(tǒng)通過在每塊保溫層板上一一對(duì)應(yīng)地安裝電熱膜和溫度傳感器作為單個(gè)整體，每個(gè)整體間采用并聯(lián)的方式連接到智能控制系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，電熱膜加熱布置方式如圖4所示。

圖4 寒區(qū)隧道電熱膜加熱布置

系統(tǒng)中電熱膜采用石墨烯電熱膜，與傳統(tǒng)發(fā)熱材料電熱膜（表5）相比，石墨烯電熱膜具有阻燃、使用壽命長(zhǎng)（大于50年）、耐性好、發(fā)熱均勻、安全不漏電、耐腐蝕、防水等特點(diǎn)，通過模塊化加熱的方式，解決保溫層法溫度適應(yīng)范圍窄、不能隨外界氣溫變化而變化的被動(dòng)保溫方法缺陷，可有效解決寒區(qū)隧道凍害問題。

表5 傳統(tǒng)發(fā)熱材料電熱膜及其缺點(diǎn)

本系統(tǒng)中石墨烯電熱膜由石墨烯、碳納米管等經(jīng)過多道工序精密加工而成，具有高強(qiáng)韌性的超薄性、阻燃性。石墨烯電熱膜抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200 GPa，是鋼的100倍，具有良好的力學(xué)性能。石墨烯電熱膜厚度0.338 mm，電壓220 V，功率220 W/m2，運(yùn)行溫度40～50℃，正常使用壽命50年。

溫度信號(hào)分析模塊、保溫系統(tǒng)加熱模塊、電能監(jiān)測(cè)模塊三者有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)任意溫度感應(yīng)器所在位置的負(fù)溫智能感測(cè)（即鄰近凍害發(fā)生位置），并通過智能控制系統(tǒng)對(duì)這一區(qū)域獨(dú)立地進(jìn)行加熱，預(yù)防凍害發(fā)生，具有精確加熱、節(jié)能環(huán)保、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

電熱膜加熱前后圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖5所示?？芍?，電熱膜加熱開啟前后圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)溫度變化明顯，且電熱膜加熱開啟后，圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)溫度均達(dá)到0℃以上，可以有效解決隧道凍害問題。

圖5 加熱前后圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)溫度分布（單位：℃）

為進(jìn)一步明確不同加熱功率下電熱膜開啟時(shí)間，采用有限元分析軟件ANSYS計(jì)算得到電熱膜加熱圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)由負(fù)溫達(dá)到正溫所需的時(shí)間，見表6?？芍?，隨著外界氣溫降低，電熱膜加熱開啟的時(shí)間變長(zhǎng)；隨著加熱功率提高，消除相同氣溫條件出現(xiàn)負(fù)溫的時(shí)間變短。

表6 電熱膜加熱時(shí)間

在實(shí)際寒區(qū)隧道工程中，通過合理布設(shè)溫度感應(yīng)計(jì)，精準(zhǔn)檢測(cè)出隧道結(jié)構(gòu)凍害發(fā)生的具體位置，并根據(jù)溫度感應(yīng)計(jì)處溫度的情況，選擇合適的加熱功率，消除隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的負(fù)溫，預(yù)防隧道凍害的發(fā)生。

5 結(jié)論

1）采用等效厚度法，提出保溫層厚度計(jì)算方法和保溫層變截面厚度設(shè)置方法，一般洞口段相對(duì)厚一點(diǎn)，隧道里面設(shè)置相對(duì)薄一點(diǎn)。

2）隧道外界氣溫為-18.5℃、保溫層采用11.6 cm厚聚氨酯材料時(shí)，外界低溫持續(xù)45 d后，二次襯砌后開始出現(xiàn)負(fù)溫，隧道拱頂處和仰拱處負(fù)溫分布范圍大于800 m。保溫層具有一定的溫度適應(yīng)性，當(dāng)隧道外界氣溫低于-18.5℃時(shí)，應(yīng)考慮其他主動(dòng)保溫措施。

3）寒區(qū)隧道電熱膜加熱保溫系統(tǒng)基于主動(dòng)保溫設(shè)計(jì)理念，通過溫度感應(yīng)計(jì)精準(zhǔn)定位凍害的發(fā)生位置，進(jìn)而啟動(dòng)加熱膜工作，為寒區(qū)隧道保溫技術(shù)提供了新方法。