高寒隧道隔热层防冻法的分析研究

刘玉勇

0 引言

在高寒地区修建隧道，容易产生冻害问题，对于可能产生冻害的寒区隧道来说，仅仅采用抗冻措施是不够的，而应该从防冻方面出发进行根本性的解决。拟建317国道雀儿山隧道工程区域海拔高度在4200 m以上，地处高寒地区，属季节性冻土，隧道的防冻技术措施将是隧道修建的关键因素。

使用敷设隔热层防冻法对交通没有影响，且一次安装完毕后，后期运营管理费用少，尤其是采用表面隔热处理，它的防冻效果更能得到保证，对衬砌也起到了保护作用，是一种理想的防冻害措施。

隔热层法的敷设方式有三种:一种是在二次衬砌混凝土内表面上直接敷设隔热层，即贴壁式(见图1a));另一种是在初期支护与二次衬砌之间敷设隔热层，即夹心式(见图1b));还有一种是在衬砌混凝土和隔热层之间设置了空气层来增强隔热效果(如日本的上羽晃隧道)，即离壁式(见图1c))。

图1 隔热层的不同敷设方式

1 贴壁式和夹心式的技术比选

1.1 贴壁式的优缺点

1)隔热材料设在衬砌内表面，保护了衬砌混凝土，使其不易产生冻害破坏;2)对隔热材料的强度和密度要求不高，隔热的效果容易达到要求;3)容易遭到车辆的撞击或人为的破坏等，要加强管理和维护;4)要求隔热材料的阻燃性较高。

1.2 夹心式的优缺点

1)要求衬砌混凝土自身有抗冻能力;2)对隔热材料的强度和弹性模量都要求较高，但同时密度、导热系数随之提高，就达不到隔热的效果;若要达到隔热效果，则隔热材料的强度和弹性模量都较低，受力后隔热层会被破坏或压缩，从而降低隔热的功能;3)隧道顶部容易存在积水空隙，在二次衬砌和隔热材料之间存在隧道局部冻胀或冻害的隐患;4)因施工或耐久性的问题，一旦隔热材料失效，将难以对其进行更换。

综上所述，采用夹心式敷设方式，对材料性能要求高，施工难度大，很难保证隔热材料的隔热功能正常发挥。相比之下，采用贴壁式敷设方式，在能够对衬砌和围岩进行隔热的同时，隔热层对原来的结构受力没有太大影响，且可随时掌握隔热材料的实际状态，当隔热材料失效后，其更换工作方便。

通过上述对贴壁式和夹心式的优缺点的比较分析，从结构的安全、防水、维护和耐久性上来考虑认为贴壁式比较有利。下面就贴壁式和夹心式两种敷设方式的隔热效果进行计算分析，比较两种敷设方式下隧道衬砌和围岩的温度场情况，确定雀儿山隧道中合适的隔热层敷设方式。

1.3 计算条件、参数及工况

1)隧道断面。隧道计算横断面如图2所示。

图2 隧道横断面图

2)气象条件。本阶段数值计算，认为隧道通风良好，隧道内气温按与隧道口两端大气温度相同考虑，取海拔标高4300 m处月平均气温变化进行计算。假设隧道从最热月7月开挖，计算时间起点为7月。海拔标高4300 m处月平均气温变化见表1。

表1 海拔标高4300 m处月平均气温变化 ℃

表2 计算参数

3)地热梯度。考虑到雀儿山隧道的地理位置、海拔高度以及岩性情况，暂取地热梯度为5.0℃/100 m。

4)热物理参数。选硬质聚氨酯泡沫材料为隔热材料，其导热系数为 0.027 W/(m·K)，比热为 2000 J/(kg·K)，密度为60.4 kg/m3。

选取埋深190 m的花岗岩作为计算岩样，不考虑岩石的裂隙的影响，考虑未冻围岩和混凝土含水量及冰水相变对隧道围岩及结构温度场的影响。二维瞬态相变温度场数值模拟计算采用的参数见表2。

5)计算工况见表3。

表3 计算工况

1.4 计算结果及分析

隧道衬砌和围岩的典型计算建模图、温度场分布云图、温度随时间变化曲线图分别见图3～图5。在隔热层贴壁式和夹心式两种敷设方式下，主要考虑了海拔高度4300 m、地热梯度5.0、隧道埋深500 m、不同计算工况进行组合计算分析，得出相关计算结果。

图3 隧道计算建模图

图4 温度场分布云图

图5 贴壁式和夹心式，1年中衬砌和围岩的温度变化曲线

1)在隧道贯通后1年内，当隔热材料导热系数为0.027、贴壁式时，隧道衬砌和围岩的温度都在0℃以上，不需要考虑冻胀力的影响;夹心式时，隧道衬砌的温度都随气温正负交替变化，围岩的温度在0℃以上，隧道衬砌需要考虑年季节性冻胀。2)夹心式时，隔热材料导热系数0.054与0.027相比较，隧道衬砌的温度差别不大，围岩的温度有一定差别，说明夹心式考虑导热系数增大时，围岩的温度受气温的影响增大。夹心式时，隔热材料的导热系数无论是0.027还是0.054，隧道衬砌都需要考虑年季节性冻胀的影响。3)通过上述分析，夹心式时，即使敷设了隔热层，隧道围岩虽得到很好的保护，但隧道衬砌要考虑冻胀影响;而贴壁式时，敷设了10cm厚的隔热层，不仅很好的保护了隧道围岩，连隧道衬砌也能保证不发生年季节性冻胀。

2 离壁式敷设方式

2.1 离壁式简介

由于空气在不考虑对流热交换的情况下其导热系数较低，约为0.03 W/(m·K)，可采取空气隔热层代替隔热材料对隧道衬砌进行隔热防冻。隔热材料与衬砌混凝土之间增加一层空气作为隔热层即离壁式敷设方式，其结构形式示意图见图6。

图6 离壁式结构形式示意图

离壁式结构实质上是通过增加空气隔热层的厚度来防止衬砌背后的围岩发生冻结。达到相同的隔热效果时，空气隔热层的厚度与隔热材料的厚度是比较接近的。

2.2 离壁式敷设方式的保温效果室内试验

离壁式在国外有很多年的建设经验，在国内目前尚未得到采用，这种结构形式本身有它优越的一面，但要应用好这种结构形式必须要做些基础性研究、室内试验和现场试验等工作。

2.2.1 试验工况

对空腔间距为10cm和20cm进行比较研究，在每个空腔间距试验过程中，对隔热材料进行开孔，孔径由小到大分别为d1=3mm，d2=5mm，d3=10mm，d4=15mm，共10种试验工况。

2.2.2 试验结果分析

通过室内试验对离壁式保温衬套结构的隔热效果进行了分析研究，针对不同工况下的温度测试情况，分析了结构径向位置温度变化和不同孔径时空腔内温度随时间变化等情况，试验结果表明:1)在空腔四周密封、保温隔热很好的情况下，空腔内的温度基本上能维持开始封闭时的温度并保持稳定，离壁式保温衬套能达到保温隔热效果;2)空腔内若开孔(有孔隙)，空腔内与外界产生对流交换情况，空腔内的温度很快就会降低，且随孔径的增大，温度越来越低。说明空腔内空气一旦与外界有对流交换(开孔)，空腔内温度下降很快，保温隔热效果很难达到要求;3)孔径越大，空腔内下降的温度越低，且持续时间比较短后，都会趋于一个稳定的温度(在0℃以上)，由于试验提供的冷源有限，空腔内的温度都在0℃以上。若提供的冷源足够，能否使空腔内的温度下降到0℃以下，这还有待进一步的现场试验验证;4)在室内条件下，试验装置可以按比较理想的方式进行安装，但在现场能否达到室内试验情况，有待下一步的现场试验来验证。一旦空腔内产生空气对流交换(从开孔看出)，离壁式保温衬套的隔热效果将很难得到保证。

3 结语

通过对寒区隧道隔热层贴壁式和夹心式的计算分析以及离壁式结构的室内试验，总结出以下几点:

1)从结构的安全、防水、维护和耐久性上来考虑，使用贴壁式敷设法对交通没有影响，且一次安装完毕后不再产生额外的后期运营管理费用，是一种理想的防冻措施。2)通过计算分析，在隔热层厚度相同的情况下，贴壁式敷设法很好的保护了隧道围岩和隧道衬砌不发生年季节性冻胀，而采用夹心式敷设法时，隧道衬砌温度在0℃附近交替变化，需要考虑季节性冻胀的影响。因此，推荐雀儿山隧道采用贴壁式隔热层法来进行防冻。3)离壁式保温衬套的室内试验可以按比较理想方式进行，但在现场能否达到室内试验的效果，有待下一步的现场试验来验证。一旦空腔内产生空气对流交换(从开孔看出)，离壁式保温衬套的隔热效果将很难得到保证，因此，需要谨慎处理。

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