寒区隧道保温计算及试验研究

杨丽梅

(黑龙江省公路勘察设计院，哈尔滨 150080)



寒区隧道保温计算及试验研究

杨丽梅

(黑龙江省公路勘察设计院，哈尔滨 150080)

摘要：本文以黑龙江省雾凇岭隧道为依托工程，对寒区公路隧道的保温防冻问题进行系统研究。以国内外寒区隧道抗防冻措施的应用调查研究为基础，提出设计与计算防冻隔温层长度和厚度的方法。通过测试隧道的温度场的分布情况，并从多方面分析冻害机理的特点，得到隧道围岩温度场的时变规律，为我国寒区隧道设计与计算防冻保温层提供了依据，对实际工程有重要的指导意义。

关键词：寒区隧道；保温层设计；温度场

0引言

寒冷地区的隧道常在春融期出现渗漏。渗漏还会引发各种冻害，冻害通常表现为路面结冰、侧墙挂冰溜和洞顶部悬冰柱等，干扰车辆通行，降低结构的稳定性和安全性，甚至会造成巨大的经济损失[1]。极端气温是隧道结构破坏的最显著因素[2]，因此隧道防冻措施及设计就显得异常重要。国内外学者在基础性研究的支撑下，提出了许多切实有效的隧道防冻措施[3-7]。相关学者进行了在寒冷的区域隧道内的通风和空气岩传热特性分析[8-9]，进行冷区隧道冻胀力的应力和变形分析，提出弹塑性解决方案[10]。日本的隧道工作者对冻害的防治措施可分为隔热法和加热法两类。斯堪的那维亚半岛和阿尔卑斯山的隧道经常出现冻结现象，一些北欧国家通过一系列研究和试验，选取注浆和设置防水防冻棚的方法预防霜冻和漏水，工程实践证明，该方法工程费用低，效果好，是切实可行的[11]。到目前为止，防冻隔温层、保温水沟法、防寒泄水洞和中心深埋水沟[12]是国内处理寒冷地区隧道防冻害的主要方法。其中，防冻隔温层已成为寒区隧道防治冻害的有效方法，得到了各国隧道工作者的认可[13-17]。但由于防冻隔温层的材料性能、铺设方式、铺设厚度和铺设长度等问题缺乏系统研究，使得很多经验没有修缮到隧道的设计工作中，因此有关防冻隔温层的研究仍需完善。

1依托工程简介

雾松岭隧道是绥满公路上的关键工程，雾松岭隧道位于黑龙江省东南部，是绥满公路上的关键工程。由于受到剥蚀作用，隧道穿越的山体西北侧和东南侧表现形式差异较大，西北侧山体表现为漫坡状，而东南侧山体很陡峭。本路段属于北温带大陆季风性气侯区，年平均气温3.5℃，极端最高气温和极端最低气温分别为34.8、-41℃。该路段平均积雪厚度和最大冻深分别为0.4、2.02 m。地面稳定冻结日期和解冻日期分别为11月下旬和第二年4月中旬。该路段冬季最大风速可以达到22 m/s，主导风向为西南风。雾松岭隧道断面采用上下行分离式单向双车道。该隧道行车道净宽为8.5 m，净高为5.5 m，并设置净高为2.5 m的检修道。隧道衬砌结构采用以新奥法(NATM)为核心的锚喷支护复合衬砌(柔性衬砌)，隧道横断面采用锚喷支护复合模筑混凝土衬砌，内夹防排水板，保温层设置在二次衬砌外侧。隧道横断面如图1所示。

图1　雾凇岭隧道断面图Fig.1 Sectional view of the Wu-song-ling tunnel

2隧道防冻隔温层的设计研究

2.1防冻隔温层厚度的计算方法

解析计算法和有限元模拟计算法是防冻隔温层厚度的主要计算方法。

解析计算法主要分为两种，等效厚度换算法[5]和气象解析法。等效厚度换算法是根据围岩的最大冻结深度，结合隧道-围岩的一维稳态热对流/热传导分析模型进行计算；气象解析法是根据年平均温度和年温度振幅等气象统计资料，结合隧道-地层的一维非稳态热对流/热传导分析模型的简化公式进行计算。防冻隔温层的厚度[6]是利用热分析有限元软件分析隧道二维温度场后计算得出的。

2.2隧道抗冻保温层厚度计算

由于隧道横断面的高度和宽度的尺寸远小于长度方向，隧道模型可按平面模拟。由于隧道横断面中心对称，有限元分析可以采用平面应变轴对称模型，选取模型的一半进行分析，节约计算时间。有限元模型高度与宽度分别为60、35 m，隧道上、下边界均为25 m。该有限元模型采用ANSYS进行建立和模拟，雾松岭隧道抗冻保温层厚度的主要计算步骤如下。

(1)推算岩石边界温度值(即原始地温值)T0。隧址年平均气温3.5℃，拟定岩石边界温度即为原始地温值，取值为3.5+2=5.5℃，作为研究范围的岩石边界温度值。

(2)围岩的最大冻结深度。

围岩的最大冻结深度计算公式(1)。

(1)

式中：δ0为气象资料中的最大冻深，m；λ0为地表的松散岩(土)体的导热系数，W/m·℃；δ1为围岩的换算最大冻结深度，m；λ1为围岩的导热系数，W/m·℃；A为传热面积，m2。计算得到最大冻深4.8 m。

(3)假设所研究的围岩边界温度恒定的前提条件下，通过有限元软件计算得出，当最大冻深达到4.8 m时，隧道内的气温达到T1。

(4)拟定边界条件如下：取T1为隧道内部的温度，T0为围岩的边界温度。在有限元软件中输入各项材料物理力学参数后，计算分析保温层材料取用不同厚度时，对防水板背部温度场分布的影响，保温材料厚度的拟定需要调整该厚度直至防水板背部温度达到0℃以上时确定。假设围岩上缘下缘边界部分计算过程中温度保持不变，其左右两侧边界没有热传递，隧道侧壁仅能与空气进行热传递。经试算后得出当最大冻深为4.8 m时，隧道内气温T1为-2.5℃。隧道最大冻深如图2所示，洞顶温度与深度关系曲线如图3所示。

图2　隧道最大冻深图Fig.2 Maximum frost depth of the tunnel

图3　洞顶温度与深度关系图Fig.3 Relationship roof temperature and depth

隧道围岩负温度分布情况在保温层厚度设定为3 cm情况下，如图4所示；隧道围岩负温度分布情况在保温层厚度设定为4 cm情况下，图5可以看出，隧道内表面保温层厚度取为4 cm时，二期衬砌背后温度基本在0℃以上。

图4　温度分布图(设定3 cm保温层)Fig.4 The temperature distribution (Set 3 cm insulation)

图5　温度分布图(设定4 cm保温层)Fig.5 The temperature distribution (Set 4 cm insulation)

3隧道温度场的现场测试及分析

3.1测点布置

雾松岭隧道下行线每隔142～147 m设置一个围岩温度场观测断面，共设置5个观测断面，如图6所示。其中1、3、5号观测断面共设置5个观测点，分别为A、B、C、D、E。如图7所示，2、4号观测断面共设置3个观测点，分别为A、C、E。每个观测点共设置3个测温探头，分别放置在保温层表面、保温层立面及二次衬砌内部，如图8所示。隧道断面温度的观测是利用放置在洞内每个断面处的测温探头观测的。由于篇幅限制，下文仅讨论1#断面A点的实测数据。

图6　雾松岭隧道测点断面纵向布置Fig.6 Setting of the measuring points in Wu-song-ling Tunnel longitudinal section

图7　雾松岭隧道横断面测点布置Fig.7 The measuring points of cross section in Wu-song-ling Tunnel

图8　雾松岭隧道测温探头布置Fig.8 Setting of temperature probe in Wu-song-ling Tunnel

3.2隧道温度场的分布规律

(1)隧道径向温度分布。图9为雾松岭隧道1#断面A点2007年12月至2008年2月间温度-时间关系曲线。其中距下行线进口5 m处断面为1#断面。图中A点、A1点、A2点和A3点分别表示为检修道上方1 m处测点、保温层外表面测点、保温层内表面测点和二衬混凝土内30 cm处测点。

图9　1#断面A点温度-时间曲线Fig.9 Temperature-time curve for A point in # 1 section

测点布置见表1。

表1　测点布置Tab.1 Setting of the measuring points

由图9可看出，当洞内温度降低时，保温层内、外温度和衬砌内温度有所降低，但下降速率有所不同。当保温层外表面点的温度下降时，洞内部的温度也随之下降，两者下降速率基本相同，洞内部的温度下降幅度高于保温层内表面点及衬砌内点温度下降幅度。同一时刻，沿着围岩长度方向，围岩里侧点的温度较外侧点的温度高。当洞内气温的升高时，保温层内、外温度和衬砌内温度同时升高。保温层外表面点的温度上升速率与洞内部的温度上升速率保持一致，洞内部温度上升速率要高于保温层内表面点及衬砌内点的温度上升速率。同一时刻，沿着围岩长度的方向，也存在着与上述相反的情况，即存在外侧点比内侧点温度高的情况。

图10为雾松岭隧道1#断面A点2009年11月22日至2009年12月10日间连续20 d温度与时间关系曲线。

由图10可看出，保温层外表面点温度变化显著，曲线震荡较为剧烈；保温层内表面点温度变化相对外表面点更为平稳，振幅比外边面点更小，但曲线也表现出震荡走势；上述三者中，温度变化最不明显的是二期衬砌混凝土内部点温度，曲线基本没有震荡态势，从图中可以看出，二期衬砌混凝土拥有较好的保温隔热作用。

图10　1#断面A点温度-时间曲线(连续观测)Fig.10 Temperature-time curve for A point in # 1 section(continuous observation)

(2)隧道纵向温度分布。图11为雾松岭隧道1#断面A点2007.12～2008.2间温度沿隧道纵向变化图。

图11　A点温度纵向分布(2007年12月28日)Fig.11 Vertical distribution of temperature in A point(Dec.28，2007)

由图11可看出，环境温度的变化对洞内温度影响较大，当环境温度下降时，洞口温度较洞中温度低，所以洞内的温度呈现倒V字型分布，其中最高温度与最低温度的差值可以达到2～3℃。当周围温度升高时，洞口温度较洞中温度高，所以洞内温度呈现与前者相反的走势，即呈V字型分布，其中最高温度与最低温度的差值可以达到2～3℃。由于隧道长度较短，且平面线型为直线，所以一般情况下沿隧道纵向的隧道内温度变化不大。保温层内表面温度沿隧道纵向该温度分布为倒V型分布，即隧道洞中部的温度高，洞口处的温度低，且隧道出口处温度高，进口处温度低。其中最高温度与最低温度的差值可以达到5～6℃。距离混凝土衬砌内侧30cm处温度分布规律同保温层内表面温度。

(3)日平均温度及温度振幅变化规律。图12为雾松岭隧道1#断面A点平均温度随时间变化曲线。由图可知：随着时间的变化，保温层内、外表面点(A1和A2)平均温度变化规律及相位基本相同。而二期衬砌混凝土内30cm处点(A3)平均温度较保温层内、外表面点(A1和A2)更为平缓。由此可知，不能忽略二期衬砌混凝土的保温隔热效应。

图12　1#断面A点日平均温度-时间关系图Fig.12 Average daily temperature-time graph for A point in #1 section

4结论

本文以黑龙江省绥满公路上的雾凇岭隧道为研究对象，详细介绍了其防冻隔温层的计算及设计过程，并与温度场实测数据进行了对比，得到了以下几点有益的结论：

(1)雾松岭隧道保温层内表面温度及混凝土衬砌内温度沿隧道纵向温度变化呈倒V型分布，隧道洞中部的温度高，洞口处的温度低，且隧道出口处温度高，进口处温度低。其中最高温度与最低温度的差值可以达到5～6℃。

(2)从1月下半旬开始，雾松岭隧道衬砌内部温度降到零下，隧道中部最低温度能达到-3℃，隧道进口处最低温度能达到-11℃，隧道出口处最低温度能达到-6℃。由于隧道洞口处附近保温层厚度不足，为了防止二期衬砌混凝土受冻，可以增加衬砌混凝土厚度或采取其他有效的措施。

(3)雾松岭隧道温度最低处位于进口断面。在隧道内部与外部温度的联合影响下，隧道上部混凝土衬砌内温度有所下降，下降值为-11℃左右，边墙混凝土衬砌内温度也有所下降，下降值为-6℃左右。对洞口浅埋段建议隧道内外均设置保温隔热层，以防止二期衬砌混凝土受冻。

(4)雾松岭隧道保温层外表面点温度变化显著，曲线震荡较为剧烈；保温层内表面点温度变化相对外表面点更为平稳，振幅比外边面点更小，曲线也表现出震荡走势；上述三者中，温度变化最不明显的是二期衬砌混凝土内部点温度，曲线基本没有震荡态势，从图中可以看出，二期衬砌混凝土拥有较好的保温隔热作用。

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收稿日期：2016-01-10

第一作者简介：杨丽梅，高级工程师。研究方向：桥梁、隧道、涵洞。E-mail：532244794@qq.com

中图分类号：U 452

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)04-0065-05

Calculation Method and Experimental Study ofHeat Preservation in a Tunnel in Cold Region

Yang Limei

(Highway Survey and Design Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150080)

Abstract：Based on the project of Wusongling Tunnel in Heilongjiang Province，the problems of heat preservation and freeze protection of highway tunnels in cold regions were studied systematically.After reviewing the measurements of freeze protection applied to highway tunnels in cold regions at home and abroad，the methods of designing and calculating the thickness and the length of freeze protection layer were proposed.Through the test of temperature field distribution of tunnels and the analysis of the freezing damage mechanism，the time-dependent rules of the temperature field of tunnel surrounding rocks were obtained，which can provide a reference for the tunnel designs and the calculation of freeze protection layers in cold regions of our country and has a significant guidance to the actual projects.

Keywords：tunnel in cold region；thermal insulating layer design；temperature field

引文格式：杨丽梅.寒区隧道保温计算及试验研究[J].森林工程，2016，32(4)：65-69.