高岩温铁路隧道隔热效果研究

李力亨

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京　100000）

高岩温铁路隧道隔热效果研究

李力亨

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京100000）

由于西部山区地质复杂，隧道在修建时都会不同程度地受到地质灾害的影响，其中高岩温便是比较显著的一种地质灾害。高岩温不仅对衬砌结构存在安全隐患，而且恶化隧道施工环境，甚至严重影响隧道施工人员和机具的正常作业。本论述以拉日线上的吉沃希嘎隧道工程为依托，通过现场实测、结合传热学理论，采用ANSYS有限元软件进行数值计算，通过在隧道初支和二次衬砌之间设置隔热层，研究了隔热层对二次衬砌温度场分布的影响。由ANSYS有限元软件数值模拟计算结果可知，无隔热层时，衬砌施做5 d后的最大温度为45.976℃，分布在衬砌外边缘，最小温度分布在仰拱处，为28.342℃。在初支和二次衬砌之间设置了10 cm厚的隔热层，加载5 d后，衬砌的最大温度为30.226℃，同样分布在衬砌外边缘，最小温度为28.024℃，分布在仰拱处。由此可见，隔热材料在很大程度上可以抑制围岩的高温向隧道内传递。

铁路隧道；高岩温；数值模拟；隔热

0　引言

我国过去修建的隧道多为里程短、埋深较浅，因此很少遇到过高岩温现象。随着西部大开发战略的深入实施，深埋长大隧道的数量也不断增多，热害问题逐渐成为了隧道建设中不可避免的障碍。譬如，上世纪九十年代修建的秦岭隧道最大埋深达1 600 m，最大埋深处原始岩温高达40℃以上。位于云南省滇南地区蒙自境内的旧寨隧道，最大埋深150 m左右，隧道全长4 460 m，在2007年6月施工时，洞内温度高达40℃以上，随着掌子面的继续开挖，隧道内空气温度始终保持在40℃左右，并且拱顶、边墙及底板处均有温度为37℃～47℃的热水流出。

一般来讲，当地表以下某处的掩体温度超过30℃时，便可以称为高岩温，铁道部规定隧道内气温要严格控制在28℃内。由地温变化规律可知，当隧道埋深越大，里程越长时，其地温也越高，由此引起的热害问题也更加严重。如果在隧道的施工过程中遇到高岩温问题，特别是高温突涌水，不仅危害人体健康，降低劳动生产率，而且高温环境将对某些施工材料提出更高的要求。

毫无疑问，高岩温的存在，一方面将加大施工的难度，同时在一定程度上影响施工工期，尤其当岩温异常高时，甚至会影响到工程的可行性。鉴于此，深入研究高岩温隧道隔热降温显得尤为重要。

1　工程概况

拉萨至日喀则线位于青藏高原西南部，地处北纬29°30′～29°45′，东经88°45′～91°15′。拉日铁路为青藏铁路的延伸线，东起拉萨车站，出站后沿拉萨河南下至协荣村，经过堆龙德庆县，然后跨越拉萨河到达曲水县，紧接着向西溯雅鲁藏布江而上，到达色麦后，穿越长度约90 km的雅鲁藏布江大峡谷区，继而经过尼木、仁布县后到达日喀则市，拉日铁路全线长253.1 km。拉日铁路也是我国目前穿越岩温最高、地热活动范围最大的铁路，其中，色麦至仁布段地热已探明的最高温度可达80℃以上。

拉日线峡谷区热储构造为条带状，其影响边界主要受南北向断裂构造的控制，其中吉沃希嘎隧道长4 070 m，洞身大部分埋深在34～75 m，最小埋深为34 m，最大埋深为102 m左右。该段线路通过地层主要为第四系覆盖层，燕山期、喜山期花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩、闪长岩、角闪岩为主的岩浆岩，地层岩性杂乱，类型繁多，洞身有3条断层通过，隧道洞身测温显示，路肩部位温度在45℃～60.5℃。

2　隧道初始地温场

2.1计算模型

隧址区计算模型采用1∶1的比例建模，见图1所示，计算模型的Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ处的温度载荷分别如下定义。

图1 隧道计算模型

模型边界Ⅰ为山体实测线，即为地表线，根据隧道纵断面图来确定；模型边界Ⅱ为恒温层所在位置；模型边界Ⅲ为图中测温钻孔的深度。

2.2计算参数及荷载边界条件

由于吉沃希嘎隧道洞身所在围岩为花岗闪长岩，且该区有三条断裂层，断层角砾的导热系数较高，因此经综合考虑，计算时导热系数选为3.5 W/m·K。

为了确保测温数据的准确性，本论述选取测温平均值来进行研究。上边界的温度荷载值取该区年平均气温15℃，恒温层的温度荷载取恒温层温度25℃，下边界的温度载荷取钻孔的实测温度。

2.3计算结果及分析

图2　沿隧道前进方向地温分布曲线图

图2为吉沃希嘎隧道模拟计算得出的岩温曲线及实测岩温曲线图，结果显示，两者最大温差仅为4.6℃，由数值模拟计算得出的隧道的岩温曲线图与实测的隧道岩温曲线图走势一致，基本重合。说明用ANSYS有限元数值模拟计算得到的隧址区初始地温场分布规律基本正确，且有较高的可靠性及精确性，从而确保了软件计算的可行性及正确性。

图3　隧道开挖初始实测岩温

3　隔热材料对温度场的影响分析

3.1隔热材料的基本性能

隔热材料，亦称热绝缘材料，其物质结构使其具备减小热量传递的性能。为了达到控制热量传递的目的，隔热材料通常具有疏松、多孔、密度小的特征，隔热层的作用是通过其特有的材料性质达到阻滞一定热量的效果。由于隔热材料导热系数小，能在一定的时间内使通过它的热量降到最小，而隔热材料效果的优劣，主要取决于其材料厚度、性能以及防潮措施等。

3.2隔热材料的选取结果

寒区隧道常用苯乙烯、聚氨酯和硅酸盐复合绝热材料作为隧道的隔热保温材料，表1为这三种隔热材料的相应参数。作为一种新型的隔热保温材料，硅酸盐复合材料除了具备不燃、防火及耐腐蚀等优良性能外，同时价格便宜，柔韧性能好，便于施工。鉴于此，本论述选取硅酸盐复合材料作为研究对象。

表1　隔热材料参数

3.3计算模型及边界条件

模型的选取尺寸：左右边界分别距隧道中心线30 m，上边界距隧道中心线30 m，下边界距隧道中心线30 m。隔热层厚度取10 cm，图4为隧道隔热保温结构示意图。

图4　隧道隔热保温结构形式

图5　隧道平面温度场模型有限元划分图（整体和局部）

图5的局部图中红色代表隔热层，蓝色代表二衬，隔热层施做在初支和二衬之间，初支在图中没有表示出来。

规范规定，铁路隧道施工和运营期间的温度应低于28℃。因此，假定衬砌的初始温度为28℃，且均匀分布，衬砌外侧温度载荷选取实测温度55℃，衬砌内轮廓施加28℃的空气对流荷载。

3.4有限元计算结果分析

图6～图15为分别加载5 d、10 d、15 d、20 d及30 d后的温度分布情况。由表2可知，当无隔热层时，衬砌内侧温度由加载5 d后的28.342℃增大到加载30 d后的37.835℃，变化较大；当加隔热层后，衬砌内侧温度由加载 5 d后的 28.024℃加载到加载 30 d的30.005℃，变化很小。

3.5计算结果

在隧道初支和二次衬砌之间设置隔热层后，衬砌的温度场分布发生了很大的变化，见图6~图15所示。

5 d

图6　无隔热层的温度分布云图

图7　加隔热层的温度分布云图

10 d

图8　无隔热层的温度分布云图

图9加隔热层的温度分布云图

15 d

图10　无隔热层的温度分布云图

图11加隔热层的温度分布云图

20 d

图12　无隔热层的温度分布云图

图13　加隔热层的温度分布云图

30 d

图14　无隔热层的温度分布云图

图15　加隔热层的温度分布云图

表2　隧道衬砌无隔热层和加隔热层后的温度

（1）衬砌施做5 d后，在无隔热层的情况下，衬砌最高温度为45.976℃，分布在衬砌外侧。随时间的推移衬砌温度逐渐增大，且高温逐渐向衬砌内侧扩展，拱顶处温度变化最明显，衬砌的最低温度值为28.342℃，分布在填充处。在设置了隔热层后，衬砌的最高温度为30.226℃，同样分布在衬砌外侧，衬砌最低温度为28.024℃，分布在填充处。

（2）衬砌施做后，随时间的推移温度逐渐升高，衬砌施做30 d后，在无隔热层的情况下，衬砌最高温度为49.488℃，分布在整个拱顶处，最低温度为37.835℃，分布在填充处。在设置了隔热层的情况下，衬砌最高温度为35.522℃，同样分布在填充处，最低温度为30.005℃。

（3）吉沃希嘎隧道内致使空气气温上升的主要热源为来自于围岩的高温，设置隔热层并加载30 d后，衬砌内侧的温度在30～35℃之间，相比无隔热层并加载30 d后衬砌内侧的温度（约46℃），其更接近于铁路隧道规范要求28℃。此时，只需少量的冷能，即可将温度降至可施工温度。

4　　结束语

针对高海拔、高岩温复杂地质条件下的吉沃希嘎特长铁路隧道，采用现场实测及数值模拟分析方法，就隔热材料对衬砌温度场分布的影响进行了探讨，结合大量文献资料，得出以下结论：

（1）当在隧道二次衬砌与初支间不设隔热层时，隧道开挖后，洞内温度从拱顶开始，逐渐快速上升至整个隧道。当设置隔热层后，能很好地抑制洞内温度的上涨，这为洞内施工创造了一个较安全舒适的作业环境。

（2）在初支与二次衬砌之间设置隔热层不仅对衬砌温度分布具有很大的影响，在短期内可抑制围岩的高温向隧道内传递，而且缩小了衬砌内外侧的温度差，从力学角度分析，衬砌更趋于安全。

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U457+.5

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.04.022

2016-2-19

李力亨（1987-）男，汉族，甘肃陇西人，研究生，助理工程师，主要研究方向：隧道与地下工程。