寒区隧道保温层隔热效果研究

赵志忠，张晶晶

(1.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530022；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)



寒区隧道保温层隔热效果研究

赵志忠1，张晶晶2

(1.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530022；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

为了研究寒区隧道保温层的隔热效果，文章以内蒙古乌零一级公路巴勒根达隧道为依托，采用有限元软件ANSYS计算分析了隧道洞口浅埋段有无保温层下温度场分布情况。结果表明：在设单层保温层后，隧道内围岩温度平均提升9 ℃，两侧和底部的冻结深度较不设保温层降低了约30%，隧道洞室顶部隔热效果不明显。

寒区隧道；保温层；温度场；有限元计算；隔热效果

0 引言

随着国内经济的快速发展，人们对交通出行的需求日益迫切，公路建设也逐渐向各种地质情况复杂和自然环境恶劣的地区延伸，工程建设中出现了大量的长大隧道，部分隧道由于受寒冷气候的影响，极易产生隧道冻害现象。鉴于寒区隧道遭受冻害的严峻形势，对隧道温度场的研究成为冻害研究的关键。本文通过对隧道洞口浅埋段有无保温层温度场分布情况进行分析计算，验证隧道保温层的放冷效果，为合理设计隧道防冷害提供可靠依据。

1 工程背景

省道203线乌兰浩特至零点段一级公路巴勒根达板隧道，位于内蒙古兴安盟科尔沁右翼前旗，隧道沿东西走向，隧道全长约1 725 m，最大埋深约116 m，双向四车道设计标准，设计时速80 km/h。隧道围岩以凝灰岩为主，节理裂隙较发育，其地下水类型主要为河谷洼地区的孔隙潜水、丘陵山区孔隙潜水。地下水的补给、迳流与排泄主要以接受垂向大气降水补给为主。

2 温度场计算参数的确定

混凝土热学参数：C40混凝土的参数参考已有值，如表1所示。

表1 混凝土热学参数表

水热学参数：隧道区地下或地表水的存在是隧道区产生冻害的必要条件。而当水中溶质的类别及浓度不同时，其结冰点是不同的，通常而言，水中溶质含量越大、浓度越高，水的结冰点就越低。因此，需要通过导热性试验确定水体导热性参数，现场取样试验结果如表2所示。

表2 水热学参数表

围岩热学参数：隧道区山体岩性为凝灰岩，本次计算采用的岩体热学参数源于项目地质勘察报告。由于水在围岩中存在形式为裂隙水，呈离散形分布，因此，在进行数值模拟中，并未将水作为单一材料类型，而是将含水岩体作为一种材料。考虑在最不利情况下，围岩的含水量定为15%。其热学参数如表3所示。

表3 围岩热学参数表

巴勒根达板隧道采用福利凯热固性保温材料，材料特性如表4所示。

表4 保温材料特性表

3 隧道温度场有限元计算模型建立

隧道出口处于浅埋段，隧区冬季多为东北风，冻害最为严重，本次选取K144+895断面建立二维1∶1模型，K144+895断面埋深为10.4 m。网格划分原则根据隧道温度梯度的大小对隧道内不同材料类型进行确定：区域网格按温度梯度大小进行划定，温度梯度大的区域网格划分密，温度梯度小的区域网格较稀疏。单元为四节点四边形单元PLANE55，整个模型共划分19 112个单元、19 789个节点，计算模型如图1所示。

(a)整体

(b)部分

4 有限元计算结果

本次计算对最寒冷的1月份进行加载，由于洞室处于浅埋段，隧道洞顶部大气温度影响不可忽略，故在隧道洞室内混凝土表面施加温度函数载荷的同时，对隧道顶部同时施加温度荷载。计算结果如图2所示。

图2 隧道K144+900断面1月份地温分布图(无保温层)

温度场计算云图与现场实测数据基本吻合，在该断面无保温层的情况下，最大冻结深度约为3 m左右，且隧道周边等温线分布基本与隧道轮廓大体一致。在K144+895断面处洞顶的冻结深度远大于洞底的冻结深度，拱脚处的冻结深度在三者中最小，由于隧道处于浅埋段，地表温度对洞室顶部围岩影响明显，基本上处于负温。

在计算模型添加保温层单元，对有保温层情况下的隧道温度场进行数值模拟。保温单元的导热系数为0.027(W/m·K)，比热容为1 045(J/kg·K)，其计算结果如图3所示。

图3 隧道K144+900断面1月份地温分布图(有保温层)

在设置保温层后，围岩内部温度分布情况大体一致，但与无保温层时相对比，隧道内部温度平均提高了约9 ℃，冻结深度约2.1 m，较不设保温层降低了约30%，说明保温层发挥了很大作用。但隧道洞室顶部覆盖层较薄，受地表大气温度影响明显，保温层保温效果不明显，应针对顶部采取专门防冻措施。

5 结语

通过对巴勒根达板隧道洞口处K144+900断面，进行有无保温层两种工况下围岩温度场分布状况模拟计算，得出结论如下：

(1)在设单层保温层后，隧道内围岩温度平均提升9 ℃，冻结深度约2.1 m，较不设保温层降低了约30%，说明保温材料可以有效改善隧道内部温度环境，减小围岩及支护承受的融冻破坏，延长隧道的使用年限。

(2)隧道洞室顶部覆盖层较薄，受地表大气温度影响明显，保温层保温效果不明显，应针对顶部应采取专门的防冻措施。

(3)保温层无法完全解决隧道冻胀问题，隧道衬砌后围岩仍存在一定的冻结深度。建议在寒区隧道中，结合隧道洞口处的防排水设计与施工，采取机械改善洞室热环境、加强衬砌等综合措施，以达到有效防治寒区隧道冻害的目的。

[1]赖金星.高海波复杂围岩公路隧道温度场特征与结构性能研究[D].西安：长安大学，2008.

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Study on Insulation Effects of Tunnel Insulation Layers in Cold Regions

ZHAO Zhi-zhong1，ZHANG Jing-jing2

(1.Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530028；2.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

In order to study the insulation effect of tunnel heat-insulation layers in cold regions，relying on Balegenda Tunnel of Inner Mongolia Wuling Class-I Highway，and by using the finite element analysis software ANSYS，this article calculated and analyzed the temperature field distribution situation of shallow-buried segment at tunnel entrance with and without insulation layer.The results showed that：after setting a single-layer insulation layer，the surrounding rock temperature in the tunnel has the average increase by 9 ℃，the freezing depth at both sides and the bottom is decreased by about 30% compared to no insulation layer，and the insulation effect at the top of tunnel cavern is not obvious.

Tunnels in cold regions；Insulation layer；Temperature field；FEM；Insulation effect

U455

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.018

1673-4874(2016)09-0068-03

2016-08-04

赵志忠(1984—)，硕士，工程师，研究方向：项目管理；

张晶晶(1983—)，硕士，工程师，研究方向：公路勘察设计。