白國權(quán)，仇文革，張俊儒

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，昆明 650011;2.西南交通大學，成都 610031)

1 高地溫隧道概述及研究現(xiàn)狀

在設(shè)計深埋長大越嶺隧道時，必須考慮在施工過程中人員和機具的工作條件，而首先要解決的問題是所有的工程地質(zhì)問題，天然地溫便是其中比較突出的一個。高地溫，或者稱作地熱，在我國分布較廣，尤其在西南的云南地區(qū)，分布較為顯著。對于隧道工程而言，當?shù)販爻^30℃時，便稱為高地溫，也稱作熱害。隧道工程中若發(fā)生高地溫問題，一方面將惡化施工作業(yè)環(huán)境，降低勞動生產(chǎn)效率，并嚴重威脅到施工人員的生命安全;另一方面將影響到施工材料的選取和混凝土的耐久性，而且附加溫度應(yīng)力還可以引起襯砌開裂，將嚴重影響隧道的穩(wěn)定性。從國內(nèi)外部分深埋長大隧道的地溫值及主要穿越的地層巖性統(tǒng)計(表1)可以看出，大部分深埋長大隧道都修建在比較堅硬的圍巖中，由于這些巖石的熱導率較低，傳熱性能差，在巖體中容易聚集熱能。隨著隧道埋深的增加，地溫值一般也逐漸增加，但這種增加的趨勢并非線性;地溫值還與隧道所在地區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、近期巖漿活動，以及地下水的活動等因素均有密切關(guān)系。

目前國內(nèi)外針對隧道熱害的研究一般都側(cè)重于對地溫場進行模擬［1］，這類研究多采用有限元數(shù)值解或數(shù)值模擬的方法以求解溫度場的分布，分析隧道地溫場特征，對隧道圍巖溫度進行預測、分析［2-4］。有部分研究是針對隧道熱害進行總體評估［5］，其分析方法是根據(jù)實際調(diào)查資料，考慮相關(guān)影響因素，通過層次分析以及其他方法來進行。還有部分研究對高地溫隧道在設(shè)計和施工技術(shù)方面的措施進行了簡單的探討［6］，這種探討主要是結(jié)合初步的地質(zhì)勘探等資料做概述性的比較分析。高地溫隧道具體該如何降溫，應(yīng)該采取哪些方面的措施，僅有少量的研究［7］，其研究方法主要是通過編程計算，對采用人工制冷降溫措施解決掌子面高地溫的問題進行分析和探討。對高地溫隧道的降溫以及其他的隔熱措施在其對應(yīng)的功效方面的研究還未見。

表1 部分深埋長隧道的地溫值

相對于高地溫隧道，目前高地溫礦井方面的研究較為深入些，主要包括通過數(shù)值模擬來研究礦井的溫度場分布［8-9］和熱害治理時地層儲冷［10］。另外煤炭行業(yè)還根據(jù)其行業(yè)的特殊性和危險性，制定了相應(yīng)的熱害防治設(shè)計規(guī)范［11］，但其具體的防治措施是根據(jù)既經(jīng)濟又有效的原則，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗進行擬定的，其側(cè)重點是強調(diào)通風散熱和制冷。

本文以擬建大瑞鐵路高黎貢山隧道將穿越高地溫圍巖為背景，主要通過有限元數(shù)值模擬，對隧道在不同隔熱材料、不同地溫(邊界條件)下的隔熱效果和所需的制冷功率進行試算、分析，并確定其功率值，計算得出相應(yīng)的制冷劑用量;另外通過計算還得出了隔熱層厚度與冷能補給量的對應(yīng)關(guān)系并繪制了關(guān)系曲線，通過分析得出了二者的關(guān)系。

2 隔熱和隔熱材料

隔熱又稱絕熱，它相對于傳熱而言。隔熱層的作用是使通過它的傳熱量最小，隔熱效果的好壞，取決于隔熱材料的性能、厚度及防潮措施等。

作為隔熱材料，應(yīng)具備導熱系數(shù)小、輕質(zhì)、均質(zhì)、吸水性差、耐火性好等特征，同時還需綜合考慮其力學性能和經(jīng)濟指標。常用的隔熱材料及其基本特征參數(shù)見表2。

3 不同材料的隔熱效果及耗能比較

采用有限元熱分析方法，對不同隔熱材料(在此選取苯乙烯和聚氨酯兩種)的隔熱效果和對應(yīng)的消耗補給冷能進行計算分析。有限元計算時的材料參數(shù)見表3，其中部分熱物理參數(shù)根據(jù)文獻選取［12］。

表2 各種隔熱材料的導熱系數(shù)

表3 材料參數(shù)

隧道考慮為復合式襯砌支護形式，圍巖與初支密貼，初支和二襯之間設(shè)置隔熱層(和防水層)，有限元數(shù)值模擬的計算模型見圖1。

圖1 FEM計算網(wǎng)格劃分模型

通過多次試算，模擬在較高的原始地溫(100℃和60℃)條件下，當沒有隔熱層材料和設(shè)置隔熱層(材料分別為苯乙烯和聚氨酯)的情況下，需要補給多少冷能來將隧道內(nèi)的溫度降到可工作溫度(28℃)。計算共考慮了不設(shè)置隔熱層、設(shè)置10 cm和5 cm厚隔熱層(苯乙烯和聚氨酯)分別在100℃和60℃兩種原始地溫等條件下的10種組合工況。

圖2～圖6所示為不設(shè)置隔熱層和設(shè)置10 cm厚隔熱層(苯乙烯)分別在100℃和60℃原始地溫共計4種工況下將隧道內(nèi)溫度降至28℃后的溫度場分布圖和溫度場梯度分布圖。另外6種工況的計算結(jié)果未在圖中示出。

圖2 不設(shè)置隔熱層情況下降溫后的溫度場分布

圖3 設(shè)10 cm厚苯乙烯隔熱層，原始地溫為100℃降溫后溫度場分布圖

為將隧道內(nèi)溫度降至28℃，需要對隧道洞內(nèi)進行冷能補給以達到降溫的效果，通過對前述10種工況進行多次試算和比較，可以基本確定其對應(yīng)的冷能補給值，即單位面積功率值(以負表示)，見表4。按隧道周界邊長29 m換算為單位長度能冷補給功率值，列于表5(以正表示)。從兩表可以看出，不設(shè)置隔熱層所需冷能補給大于設(shè)置隔熱層的工況，苯乙烯作為隔熱層所需冷能補給大于聚氨酯的工況，10 cm厚隔熱層所需冷能補給小于5 cm厚的工況。

圖4 設(shè)10 cm厚苯乙烯隔熱層，原始地溫為100℃降溫后溫度場分布梯度

圖5 設(shè)10 cm厚苯乙烯隔熱層，原始地溫為60℃降溫后溫度場分布

圖6 設(shè)10 cm厚苯乙烯隔熱層，原始地溫為60℃降溫后溫度場分布梯度圖

表4 降溫冷能補給比較一 W/m2

表5 降溫冷能補給比較二 W/m

4 制冷劑的選用比較

前述計算已經(jīng)可以確定冷能補給的功率值，但具體到不同的制冷劑所需要的用量，還需要通過轉(zhuǎn)換進一步計算。在此選用冰和液氮2種制冷劑進行比較分析，其用量計算公式如下

式中 M——制冷劑用量，kg/(m·h);

Pl——延米冷能補給功率值，W/m;

C——制冷劑比熱，J/(kg·K);

t1——隧道內(nèi)的可工作溫度，取最高28℃;

1）引入車輛實例，結(jié)合車輛知識，讓控制“活”起來，加入MATLAB仿真技術(shù)，讓課程“動”起來，這樣做會提升學生的興趣。

t0——制冷劑的相變點溫度，℃。

制冷劑的熱物理參數(shù)見表6。通過計算，將各種工況下隧道每小時需要的制冷劑用量列于表7中。

表6 制冷劑熱物理參數(shù)

表7 制冷劑用量比較 kg/(m·h)

通過計算，對結(jié)果進行比較分析，可以看出:不設(shè)置隔熱層所需的制冷劑用量較設(shè)置時大，苯乙烯作為隔熱層材料時所需的制冷劑用量較聚氨酯的大。另外，液氮的相變點比冰的低，作為制冷劑的降溫效果比冰好，但液氮的制造成本比冰高。

5 隔熱層厚度與冷能補給量的關(guān)系

直觀地理解，隔熱層厚，其隔熱效果應(yīng)該好，但是否是越厚就越好呢?在此做進一步分析，通過計算確定隔熱層厚度和冷能補給量之間的關(guān)系。前面已經(jīng)計算了10 cm和5 cm兩種厚度工況，在此，以聚氨酯作為隔熱層材料，再選取15 cm和2 cm兩種厚度工況進行計算，選取初始地溫為100℃，降至可工作溫度28℃。

對計算結(jié)果進行列表(表8)比較并對圖示(圖7)分析，可看出隔熱層厚度和冷能補給量間的關(guān)系。

表8 不同隔熱層厚度與對應(yīng)的冷能補給量

圖7 隔熱層厚度與冷能補給的關(guān)系曲線

由圖7可以看出，當保溫隔熱層達到一定厚度時，通過繼續(xù)增大其厚度的措施來實現(xiàn)隔熱的效果不再很明顯，即通過增加保溫隔熱層的厚度來達到隧道內(nèi)降溫的效果是有限的。但是，具體選用何種隔熱材料以及隔熱層的厚度取多少更顯合理，還需要對材料的各種性能進行綜合比較分析。

6 高地溫隧道建設(shè)建議

本文所述為一種新的研究方式:通過有限元數(shù)值模擬，對不同隔熱材料在不同地溫條件下的隔熱效果和所需的制冷功率進行試算、分析，確定其功率值，得出相應(yīng)的制冷劑用量;通過計算得出了不同隔熱層厚度對應(yīng)的冷能補給量，分析得二者的關(guān)系。

作為下一步研究的內(nèi)容，同時對包括擬建的大瑞鐵路高黎貢山隧道在內(nèi)的高地溫隧道的建設(shè)提出以下建議。

(1)在高地溫條件下，隧道支護形式的選擇要綜合施工及運營時兩方面的要求綜合確定。表9是建議的6種支護形式。

表9 高地溫隧道支護形式

針對不同的支護形式，應(yīng)對其安全性、隔熱效果、經(jīng)濟性、耐久性等指標進行綜合比較，確定最優(yōu)方案。文中前述研究方法可用于對各種支護形式的隔熱效果進行比較。

(2)施工過程中，隧道開挖后應(yīng)盡快施作初期支護，及時量測隧道內(nèi)拱頂、拱腰、邊墻和拱腳的位移收斂及圍巖的溫度，并及時反饋，采用信息反饋法指導現(xiàn)場施工。另外，應(yīng)適當?shù)臏p少炮孔數(shù)目，縮短鉆爆施工時間，保證孔內(nèi)巖體溫度低于炸藥安全使用溫度，以降低地熱區(qū)爆破施工危險程度。

(3)結(jié)合煤礦的經(jīng)驗，在施工過程中，采取通風、灑水或兩者相結(jié)合的措施，對隧道洞內(nèi)進行降溫，必要時，可采用大型通風設(shè)備。如遇熱水涌出的情況，可增建降水、排水設(shè)施和排水鉆孔，以降低水位;如果水量仍然較大，可采用水玻璃水泥系藥液注漿，以發(fā)揮堵截水和穩(wěn)定圍巖的作用。

(4)應(yīng)研究并采用新型材料，提高結(jié)構(gòu)在高地溫條件下的耐久性。在掌握了材料的相應(yīng)熱物理參數(shù)的條件下，仍可通過文中前述的研究方法對各新型材料的隔熱效果進行比較。

7 結(jié)論

我國對凍土隧道凍害的研究已經(jīng)取得了大量的成果并已應(yīng)用于實際工程，但在高地溫隧道熱害領(lǐng)域的研究還很少。本文主要通過有限元數(shù)值模擬的方法，對不同初始地溫、不同隔熱條件下，需要將隧道內(nèi)的溫度降至可工作溫度所需的制冷功率進行試算和比較;分別計算了不同制冷劑在各種工況下的用量;分析了隔熱層厚度與冷能補給量的關(guān)系。通過分析，可得出如下結(jié)論。

(1)聚氨酯作為保溫隔熱層材料的效果較苯乙烯好;液氮的相變點比冰的低，作為制冷劑的降溫效果比冰好，但液氮的的制造成本比冰的高。

(2)隔熱層厚度厚時其隔熱效果好，但當其達到一定厚度時，繼續(xù)增厚降溫的效果不再很明顯，即通過增加保溫隔熱層的厚度來實現(xiàn)隧道內(nèi)降溫的效果是有限的。

本文所述的研究方法和相關(guān)結(jié)論，特別是各種工況的對應(yīng)的冷能補給量和制冷劑需用量，可以作為今后高地溫隧道隔熱設(shè)計的一種比較依據(jù)和參照標準。

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