季海峰,李 珠,霍英濤,柴麗娟

(太原理工大學建筑與土木工程學院,太原 030024)

寒區(qū)隧道玻化微珠保溫砂漿保溫隔熱效果分析

季海峰,李 珠,霍英濤,柴麗娟

(太原理工大學建筑與土木工程學院,太原 030024)

對于當前寒區(qū)隧道普遍采用的保溫隔熱材料存在的諸多不足,根據(jù)?；⒅楸厣皾{的物理力學性能,提出將玻化微珠保溫砂漿應(yīng)用于寒區(qū)隧道隔熱層。結(jié)合工程實例,通過有限元計算,對玻化微珠保溫砂漿在寒區(qū)隧道保溫隔熱效果進行分析,并對隧道圍巖溫度場的影響因素進行評定。結(jié)果表明, 8cm厚的?；⒅楸厣皾{具有良好的保溫隔熱性能,可以減少自然氣候?qū)λ淼绹鷰r溫度場的影響,為其在工程中的應(yīng)用提供相應(yīng)的依據(jù)。

寒區(qū)隧道；非凍土段；玻化微珠保溫砂漿；初始地溫；有限元分析

隨著我國當前經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及西部開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進，我國西部基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正不斷完善，寒區(qū)隧道工程的建設(shè)也得到了蓬勃發(fā)展。凍害是寒區(qū)隧道面臨的重要問題之一，其直接關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定及耐久性能，危及行車安全。據(jù)統(tǒng)計，我國20世紀80年代建設(shè)的多座隧道面臨著不同程度的凍害問題，嚴重影響隧道的正常使用，較為嚴重的如新疆天山2號隧道，其凍害極為嚴重，目前已近乎報廢[1]。

針對上述問題，在寒區(qū)隧道增加保溫隔熱層成為解決該問題的重要途徑，并且在大量工程應(yīng)用中得以證實[2-4]，得出了諸多有益的結(jié)果。賴遠明等[5]結(jié)合傳熱、滲流、凍土力學等諸多理論推導(dǎo)得出考慮相變的溫度、應(yīng)力、滲流三場耦合控制微分方程，為寒區(qū)隧道隔熱層設(shè)計及施工提供相應(yīng)的理論依據(jù)。陳建勛等[4]根據(jù)絕熱原理推導(dǎo)得出寒區(qū)隧道保溫隔熱層厚度計算公式，并對保溫隔熱效果進行了實測分析，為隧道隔熱層設(shè)計提供了參考。馬建新、王飛等[7-8]對不同材料不同厚度保溫隔熱層設(shè)置效果進行分析，對不同保溫材料在寒區(qū)隧道應(yīng)用效果作出評價。譚賢君等[9]結(jié)合傳熱、流體及空氣動力學相關(guān)知識，給出考慮通風影響的隧道溫度場模型，并對隧道隔熱層鋪設(shè)長度進行了深入分析。范東方等[10]通過有限元計算對不同類型凍土保溫隔熱層設(shè)置方式進行分析，得出不同類型凍土保溫隔熱層的最佳設(shè)置方式。

目前，寒區(qū)隧道廣泛采用的有機保溫材料如聚氨酯、福利凱等，通常導(dǎo)熱系數(shù)較低，在寒區(qū)隧道使用中得以證實具有良好的保溫隔熱性能，然而在防火性能方面則成為有機保溫材料面臨的重大問題，其防火等級一般屬于B級阻燃材料，無法滿足A級防火的要求，部分有機保溫材料在燃燒時釋放大量煙霧，當隧道火災(zāi)發(fā)生時嚴重威脅著現(xiàn)場人員的生命安全，同時給現(xiàn)場救援也帶來了諸多困難。在防火方面，無機保溫材料則具有明顯的優(yōu)勢，滿足A級防火的要求，然而在導(dǎo)熱及吸水率等諸多方面則成為無機保溫材料在寒區(qū)隧道推廣面臨的主要問題。如硅酸鋁纖維板，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.09 W/(m·K)，遠高于聚氨酯等有機保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，同時其吸水率過大也制約了其在寒區(qū)隧道的使用。

本文旨在探討新型無機保溫材料-玻化微珠保溫砂漿在寒區(qū)隧道的應(yīng)用研究，通過有限元計算對寒區(qū)隧道一定厚度的玻化微珠保溫砂漿隔熱層保溫隔熱效果進行分析，同時考慮初始地溫對隧道圍巖的溫度影響，深入分析?；⒅楸厣皾{保溫隔熱效果，探討其在寒區(qū)隧道應(yīng)用的可行性。

1 玻化微珠保溫砂漿性能介紹

?；⒅楸厣皾{是以無機玻璃質(zhì)保溫材料?；⒅闉橹饕夭牧希运?、石膏等為粘結(jié)劑，同時添加多種外加劑，經(jīng)充分攪拌均勻而形成的干混保溫材料。玻化微珠保溫砂漿作為涂抹式保溫隔熱材料，其具有良好的粘結(jié)性能，可以與基層粘結(jié)為整體，不會形成內(nèi)部空鼓，具有良好的整體性；與市面上常用的保溫砂漿相比，玻化微珠保溫砂漿具有良好的保溫隔熱性能和較好的力學強度，其抗裂性能好、耐久性能優(yōu)良，其壽命周期較長；玻化微珠保溫砂漿同時也具有良好的施工性能，其早強快干，施工速度快，質(zhì)量穩(wěn)定可靠[11]。?；⒅楸厣皾{其保溫骨料?；⒅闉殚]孔結(jié)構(gòu)，極大程度解決了當前無機保溫砂漿在吸水率方面的不足，有利于維持其優(yōu)良的保溫隔熱性能。作為無機保溫材料，?；⒅楸厣皾{良好的耐火性能是其相對于當前有機保溫隔熱材料的突出優(yōu)勢，其防火性能可達A級，在突發(fā)火災(zāi)時，可以阻止火勢蔓延，避免了有機保溫材料易燃、火災(zāi)蔓延迅速、燃燒時產(chǎn)生有毒煙霧及濃煙等諸多缺點。?；⒅楸厣皾{力學物理性能如表1所示。

表1 ?；⒅楸厣皾{物理力學性能

2 寒區(qū)隧道有限元模型的建立

2.1 工程概況及相關(guān)計算參數(shù)

以我國西部某隧道工程為例，對寒區(qū)隧道?；⒅楸厣皾{隔熱層保溫隔熱效果進行分析。該隧道全長約4 000余m，坡度20‰，隧道單通雙線行車，其凈寬度10.8 m，高為5 m。該隧道所處自然環(huán)境較為惡劣，全年冰凍期多達7個月，年平均溫度低于0 ℃，冬季寒冷干燥，全年降水集中稀少。隧道初次襯砌厚度為30 cm，二次襯砌厚度40 cm。本模型選取該隧道中部非凍土段進行分析，計算時模型上邊界取為多年凍土下界，距隧道頂部50 m，下邊界取為距隧道底部20 m，左右邊界各為30 m。根據(jù)?；⒅楸厣皾{的物理力學性能及寒區(qū)隧道不同保溫隔熱層設(shè)置方法的利弊，?；⒅楸厣皾{隔熱層選取表面鋪設(shè)方式。寒區(qū)隧道有限元模型如圖1所示。寒區(qū)隧道有限元模型相關(guān)計算參數(shù)如表2所示。

圖1 寒區(qū)隧道有限元模型

材料種類導(dǎo)熱系數(shù)/[W/(m·K)]容重/(kg/m3)比熱/(kg·K)混凝土2.52360890保溫砂漿0.0582001000圍巖(-15℃)2.162500850圍巖(0℃)2.002500980圍巖(15℃)1.8425001100

考慮到寒區(qū)隧道非凍土段施工對圍巖溫度場的影響相對較小，本模型計算時忽略施工對隧道圍巖溫度場的影響。模型計算時?；⒅楸厣皾{隔熱層厚度設(shè)置為8 cm，初始地溫為4 ℃。模型計算時氣候溫度采用當?shù)貙崪y統(tǒng)計氣候數(shù)據(jù)。由于該隧道所處地區(qū)年平均溫度低于0 ℃，其隧道圍巖的散發(fā)大于補給，因而對于寒區(qū)隧道非凍土段隔熱保溫效果的研究應(yīng)當限于在一定年限內(nèi)的保溫隔熱效果。針對寒區(qū)隧道非凍土段單純設(shè)置保溫隔熱層難以滿足隧道保溫隔熱要求及考慮到隧道保溫隔熱層成本的經(jīng)濟性，夏才初等[12]提出了對寒區(qū)隧道非凍土段采取鋪設(shè)保溫層與主動加溫相結(jié)合的方法來實現(xiàn)隧道圍巖及排水系統(tǒng)長期防止凍結(jié)的要求。

2.2 熱傳導(dǎo)微分方程的建立

隧道熱量的傳遞主要涉及熱傳導(dǎo)和熱對流，隧道溫度場有限元計算時可以忽略熱輻射的相關(guān)影響。根據(jù)傳熱學基本理論，同時假定混凝土為各向同性材料，考慮隧道施工完成后內(nèi)部熱量釋放相對較小，忽略混凝土內(nèi)部熱量的釋放，建立隧道熱傳導(dǎo)微分方程如下

(1)

式中，λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ρ為材料密度，kg/m3；C為材料比熱，J/(kg·K)；T為溫度。

考慮到有限元計算的復(fù)雜性及模型軸向長度遠大于截面尺寸，忽略隧道軸向溫度變化，將計算模型簡化為二維模型，隧道熱傳導(dǎo)簡化如下

(2)

模型計算時對于隧道與空氣接觸面采用第三類邊界條件，即

(3)

式中，h為空氣與隧道接觸面的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

2.3 玻化微珠保溫砂漿保溫隔熱層設(shè)置效果分析

模型計算對比了5 cm厚硬質(zhì)聚氨酯保溫隔熱層和8 cm厚玻化微珠保溫砂漿隔熱層保溫隔熱效果，如圖2所示。

圖2 設(shè)置不同保溫材料后圍巖表面溫度

由圖2分析可知，8 cm厚?；⒅楸厣皾{保溫隔熱效果與5 cm厚硬質(zhì)聚氨酯保溫隔熱效果相當，保溫隔熱層的設(shè)置對于隧道及圍巖的防凍效果明顯。對于寒區(qū)隧道非凍土段，尤其在該地年平均氣溫低于0 ℃時，由于該地區(qū)歷年圍巖熱量的散發(fā)大于熱量的補給，隨著時間的推延，非凍土段隧道圍巖冬季凍結(jié)深度不斷增大，隧道圍巖年凍結(jié)時間逐漸增加，單純設(shè)置隔熱層來滿足在使用期壽命期內(nèi)圍巖不凍結(jié)的要求往往較難實現(xiàn)。盡管玻化微珠保溫砂漿隔熱層的設(shè)置并未避免圍巖經(jīng)受凍融循環(huán)，但其很大幅度降低了圍巖凍結(jié)的深度，減輕其凍融循環(huán)的破壞程度，同時保溫隔熱層的設(shè)置也有利于減少隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差，減少隧道襯砌結(jié)構(gòu)所承受的溫度應(yīng)力。?；⒅楸馗魺釋拥脑O(shè)置大幅減少了隧道圍巖熱量的擴散，有利于其配合主動加溫的方式，避免圍巖及排水系統(tǒng)的凍結(jié)。

圖3對比了設(shè)置?；⒅楸厣皾{隔熱隔熱層后不同深度處圍巖溫度。分析可知不同深度處隧道圍巖有著類似的溫度變化規(guī)律，隨著圍巖深度的增加，其溫度變化幅度變小，在本模型計算的時間段中，距隧道圍巖表面1.7 m處溫度變化幅度僅為隧道圍巖表面溫度變化幅度的57.43%，可見深處圍巖受氣候因素影響明顯小于表層圍巖。同時從圖3可知，由于隧道熱量的不斷散發(fā)，隧道圍巖歷年凍結(jié)的總時間不斷增長，隧道圍巖的溫度整體呈現(xiàn)出降低的趨勢，隨著時間推移，隧道凍害問題越來越嚴重。

圖3 設(shè)置?；⒅楸厣皾{隔熱層后不同深度處圍巖溫度

對于設(shè)置8 cm厚?；⒅楸厣皾{隔熱層前后隧道圍巖最大凍結(jié)深度如圖4所示。對圖4進行分析可知，設(shè)置玻化微珠保溫隔熱層可以有效降低隧道圍巖最大凍結(jié)深度，很大程度減少氣候條件對于隧道圍巖溫度場的影響。隨著時間的推移，寒區(qū)隧道非凍土段最大凍結(jié)深度不斷增大，這主要是由于該地區(qū)終年平均氣溫低于零度，圍巖散發(fā)熱量大于補給，這也再次證實了對寒區(qū)非凍土段隧道輔助升溫的必要性。

圖4 設(shè)置不同厚度玻化微珠保溫隔熱層圍巖最大凍結(jié)深度

2.4 不同初始地溫對寒區(qū)隧道非凍土段圍巖溫度場的影響

本模型計算時初始地溫設(shè)置為4 ℃，然而不同的初始地溫對寒區(qū)隧道非凍土段圍巖溫度場影響明顯。不同初始地溫對多年凍土寒區(qū)隧道圍巖溫度場影響如圖5所示。

圖5 不同初始地溫對隧道圍巖溫度場影響分析

對圖5分析可知，寒區(qū)非凍土段隧道圍巖初始地溫對隧道運行后圍巖溫度分布影響顯著。當初始地溫為8 ℃時，直至1 000 d隧道圍巖仍未凍結(jié)，而當初始地溫4 ℃時，隧道圍巖在其正式運行后230 d首次出現(xiàn)凍結(jié)。隧道圍巖初始地溫越高，隧道圍巖首次經(jīng)受凍融時間越遲，隧道圍巖最大凍結(jié)深度越小。較高的初始溫度對防止隧道圍巖的凍結(jié)起著積極作用，地熱的散發(fā)延緩了隧道圍巖的首次凍結(jié)時間，有利于減少隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)經(jīng)受凍融循環(huán)的次數(shù)，同時也可相應(yīng)減少寒區(qū)隧道用于輔助升溫的資源消耗。

2.5 區(qū)域年平均氣溫對寒區(qū)隧道非凍土段圍巖溫度影響

由于實際工程寒區(qū)隧道非凍土段所處區(qū)域氣候年平均溫度并非均處于0 ℃以下，基于上述建立的有限元模型，對所加載的氣候溫度曲線年平均氣溫做出調(diào)整，氣溫變化幅度不變，以此探究年平均氣溫對隧道圍巖溫度場的影響。年平均氣溫對隧道圍巖表面溫度影響如圖6所示。

圖6 年平均氣溫對隧道圍巖表面溫度影響

對圖6分析可知，年平均氣溫對寒區(qū)隧道圍巖溫度變化影響顯著，年平均溫度的升高，圍巖整體溫度也有所提升。當年平均溫度低于圍巖溫度時，隨著時間推移，隧道圍巖表面溫度整體仍呈現(xiàn)降低趨勢，但隨著年平均溫度的提升，這一趨勢有所緩解；當年平均溫度高于圍巖初始溫度時，隨著時間的推移，圍巖表面整體溫度顯現(xiàn)出微小的增幅，逐漸趨向于自然氣候的年平均氣溫，隧道圍巖熱量從自然界得到補給。寒區(qū)隧道非凍土段年平均氣溫高于0 ℃而低于圍巖初始低溫時，由于氣溫整體隨時間的推移呈現(xiàn)降低趨勢，設(shè)計時可按極限情況，即隧道圍巖表面溫度與年平均氣溫相等，以此為基礎(chǔ)對隧道隔熱層厚度進行設(shè)計，且按此方法計算得出的保溫隔熱層厚度是偏于保守的，若按此方法計算出的隔熱層厚度過大，則可考慮按實際壽命期最終圍巖溫度狀況進行設(shè)計計算，若計算出的保溫隔熱層厚度仍較大，則需考慮必要的輔助升溫。對于年平均氣溫高于圍巖初始地溫時，由于此時圍巖熱量得到補給，可按隧道通車后第一個冬季計算出的保溫隔熱層厚度進行設(shè)計，由此計算出的保溫隔熱層厚度可滿足隧道壽命期內(nèi)防止圍巖凍融的要求。

3 結(jié)語

(1)結(jié)合?；⒅楸馗魺嵘皾{自身的物理力學性能，與當前寒區(qū)隧道普遍采用的保溫隔熱材料作出對比，初步提出其在寒區(qū)隧道保溫隔熱層應(yīng)用。

(2)8 cm厚的?；⒅楸厣皾{具有良好的保溫隔熱性能，可以減少自然氣候?qū)λ淼酪r砌結(jié)構(gòu)及圍巖溫度的影響，減輕其遭受凍融破壞的程度。

(3)當寒區(qū)隧道非凍土段所處地區(qū)年平均地溫低于0 ℃，該地區(qū)圍巖熱量損耗大于補給，隨著時間的推移，隧道圍巖整體溫度逐漸降低，單純設(shè)置保溫隔熱層往往無法避免隧道圍巖及排水系統(tǒng)在使用壽命期內(nèi)免遭凍結(jié)。

(4)寒區(qū)隧道非凍土段初始地溫對隧道圍巖溫度影響明顯，初始地溫越高，隧道首次經(jīng)受凍融時間越遲，更有利于隧道圍巖免遭凍融循環(huán)的影響。

(5)寒區(qū)隧道非凍土段所處區(qū)域氣候年平均溫度對隧道圍巖溫度變化影響明顯，且兩者差值越大，影響越顯著。當隧道所處區(qū)域年平均氣溫高于圍巖表面初始低溫時，對于非凍土段隧道的設(shè)計，應(yīng)以確保圍巖第一個冬季不經(jīng)受凍融循環(huán)為原則，由此計算出的保溫隔熱層厚度可滿足壽命期內(nèi)圍巖免遭凍融循環(huán)的要求。當隧道所處區(qū)域平均氣溫低于初始低溫時，宜按照實際情況進行計算，必要時進行輔助升溫。

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Analysis of Thermal Insulation Effect of Glazed Hollow Bead Mortar in Cold Region Tunnels

JI Hai-feng, LI Zhu, HUO Ying-tao, CHAI Li-juan

(College of Architecture and civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In view of the fact that the thermal insulation materials generally used in the cold region tunnels have many shortcomings, this paper recommends the application of thermal insulation glazed hollow bead mortar in cold region tunnels in the light of its physical and mechanical properties. With reference to engineering practices, finite element calculation is employed to study the insulation effect of the glazed hollow bead mortar, and assess the factors affecting the temperature field of the surrounding rock of the tunnel. The results show that the glazed hollow bead mortar with 8cm thickness has good heat insulation performance, and the influence of nature climate is reduced. The research results serve to promote its future application.

Tunnels in cold region; Non frozen section; Thermal insulation glazed hollow bead mortar; Initial temperature; Finite element analysis

2014-10-27；

2014-11-12

教育部高等院校博士點基金資助(20101402120007)

季海峰(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：849691627@qq.com。

1004-2954(2015)08-0118-04

U454

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.025