張玉偉,謝永利,2,李又云.2,趙飛舟

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；3.四川俄崗公路工程建設(shè)有限責(zé)任公司 瓦九分公司，四川 成都 610041)

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寒區(qū)隧道合理保溫型式及保溫效果試驗(yàn)

張玉偉1,謝永利1,2,李又云1.2,趙飛舟3

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；3.四川俄崗公路工程建設(shè)有限責(zé)任公司 瓦九分公司，四川 成都 610041)

寒區(qū)隧道常常受到凍融循環(huán)破壞，合理的保溫型式能有效減小隧道凍害發(fā)生。在實(shí)測溫度場基礎(chǔ)上根據(jù)凍土學(xué)原理，運(yùn)用Stephen公式推導(dǎo)圍巖最大凍結(jié)深度，并結(jié)合傳熱學(xué)中等效厚度換算法推導(dǎo)內(nèi)置式和外置式保溫層厚度計(jì)算公式，進(jìn)行對比分析，結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算得到圍巖凍深為2.62 m，內(nèi)置式和外置式保溫層厚度分別為3.54 cm和4.61 cm，內(nèi)置式保溫型式更經(jīng)濟(jì)。運(yùn)用自主研發(fā)的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_展了環(huán)境溫度-12.5 ℃無保溫層、-12.5 ℃內(nèi)置3.5 cm聚氨酯保溫層、-20 ℃內(nèi)置3.5 cm聚氨酯保溫層3組工況試驗(yàn)。結(jié)果表明：環(huán)境溫度-12.5 ℃未設(shè)保溫層時(shí)圍巖將會(huì)逐漸凍結(jié)，內(nèi)置式3.5 cm聚氨酯保溫層保溫效果良好；環(huán)境溫度-20 ℃內(nèi)置式3.5 cm聚氨酯保溫層保溫效果變差但仍能滿足短期圍巖不發(fā)生凍結(jié)。研究結(jié)果可為寒區(qū)隧道保溫設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

寒區(qū)隧道；凍結(jié)深度；保溫型式；等效厚度換算法；模型試驗(yàn)

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，我國經(jīng)歷了青藏鐵路修建的大高潮，建成了許多寒區(qū)隧道，推動(dòng)了寒區(qū)隧道工程的發(fā)展，在溫度場[1-3]、凍脹力[4-7]及保溫設(shè)計(jì)方面[8-9]均取得了階段性的成果。寒區(qū)隧道保溫設(shè)計(jì)一直是備受關(guān)注的焦點(diǎn)之一[10]，保溫效果直接關(guān)系到凍脹力大小，影響著隧道的長期服役性能和運(yùn)營安全。陳建勛等[11-12]利用等效厚度換算法、氣象解析法和有限元模擬計(jì)算法，分別計(jì)算并對比分析了保溫層最佳設(shè)防厚度；謝紅強(qiáng)等[13]運(yùn)用Ansys有限元分析的方法，對不同材料及厚度保溫材料性能進(jìn)行對比分析，并現(xiàn)場跟蹤測試了溫度場分布，給出了合適的寒區(qū)隧道保溫層材料及厚度；張耀等[14]運(yùn)用采用當(dāng)量換算法給出了保溫層厚度的計(jì)算公式，并依托風(fēng)火山隧道進(jìn)行了深入分析，為寒區(qū)隧道保溫層厚度設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)；晏啟祥等[15]依托某寒區(qū)隧道工程，分析了隧道保溫厚度為0.0，3.0 cm時(shí)二次襯砌及周邊圍巖溫度的變化過程，并研究了溫度應(yīng)力分布及對混凝土的影響，評價(jià)了保溫層的保溫效果；范東方等[16]用有限元法對隔熱保溫層表面鋪設(shè)、夾層鋪設(shè)以及離壁式鋪設(shè)下的圍巖溫度場進(jìn)行了模擬，從保溫效果對3種隔熱保溫層鋪設(shè)方式進(jìn)行了對比；周元輔等[17]根據(jù)多年凍土特點(diǎn)，推導(dǎo)了多年凍土隧道隔熱層的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，并分析了隔熱層用于多年凍土隧道的合理性和經(jīng)濟(jì)性；馮強(qiáng)等[18]建立保溫層厚度計(jì)算模型，采用Laplace積分變換的方法得到了沒有相變發(fā)生時(shí)寒區(qū)隧道溫度場的解析算法。可以看出，目前針對寒區(qū)隧道保溫的主要研究為理論分析及有限元分析確定單一型式(內(nèi)置式或外置式)保溫層厚度并分析保溫效果，對于保溫型式合理性研究較少，且真實(shí)保溫效果室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證資料較缺乏。本文通過理論分析角度確定合理保溫型式，并通過幾組室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可靠性。首先通過寒區(qū)隧道溫度場測試，得到環(huán)境溫度場變化規(guī)律，根據(jù)凍土學(xué)基本原理，采用Stephen公式推導(dǎo)圍巖凍結(jié)深度，并通過圍巖溫度測試資料得到了初步驗(yàn)證，然后結(jié)合傳熱學(xué)原理采用等效厚度計(jì)算法推導(dǎo)不同保溫模型下(內(nèi)置式和外置式)的保溫層厚度計(jì)算公式，并結(jié)合具體工程實(shí)例計(jì)算了內(nèi)置式保溫層設(shè)防厚度，對2種保溫型式合理性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比。然后采用室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法，運(yùn)用自行研制的寒區(qū)隧道溫度場試驗(yàn)?zāi)Ｐ停_展了環(huán)境溫度-12.5 ℃時(shí)無保溫層、環(huán)境溫度-12.5 ℃時(shí)內(nèi)置3.5 cm聚氨酯保溫層、環(huán)境溫度-20 ℃內(nèi)置3.5 cm聚氨酯保溫層3種工況試驗(yàn)，得到不同工況下溫度沿隧道襯砌至圍巖的徑向變化規(guī)律，對內(nèi)置式保溫層厚度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。最后給出合適的保溫材料和保溫層厚度，從理論分析的角度確定保溫層設(shè)置的合理型式，結(jié)果可為寒區(qū)隧道保溫層厚度設(shè)計(jì)提供參考。

1　不同型式的保溫層厚度計(jì)算

1.1環(huán)境溫度場測試

結(jié)合某寒區(qū)隧道，現(xiàn)場布置了5個(gè)溫度測試斷面，采用溫度傳感器分別對環(huán)境溫度進(jìn)行了長期測試，測試方案如圖1。

圖1　環(huán)境溫度測試斷面布置Fig.1 Test section layout of environment temperature

圖2　環(huán)境溫度實(shí)測值Fig.2 Measured value of environment temperature

環(huán)境溫度測試結(jié)果如圖2，可看出環(huán)境溫度隨時(shí)間呈正弦函數(shù)規(guī)律變化，參照文獻(xiàn)[6]中方法環(huán)境溫度可用下式表達(dá):

(1)

其中：Tm為斷面處平均溫度；T0襯砌表面平均溫度；A0為溫度振幅；t為時(shí)間；t0為相位。為了便于后續(xù)公式推導(dǎo)，忽略相位變化(相位不影響凍結(jié)指數(shù)的計(jì)算)可將環(huán)境溫度簡化為余弦函數(shù)表示為：

(2)

圖3　襯砌表面溫度變化Fig.3 Temperature change of lining surface

1.2圍巖凍結(jié)深度

圍巖凍結(jié)深度可由現(xiàn)場實(shí)測法得到，但是現(xiàn)場儀器單點(diǎn)布設(shè)，很難精確測得凍結(jié)深度，且考慮到現(xiàn)場測試的復(fù)雜性，現(xiàn)采用理論分析予以確定。在季凍區(qū)圍巖的凍結(jié)深度可由Stephen公式確定：

(3)

Qw=qρd(ω-ωf)

(4)

式中：hw為圍巖凍結(jié)深度；λw為圍巖導(dǎo)熱系數(shù)；∑Tw為圍巖凍結(jié)指數(shù)；Qw為圍巖單位體積相變潛熱；q為水結(jié)冰相變潛熱；ρd為圍巖干密度；ω為圍巖總含水率；ωf為凍結(jié)圍巖中含冰量。

由式(3)知要確定圍巖凍結(jié)深度關(guān)鍵是確定圍巖凍結(jié)指數(shù)∑Tw，圍巖凍結(jié)指數(shù)與襯砌表面溫度有關(guān)。季節(jié)性凍土區(qū)T0>0，隧道襯砌表面溫度變化如圖3，對陰影部分進(jìn)行積分即得到圍巖的凍結(jié)指數(shù)：

(5)

其中x1和x2分別為正負(fù)溫度臨界點(diǎn)。

(6)

(7)

聯(lián)立式(2)～(7)可得圍巖凍結(jié)深度：

(8)

1.3保溫層厚度計(jì)算

寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素之一就是確定合適的保溫層厚度，在季節(jié)凍土區(qū)，設(shè)置保溫層后有效防止圍巖的凍融，在多年凍土區(qū)，保溫層能夠防止圍巖融化對襯砌產(chǎn)生附加應(yīng)力。目前發(fā)展了多種保溫層計(jì)算方法，如等效厚度換算法、氣象解析法和有限元模擬計(jì)算法等，其中以等效量厚度換算法更為簡便實(shí)用，其計(jì)算如下：

假設(shè)圍巖凍結(jié)深度為hw時(shí)，圍巖中熱流量：

(9)

初支和二襯間設(shè)置厚度為δ的保溫層時(shí)，熱流量：

(10)

二襯表面設(shè)置厚度為δ的保溫層，熱流量：

(11)

聯(lián)立式(9)和式(10)，得初支和二襯之間設(shè)置保溫層方式(內(nèi)置式)保溫層厚度：

(12)

聯(lián)立式(9)和式(11)，得二襯表面設(shè)置(外置式)保溫層厚度：

(13)

其中：r為隧道當(dāng)量半徑；hw為凍結(jié)深度；he為襯砌厚度；L為隧道長度；δ為保溫層厚度；λw為圍巖導(dǎo)熱系數(shù)；λe為襯砌導(dǎo)熱系數(shù)；λb為保溫層導(dǎo)熱系數(shù)；ΔT為溫差。

由上分析知，保溫層設(shè)置型式不同所需的厚度不同，相同的保溫層厚度時(shí)不同的保溫型式保溫效果也不同，工程實(shí)際中在要求相同保溫效果條件下選擇合理的保溫型式具有重要意義。

1.4工程實(shí)例分析

某寒區(qū)公路隧道位于川西高原，海拔高程4 200 m，隧址區(qū)屬于青藏高原氣候，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶纸y(tǒng)計(jì)資料，年平均氣溫1.1 ℃，極端最高氣溫超過30 ℃，極端最低氣溫低于-20 ℃，多年平均降水量為906 mm，日最大降水量56.9 mm；隧址區(qū)為高原高山地貌，洞身K116+440～ K117+359段基巖裸露，地形陡峻，地形坡度30°～45°，局部更陡。隧址區(qū)域內(nèi)水系發(fā)育，主要有杜庫溝和克希隆兩大水系，杜庫溝為色烏絨作案支流，發(fā)源地海拔高程4 560 m，走向?yàn)橛赡舷蛭鞅?，水流量?.88 m3/s，流速為2.5 m/s，克希隆為九龍河右岸支流，流向?yàn)橛杀毕蚰希淼莱隹谔幩鎸捈s1.2～2 m，流量為0.43 m3/s，流速為2.8 m/s。

隧道保溫方案為：在隧道進(jìn)出口500 m范圍內(nèi)設(shè)置防凍保溫層，保溫層采用聚氨酯泡沫，導(dǎo)熱系數(shù)為0.022 W/(m·k)，圍巖導(dǎo)熱系數(shù)為1.160 W/(m·k)，隧道當(dāng)量半徑為4.9 m。由設(shè)計(jì)資料，平均氣溫T0為1.1 ℃，溫度振幅A為年溫度差一半取25 ℃，水結(jié)冰相變潛熱q為333.56 kJ/Kg，圍巖干密度ρd為2.35 kg/m3，圍巖總含水率ω為46.1%，凍結(jié)圍巖中含冰量ωf為41.7% ，計(jì)算參數(shù)見表1和表2。

表1　凍結(jié)深度計(jì)算參數(shù)

表2　保溫層計(jì)算參數(shù)

將各參數(shù)代入式(8)求得圍巖凍結(jié)深度為2.62 m，此值即為保溫層厚度計(jì)算中的圍巖凍結(jié)深度hw。根據(jù)分析知保溫層設(shè)置方式(內(nèi)置式和外置式)不同，所需要的厚度也是不同的，當(dāng)保溫層設(shè)置方式為內(nèi)置式時(shí)，由式(12)求得保溫層厚度為3.54 cm，當(dāng)保溫層設(shè)置方式為外置式時(shí)，由式(13)得保溫層厚度為4.61 cm，可以看出，同等條件下外置式所需的保溫層厚度要大于內(nèi)置式，即采用內(nèi)置式保溫層更加經(jīng)濟(jì)合理，與文獻(xiàn)[11]結(jié)論一致。上述理論分析結(jié)果確定了內(nèi)置式保溫模型更合理，但其真實(shí)保溫效果如何尚有待于驗(yàn)證，驗(yàn)證方式有現(xiàn)場實(shí)測和室內(nèi)試驗(yàn)，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果真實(shí)可靠但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，室內(nèi)試驗(yàn)是一種可行的驗(yàn)證方式，下面通過設(shè)計(jì)的室內(nèi)模型開展幾組工況試驗(yàn)，驗(yàn)證內(nèi)置式保溫型式的合理性和保溫效果。

2　模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1模型組成

模型主要由溫度模型箱、冷浴刻槽頂板和底板、循環(huán)冷浴系統(tǒng)(制冷設(shè)備及橡膠管)、自動(dòng)采集系統(tǒng)和保溫板等組成，依據(jù)實(shí)際情況，并考慮到試驗(yàn)拼裝過程中簡便性和可重復(fù)操作性，模型箱頂部為可拆卸結(jié)構(gòu)，箱體周圍保溫板均為自由裝配式，如圖4所示。

圖4　溫度場試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 Test model of temperature field

采用HC-2010型低溫恒溫槽對保溫箱溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，最低溫度可以控制在-30℃，乙二醇與水1∶1的比例混合組成冷卻液，冷卻液體的冰點(diǎn)可以達(dá)到-36.7℃。試驗(yàn)采用的SWD-809型自動(dòng)打印數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對十六路巡檢溫度測試儀連續(xù)監(jiān)控，定時(shí)打印得各測點(diǎn)溫度，并按要求進(jìn)行溫度校正。采用WZP-011型Pt100單支鉑熱電阻感應(yīng)元件作為測溫探頭(圖5)，測量范圍：-200～220 ℃，溫度分辨率：負(fù)溫0.01～0.005 ℃，正溫0.01～0.03 ℃，測量精度：0.05℃，傳感器外部用不銹鋼合金保護(hù)，防止銹蝕，可長期使用，傳感器引出導(dǎo)線長5 m。熱流計(jì)主要測試模型頂部熱流量的情況。

2.2試驗(yàn)原理與方案

2.2.1試驗(yàn)原理

考慮到隧道溫度在軸向變化很小，圍巖溫度傳導(dǎo)認(rèn)為只在徑向發(fā)生，簡化為一維熱傳導(dǎo)問題，因此本試驗(yàn)參考準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板的熱傳導(dǎo)問題來設(shè)計(jì)。模擬材料分別為：二次襯砌采用隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)號的混凝土，厚度采用隧道二次襯砌設(shè)計(jì)厚度50 cm；初期支護(hù)采用30 cm的噴射混凝土；模擬圍巖材料由隧道施工爆破產(chǎn)生的巖石塊體經(jīng)拼接后，細(xì)砂灌封處理得到，厚度選取為60 cm。由于試驗(yàn)條件限制，采取無限大平板是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此為保證達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板試驗(yàn)的預(yù)期效果，對模型頂層和底層及其周邊進(jìn)行了保溫處理，以保證測試材料層周邊傳熱對試驗(yàn)對象中心的影響可以忽略不計(jì)；并在各界面不同位置安裝溫度探頭進(jìn)行監(jiān)測，以便試驗(yàn)效果分析。模型溫度的控制依據(jù)現(xiàn)場隧道洞內(nèi)溫度的實(shí)測結(jié)果，并選取測試的最低溫度和極低環(huán)境溫度作為實(shí)際控制指標(biāo)，確定模擬溫度為-12.5 ℃(現(xiàn)場采集的溫度數(shù)據(jù)為隧道貫通之前的數(shù)據(jù)，洞內(nèi)外空氣未充分交換，溫度相對較高)和-20 ℃(極端低溫)，而模型底部即圍巖外層的初始控制溫度保持8 ℃，以用來模擬隧道圍巖初始溫度。

2.2.2試驗(yàn)方案

為了充分驗(yàn)證保溫層的效果，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)工況：環(huán)境溫度為-12.5 ℃無保溫層、內(nèi)置3.5 cm聚氨酯保溫層，環(huán)境溫度-20 ℃時(shí)內(nèi)置3.5 cm聚氨酯保溫層3中工況，工況設(shè)計(jì)如表3。

表3　模型試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中設(shè)置了WZP-011型溫度探頭來監(jiān)測圍巖溫度場變化，測點(diǎn)分別布置在典型斷面上，具體布設(shè)見圖6。

(a)無保溫層時(shí)測點(diǎn)布置；(b)內(nèi)置式保溫層測點(diǎn)布置圖6　不同工況溫度測點(diǎn)布置Fig.6 Arrangement of temperature measuring points of different conditions

2.3試驗(yàn)過程

試驗(yàn)中采用的模擬二襯、初支和圍巖均采用預(yù)制方式制作，在拼裝過程中為了保證兩兩之間緊密接觸，減小空氣層對傳熱的影響同時(shí)保護(hù)測溫元件，在各界面涂抹導(dǎo)熱性較好的凡士林；測溫元件的引線采用刻槽的方式引出，安裝完畢后進(jìn)行巡檢儀和測溫元件的校正。

初始圍巖溫度根據(jù)實(shí)測值取為8 ℃，試驗(yàn)開始前首先控制溫控鋁板溫度，使圍巖均勻達(dá)到恒溫8 ℃后進(jìn)行試驗(yàn)。對于未設(shè)置保溫層的工況，試驗(yàn)開始使頂部溫控鋁板降溫為-12.5 ℃，同時(shí)通過SWD-809型巡檢儀分別監(jiān)測各典型斷面的溫度變化，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)溫度穩(wěn)定后停止試驗(yàn)；同理，工況2和工況3分別按照相同的步驟測典型斷面的溫度變化。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1無保溫層溫度分析

試驗(yàn)首先進(jìn)行了環(huán)境溫度為-12.5 ℃時(shí)未設(shè)置保溫層條件下，徑向溫度場分布情況，各測點(diǎn)溫度隨測試時(shí)間變化如圖7，典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)下各測點(diǎn)溫度見表4。

圖7　環(huán)境溫度-12.5 ℃無保溫層時(shí)溫度變化Fig.7 Temperature change under no thermal insulation at -12.5 ℃

Table 4 Temperature of different time under no thermal insulation at -12.5 ℃

℃

分析圖7和表4可以看出，隨著測試時(shí)間增長各測點(diǎn)溫度均有不同程度降幅，測點(diǎn)1與溫控鋁板直接接觸溫度降低速率最快，在45 h基本穩(wěn)定在-12.5 ℃左右；由于未設(shè)置保溫層，測點(diǎn)2與測點(diǎn)1只隔50 cm混凝土，受測點(diǎn)1影響隨著時(shí)間的增長溫度也逐漸降低，在80 h基本穩(wěn)定為-6.1 ℃左右；測點(diǎn)4在開始一段溫度變化很小，50 h左右開始降溫160 h溫度基本穩(wěn)定為-4.3 ℃左右，測點(diǎn)5從80 h左右開始降溫，在200 h時(shí)基本穩(wěn)定-2.1 ℃左右。因此，環(huán)境溫度為-12.5 ℃不設(shè)置保溫層的條件下，低溫時(shí)間足夠長時(shí)，測點(diǎn)1～測點(diǎn)5均變?yōu)樨?fù)溫發(fā)生凍結(jié)，距離二次襯砌表面越近的測點(diǎn)最終溫度越低，因此寒區(qū)隧道設(shè)置合適的保溫層是必要的。

3.2內(nèi)置式保溫層溫度分析

試驗(yàn)根據(jù)理論計(jì)算得到的結(jié)果，保溫層擬采用3.5 cm厚的聚氨酯泡沫，保溫層方式與實(shí)體工程一致采用內(nèi)置式，并為了研究環(huán)境溫度對保溫效果的影響，分別模擬了環(huán)境溫度為-12.5 ℃和極端環(huán)境低溫-20 ℃條件下溫度場分布，測試結(jié)果如圖8～9，2種工況下典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度見表5～6。

圖8　環(huán)境溫度-12.5 ℃內(nèi)置保溫層時(shí)溫度變化Fig.8 Temperature change under built-in-thermal insulation at -12.5 ℃

Table 5 Temperature of different time under built-in-thermal insulation at -12.5 ℃

℃

分析圖8和表5可看出，環(huán)境溫度為-12.5 ℃時(shí)，測點(diǎn)1與溫控鋁板直接接觸迅速降溫且50 h穩(wěn)定在-12.5 ℃左右，測點(diǎn)2與測點(diǎn)1只相隔50 cm后的混凝土層，因此隨著時(shí)間推移溫度逐漸降低，在70 h時(shí)基本穩(wěn)定在-6 ℃左右，由于在二次襯砌和初期支護(hù)之間設(shè)置了3.5 cm聚氨酯保溫層，測點(diǎn)3至測點(diǎn)5雖然有一定幅度降溫，但最終仍保持為正溫，測試時(shí)間200 h測點(diǎn)3最低溫度為4.6 ℃，測點(diǎn)5為7.8 ℃，說明保溫效果較好，采用內(nèi)置保溫層圍巖深度達(dá)到60 cm時(shí)認(rèn)為其溫度基本不受影響。

圖9　環(huán)境溫度-20 ℃內(nèi)置保溫層時(shí)溫度變化Fig.9 Temperature change under built-in-thermal insulation at -20 ℃

分析圖9和表6，環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，同理測點(diǎn)1迅速降溫且穩(wěn)定在-20 ℃左右、測點(diǎn)2溫度逐漸降低穩(wěn)定在-10℃左右。同樣內(nèi)置3.5 cm聚氨酯保溫層，受低溫影響測點(diǎn)3降溫效果更明顯，160 h基本穩(wěn)定為1.1 ℃左右，測點(diǎn)4測點(diǎn)5溫度降低不明顯，測點(diǎn)4在150 h溫度穩(wěn)定在4.1 ℃左右，測點(diǎn)5在200 h時(shí)溫度穩(wěn)定為6.4 ℃左右，可認(rèn)為即使在極端低溫-20 ℃條件下，采用內(nèi)置式3.5 cm聚氨酯泡沫能保證圍巖不發(fā)生凍結(jié)。

表6-20 ℃內(nèi)置保溫層典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度

Table 6 Temperature of different time under built-in-thermal insulation at -20℃ ℃

時(shí)間/h04080120160200測點(diǎn)18-18.9-19.4-19.3-19.5-19.7測點(diǎn)28-3.2-10-10.5-10.1-10.3測點(diǎn)387.24.22.52.12.3測點(diǎn)4887.55.64.14測點(diǎn)5887.97.26.56.4

表7不同工況不同測點(diǎn)最低溫度

Table 7 Minimum temperature of different measurement points under different condition ℃

測點(diǎn)12345-12.5℃無保溫層-12.4-6.2—-4.3-2.1-12.5℃內(nèi)置聚氨酯-12.5-6.34.67.17.8-20℃內(nèi)置聚氨酯-19.7-10.30.946.4

表7給出了不同工況下各個(gè)測點(diǎn)穩(wěn)定后的溫度值，可以看出環(huán)境溫度-12.5 ℃時(shí)，不設(shè)置保溫層條件下測點(diǎn)3～測點(diǎn)5均為負(fù)溫，說明無保溫層時(shí)隨著時(shí)間推移圍巖會(huì)逐漸凍結(jié)，同時(shí)也說明了設(shè)置保溫層的必要性；環(huán)境溫度-12.5 ℃內(nèi)置3.5 cm聚氨酯保溫層時(shí)，測點(diǎn)3溫度最低為4.6 ℃，測點(diǎn)5溫度基本不受影響最低為7.8 ℃，說明環(huán)境溫度-12.5 ℃時(shí)內(nèi)置3.5 cm聚氨酯保溫層的保溫效果較好；環(huán)境溫度-20 ℃內(nèi)置3.5 cm聚氨酯保溫層時(shí)，測點(diǎn)3最低溫度為0.9℃接近于凍結(jié)，但是測點(diǎn)4最低為4 ℃，測點(diǎn)5最低為6.4 ℃，仍然可認(rèn)為圍巖短期內(nèi)不發(fā)生凍結(jié)，但是測點(diǎn)3溫度接近0 ℃，凍融循環(huán)條件下其長期保溫效果如何尚需研究。

另外，由于采用內(nèi)置式保溫層測點(diǎn)2溫度均會(huì)受到環(huán)境溫度的影響低至負(fù)溫，二襯混凝土?xí)艿降蜏貎鋈谟绊?，但是測點(diǎn)2溫度不會(huì)降低至環(huán)境溫度，也說明二襯混凝土具有一定保溫效果，從某種意義上說也解釋了要達(dá)到相同的保溫效果，外置式保溫層厚度要大于內(nèi)置式保溫層厚度。因此采用內(nèi)置式保溫型式可以利用二襯混凝土的保溫性提高整體保溫效果，但應(yīng)提高二襯混凝土的抗凍性能，如摻加外加劑等，綜上述，建議極端低溫不低于-20 ℃的寒區(qū)隧道采用內(nèi)置式保溫模型，聚氨酯保溫層厚度可取3.5 cm，同時(shí)考慮二襯混凝土宜采用高抗凍混凝土。

4　結(jié)論

1)在實(shí)測溫度場基礎(chǔ)上通過凍土學(xué)原理中Stephen公式確定了圍巖凍結(jié)深度，采用等效厚度法推導(dǎo)了寒區(qū)隧道不同保溫型式(內(nèi)置式和外置式)下保溫層設(shè)防厚度的計(jì)算公式；并結(jié)合工程實(shí)例，計(jì)算得到了某寒區(qū)隧道圍巖凍深為2.62 m，內(nèi)置式和外置式保溫層設(shè)防厚度分別為3.54 cm和4.61 cm，采用內(nèi)置式保溫型式更為經(jīng)濟(jì)。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明，未設(shè)保溫層時(shí)隨著低溫時(shí)間增長圍巖會(huì)逐漸發(fā)生凍結(jié)，采用內(nèi)置式3.5 cm聚氨酯保溫層，-12.5 ℃時(shí)測點(diǎn)3穩(wěn)定溫度為4.6 ℃，保溫效果明顯，極端低溫-20 ℃時(shí)，短時(shí)間內(nèi)能保證圍巖不凍結(jié)，進(jìn)一步驗(yàn)證了內(nèi)置式保溫型式合理性。

3)隧道環(huán)境溫度和保溫層厚度對保溫效果有明顯影響，相同環(huán)境溫度條件下設(shè)置保溫層能起到顯著保溫作用；相同保溫層厚度條件下環(huán)境溫度越低圍巖影響深度越大，穩(wěn)定后圍巖溫度越低，保溫效果越差。

4)同等條件下，保溫層內(nèi)置式保溫效果優(yōu)于外置式，但內(nèi)置式保溫型式無法對二襯混凝土保溫，采用此種保溫方式應(yīng)綜合考慮二襯混凝土的抗凍性。

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Rationality of heat preservation mode in cold region tunnels and model test verification

ZHANG Yuwei1, XIE Yongli1,2, LI Youyun1,2, ZHAO Feizhou3

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China;2. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China;3.Wajiu Branch Sichuan Egang Highway Construction Limited Liability Company, Chengdu 610041, China)

Cold region tunnels are often destroyed by freeze-thaw cycles, setting appropriate thermal insulation layer can effectively reduce the occurrency of tunnel freezing injury. According to the principle of frozen soil, and the stephen formula, the maximum freezing depth of surrounding rock was calculated. Combining with the equivalent thickness conversion method, the calculation formula of the thickness of insulation layer was deduced. Based on the engineering example, calculated thickness of built-in thermal insulation layer is 3.23cm. Using the independent Indoor model testing 3 groups working condition of experiment, the environment temperature is -12.5 ℃ no thermal insulation layer, -12.5 ℃ built-in 3.5 cm polyurethane thermal insulation layer, and 20 ℃ built-in 3.5cm polyurethane thermal insulation layer, verifying the theoretical calculation value. The results show that the environment temperature is -12.5 ℃ surrounding rock frozen without thermal insulation layer, built-in 3.5 cm polyurethane insulation heat preservation effect is good; When the environment temperature -20 ℃ built-in 3.5 cm polyurethane insulation heat preservation effect variation but can still meet the short-term surrounding rock not freeze. The results can provide evidence for design of cold region tunnels.

cold region tunnels; frozen depth; heat preservation mode; the equivalent thickness conversion method; model test

2015-10-30

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2011318797600)；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2015 319 812 140)；四川省交通廳科技項(xiàng)目(2012C5-3)

張玉偉(1989-)，男，山東淄博人，博士研究生，從事隧道工程研究；E-mail：1032659676@qq.com

U 45

A

1672-7029(2016)08-1569-09