汪智慧，張雨濃，佘小康，董福瑞，王述紅

(1.中國建筑東北設計院有限公司， 遼寧 沈陽 110055；2.東北大學 資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

隨著我國大力發(fā)展冰雪事業(yè)，為了改變我國冰雪項目運動的成績水平，以及迎接2022年冬奧會的到來，冰雪運動項目的訓練保障成為重中之重，我國氣候中，只有北方冬季時期，溫度到達0℃以下時，才能夠進行冰雪運動項目的訓練，對于成績的取得以及民眾對于冰雪運動項目的認知是遠遠不夠的。那么我國現(xiàn)如今需要一條能夠為優(yōu)秀運動員提供訓練保障的一條四季越野滑雪隧道，同時也可為國外高水平運動員訓練提供幫助，促進交流與合作。四季越野隧道的施工建成應本著節(jié)能環(huán)保、消耗少，應在現(xiàn)有廢棄隧道基礎上進行改進隧道開挖，由于四季越野滑雪隧道為保持隧道內(nèi)部積雪不融化，隧道內(nèi)部溫度常年保持負溫狀態(tài)下，但負溫情況對隧道圍巖凍害現(xiàn)象極為嚴重，對于隧道所在山體的環(huán)境影響也極為巨大，所以對隧道保溫措施的實施極為重要。結合吉林市船營區(qū)四季越野滑雪隧道的實際工程經(jīng)驗，對四季越野滑雪隧道建設圍巖保溫措施進行了研究，提供了切實可行的施工方法，對我國以后四季越野滑雪隧道的建設提供可行的借鑒和參考。

1 工程概況

我國首座四季越野滑雪隧道位于吉林省吉林市船營區(qū)，隧道工程為原北山人防工程原址上改建，四季越野滑雪隧道總長為1.308 km，人防工程總長度為1.8 km。滑雪隧道為世界第四座、亞洲首座室內(nèi)四季越野滑雪場地，為既有山體中人防洞室改擴建工程，具有設計無專業(yè)規(guī)范、無同類案例借鑒、線路平面及高程設計復雜、使用功能特殊等特點。隧道綜合熱回收技術、隧道內(nèi)造雪方式、智能化控制、消防設計、人防設計等方面進行突破性研究，應用新技術新產(chǎn)品，研究新標準。建成后的四季越野滑雪隧道專業(yè)雪道1 308 m，寬度為8 m，有效高度為4 m，最大坡度為8°，總體線路1/3上坡、1/3下坡、1/3平坡，最低點與最高點相差21.3 m，為保證隧道內(nèi)積雪不融化將在-6℃條件下運營，采取的方式為利用乙二醇在隧道內(nèi)降溫，造雪技術為噴射水霧，由于溫度在負溫，研究保溫措施就極為重要。

2 四季越野滑雪隧道熱傳導模型

2.1 保溫隔熱材料及模型選取

隧道在負溫空氣熱傳導作用下，圍巖中的水會發(fā)生水冰相變產(chǎn)生凍脹，隧道的保溫措施目的在于使隧道圍巖不發(fā)生凍結(即隧道的圍巖表面處的溫度≥0℃)，在施工設計中加入保溫隔熱層的方式有兩種，分別在一襯與二襯之間保溫隔熱，或者在二襯外敷設保溫隔熱層[1]。其隧道模型簡化示意圖如圖1所示。

圖1四季越野滑雪隧道模型簡化示意圖

針對四季越野滑雪隧道的凍害問題，保持圍巖的原始狀態(tài)，需要對四季越野滑雪隧道的圍巖進行保溫。常見的隧道保溫材料的主要性能指標如表1所示[2]。

表1 隧道保溫材料的主要性能指標

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，聚氨酯的密度為最小，其耐冷性能良好，四季越野滑雪隧道為一個密閉的空間，如果發(fā)生火災后果特別嚴重，所以保溫材料的防火性能也是隧道的重要指標，同樣對于保溫材料的阻燃性要求高，所以選擇加入阻燃劑的聚氨酯為隧道的保溫隔熱材料。

當隧道建設完成后，負溫空氣在隧道內(nèi)流通將與之發(fā)生熱交換，其熱交換過程分為兩個過程，第一部分為隧道襯砌與負溫空氣發(fā)生對流換熱，第二部分為隧道內(nèi)部固體與固體之間的熱傳導過程[3-6]，如圖2所示。

圖2四季越野滑雪隧道熱傳導示意圖

圖3四季越野隧道一維圓筒壁模型

其中，Ⅰ部分發(fā)生對流換熱，Ⅱ部分(襯砌及支護部分)與圍巖發(fā)生熱傳導。

2.2 隧道模型基本假定

(1) 為了便于計算、獲得隧道圍巖傳熱的解析解，四季越野滑雪隧道視為圓形隧道。

(2) 認為隧道各層之間完全接觸，忽略各部分接觸處熱阻。

(3) 隧道的圍巖具有相同的初始溫度。

3 四季越野滑雪隧道保溫隔熱層性能比較分析

3.1 隧道圍巖熱流量計算

當隧道開挖完成后，無保溫隔熱層情況下，負溫空氣在隧道內(nèi)會與圍巖發(fā)生對流換熱，隧道圍巖壁處有加熱裝置，使其圍巖溫度始終維持在2℃，其熱流量公式如下：

Q=Q1+Q2

(1)

式中：Q為隧道內(nèi)負溫空氣與圍巖對流換熱總熱流量；Q2為隧道內(nèi)負溫空氣通過保溫隔熱層對流換熱到圍巖的熱流量；Q1為隧道圍巖電伴熱系統(tǒng)發(fā)熱功率。則：Q2=Q-Q1為我們實際所求解數(shù)值。

以隧道無保溫層為例，氣溫在一年中的溫度如圖4所示[7-10]。

圖4四季越野滑雪隧道一年內(nèi)溫度示意圖

四季越野滑雪隧道在無保溫隔熱層情況下，其隧道圍巖凍結深度Hu,f由斯蒂芬公式確定，即：

(2)

式中：λu,f為已凍土的導熱系數(shù)，W/(m·℃)；∑Tu,f為凍結指數(shù)，即為圍巖的正、負積溫，℃·d；Qu,f為單位體積土的相變潛熱，J/m3。

對于單位體積土融化或凍結時的相變潛熱Qu,f，即：

Qu,f=Lρd(W-Wi,u)

(3)

式中：L為水結冰的相變潛熱，工程中一般取數(shù)值333.56 kJ/kg；ρd為土體的干密度，kg/m3；W為土中的總含水率；Wi,u為凍土中的寒冰量。

四季越野滑雪隧道其圍巖為碎石土，密度為ρd=2 200 kg/m3，其圍巖導熱系數(shù)為1.28 W/(m·℃)，則Qu,f數(shù)值為733.832 W。

要計算凍結深度，必須先求出圍巖的負積溫∑Tf，由圖4可知，陰影部分面積就是圍巖的負積溫。兩點坐標分別為(1，-6)，(365，-6)。則陰影部分面積的數(shù)值為-2 184 ℃·d，即為圍巖的負積溫。根據(jù)求解的Qu,f∑Tf的數(shù)值代入公式(2)中，則Hu,f=2.76 m。

隧道洞內(nèi)常年負溫，圍巖深度取凍結深度，設隧道是當量半徑為r、凍結深度為Hu,f的圓筒壁，未鋪設隔熱層，計算其熱流量Q2，其計算公式即：

(4)

式中：ΔT為圓筒壁兩側的溫差，℃；L為隧道的長度，m；r=(開挖高度+開挖寬度)/4，m。則熱流量Q2的數(shù)值計算為：Q2=-3.04×104W。

3.2 隧道保溫隔熱層在一襯與二襯之間性能分析

四季越野滑雪隧道加入保溫隔熱層后相當于多層圓筒壁模型[11-15]，其導熱熱流量公式為：

(5)

式中：λi表示隧道導熱系數(shù)；ri表示隧道模型多層圓筒壁半徑；l表示隧道長度；ΔT表示隧道內(nèi)壁到圍巖壁處溫度差。

當保溫隔熱層在一襯與二襯之間時，為公式(5)中n=4時，其熱流量計算公式即：

(6)

式中：r1表示隧道內(nèi)壁半徑；r2表示二次襯砌外邊緣半徑；r3表示為隧道保溫隔熱層外邊緣半徑；r4表示隧道二次襯砌與圍巖交界處半徑。λ1、λ2、λ3分別表示二次襯砌、隧道保溫隔熱層、一次襯砌的熱傳導系數(shù)。

其中四季越野滑雪隧道熱流量為3.04×104W，二次襯砌厚度為0.3 m，一次襯砌厚度0.05 m。其襯砌為C30混凝土，導熱系數(shù)為1.28 W/(m·℃)，保溫隔熱層聚氨酯導熱系數(shù)為0.03 W/(m·℃)，設保溫隔熱層聚氨酯厚度為r0，則r1=5 m，r2=5.3 m，r3=5.3+r0，r4=5.35+r0。則溫度差與保溫隔熱層厚度公式，即：

(7)

圍巖表面溫度與保溫隔熱層厚度之間關系如圖5所示。

圖5保溫隔熱層厚度與圍巖溫度關系

3.3 隧道保溫隔熱層在二襯表面性能分析

當保溫隔熱層在隧道二次襯砌表面時，設保溫隔熱層聚氨酯厚度為r0，則r1=5-r0，r2=5+r0，r3=5.3+r0，r4=5.35+r0則根據(jù)公式(7)得圍巖溫度與保溫隔熱層之間的關系如圖6所示。

圖6保溫隔熱層厚度與圍巖溫度關系

同一保溫隔熱層厚度條件下，不同敷設位置對圍巖壁的溫度影響如圖7所示。

由圖7可以得出，溫度變化趨勢明顯的為保溫隔熱層敷設在二襯表面，且效果明顯。保溫隔熱層敷設在二次襯砌表面時效果最佳。

圖7兩種情況下保溫隔熱層效果分析比較

4 結 論

以我國首座室內(nèi)四季越野滑雪場為例，其隧道洞室內(nèi)保持-6℃低溫條件，會對隧道圍巖產(chǎn)生凍害效果，影響圍巖穩(wěn)定性，需對四季越野隧道敷設保溫隔熱層。本文分別分析了保溫隔熱層敷設在一次襯砌與二次襯砌之間時及二次襯砌表面時兩種情況，得出結論保溫效果隨著保溫隔熱層的厚度增加效果更為理想，敷設在二次襯砌表面效果優(yōu)于敷設在一次襯砌與二次襯砌之間，為我國其他滑雪隧道保溫措施提供借鑒。