郭沛，傅宇浩，韓猛，李哲

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；2.空間信息應(yīng)用與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100089 3.長安大學公路學院，西安 710064）

隨著我國大西北建設(shè)浪潮的興起，在高海拔高緯度寒冷地區(qū)修建大量的公路隧道是必不可少的，由于高海拔寒冷地區(qū)特殊的地理環(huán)境，隧道結(jié)構(gòu)的抗防凍能力要求非常高，而現(xiàn)有的保溫材料設(shè)計并不能滿足實際需求，所以對保溫材料的研究十分必要。

通過對寒區(qū)隧道大量病害的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，病害的產(chǎn)生與隧道圍巖溫度場的分布有著密切聯(lián)系。針對高海拔寒區(qū)隧道溫度場，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量研究：國際隧道協(xié)會前主席埃納爾·布羅赫（Einar Broch，挪威）通過采用雙層襯砌保溫技術(shù)處理，通過在上羽晃隧道中襯砌與保溫層之間加設(shè)空氣層來增強隧道保溫效果。鐵道部第三勘察設(shè)計院的乜鳳鳴通過對位于多年凍土段鐵路隧道氣溫狀態(tài)，給該地區(qū)隧道防凍及排水設(shè)計提供參考。鐵道部第一勘察設(shè)計院的黃雙林等結(jié)合昆侖山隧道的基本情況，提出寒區(qū)隧道的保溫隔熱的設(shè)計方法。中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室的賴遠明等通過對大坂山隧道洞口設(shè)置保溫門、洞內(nèi)設(shè)置保溫層及在洞外進出口處加設(shè)保溫防雪棚后，對現(xiàn)場溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，并對不同保溫效果進行了對比和評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)安裝防寒保溫門比防雪棚的保溫效果顯著。雖然高海拔寒冷地區(qū)隧道的保溫抗防凍及排水問題研究不少，但是由于現(xiàn)場地質(zhì)情況較為復(fù)雜，影響隧址區(qū)環(huán)境溫度的因素較多，致使很多隧道的防凍設(shè)計具有盲目性，沒有明確的保溫與排水設(shè)計標準，一些設(shè)計和施工措施較難從根本上解決防凍問題。

針對以上問題，本文基于現(xiàn)場實測溫度，運用熱流量公式反推算出運營期隧道的保溫鋪設(shè)厚度，得到了隧道各分區(qū)段及過渡段保溫材料的布設(shè)厚度。研究結(jié)果可以有效減小寒區(qū)隧道襯砌和圍巖的凍結(jié)，為類似寒區(qū)隧道工程保溫材料的施工和設(shè)計提供一定的參考和借鑒。

一、保溫材料設(shè)計理論

（一）基本假設(shè)

（二）保溫層厚度計算方法

圖1 隧道圍巖溫度場示意圖

圖2 有襯砌保溫層計算工況

二、工程實例

（一）工程概況

（二）計算過程

1.計算基本參數(shù)

表1 大坂山和紅土山隧道保溫層計算基本參數(shù)

圖3 大坂山隧道最冷測試溫度與進深的關(guān)系

圖4 紅土山隧道冷期與進深的關(guān)系曲線

根據(jù)公式（1）～（4），可以求出隧道進口和出口的保溫層厚度，表3和表4分別為大坂山隧道進口和出口的溫度計算結(jié)果，通過上表3和表4可知，如果以二襯表面溫度（Tb＞0）作為保溫層設(shè)防厚度的參考值，進、出口保溫層設(shè)防厚度的最小值為90mm和110mm；當以初襯表面溫度（Ts＞0）作為保溫層設(shè)防厚度時，進、出口保溫層設(shè)防厚度為80mm和100mm。表5和表6為分別為紅土山隧道進口和出口的溫度計算結(jié)果。通過上表5和表6可以得知，對于紅土山隧道而言，如果以二襯表面的溫度（Tb＞0）作為保溫層設(shè)防厚度的參考值，進、出口保溫層設(shè)防厚度的最小值為75mm和60mm；當以初襯表面溫度（Ts＞0）作為保溫層設(shè)防厚度時，進、出口保溫層設(shè)防厚度為65mm和55mm。

表2 不同隧道氣溫隨進深函數(shù)關(guān)系式

表3 進口處界面溫度計算結(jié)果（大坂山隧道）

表4 出口處界面溫度計算結(jié)果（大坂山隧道）

表5 進口處界面溫度計算結(jié)果（紅土山隧道）

表6 出口處界面溫度計算結(jié)果（紅土山隧道）

三、理論值、設(shè)計值與優(yōu)化值比較

（一）實際保溫層厚度

見表7。

（二）計算保溫層厚度

見表8。

（三）優(yōu)化后保溫層厚度

如果以二襯表面及初襯表面溫度大于0℃作為設(shè)置的依據(jù)，不同區(qū)段的保溫層設(shè)置如下：對隧道沿軸向溫度分布區(qū)域劃分，依據(jù)對隧道軸向分區(qū)變化形式給出函數(shù)關(guān)系式，分別對隧道各斷面進行保溫層設(shè)置。針對紅土山隧道，根據(jù)隧道現(xiàn)場測試分區(qū)及現(xiàn)場冷期中間段的氣溫大于0℃，將隧道沿軸向溫度變化分為3個函數(shù)表達式，在計算保溫層厚度時，應(yīng)充分利用現(xiàn)場條件。表9和表10分別為大坂山和紅土山隧道優(yōu)化后的軸向保溫層布設(shè)厚度，具體結(jié)果見表9和表10。

表7 現(xiàn)場隧道實際采用保溫設(shè)防段落長度

表8 隧道計算保溫設(shè)防段落長度

表9 大坂山隧道軸向保溫層布設(shè)厚度（單位：mm）

表10 紅土山隧道軸向保溫層布設(shè)厚度（單位：mm）

圖9 大坂山隧道保溫層設(shè)防段落示意圖

圖10 紅土山隧道保溫層設(shè)防段落示意圖

圖9和圖10給出了大坂山隧道和紅土山隧道按縱向溫度分區(qū)相應(yīng)的保溫設(shè)防長度和厚度，并給出了兩個分區(qū)之間過渡段的保溫層設(shè)防段落值。通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可知，大坂山隧道在冷期洞內(nèi)氣溫都處在負溫環(huán)境下，需要全長布設(shè)保溫層；而對于紅土山隧道，隨著隧道長度的增加，穩(wěn)定區(qū)的氣溫較高，全長布設(shè)保溫層又顯得不合理，這樣既不能達到隧道洞口防凍的目的，洞身段造成保溫材料浪費，同時也增加了隧道建設(shè)的費用。由于隧道進出口段和外界環(huán)境直接相通，洞口段受大氣氣溫影響最為嚴重，為了使隧道洞口圍巖免受凍害，在設(shè)置保溫層時需分段不等厚度布設(shè)。

四、結(jié)論

大坂山隧道氣溫與進深擬合曲線為T=0.001X－1.97×10-6X2-14.95，紅土山隧道為T=0.005X－1.45×10-6X2-11.9（0m≤x≤1500m），T=0.005X－1.69×10-6X2-12.67（1500m≤x≤3020m）。

對隧道在分區(qū)段函數(shù)關(guān)系式的基礎(chǔ)上，通過理論計算，在強影響區(qū)和弱影響區(qū)布設(shè)不等厚度保溫材料并給出了過渡段的保溫層厚度。

優(yōu)化后的保溫層厚度較設(shè)計值與理論值的結(jié)果較為合理，且更能滿足后期襯砌及圍巖抗凍的要求。