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        寒區(qū)隧道洞口保溫段設(shè)置長度統(tǒng)計分析

        2020-01-02 05:52:52葉朝良高新強(qiáng)朱永全梁凱芳
        鐵道建筑 2019年12期
        關(guān)鍵詞:凍結(jié)深度寒區(qū)保溫層

        葉朝良,高新強(qiáng),朱永全,梁凱芳

        (石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,河北石家莊 050043)

        如何確定寒區(qū)隧道保溫段長度,是當(dāng)前高海拔寒區(qū)隧道設(shè)計的熱點問題,也是決定其建設(shè)成敗的關(guān)鍵問題之一。特別是對于長大隧道而言,洞外氣象條件對洞內(nèi)影響長度僅僅局限于洞口段一定范圍,若按隧道全長采取保溫措施會造成很大浪費。當(dāng)前工程設(shè)計中保溫段長度的確定仍以工程類比法為主,我國寒區(qū)隧道經(jīng)常出現(xiàn)保溫段長度不足的問題[1]。寒區(qū)隧道保溫段設(shè)置長度與隧道長度、當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁亍⒅鲗?dǎo)風(fēng)向、風(fēng)速、行車密度、圍巖條件等多種因素有關(guān)[2-5]。

        本文對國內(nèi)35座隧道的實測溫度進(jìn)行統(tǒng)計分析,總結(jié)在建及運營隧道溫度場的分布規(guī)律,提出了寒區(qū)隧道保溫段長度,以期為類似地區(qū)隧道保溫段設(shè)計提供參考。

        1 寒區(qū)隧道實測溫度場調(diào)查

        目前寒區(qū)隧道溫度場調(diào)查結(jié)果通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬2種方法得到。由于溫度場分布與隧道幾何尺寸、結(jié)構(gòu)組成、圍巖性質(zhì)、外界溫度和風(fēng)速等因素相關(guān),同時有限元本構(gòu)關(guān)系及材料參數(shù)取值的缺陷也導(dǎo)致溫度場計算結(jié)果的可信度大大降低,因此本文僅對國內(nèi)現(xiàn)場實測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。現(xiàn)場實測溫度場的寒區(qū)隧道見表1。

        表1 現(xiàn)場實測溫度場的寒區(qū)隧道

        隧道為狹長管狀結(jié)構(gòu)物,主要是通過改變流入隧道內(nèi)風(fēng)流的溫度來引起整個寒區(qū)隧道溫度場的改變。寒季冷空氣不斷流入隧道,洞內(nèi)空氣與襯砌、圍巖熱交換速率加快,引起隧道圍巖溫度降低。

        從調(diào)查結(jié)果來看,影響隧道內(nèi)溫度場分布的主要因素是洞口溫度、風(fēng)向、風(fēng)速和隧道長度。

        2 隧道內(nèi)溫度分布規(guī)律

        2.1 隧道溫度縱向分布

        通過對已建和在建隧道的調(diào)查,隧道內(nèi)2015年實測溫度縱向分布[6-7]大致可分為對稱型和非對稱型2類,分別見圖1和圖2。

        圖1 隧道內(nèi)溫度場縱向分布規(guī)律(對稱型)

        圖2 隧道內(nèi)溫度場縱向分布規(guī)律(非對稱型)

        隧道較長、洞口風(fēng)速不大、進(jìn)出口溫度相差很小時隧道內(nèi)溫度場縱向呈對稱型分布。隧道長度較短或隧道較長、洞口風(fēng)速較大、進(jìn)出口溫度相差較大時隧道內(nèi)溫度場縱向呈非對稱型分布。

        2.2 洞口溫度對保溫段設(shè)置長度的影響

        隧道有無設(shè)置保溫層對隧道內(nèi)溫度縱向分布影響極小,故本次統(tǒng)計沒有考慮隧道有無設(shè)置保溫層。35座隧道縱向影響長度隨洞口溫度的變化見圖3。其中:當(dāng)隧道內(nèi)氣溫有高于或等于0 ℃處時,隧道縱向影響長度L指從洞口到隧道內(nèi)氣溫為0 ℃處的距離;當(dāng)隧道內(nèi)氣溫均低于0 ℃時,隧道縱向影響長度L指從洞口到隧道內(nèi)最高氣溫處的距離。

        從圖3可以看出,由于受地形地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)等影響,調(diào)查結(jié)果離散性很大。

        圖3 隧道縱向影響長度隨洞口溫度的變化

        對不同隧道相同洞口溫度下隧道縱向影響長度的上限值進(jìn)行擬合,得到隧道縱向影響長度L與洞口溫度t的關(guān)系式為

        隧道縱向影響長度即保溫段設(shè)置長度。一般隧道保溫段設(shè)置長度L可由Hitoshi Kurokawa 經(jīng)驗公式[8]計算求得。即

        式中:t取洞口溫度最低月的月平均溫度。

        由Hitoshi Kurokawa 經(jīng)驗公式計算得到的保溫段設(shè)置長度與實測上限擬合公式(式1)計算值對比見圖4。

        圖4 隧道保溫段設(shè)置長度上下限

        從圖4中可以看出:按照Hitoshi Kurokawa 經(jīng)驗公式計算得到的保溫段設(shè)置長度普遍小于與實測上限擬合公式計算值,完美地形成了隧道溫度縱向影響長度的下限。分析原因認(rèn)為:Hitoshi Kurokawa 經(jīng)驗公式中計算用的洞口溫度為洞口段溫度最低月的月平均溫度,而最低月的月平均溫度與每天最低溫度的平均值相差很大,導(dǎo)致其計算得到的保溫段設(shè)置長度也幾乎是最小影響長度。以米拉山隧道2017年的溫度最低月1月為例,1月份每天的最高溫度、最低溫度和平均溫度相差很大,1月份平均溫度為-3.0 ℃,而每天最低溫度的平均值為-12.2 ℃。因此,應(yīng)用Hitoshi Kurokawa 經(jīng)驗公式計算得到的保溫段設(shè)置長度對寒區(qū)隧道的設(shè)防是不利的。

        2.3 隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍

        隧道是否設(shè)置保溫層及保溫層參數(shù)主要看隧道內(nèi)溫度對隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍。嚴(yán)格意義上說,若襯砌背后圍巖出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象就有可能導(dǎo)致隧道凍害產(chǎn)生,因此確定隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍極為關(guān)鍵。另外,目前隧道設(shè)置厚度5 cm 保溫層后是否達(dá)到保溫效果。針對這2 個問題,本文分未設(shè)保溫層和設(shè)置保溫層2種情況對隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍進(jìn)行統(tǒng)計分析。

        2.3.1 未設(shè)保溫層隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍

        在溫度低于0 ℃的隧道側(cè)壁,打設(shè)溫度測試孔。圍巖徑向凍結(jié)深度與孔口溫度的關(guān)系見圖5。可以看出:當(dāng)孔口溫度T≥-5.0 ℃時,圍巖凍結(jié)深度在0.1~1.5 m;當(dāng)-12.5 ℃<T< -5.0 ℃時圍巖凍結(jié)深度在0.3~2.8 m;當(dāng)T≤ -12.5 ℃時圍巖凍結(jié)深度在0.8~2.8 m。

        圖5 圍巖徑向凍結(jié)深度與孔口溫度的關(guān)系

        圍巖徑向凍結(jié)深度與距洞口距離的關(guān)系見圖6??梢钥闯觯孩倬嗨淼蓝纯谠浇鼉鼋Y(jié)深度越大,對凍結(jié)深度上限值進(jìn)行擬合,得到圍巖徑向凍結(jié)深度h與距洞口距離D的關(guān)系式為h= 12.45D-0.34,R2 = 0.809。②距隧道洞口200 m以內(nèi)凍結(jié)深度多大于1.0 m,最大為2.8 m;200~500 m 數(shù)據(jù)較少,凍結(jié)深度均在1.0 m以下,從擬合曲線可以看出其凍結(jié)深度一般不會超過2.0 m;500~1 200 m段數(shù)據(jù)較少,從擬合曲線可以看出其凍結(jié)深度一般不會超過1.5 m;大于1 200 m 時凍結(jié)深度一般不會超過1.0 m。

        2.3.2 設(shè)置保溫層隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍

        設(shè)有保溫層的隧道調(diào)查數(shù)據(jù)較少,大多測試孔的孔口溫度在-5.0 ℃以上。圍巖內(nèi)溫度大多為正溫,僅調(diào)查到國道G217 線玉希莫勒蓋隧道和哈爾濱繞城高速公路天恒山隧道的圍巖存在負(fù)溫[9-10],見表2。

        圖6 圍巖徑向凍結(jié)深度與距洞口距離的關(guān)系

        表2 設(shè)置保溫層隧道圍巖徑向凍結(jié)深度

        從表2可以看出:距洞口410 m 以內(nèi)溫度較低時圍巖凍結(jié)深度最大為2.0 m,一般在0.4~0.7 m。說明在寒區(qū)隧道洞口一定范圍內(nèi)采用5 cm 保溫板并不能夠有效解決圍巖凍結(jié)問題,洞口段保溫層應(yīng)加強(qiáng),對保溫段進(jìn)行合理分區(qū)。

        3 寒區(qū)隧道保溫段設(shè)置長度建議

        《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊:隧道》[11]中的保溫水溝設(shè)置長度與本文計算結(jié)果比較,手冊提供的參考值偏小。按手冊參考值設(shè)計的保溫段長度無法滿足工程防寒保溫要求。

        根據(jù)35座隧道的統(tǒng)計資料,保溫段設(shè)置長度為一個存在上下限的區(qū)間,下限為Hitoshi Kurokawa經(jīng)驗公式計算結(jié)果,上限為實測上限擬合公式計算結(jié)果。

        將依據(jù)上下限公式計算的保溫段設(shè)置長度列于表3。

        表3 保溫段設(shè)置長度 m

        從表3可以看出,實測上限擬合公式計算出的保溫段設(shè)置長度(即實測溫度縱向影響長度)遠(yuǎn)大于目前設(shè)計值(即Hitoshi Kurokawa公式計算值),即設(shè)計值是不安全的??紤]到安全和經(jīng)濟(jì)性,建議寒區(qū)隧道洞內(nèi)保溫段設(shè)置長度取上下限的平均值,按50 m 取整,當(dāng)洞口溫度低于-10 ℃時,再增加50 m。

        4 結(jié)論

        1)寒區(qū)隧道內(nèi)實測溫度縱向分布大致分為對稱型和非對稱型2類。

        2)根據(jù)35座隧道的統(tǒng)計數(shù)據(jù),建立了洞口溫度與寒區(qū)隧道洞內(nèi)溫度縱向影響長度(或保溫段設(shè)置長度)上限值的擬合公式。從安全和經(jīng)濟(jì)性考慮,建議寒區(qū)隧道洞內(nèi)保溫段設(shè)置長度取上下限的平均值,按50 m取整,當(dāng)洞口溫度低于-10 ℃時,再增加50 m。

        3)對未設(shè)保溫層隧道的圍巖徑向凍結(jié)深度上限值進(jìn)行擬合,得到了圍巖徑向凍結(jié)深度與距洞口距離的關(guān)系式。并根據(jù)圍巖徑向凍結(jié)深度,將隧道分為距洞口 200 m 以內(nèi),200~500 m,500~1 200 m 和大于1 200 m 4個影響區(qū),提出進(jìn)行保溫段分區(qū)。

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