赫傳凱

(國(guó)家電子工程建筑及環(huán)境性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100142)

0 引言

在寒冷地區(qū)，由于隧道周圍的巖土處于季節(jié)性反復(fù)凍融作用之中，對(duì)隧道的正常服役影響很大[1-2]。長(zhǎng)期的工程實(shí)踐表明，寒區(qū)隧道在服役期內(nèi)均存在不同嚴(yán)重程度的凍害[3-5]。由于襯砌開裂乃至剝落，導(dǎo)致普遍存在滲水現(xiàn)象，在冬季很易在拱頂出現(xiàn)一系列懸掛的冰錐，并在路面凍結(jié)成冰，不僅嚴(yán)重影響隧道的正常使用，同時(shí)也給隧道結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)不利影響。因此，必須考慮對(duì)隧道凍害加以防治[6-8]。

常規(guī)的方法是在襯砌之上鋪設(shè)保溫板或襯砌采用特種混凝土施工。鋪設(shè)保溫板存在有效期問(wèn)題，而特種混凝土成本太高，不能從根本上解決這一問(wèn)題[9-10]。因此，本文嘗試采取新的技術(shù)措施進(jìn)行隧道抗凍防護(hù)研究。

1 智能保溫裝置構(gòu)造

為兼顧隧道襯砌抗凍的效率和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，研究提出下述自適應(yīng)智能保溫裝置，包括鍍鋅鋼絲網(wǎng)、溫控箱、溫度傳感器、發(fā)熱電纜、鋁箔層和泡沫隔熱層等部件，如圖1所示。其中，鍍鋅鋼絲網(wǎng)固定在隧道二次襯砌表面，發(fā)熱電纜鋪設(shè)到鍍鋅鋼絲網(wǎng)內(nèi)，溫度傳感器按監(jiān)控需要分布在發(fā)熱電纜覆蓋區(qū)域的襯砌表面，鋁箔層將發(fā)熱電纜工作區(qū)域密封，泡沫隔熱層噴涂至鋁箔外表面以阻隔環(huán)境溫度場(chǎng)的影響。

圖1 隧道自適應(yīng)智能保溫裝置

2 智能保溫裝置智能控制原理

該裝置通過(guò)發(fā)熱電纜通電產(chǎn)生熱輻射提升防護(hù)區(qū)內(nèi)的襯砌結(jié)構(gòu)溫度，設(shè)置鋁箔層可進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)層的熱輻射量，而泡沫隔熱層作為多閉孔結(jié)構(gòu)能有效阻隔熱量散失?？紤]到節(jié)能需求，該系統(tǒng)采取智能反饋控制原理進(jìn)行自適應(yīng)控制方案設(shè)計(jì)，即通過(guò)程序編制可使控制單元(溫度控制器)根據(jù)測(cè)量裝置(溫度傳感器)獲得的隧道結(jié)構(gòu)實(shí)際值和預(yù)期值的偏差，自行控制可執(zhí)行單元(可控電源)，自動(dòng)化程度較高?？刂葡到y(tǒng)工作原理為：在冬季當(dāng)襯砌溫度達(dá)到保護(hù)既定目標(biāo)值時(shí)，宜減小加熱電路電壓(電流)，直至電路中斷，供熱裝置處于休眠狀態(tài)；當(dāng)?shù)陀谀繕?biāo)值時(shí)，說(shuō)明電熱能量不足，控制器發(fā)出指令增大加熱電路電壓(電流)，繼續(xù)提升襯砌工作溫度，直至滿足要求(見圖2)。

圖2 保溫裝置智能控制原理

3 工程概況與計(jì)算建模

3.1 簡(jiǎn)化模型

以某公路隧道作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行寒區(qū)隧道襯砌抗凍保溫研究。隧道全長(zhǎng)480m，初襯采用C25鋼筋混凝土，厚度為8cm；二次襯砌采用用C25鋼筋混凝土，厚度為 30cm。建立的隧道-圍巖整體模型如圖3所示，模型寬36m、高30m，隧道尺寸參考設(shè)計(jì)圖紙選取。

圖3 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

模擬隧道襯砌-圍巖溫度場(chǎng)分布時(shí)，首先需明確襯砌和圍巖的熱物理參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度等；同時(shí)，隧道和圍巖因?yàn)槠鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不利于模型的建立，因此簡(jiǎn)化為假設(shè)隧道結(jié)構(gòu)各層材料分布均勻，且符合材料的熱物理性質(zhì)。參考工程勘察資料，計(jì)算中需用到的熱物理參數(shù)如表1所示。

表1 熱物理參數(shù)

3.3 邊界條件

隧道襯砌的外表面與冷空氣接觸，兩者之間主要進(jìn)行對(duì)流傳熱。空氣對(duì)流換熱系數(shù)取15W/(m2·K)，-25℃作為外界溫度荷載。圍巖內(nèi)部一定深度內(nèi)存在恒溫區(qū)，取4℃作為圍巖溫度邊界條件。

4 數(shù)值模擬

先后考慮隧道襯砌無(wú)防護(hù)和采取智能保溫2種模式進(jìn)行數(shù)值模擬，以便對(duì)比分析。

4.1 無(wú)防護(hù)模式

此模式下在隧道襯砌外表面不設(shè)任何防護(hù)措施。按設(shè)置的隧道襯砌和圍巖等物質(zhì)的材料屬性，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 無(wú)保溫模式下隧道結(jié)構(gòu)布局

在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，可得出隧道襯砌-圍巖在無(wú)防護(hù)模式下的溫度場(chǎng)分布云圖，如圖5所示。

圖5 隧道襯砌-圍巖初始溫度場(chǎng)分布

4.2 智能保溫模式

智能保溫措施的構(gòu)造相對(duì)較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)建模時(shí)需考慮熱源、空氣層、鋁箔反射層、聚氨酯噴涂層、襯砌和圍巖等，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)布局如圖6所示。

圖6 智能保溫措施下隧道結(jié)構(gòu)布局

計(jì)算時(shí)，需考慮圍巖溫度和冷空氣對(duì)流換熱2種邊界條件，并輸入發(fā)熱電纜熱流通量、發(fā)熱電纜發(fā)射率和鋁箔的發(fā)射率等參數(shù)。采取相同的初始環(huán)境條件，該模式下最終的穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 智能保溫措施下隧道溫度分布云圖

4.3 對(duì)比分析

結(jié)合以上數(shù)值分析結(jié)果可知，無(wú)防護(hù)模式下隧道襯砌溫度處于-22～-17℃；而在智能保溫模式下的襯砌溫度下限在2.5℃左右，上限在5.6℃左右。無(wú)防護(hù)模式下隧道圍巖的溫度處于-17～4℃；智能保溫措施下圍巖溫度的最高處為發(fā)熱電纜鋪設(shè)區(qū)域，受其影響，圍巖靠近襯砌部分的溫度較恒溫區(qū)略高, 溫度下限為4℃。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

由于國(guó)家范圍內(nèi)突發(fā)事件影響，導(dǎo)致隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試無(wú)法在冬季進(jìn)行，但延期春季測(cè)試數(shù)據(jù)仍可說(shuō)明問(wèn)題，不失一般性。隧道現(xiàn)場(chǎng)氣候環(huán)境多變，需考慮風(fēng)力和光照可能帶來(lái)的影響。因此，將試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在距離隧道洞口10m處，分別在監(jiān)測(cè)區(qū)襯砌的表面建立試驗(yàn)組和環(huán)境對(duì)照組。試驗(yàn)組采用本文提出的智能保溫裝置覆蓋襯砌外表面；環(huán)境對(duì)照組襯砌外表面裸露，直接與外界接觸。試驗(yàn)組與環(huán)境對(duì)照組的覆蓋區(qū)各占隧道襯砌表面一半，試驗(yàn)組測(cè)點(diǎn)與環(huán)境對(duì)照組測(cè)點(diǎn)以襯砌對(duì)稱面左、右均等分布，各組內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。發(fā)熱電纜按圖9進(jìn)行鋪設(shè)，并要進(jìn)行密封。

圖8 測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置

圖9 發(fā)射電纜鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)

每天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集2次，時(shí)間分別為7：00和12：30，共持續(xù)監(jiān)測(cè)9d。選用Et表示某一時(shí)間點(diǎn)試驗(yàn)組內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均溫度值，Ee表示在某一時(shí)間點(diǎn)環(huán)境對(duì)照組內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均溫度值，在此基礎(chǔ)上可給出采取保溫措施與否的溫度曲線，如圖10所示。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比曲線

通過(guò)對(duì)Et，Ee的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，隨著每日氣溫的變化，環(huán)境溫度波動(dòng)也較大。然而，采取智能保溫措施后，可有效消除上述波動(dòng)現(xiàn)象，使襯砌的溫度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

1)采取智能保溫措施后，隧道襯砌表面溫度可大幅度提升，從而消除其后圍巖凍脹力的影響。

2)環(huán)境氣溫一般具有較強(qiáng)的波動(dòng)性，導(dǎo)致溫差變化較大，而采取智能保溫措施可使隧道襯砌結(jié)構(gòu)保持在基本恒定的理想溫度，有效避免凍害發(fā)生。

3)該裝置能結(jié)合周圍環(huán)境和待保護(hù)對(duì)象的熱力參數(shù)，自動(dòng)對(duì)環(huán)境溫度和襯砌表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，智能調(diào)節(jié)控制襯砌供熱系統(tǒng)的運(yùn)行，綜合考慮了能耗損失和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性雙重因素的影響，實(shí)際效果顯著。