季冻区高速公路隧道保温层铺设方法及温度场分布规律研究_唐波涛.pdf

第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20220914基金项目:吉林省科技发展计划项目(20220203058SF);2022 年度吉林省教育厅科学研究项目(JJKH20220637KJ)作者简介:唐波涛(1977)，男，河南内乡人，硕士，高级工程师.(24976921 )*通讯作者:王伟(1982)，男，吉林长春人，博士，副教授.(16695496 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.021季冻区高速公路隧道保温层铺设方法及温度场分布规律研究唐波涛1，王兴2，王伟*2，陈志国3(1.中国铁建股份有限公司中原区域总部，河南郑州450000;2.长春工程学院土木工程学院，吉林长春130012;3.吉林省交通科学研究所，吉林长春130012)摘要:为了探索隧道温度场分布规律，合理铺设隧道保温层，采用 ABAQUS 建立了三维实体模型，分析了寒区隧道在周围环境等影响因素作用下洞内纵向全长及不同高度温度场分布特征及其变化规律，对不同材料的保温层铺设方案进行了效果比选，并对隧道铺设保温层前后的有限元温度场温度变化规律进行了对比。结果表明:隧道的温度变化梯度为每公里升高约 7，隧道横断面最低温位于拱顶位置，隧道入口端极限低温段长度约为 400 m，而出口端长度约为 800 m，其中，边墙、拱顶及拱腰温度变化最明显;对于使用不同保温材料的保温层，3 种保温方案的隧道围岩整体温度场趋势一致，说明使用 3 种材料的保温方案均有较为理想的防冻保温效果;7 cm 聚氨酯 9 cm 酚醛的组合保温方案，相较于其他方案，其平均最低、最高温度分别由8，2 提升至5，1，满足隧道防冻要求，均明显优于另外两种使用单一保温材料的保温措施，总体保温效果最优。经监测数据对比及有限元模拟验证，组合保温方案完全达到隧道防冻要求，可以作为案例隧道较为理想的防冻保温措施。研究结果对确保寒区隧道通行能力和服务水平、提高道路行车安全具有重要意义，可为类似隧道的冻害处治提供行之有效的解决方法。关键词:隧道工程;季冻区隧道;数值模拟;温度场;冻害;保温层中图分类号:U455.43X820.4文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05015210Study on Laying Method of Insulation Layer and Distribution ule ofTemperature Field of Expressway Tunnel in Seasonal Frozen AreaTANG Bo-tao1，WANG Xing2，WANG Wei*2，CHEN Zhi-guo3(1 Central Plains egional Headquarters，China ailway Construction Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450000，China;2 School of Civil Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun Jilin 130012，China;3 Jilin Provincial Transport Scientific esearch Institute，Changchun Jilin 130012，China)Abstract:In order to explore the distribution rule of tunnel temperature field and reasonable laying tunnelinsulation layer，a 3D solid model is established by using ABAQUS software，and the distributioncharacteristics and variation rule of temperature field along the longitudinal length and at different heights oftunnel in cold region under the influence of the factors such as surrounding environment are analysed，thelaying schemes for insulation layer with different materials are comparatively selected，and the temperaturevariation rules of the finite element temperature field of the tunnel before and after laying insulation layer arecompared.The result shows that(1)The temperature gradient of the tunnel increases by about 7 perkilometer，the lowest temperature in the cross-section of the tunnel is located at the arch top，and the length第 5 期唐波涛，等:季冻区高速公路隧道保温层铺设方法及温度场分布规律研究of the extreme low temperature section at the tunnel entrance is about 400 m，while the length of the exit endis about 800 m.Among them，the temperature changes at the side wall，arch crown and arch waist are themost obvious.(2)For the insulation layers using different insulation materials，the overall temperature fieldtrends of the tunnel surrounding rock using the 3 insulation schemes are consistent，indicating that the 3insulation schemes have relatively ideal anti-freezing and insulation effect.(3)Compared with otherschemes，the average minimum and maximum temperatures of the combined insulation scheme of 7 cmpolyurethane+9 cm phenolic are increased from 8 and 2 to 5 and 1 respectively，which meetthe requirements of tunnel anti-freezing and are significantly superior to those of the other 2 insulationmeasures using single insulation material，and the overall insulation effect is the best.The comparison ofmonitoring data and finite element simulation verification show that the combined insulation scheme fullymeets the requirements of tunnel anti-freezing，and can be used as an ideal anti-freezing insulation measurefor the case tunnel.The research result is of great significance in ensuring the traffic capacity and servicelevel of tunnels in cold regions and improving road driving safety，it can provide an effective solution for thetreatment of freezing damage in similar tunnels.Key words:tunnel engineering;seasonal frozen zone tunnel;numerical simulation;temperature field;frostinjury;insulation layer0引言随着中国交通事业的快速发展，特别是西部大开发和振兴东北经济政策的进一步落实，在西部的高海拔和北部的高纬度寒冷地区将会新建大量隧道，与以往隧道相比，这些隧道的规模更大、技术要求更高，而气候条件更加恶劣。如何采取行之有效的防冻保温措施，以避免冻害现象的发生，是当前隧道工程界迫切需要解决的问题12。然而，无论采用何种技术防治隧道冻胀病害，准确掌握寒区隧道温度场的分布规律是冻害治理的基本前提条件，也是各种抗冻方法的设计基础。国内外众多学者针对寒区和季冻区地区温度场开展了深入和广泛的研究，目前采取的分析方法主要有现场测试和数理统计34、数值模拟5 和模型分析68、计算机技术预测分析9;韩跃杰等10 针对高温多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律开展深入的理论分析、数值模拟和现场监测研究。Liu 等11 利用 FLAC3D 软件对玉希莫勒盖隧道简化三维模型进行了仿真模拟，并对保温层厚度与温度场关系进行探究，减少了冻结深度和长度，取得了良好的效果。张炳涛等12 将工业控制、物联网技术、检测技术与隧道冻害防治结合，全方位监测冻害易产生部位水和温度的信息，建立季冻区运营公路隧道冻害监测预警系统。袁金秀等1314 通过分析列车风对寒区隧道温度场的影响下，列车运行速度和运行间隔对隧道洞内温度场分布的影响规律，提出了隧道设防长度建议值;对不同保温材质、不同铺设厚度和铺挂方式进行了对比分析，得出了最佳铺设方法和最佳铺设厚度。王志杰等15 通过数值模拟重点研究了保温层敷设方式、设计厚度，获得了寒区保温层的最佳铺设方法，并提出了对应工程保温层厚度和导热系数的推荐值。郑新雨等16，张玉伟等1718 通过三维地质力学缩尺模型试验和三维温度场模型，模拟了隧道洞口段围岩温度场分布特征，建立了新的冻胀模型，得出了围岩温度场变化特征和分布规律，对寒区隧道防冻保温措施提供了理论依据。夏才初等1920 采用直接耦合法，利用 ANSYS 有限元对隧道非冻土段保温层铺设长度进行优化设计，总结了冻融循环条件下寒区隧道衬砌抗冻防冻措施;开发了渐冻隧道演化模拟试验系统，首次在寒区隧道复杂条件下全周期运行状况下对温度场演化规律进行了试验研究。陈建勋等21 利用正弦函数回归法对长期测试的数据进行分析，得出隧道温度场随时间的变化关系。上述研究利用不同方法探究了隧道洞内温度场分布的影响规律，可以为寒区隧道防寒保温设计和控制温度措施的设置方法提供了较好的理论依据。但并未基于隧道洞内温度变化梯度规律，针对隧道冻害现象提出行之有效的解决方法，并且由于工程环境的复杂性，不同的隧道工程很难做到保温方案的统一。各种防治技术及抗冻设计方法均认为，引起隧道内