高寒地区隧道洞口保温效果研究_尹海龙.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言通过对大量寒区隧道的保温方案进行调研可知，寒区隧道常用的有机保温材料主要包括酚醛泡沫板、聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯材料等，厚度多在56 mm。经过多年运营期检验，隧道洞身内效果普遍较好，但洞口发生冻害的情况较多，因此，本文对洞口浅埋段的保温效果进行研究，供后期项目参考和借鉴1-2。2工程概况某项目位于西藏尼木县境内，海拔约3 700 m，地勘调查最大冻结深度0.6 m。气温曲线一般可以拟合成周期为365 d的正弦函数，这里选择1月平均气温-2.8 为气温曲线的最小值，6月平均气温15.0 为气温曲线的最大值，气温T1曲线可表示为：T1=6.1+8.9sin2t365-/()2（1）式中，t为时间，d。若选择1月平均最低气温-12.5 为气温曲线的最小值，6月平均最高气温23.2 为气温曲线的最大值，气温T2曲线可表示为：T2=5.35+17.85sin2t365-/()2（2）T1采用平均气温计算得到的隧址气温曲线，是一般气候条件下的情况；T2采用平均最高和最低气温计算得到的隧址气温曲线，是极端气候条件下的情况。3围岩初始地温本次数值模拟计算所采用的围岩初始地温，是通过还原隧址区原始地层施加气温边界条件，下边界施加0.06 W/m2的热通量，计算100年后的围岩温度场作为围岩的初始地温。土壤在气温比较低时会发生冻结，需考虑土壤的相变，融土与冻土之间的相变温度设为-0.5，转变间隔为1，相变潜热为31.7 kJ/kg。其他参数见表1。表 1融土和冻土参数表材料导热系数/W/（m K）密度/（kg/m3）比热容/J/（kg K）融土冻土22.22 2002 2001 058880【作者简介】尹海龙（1988），男，安徽桐城人，工程师，从事隧道、地下工程勘察设计与研究。高寒地区隧道洞口保温效果研究Research on Thermal Insulation Effect of Tunnel Entrance in Alpine Area尹海龙，历永杰（华杰工程咨询有限公司，北京 100029）YIN Hai-long,LI Yong-jie(Chelbi Engineering Consultants Inc,Beijing 100029,China)【摘要】结合西藏尼木县某项目研究隧道二衬内侧设置保温层方案，设无保温层、有保温层 T1大气气温和有保温层 T2大气气温 3种工况，经模拟计算，对比拱顶和拱腰衬砌表面的温度变化情况。得出结论：大气气温为 T1时，拱顶和拱腰的衬砌在冷季不会受到冻结；大气气温为 T2时，保温层无法完全保护衬砌。【Abstract】Combined with the research of a project in Nimu County,Tibet Province,the scheme of setting insulation layer inside thesecond lining of the tunnel was studied.There are three conditions:no insulation layer,with insulation layer and the air temperature is T1and with insulation layer and the air temperature is T2.The temperature variation of the lining surface of the vault and the arch waist wascompared by simulation calculation.It is concluded that the lining of the vault and waist will not be frozen in cold season when the airtemperature is T1.When the atmospheric temperature is T2,the insulation layer cannot fully protect the lining.【关键词】高寒地区；公路隧道；保温层；保温效果【Keywords】alpine region;highway tunnel;insulation layer;the heat preservation effect【中图分类号】U453；U457【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）01-0084-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.01.22784初始条件：取年平均气温6.1。边界条件：（1）上边界为对流热通量边界nq=h（Text-T）；（2）下边界为广义向内热通量边界，nq=q0；（3）左右边界为热绝缘边界nq=0。式中，n为边界法向单位矢量；q为边界向外传递的矢量热通量或矢量热流，W/m2；h为边界材料与外部材料的对流交换系数，W/（m2K）；Text为外部材料的温度，设为大气温度T1，K；T为边界材料的温度，K；q0为热通量，取0.06 W/m2。采用映射网格划分，对地面2 m范围内的网格进行了细化，时间步设为0.01年，计算时间100年；容差设为110-6。计算结果为：最大冻结深度为0.68 m，与地勘调查0.6 m相接近，地面附近的围岩会在冬季冻结。4计算工况4.1不设保温层几何模型：不设置6 cm厚的聚酚醛保温层。初始条件：围岩初始条件，采用前面计算的100年后的地温T0。边界条件：（1）模型左右边界：热绝缘，nq=0；（2）模型上边界：对流热通量边界nq=h（Text-T），外部材料温度Text取一般气候条件下的隧址大气气温T1；（3）模型下边界：广义向内热通量边界nq=q0，热通量为0.06 W/m2；（4）隧道内部边界：对流热通量边界nq=h（Text-T），外部材料温度Text取一般气候条件下的隧址大气气温T1。采用自由三角形网格划分，对衬砌和隧道周边围岩的网格进行了细化，时间步设为0.01年，计算时间25年。4.2设置保温层（隧址大气气温取T1）几何模型：设置6 cm厚的聚酚醛保温层。初始条件：围岩初始条件，采用前面计算的100年后的地温T0。边界条件：（1）模型左右边界：热绝缘，nq=0；（2）模型上边界：对流热通量边界nq=h（Text-T），外部材料温度Text取一般气候条件下的隧址大气气温T1；（3）模型下边界：广义向内热通量边界nq=q0，热通量为0.06 W/m2；（4）隧道内部边界：对流热通量边界nq=h（Text-T），外部材料温度Text取一般气候条件下的隧址大气气温T1。采用自由三角形网格划分，对保温层、衬砌和隧道周边围岩的网格进行了细化，时间步设为0.01年，计算时间25年。4.3设置保温层（隧址气温取T2）几何模型：设置6 cm厚的聚酚醛保温层。初始条件：围岩初始条件，采用前面计算的100年后的地温T0。边界条件：（1）模型左右边界：热绝缘，nq=0；（2）模型上边界：对流热通量边界nq=h（Text-T），外部材料温度Text取极端气候条件下的隧址大气气温T2；（3）模型下边界：广义向内热通量边界nq=q0，热通量为0.06 W/m2；（4）隧道内部边界：对流热通量边界nq=h（Text-T），外部材料温度Text取极端气候条件下的隧址大气气温T2。采用自由三角形网格划分，对保温层、衬砌和隧道周边围岩的网格进行了细化，时间步设为0.01年，计算时间25年。4.4模型参数模型所需的材料物理参数见表2。表 2材料物理参数表材料导热系数/W/（m K）密度/（kg/m3）比热容/J/（kg K）融土冻土混凝土聚酚醛保温层22.21.740.0272 2002 2002 500351 0588809201 3805数值模拟结果分析为便于分析，在模型上设置了A1A4、B1B4、C1C4温度监测点，见图1。A3A4A2A126 cm 初支50 cm 二衬6 cm 聚酚醛保温层B4B3B2B1C1C2C3C4图 1温度监测点分布MunicipalTrafficWater ResourcesEngineering Design市政 交通 水利工程设计85Construction&DesignForProject工程建设与设计5.1无保温层无保温层时，从25年时的隧道附近的温度分布情况、地面到拱顶在第25年的温度分布情况以及路面以下混凝土在第25年的温度分布情况得知，拱顶到地面的围岩冷季会冻结，拱腰处的冻结深度约为0.6 m，路面的冻结深度约为0.85 m。从拱顶附近监测点A2A4在最后5年（第20年第25年，下同）的温度变化情况得知，无保温层时拱顶处二衬和初支在冷季都会冻结。从拱腰附近监测点B2B4在最后5年的温度变化情况得知，无保温层时拱腰处二衬在冷季会冻结。从路面附近监测点C1C4在最后5年的温度变化情况得知，无保温层时路面下的部分回填的混凝土在冷季会冻结。5.2设置保温层（隧址大气气温取T1）设置6 cm厚聚酚醛保温层后，隧址气温采用月平均气温拟合曲线T1。从25年时的隧道附近的气温分布情况、地面到拱顶在第25年的温度分布情况以及路面以下混凝土在第25年的温度分布情况得知，拱顶到地面的围岩的冻结深度为0.68 m，拱腰处的冻结深度约为0.03 m，路面的冻结深度约为0.85 m。从拱顶附近监测点A1A4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，拱顶处保温层在冷季会冻结，但二衬和初支的温度几乎在0 以上，说明保温层对拱顶衬砌起到了有效的保温作用。从拱腰附近监测点B2B4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，拱腰处保温层在冷季会冻结，但二衬和初支的温度在2.8 以上，说明保温层对拱腰的衬砌起到了很好的保温作用。从路面附近监测点C1C4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，对路面的保温效果几乎没有，路面下的部分回填的混凝土在冷季依然会冻结。5.3设置保温层（隧址大气气温取T2）设置6 cm厚聚酚醛保温层后，隧址气温采用月平均气温拟合曲线T2。从25年时的隧道附近的温度分布情况、地面到拱顶在第25年的温度分布情况以及路面以下混凝土在第25年的温度分布情况得知，拱顶到地面的围岩在冷季会冻结，而拱腰处的冻结深度约为0.06 m，路面的冻结深度约为2.6 m。从拱顶附近监测点A1A4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，在极端气候条件下，拱顶处保温层、二衬和初支在冷季会发生冻结，保温层的厚度不足以对衬砌起到保温作用。从拱腰附近监测点B2B4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，在极端气候条件下，拱腰处保温层和二衬在冷季依然会冻结，初支的温度几乎在0 以上，没有冻结。从路面附近监测点C1C4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，极端气候条件下，对路面的保温效果几乎没有，路面下的回填的混凝土、二衬和初支在冷季都会冻结。5.4对比分析将无保温层、有保温层T1大气气温和有保温层T2大气气温下的拱顶和拱腰衬砌表面的温度变化进行对比发现：当大气气温为T1时，保温层可起到很好的保温作用，使拱顶和拱腰的衬砌在冷季免受冻结；当大气气温为T2时，保温层不足以充分保护衬砌，原因是T2气温较低，且埋深太浅为2 m，地面的大气气温和洞内的大气气温同时对衬砌起到冻结作用。6结语综上所述，对于寒区隧道，正常气温条件下，采用6 cm厚的聚酚醛保温层能够有效保障洞口附近埋深2 m的隧道拱顶和拱腰后的围岩在冷季免受冻结。当气温为极端低温时，洞口附近埋深2 m的隧道断面围岩在冷季会冻结，设计过程中需采取地表铺设保温层以达到防冻目的，确保隧道结构安全稳定。【参考文献】1吕康成.特殊隧道工程M.北京：人民交通出版杜，2013.2肖广智.不良、特殊地质条件隧道施工技术及实例