溫度對花崗巖和砂巖導(dǎo)熱系數(shù)影響的試驗(yàn)研究

賀玉龍，趙 文，張光明

（西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

高地溫問題是深埋長大隧道的突出工程地質(zhì)病害問題之一，多國在修建深埋長大隧道時(shí)都不同程度地出現(xiàn)了高地溫?zé)岷?。如日本的安房公路隧道施工期間地溫高達(dá)75℃；我國大瑞鐵路高黎貢山隧道也遇到了高地溫這一關(guān)鍵性技術(shù)難題[1]，預(yù)測隧道洞身位置溫度為43.2～75.2℃。高地溫一方面惡化隧道施工作業(yè)環(huán)境，降低勞動生產(chǎn)率，嚴(yán)重威脅到施工人員的健康和安全；另一方面，還影響到施工及建筑材料的選取，產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力還可能引起襯砌開裂，并造成隧道養(yǎng)護(hù)維修困難，從而可能導(dǎo)致運(yùn)營成本大幅提高。因此，準(zhǔn)確預(yù)測隧道圍巖溫度場及圍巖熱應(yīng)力分布，對高地溫地區(qū)隧道工程的安全施工及運(yùn)營具有重要意義。

導(dǎo)熱系數(shù)是巖體溫度場最主要的特征參數(shù)，直接影響到隧道圍巖溫度場的分布。目前，在深埋長大隧道圍巖溫度場及圍巖熱應(yīng)力計(jì)算中，假定圍巖導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，不隨巖體所處的溫度、應(yīng)力環(huán)境而變化。國內(nèi)外的研究表明，溫度是影響巖石導(dǎo)熱系數(shù)的主要外部因素之一，但這些研究涉及的溫度多為高壓、較高至高溫環(huán)境[2-8]。Asghari Maqsood 等（2004）測試了-20～60℃范圍內(nèi)花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)的變化情況[9]。隧道工程洞身位置的地溫大多處于20～80℃范圍，但對這一溫度范圍內(nèi)巖石導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的試驗(yàn)研究甚為欠缺。為此，本文選取高地溫出現(xiàn)較集中的花崗巖（取自大理至瑞麗鐵路高黎貢山特長隧道）和砂巖進(jìn)行試驗(yàn)，考察隧道工程常見溫度范圍內(nèi)巖石導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化情況。

1 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)流程

試驗(yàn)儀器采用基于平板熱流計(jì)法的導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，儀器采用在試樣一面加穩(wěn)定的熱面溫度，熱量通過試樣傳遞到冷面（室溫），測量傳遞的熱流來計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。采用WPY熱流計(jì)，計(jì)算機(jī)自動測試。

1.1 導(dǎo)熱系數(shù)測試儀主要技術(shù)參數(shù)

（1）導(dǎo)熱系數(shù)測試范圍。板狀樣0.015～5W/（m·K），準(zhǔn)確度小于5%；圓柱狀樣3～400 W/（m·K），準(zhǔn)確度小于5%。

（2）熱面溫度。室溫到99.99℃之間，采用高分辨力數(shù)顯表測溫，準(zhǔn)確度等級0.2級，分辨率0.01℃。

（3）冷面溫度。室溫，采用高分辨力數(shù)顯表測溫，準(zhǔn)確度等級0.2級，分辨率0.01℃。冷面采用強(qiáng)制風(fēng)冷。

（4）冷熱板傳熱面積。150mm×150mm，冷熱板可調(diào)節(jié)間距為0～160mm。

（5）熱面溫控。平板加熱器，雙向可控硅控制。

1.2 試驗(yàn)流程

（1）在程序主界面“設(shè)定溫度”欄輸入熱面溫度值，再按“加熱啟動”鍵，使儀器進(jìn)入升溫狀態(tài)，然后打開“風(fēng)扇”開關(guān)。

（2）將巖樣冷熱面涂上少量導(dǎo)熱硅脂，放置于儀器冷熱面正中央，壓緊巖樣。

（3）輸入巖樣厚度和截面積數(shù)據(jù)后，按“自動測試”鍵，儀器進(jìn)入自動測試狀態(tài)，完成后自動生成報(bào)表。

1.3 導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

按式（1）計(jì)算巖樣導(dǎo)熱系數(shù)λ：

式中：TA——巖樣熱面溫度，K；

TD——巖樣冷面溫度，K；

A——巖樣截面積，m2；

Q——熱流，W；

L——巖樣長度，m。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)所用巖樣來自現(xiàn)場地質(zhì)鉆探所獲取的直徑70mm的巖芯，加工后巖樣的尺寸為：圓柱體，直徑50mm，高度15mm，見圖1。試驗(yàn)前在巖樣冷熱面涂上少量導(dǎo)熱硅脂（見圖2），測試現(xiàn)場見圖3。

根據(jù)試驗(yàn)時(shí)的溫度條件，對花崗巖和砂巖巖樣各測試了4個(gè)平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。試驗(yàn)過程中，花崗巖巖樣熱面溫度39.23～88.56℃，冷面溫度23.48～35.67℃，平均溫度31.39～62.10℃。砂巖巖樣熱面溫度 39.25～88.49℃，冷面溫度 18.11～36.71℃，平均溫度28.78～62.57℃。

2.1 溫度對花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，溫度對花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖4所示。

由圖4可看出，花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而緩慢下降，兩者之間存在負(fù)相關(guān)的直線關(guān)系。

式中：λ——巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

T——巖樣的溫度，℃。

對試驗(yàn)所用的花崗巖而言，當(dāng)平均溫度從31.39℃升高到62.10℃時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)值降低了0.1327 W/（m·℃），降低幅度4.4%。

圖1 試驗(yàn)所用巖樣

圖2 巖樣冷熱面涂導(dǎo)熱硅脂

圖3 巖樣導(dǎo)熱系數(shù)測試

圖4 溫度對花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)的影響

Asghari Maqsood等（2004）采用瞬態(tài)平面熱源（TPS）技術(shù)測試了20～60℃范圍內(nèi)的花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)[9]，結(jié)果表明所有測試巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)均隨著溫度的升高而減小。本試驗(yàn)所得花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[9]所得到的趨勢是一致的。

2.2 溫度對砂巖導(dǎo)熱系數(shù)的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，溫度對砂巖導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖5所示。

圖5 溫度對砂巖導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖5可看出，砂巖導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高基本上沒有變化。對試驗(yàn)所用的砂巖而言，當(dāng)平均溫度從28.78℃升高到62.57℃時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)波動值約為0.0275W/（m·℃），波動幅度1.1%。

3 結(jié)束語

導(dǎo)熱系數(shù)是巖體溫度場最主要的特征參數(shù)，對巖體溫度場的分布具有重要影響。本文通過試驗(yàn)考察了隧道工程常見溫度范圍內(nèi)巖石導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化情況。結(jié)果表明，對試驗(yàn)所用的巖樣而言，花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而緩慢下降，兩者之間存在負(fù)相關(guān)的直線關(guān)系。而砂巖導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高變化很小，基本可以忽略。這與花崗巖與砂巖的礦物成分不同以及顆粒大小的差異有關(guān)。

高黎貢山隧道預(yù)測的最高地溫為75.2℃，按式（2），開挖前隧道設(shè)計(jì)洞身處圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)為2.834 7 W/（m·℃）。假設(shè)隧道開挖后圍巖溫度逐漸降至16℃（隧道所在地年平均氣溫），則開挖前后隧道圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)將由2.834 7 W/（m·℃）增大至3.089 3 W/（m·℃），變化幅度為9.0%，粗略估算隧道圍巖溫度場時(shí)一般可忽略，但在地?zé)岙惓^(qū)精確計(jì)算隧道圍巖溫度場的分布時(shí)，應(yīng)考慮溫度變化對其導(dǎo)熱系數(shù)的影響。同時(shí)，由于花崗巖的體積變形模量和熱膨脹系數(shù)均較大[10]，其熱應(yīng)力系數(shù)高達(dá)0.839MPa/℃，因此也應(yīng)考慮由此引起的熱應(yīng)力、熱變形對隧道圍巖應(yīng)力場、變形場的影響。

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