后安山隧道保溫層優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真分析

葉朝良，宋　鶴，米俊峰

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊　050043；2.中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，西安　710038)

后安山隧道保溫層優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真分析

葉朝良1，宋鶴1，米俊峰2

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊050043；2.中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，西安710038)

摘要：以高寒地區(qū)吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線后安山大斷面隧道為研究對(duì)象，采用ABAQUS有限元建立計(jì)算模型，討論隧道貫通前后保溫層厚度對(duì)溫度場(chǎng)的影響和保溫設(shè)防段，分析結(jié)果表明：(1)距離隧道洞口越遠(yuǎn)，防止圍巖出現(xiàn)凍結(jié)所需的保溫層厚度越?。浑S著保溫層厚度的增加，圍巖的凍結(jié)深度會(huì)相應(yīng)變??；(2)隧道貫通前的保溫設(shè)防段長(zhǎng)度為450～500 m，隧道貫通后的保溫段長(zhǎng)度為720～830 m，較隧道貫通前增加了近300 m；(3)驗(yàn)證了后安山隧道在距洞門(mén)721 m范圍內(nèi)鋪設(shè)5 cm厚的聚氨酯保溫板的保溫方案。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；寒區(qū)隧道;溫度場(chǎng);保溫層;保溫設(shè)防段；仿真

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，交通工程中寒區(qū)隧道數(shù)量日益增多，寒區(qū)隧道病害也日漸突出，已成為工程界所關(guān)注的又一難點(diǎn)問(wèn)題。近20年來(lái)，各國(guó)學(xué)者雖然對(duì)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律[1-4]、抗防凍設(shè)計(jì)中的隔熱措施[5-7]、保溫材料的選擇和敷設(shè)方式[8-11]等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，也提出了很多具有實(shí)用價(jià)值的理論與方法，為寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計(jì)與施工提供了依據(jù)。但由于隧道所處地理位置、工程地質(zhì)條件、復(fù)雜環(huán)境以及施工技術(shù)水平的影響，仍然存在很多問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。

保溫隔熱方法是目前應(yīng)用較為普遍的一種措施，但在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，防凍材料選擇、鋪設(shè)范圍、厚度等方面仍存在較多爭(zhēng)議。郝飛，孫全勝[12]針對(duì)我國(guó)東北地區(qū)西山隧道，采用數(shù)值方法研究了隧道保溫效果，認(rèn)為將保溫層設(shè)置在二次襯砌外側(cè)比較合理，對(duì)于斷面半徑大于7 m隧道，僅使用40 mm厚的PU硬質(zhì)聚氨酯泡沫板作為保溫材料欠合理。程耀烜[13]通過(guò)有限元分析表明隧道設(shè)置厚度不小于2 cm的保溫層，防凍效果良好。董銳哲[14]采用有限元計(jì)算驗(yàn)證了不同保溫方式的保溫效果，與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析認(rèn)為，將保溫層設(shè)置在二次襯砌外側(cè)，并結(jié)合防水層的處理措施是合理有效的。霍潤(rùn)科等[15]通過(guò)數(shù)值模擬得到隧道運(yùn)營(yíng)期內(nèi)保溫層的設(shè)防厚度，并計(jì)算了3種工況下等厚度保溫層的設(shè)置方式，結(jié)果表明分層設(shè)置保溫層具有有效防治凍害的效果。

目前對(duì)隧道貫通前后的保溫設(shè)防段長(zhǎng)度研究成果較少，尤其在不同隧道斷面所需的保溫層厚度和設(shè)置不同保溫層厚度與圍巖凍結(jié)深度關(guān)系的研究方面鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，以吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線寒區(qū)大斷面隧道——后安山隧道為背景，采用ABAQUS有限元建立計(jì)算模型，首先對(duì)隧道貫通前后的圍巖溫度場(chǎng)分布特征進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，探討了保溫設(shè)防段長(zhǎng)度，評(píng)價(jià)了保溫層的隔熱效果。

1工程概況

后安山隧道位于吉林省圖們市東嘎呀河?xùn)|岸至高嶺溝之間的低山丘陵區(qū)，毗鄰中朝邊境，為雙線隧道，起訖里程GDK306+029～GDK312+580，隧道中心里程GDK309+285，隧道全長(zhǎng)6551 m，隧道凈空面積92 m2，是吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線第二長(zhǎng)隧道和重難點(diǎn)控制工程之一。隧址區(qū)地處北緯43°，年平均氣溫為5.9 ℃，極端最高氣溫為37.7 ℃，極端最低氣溫為-42.5 ℃，土壤最大凍結(jié)深度達(dá)192 cm，施工期間隧道極易產(chǎn)生凍害。

在后安山隧道施工過(guò)程中，在初次襯砌和二次襯砌之間采用雙層防水板夾一層5 cm厚聚氨酯保溫板+無(wú)紡布施工，鋪設(shè)長(zhǎng)度721 m；排水措施采用深埋中心水溝，埋深軌下3.7 m，側(cè)溝采用聚氨酯保溫水溝。

2有限元計(jì)算模型建立

假定隧道為無(wú)限長(zhǎng)圓筒壁，圍巖、各層混凝土為各向同性的均勻連續(xù)介質(zhì)，不考慮防水層的影響。分別選取距隧道洞口25、200、400、700 m和800 m測(cè)試斷面進(jìn)行分析，通過(guò)設(shè)計(jì)施工圖查得各斷面對(duì)應(yīng)埋深分別為3、10、28、33、42 m和84 m。利用有限元軟件ABAQUS建立隧道有限元計(jì)算分析模型。

2.1幾何模型確定

隧道模型的左右邊界各取30 m，下邊界取30 m，上邊界(地表)與大氣接觸。由于隧道的溫度場(chǎng)分布對(duì)稱(chēng)，只取一半進(jìn)行分析計(jì)算，距洞門(mén)25 m處和距洞門(mén)200 m處計(jì)算模型如圖1所示。

圖1　計(jì)算模型

2.2參數(shù)選取

材料的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。由于同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土性能參數(shù)變化不大，因此，混凝土的計(jì)算參數(shù)參考已有值[16]。后安山隧道地區(qū)的圍巖多為砂質(zhì)泥巖，根據(jù)相關(guān)資料[17]確定其計(jì)算參數(shù)。保溫層采用導(dǎo)熱系數(shù)較小，耐久性能好的聚氨酯，其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

表1　材料熱物理參數(shù)

2.3初始溫度場(chǎng)和邊界條件

施加到隧道內(nèi)輪廓的溫度為隧道內(nèi)測(cè)定的溫度，此溫度可以擬合成正弦函數(shù)，擬合的一般通式為

式中，T為氣溫，℃；Ta為年平均氣溫，℃；A為氣溫年變幅，℃；t為時(shí)間，d。

上邊界施加的地溫變化規(guī)律也可表示為三角函數(shù)；左右邊界設(shè)為絕熱邊界。根據(jù)后安山隧道的地質(zhì)巖性、地理位置，計(jì)算取后安山隧道的溫度梯度為30 ℃/km。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1貫通前隧道二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試分析，選取3個(gè)斷面：距洞門(mén)200 m、距洞門(mén)400 m、距洞門(mén)500 m，計(jì)算貫通前后安山隧道的保溫設(shè)防段長(zhǎng)度。采取逐漸加厚保溫層厚度的計(jì)算方法，以初次襯砌外表面小于0 ℃作為保溫層鋪設(shè)的判定條件，計(jì)算時(shí)間為2年。

(1)距洞門(mén)200 m

計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從圖2可以得出，無(wú)保溫層時(shí)圍巖的凍結(jié)深度為1.02 m。當(dāng)鋪設(shè)1 cm厚的保溫層時(shí)，保溫板兩側(cè)溫度從-7.3 ℃變化到-2.4 ℃，升高了4.9 ℃，圍巖出現(xiàn)少量?jī)鼋Y(jié)現(xiàn)象，凍結(jié)深度為0.33 m。當(dāng)鋪設(shè)2 cm厚的保溫層時(shí)，保溫層兩側(cè)的溫度升高了7.5 ℃，圍巖中不存在負(fù)溫區(qū)。

圖2　距洞門(mén)200 m處溫度分布云圖

(2)距洞門(mén)400 m

若不鋪設(shè)保溫層，圍巖在2年內(nèi)會(huì)有微量?jī)鼋Y(jié)現(xiàn)象，仍然可以考慮鋪設(shè)0.5 cm厚的保溫材料來(lái)防凍。

(3)距洞門(mén)500 m

無(wú)保溫層時(shí)，圍巖的溫度全部高于凍結(jié)溫度，即圍巖不會(huì)發(fā)生凍害。

通過(guò)對(duì)3個(gè)斷面采取逐漸加大保溫層厚度，對(duì)比分析可知：距洞門(mén)200 m處，防止圍巖出現(xiàn)凍結(jié)的保溫層厚度為2 cm可滿(mǎn)足防凍脹要求；距洞門(mén)400 m處，僅需鋪設(shè)0.5 cm厚的保溫材料；距洞門(mén)500 m處，即使不鋪設(shè)保溫層，圍巖也不會(huì)發(fā)生凍結(jié)。因此，可初步確定隧道貫通前的保溫設(shè)防段長(zhǎng)度為450～500 m。

3.2貫通后隧道二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算

對(duì)于寒區(qū)隧道，貫通前由于氣流尚未形成對(duì)流和施工產(chǎn)生水化熱的影響，隧道一般不會(huì)發(fā)生凍害。但是隧道貫通后，由于空氣的對(duì)流作用，凍害現(xiàn)象往往比較普遍。因此，重點(diǎn)對(duì)隧道貫通后的圍巖溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，分別選取為距洞門(mén)25 m、距洞門(mén)200 m、距洞門(mén)500 m，距洞門(mén)700 m，距洞門(mén)800 m。對(duì)于每個(gè)斷面，采取與貫通前相同的計(jì)算方法，逐漸加厚保溫層的厚度，計(jì)算時(shí)間為50年。

(1)距洞門(mén)25 m處

經(jīng)過(guò)50年的計(jì)算，當(dāng)沒(méi)有保溫層時(shí)，溫度場(chǎng)云圖如圖3(a)所示，拱腰處測(cè)線溫度分布規(guī)律如圖4(a)所示，從圖可以看出初次襯砌后一定區(qū)域的圍巖均處于負(fù)溫區(qū)，極易發(fā)生病害，圍巖的凍結(jié)深度為2.27 m。由于隧道埋深較淺，受到外界環(huán)境溫度的影響較大，隧道拱頂以上部位的圍巖全部處于負(fù)溫區(qū)，模型其他部分土壤的負(fù)溫區(qū)也延伸到距離上邊界2.3 m左右。

圖3　距洞門(mén)25 m處溫度云圖

圖4　距洞門(mén)25 m處拱腰溫度分布規(guī)律

當(dāng)在初次襯砌和二次襯砌之間鋪設(shè)1、2、3、4 cm厚的保溫層時(shí)，圍巖均會(huì)發(fā)生不同程度的凍結(jié)。當(dāng)保溫層的厚度變?yōu)? cm時(shí)，溫度場(chǎng)的分布規(guī)律如圖3(b)和圖4(b)所示。拱腰處保溫板兩側(cè)的溫度從-3.8 ℃升高到1.05 ℃，初次襯砌和圍巖內(nèi)溫度均不存在負(fù)溫區(qū)。拱頂處圍巖由于受到外界環(huán)境溫度的影響，其全部處于負(fù)溫狀態(tài)。

把保溫層的厚度變成7 cm，按照同樣的思路計(jì)算，得到溫度場(chǎng)分布如圖3 (c) 和圖4(c)所示。保溫板兩側(cè)的溫度從-3.8 ℃升高到2 ℃。從圖可以看出溫度場(chǎng)云圖與圖3(b)相似，拱頂處圍巖的負(fù)溫區(qū)并沒(méi)有減小。

對(duì)于距離洞門(mén)25 m處，由于隧道埋深較淺，且離洞門(mén)過(guò)近，受到外界環(huán)境溫度影響較大，單采取加大保溫層厚度并不能完全避免凍害的發(fā)生，應(yīng)配合其他防凍措施如采用耐低溫混凝土、防滲措施、防排水措施等，會(huì)取得良好效果。

(2)距洞門(mén)其他斷面處

距洞門(mén)200、500、700、800 m處的計(jì)算結(jié)果如表2所示。距洞門(mén)200 m處，無(wú)保溫層時(shí)圍巖的凍結(jié)深度為2.11 m，有2 cm厚保溫層時(shí)圍巖凍結(jié)深度為0.57 m，防止圍巖出現(xiàn)凍結(jié)所需的保溫層厚度為3 cm。模型上表面的凍結(jié)深度均為2.28 m，因此，可以得出當(dāng)埋深大于10 m時(shí)，地溫對(duì)隧道內(nèi)溫度分布影響較小。距洞門(mén)500 m和700 m處均需保溫層厚度為2 cm。而在距洞門(mén)800 m處，即使不鋪設(shè)保溫層，圍巖在50年內(nèi)也不會(huì)發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象。

表2　不同斷面在不同保溫層厚度情況下圍巖凍結(jié)深度

保溫設(shè)防段的長(zhǎng)度可以通過(guò)有限元模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及經(jīng)驗(yàn)公式確定?，F(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)保溫段的長(zhǎng)度為721 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式黑川希范公式[18]

式中，t為洞口最冷月月平均氣溫，℃；y為防寒保溫段長(zhǎng)度，m。

計(jì)算出的保溫段長(zhǎng)度為831 m。通過(guò)有限元模擬得出的保溫段長(zhǎng)度為800 m，與實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果較為符合，驗(yàn)證了模擬的精度和準(zhǔn)確性，該模擬結(jié)果可以用于寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律的研究和預(yù)測(cè)。

通過(guò)對(duì)后安山隧道典型斷面的數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)長(zhǎng)度和經(jīng)驗(yàn)公式，可以定出隧道貫通后的保溫設(shè)防段長(zhǎng)度為720～830 m，較隧道貫通前增加了近300 m。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)后安山大斷面寒區(qū)隧道仿真分析，得到了隧道貫通前和貫通后的保溫設(shè)防段長(zhǎng)度，研究了保溫層厚度與圍巖凍結(jié)深度的關(guān)系，可得到如下結(jié)論。

(1)距離隧道洞口越遠(yuǎn)，防止圍巖出現(xiàn)凍結(jié)所需的保溫層厚度越小；隨著保溫層厚度的增加，圍巖的凍結(jié)深度會(huì)相應(yīng)變小。對(duì)于距離洞門(mén)25 m處，由于隧道埋深較淺，受外界環(huán)境溫度影響大，單采取加大保溫層厚度并不能完全避免凍害的發(fā)生，應(yīng)配合其他防凍措施如采用耐低溫混凝土、防滲措施、防排水措施等，會(huì)取得良好效果。

(2)隧道貫通前的保溫設(shè)防段長(zhǎng)度為450～500 m，隧道貫通后的保溫段長(zhǎng)度為720～830 m，較隧道貫通前增加了近300 m。

(3)通過(guò)設(shè)置不同厚度聚氨酯保溫板計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了后安山隧道在距洞門(mén)721 m范圍內(nèi)鋪設(shè)5 cm厚的聚氨酯保溫板可以起到很好的隔熱保溫效果，是合理的，其防寒保溫方案對(duì)其他類(lèi)似工程具有一定參考價(jià)值。

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Simulation Analysis of Optimization Design for Insulation Layer in Houanshan Tunnel

YE Chao-liang1， SONG He1， MI Jun-feng2

(1.College of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043 China;

2.First Engineering Limited Company of China Railway 12thBureau， Xian 710038， China)

Abstract：Taking the large cross-section Houanshan Tunnel on Jinlin-Tumen-Hunchun Passenger Dedicated Line in cold region as the study object， this paper establishes a calculation model with ABAQUS to analyze the effect of insulation layer thickness on the temperature field and frost penetration length before and after tunnel holing-through. The results show that: (1) The farther the distance to tunnel portal， the smaller thickness of insulation layer required to prevent the surrounding rock from freezing; frozen depth of surrounding rock decreases with the increase of insulation layer thickness. (2)Frost penetration length should be 450～500 m before tunnel holing-through， and 720～830 m after tunnel holing-through with nearly 300 m in addition. (3)It is verified that the 5 cm polyurethane insulation board in the range of 721 m from the Tunnel portal of Houanshan tunnel proves to be effective in heat insulation.

Key words：Railway tunnel; Tunnel in cold region; Temperature field; Insulation layer; Frost penetration length; Simulation

中圖分類(lèi)號(hào)：U45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.027

文章編號(hào)：1004-2954(2015)06-0122-04

作者簡(jiǎn)介：葉朝良(1969—)，男，教授，工學(xué)博士，從事巖土與地下工程、路基工程等方向的教學(xué)與研究。

基金項(xiàng)目：鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012G0061-F)

收稿日期：2014-09-22； 修回日期：2014-10-19