四季越野滑雪隧道建設(shè)圍巖保溫措施研究

汪智慧，張雨濃，佘小康，董福瑞，王述紅

(1.中國建筑東北設(shè)計院有限公司， 遼寧 沈陽 110055；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

隨著我國大力發(fā)展冰雪事業(yè)，為了改變我國冰雪項目運(yùn)動的成績水平，以及迎接2022年冬奧會的到來，冰雪運(yùn)動項目的訓(xùn)練保障成為重中之重，我國氣候中，只有北方冬季時期，溫度到達(dá)0℃以下時，才能夠進(jìn)行冰雪運(yùn)動項目的訓(xùn)練，對于成績的取得以及民眾對于冰雪運(yùn)動項目的認(rèn)知是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。那么我國現(xiàn)如今需要一條能夠為優(yōu)秀運(yùn)動員提供訓(xùn)練保障的一條四季越野滑雪隧道，同時也可為國外高水平運(yùn)動員訓(xùn)練提供幫助，促進(jìn)交流與合作。四季越野隧道的施工建成應(yīng)本著節(jié)能環(huán)保、消耗少，應(yīng)在現(xiàn)有廢棄隧道基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)隧道開挖，由于四季越野滑雪隧道為保持隧道內(nèi)部積雪不融化，隧道內(nèi)部溫度常年保持負(fù)溫狀態(tài)下，但負(fù)溫情況對隧道圍巖凍害現(xiàn)象極為嚴(yán)重，對于隧道所在山體的環(huán)境影響也極為巨大，所以對隧道保溫措施的實施極為重要。結(jié)合吉林市船營區(qū)四季越野滑雪隧道的實際工程經(jīng)驗，對四季越野滑雪隧道建設(shè)圍巖保溫措施進(jìn)行了研究，提供了切實可行的施工方法，對我國以后四季越野滑雪隧道的建設(shè)提供可行的借鑒和參考。

1 工程概況

我國首座四季越野滑雪隧道位于吉林省吉林市船營區(qū)，隧道工程為原北山人防工程原址上改建，四季越野滑雪隧道總長為1.308 km，人防工程總長度為1.8 km。滑雪隧道為世界第四座、亞洲首座室內(nèi)四季越野滑雪場地，為既有山體中人防洞室改擴(kuò)建工程，具有設(shè)計無專業(yè)規(guī)范、無同類案例借鑒、線路平面及高程設(shè)計復(fù)雜、使用功能特殊等特點。隧道綜合熱回收技術(shù)、隧道內(nèi)造雪方式、智能化控制、消防設(shè)計、人防設(shè)計等方面進(jìn)行突破性研究，應(yīng)用新技術(shù)新產(chǎn)品，研究新標(biāo)準(zhǔn)。建成后的四季越野滑雪隧道專業(yè)雪道1 308 m，寬度為8 m，有效高度為4 m，最大坡度為8°，總體線路1/3上坡、1/3下坡、1/3平坡，最低點與最高點相差21.3 m，為保證隧道內(nèi)積雪不融化將在-6℃條件下運(yùn)營，采取的方式為利用乙二醇在隧道內(nèi)降溫，造雪技術(shù)為噴射水霧，由于溫度在負(fù)溫，研究保溫措施就極為重要。

2 四季越野滑雪隧道熱傳導(dǎo)模型

2.1 保溫隔熱材料及模型選取

隧道在負(fù)溫空氣熱傳導(dǎo)作用下，圍巖中的水會發(fā)生水冰相變產(chǎn)生凍脹，隧道的保溫措施目的在于使隧道圍巖不發(fā)生凍結(jié)(即隧道的圍巖表面處的溫度≥0℃)，在施工設(shè)計中加入保溫隔熱層的方式有兩種，分別在一襯與二襯之間保溫隔熱，或者在二襯外敷設(shè)保溫隔熱層[1]。其隧道模型簡化示意圖如圖1所示。

圖1四季越野滑雪隧道模型簡化示意圖

針對四季越野滑雪隧道的凍害問題，保持圍巖的原始狀態(tài)，需要對四季越野滑雪隧道的圍巖進(jìn)行保溫。常見的隧道保溫材料的主要性能指標(biāo)如表1所示[2]。

表1 隧道保溫材料的主要性能指標(biāo)

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，聚氨酯的密度為最小，其耐冷性能良好，四季越野滑雪隧道為一個密閉的空間，如果發(fā)生火災(zāi)后果特別嚴(yán)重，所以保溫材料的防火性能也是隧道的重要指標(biāo)，同樣對于保溫材料的阻燃性要求高，所以選擇加入阻燃劑的聚氨酯為隧道的保溫隔熱材料。

當(dāng)隧道建設(shè)完成后，負(fù)溫空氣在隧道內(nèi)流通將與之發(fā)生熱交換，其熱交換過程分為兩個過程，第一部分為隧道襯砌與負(fù)溫空氣發(fā)生對流換熱，第二部分為隧道內(nèi)部固體與固體之間的熱傳導(dǎo)過程[3-6]，如圖2所示。

圖2四季越野滑雪隧道熱傳導(dǎo)示意圖

圖3四季越野隧道一維圓筒壁模型

其中，Ⅰ部分發(fā)生對流換熱，Ⅱ部分(襯砌及支護(hù)部分)與圍巖發(fā)生熱傳導(dǎo)。

2.2 隧道模型基本假定

(1) 為了便于計算、獲得隧道圍巖傳熱的解析解，四季越野滑雪隧道視為圓形隧道。

(2) 認(rèn)為隧道各層之間完全接觸，忽略各部分接觸處熱阻。

(3) 隧道的圍巖具有相同的初始溫度。

3 四季越野滑雪隧道保溫隔熱層性能比較分析

3.1 隧道圍巖熱流量計算

當(dāng)隧道開挖完成后，無保溫隔熱層情況下，負(fù)溫空氣在隧道內(nèi)會與圍巖發(fā)生對流換熱，隧道圍巖壁處有加熱裝置，使其圍巖溫度始終維持在2℃，其熱流量公式如下：

Q=Q1+Q2

(1)

式中：Q為隧道內(nèi)負(fù)溫空氣與圍巖對流換熱總熱流量；Q2為隧道內(nèi)負(fù)溫空氣通過保溫隔熱層對流換熱到圍巖的熱流量；Q1為隧道圍巖電伴熱系統(tǒng)發(fā)熱功率。則：Q2=Q-Q1為我們實際所求解數(shù)值。

以隧道無保溫層為例，氣溫在一年中的溫度如圖4所示[7-10]。

圖4四季越野滑雪隧道一年內(nèi)溫度示意圖

四季越野滑雪隧道在無保溫隔熱層情況下，其隧道圍巖凍結(jié)深度Hu,f由斯蒂芬公式確定，即：

(2)

式中：λu,f為已凍土的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；∑Tu,f為凍結(jié)指數(shù)，即為圍巖的正、負(fù)積溫，℃·d；Qu,f為單位體積土的相變潛熱，J/m3。

對于單位體積土融化或凍結(jié)時的相變潛熱Qu,f，即：

Qu,f=Lρd(W-Wi,u)

(3)

式中：L為水結(jié)冰的相變潛熱，工程中一般取數(shù)值333.56 kJ/kg；ρd為土體的干密度，kg/m3；W為土中的總含水率；Wi,u為凍土中的寒冰量。

四季越野滑雪隧道其圍巖為碎石土，密度為ρd=2 200 kg/m3，其圍巖導(dǎo)熱系數(shù)為1.28 W/(m·℃)，則Qu,f數(shù)值為733.832 W。

要計算凍結(jié)深度，必須先求出圍巖的負(fù)積溫∑Tf，由圖4可知，陰影部分面積就是圍巖的負(fù)積溫。兩點坐標(biāo)分別為(1，-6)，(365，-6)。則陰影部分面積的數(shù)值為-2 184 ℃·d，即為圍巖的負(fù)積溫。根據(jù)求解的Qu,f∑Tf的數(shù)值代入公式(2)中，則Hu,f=2.76 m。

隧道洞內(nèi)常年負(fù)溫，圍巖深度取凍結(jié)深度，設(shè)隧道是當(dāng)量半徑為r、凍結(jié)深度為Hu,f的圓筒壁，未鋪設(shè)隔熱層，計算其熱流量Q2，其計算公式即：

(4)

式中：ΔT為圓筒壁兩側(cè)的溫差，℃；L為隧道的長度，m；r=(開挖高度+開挖寬度)/4，m。則熱流量Q2的數(shù)值計算為：Q2=-3.04×104W。

3.2 隧道保溫隔熱層在一襯與二襯之間性能分析

四季越野滑雪隧道加入保溫隔熱層后相當(dāng)于多層圓筒壁模型[11-15]，其導(dǎo)熱熱流量公式為：

(5)

式中：λi表示隧道導(dǎo)熱系數(shù)；ri表示隧道模型多層圓筒壁半徑；l表示隧道長度；ΔT表示隧道內(nèi)壁到圍巖壁處溫度差。

當(dāng)保溫隔熱層在一襯與二襯之間時，為公式(5)中n=4時，其熱流量計算公式即：

(6)

式中：r1表示隧道內(nèi)壁半徑；r2表示二次襯砌外邊緣半徑；r3表示為隧道保溫隔熱層外邊緣半徑；r4表示隧道二次襯砌與圍巖交界處半徑。λ1、λ2、λ3分別表示二次襯砌、隧道保溫隔熱層、一次襯砌的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

其中四季越野滑雪隧道熱流量為3.04×104W，二次襯砌厚度為0.3 m，一次襯砌厚度0.05 m。其襯砌為C30混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)為1.28 W/(m·℃)，保溫隔熱層聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m·℃)，設(shè)保溫隔熱層聚氨酯厚度為r0，則r1=5 m，r2=5.3 m，r3=5.3+r0，r4=5.35+r0。則溫度差與保溫隔熱層厚度公式，即：

(7)

圍巖表面溫度與保溫隔熱層厚度之間關(guān)系如圖5所示。

圖5保溫隔熱層厚度與圍巖溫度關(guān)系

3.3 隧道保溫隔熱層在二襯表面性能分析

當(dāng)保溫隔熱層在隧道二次襯砌表面時，設(shè)保溫隔熱層聚氨酯厚度為r0，則r1=5-r0，r2=5+r0，r3=5.3+r0，r4=5.35+r0則根據(jù)公式(7)得圍巖溫度與保溫隔熱層之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6保溫隔熱層厚度與圍巖溫度關(guān)系

同一保溫隔熱層厚度條件下，不同敷設(shè)位置對圍巖壁的溫度影響如圖7所示。

由圖7可以得出，溫度變化趨勢明顯的為保溫隔熱層敷設(shè)在二襯表面，且效果明顯。保溫隔熱層敷設(shè)在二次襯砌表面時效果最佳。

圖7兩種情況下保溫隔熱層效果分析比較

4 結(jié) 論

以我國首座室內(nèi)四季越野滑雪場為例，其隧道洞室內(nèi)保持-6℃低溫條件，會對隧道圍巖產(chǎn)生凍害效果，影響圍巖穩(wěn)定性，需對四季越野隧道敷設(shè)保溫隔熱層。本文分別分析了保溫隔熱層敷設(shè)在一次襯砌與二次襯砌之間時及二次襯砌表面時兩種情況，得出結(jié)論保溫效果隨著保溫隔熱層的厚度增加效果更為理想，敷設(shè)在二次襯砌表面效果優(yōu)于敷設(shè)在一次襯砌與二次襯砌之間，為我國其他滑雪隧道保溫措施提供借鑒。