寒區(qū)運(yùn)營(yíng)公路隧道保溫材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭沛，傅宇浩，韓猛，李哲

（1.中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100089；2.空間信息應(yīng)用與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100089 3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064）

隨著我國(guó)大西北建設(shè)浪潮的興起，在高海拔高緯度寒冷地區(qū)修建大量的公路隧道是必不可少的，由于高海拔寒冷地區(qū)特殊的地理環(huán)境，隧道結(jié)構(gòu)的抗防凍能力要求非常高，而現(xiàn)有的保溫材料設(shè)計(jì)并不能滿足實(shí)際需求，所以對(duì)保溫材料的研究十分必要。

通過(guò)對(duì)寒區(qū)隧道大量病害的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，病害的產(chǎn)生與隧道圍巖溫度場(chǎng)的分布有著密切聯(lián)系。針對(duì)高海拔寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究：國(guó)際隧道協(xié)會(huì)前主席埃納爾·布羅赫（Einar Broch，挪威）通過(guò)采用雙層襯砌保溫技術(shù)處理，通過(guò)在上羽晃隧道中襯砌與保溫層之間加設(shè)空氣層來(lái)增強(qiáng)隧道保溫效果。鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院的乜鳳鳴通過(guò)對(duì)位于多年凍土段鐵路隧道氣溫狀態(tài)，給該地區(qū)隧道防凍及排水設(shè)計(jì)提供參考。鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院的黃雙林等結(jié)合昆侖山隧道的基本情況，提出寒區(qū)隧道的保溫隔熱的設(shè)計(jì)方法。中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的賴(lài)遠(yuǎn)明等通過(guò)對(duì)大坂山隧道洞口設(shè)置保溫門(mén)、洞內(nèi)設(shè)置保溫層及在洞外進(jìn)出口處加設(shè)保溫防雪棚后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對(duì)不同保溫效果進(jìn)行了對(duì)比和評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)安裝防寒保溫門(mén)比防雪棚的保溫效果顯著。雖然高海拔寒冷地區(qū)隧道的保溫抗防凍及排水問(wèn)題研究不少，但是由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況較為復(fù)雜，影響隧址區(qū)環(huán)境溫度的因素較多，致使很多隧道的防凍設(shè)計(jì)具有盲目性，沒(méi)有明確的保溫與排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，一些設(shè)計(jì)和施工措施較難從根本上解決防凍問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度，運(yùn)用熱流量公式反推算出運(yùn)營(yíng)期隧道的保溫鋪設(shè)厚度，得到了隧道各分區(qū)段及過(guò)渡段保溫材料的布設(shè)厚度。研究結(jié)果可以有效減小寒區(qū)隧道襯砌和圍巖的凍結(jié)，為類(lèi)似寒區(qū)隧道工程保溫材料的施工和設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。

一、保溫材料設(shè)計(jì)理論

（一）基本假設(shè)

（二）保溫層厚度計(jì)算方法

圖1 隧道圍巖溫度場(chǎng)示意圖

圖2 有襯砌保溫層計(jì)算工況

二、工程實(shí)例

（一）工程概況

（二）計(jì)算過(guò)程

1.計(jì)算基本參數(shù)

表1 大坂山和紅土山隧道保溫層計(jì)算基本參數(shù)

圖3 大坂山隧道最冷測(cè)試溫度與進(jìn)深的關(guān)系

圖4 紅土山隧道冷期與進(jìn)深的關(guān)系曲線

根據(jù)公式（1）～（4），可以求出隧道進(jìn)口和出口的保溫層厚度，表3和表4分別為大坂山隧道進(jìn)口和出口的溫度計(jì)算結(jié)果，通過(guò)上表3和表4可知，如果以二襯表面溫度（Tb＞0）作為保溫層設(shè)防厚度的參考值，進(jìn)、出口保溫層設(shè)防厚度的最小值為90mm和110mm；當(dāng)以初襯表面溫度（Ts＞0）作為保溫層設(shè)防厚度時(shí)，進(jìn)、出口保溫層設(shè)防厚度為80mm和100mm。表5和表6為分別為紅土山隧道進(jìn)口和出口的溫度計(jì)算結(jié)果。通過(guò)上表5和表6可以得知，對(duì)于紅土山隧道而言，如果以二襯表面的溫度（Tb＞0）作為保溫層設(shè)防厚度的參考值，進(jìn)、出口保溫層設(shè)防厚度的最小值為75mm和60mm；當(dāng)以初襯表面溫度（Ts＞0）作為保溫層設(shè)防厚度時(shí)，進(jìn)、出口保溫層設(shè)防厚度為65mm和55mm。

表2 不同隧道氣溫隨進(jìn)深函數(shù)關(guān)系式

表3 進(jìn)口處界面溫度計(jì)算結(jié)果（大坂山隧道）

表4 出口處界面溫度計(jì)算結(jié)果（大坂山隧道）

表5 進(jìn)口處界面溫度計(jì)算結(jié)果（紅土山隧道）

表6 出口處界面溫度計(jì)算結(jié)果（紅土山隧道）

三、理論值、設(shè)計(jì)值與優(yōu)化值比較

（一）實(shí)際保溫層厚度

見(jiàn)表7。

（二）計(jì)算保溫層厚度

見(jiàn)表8。

（三）優(yōu)化后保溫層厚度

如果以二襯表面及初襯表面溫度大于0℃作為設(shè)置的依據(jù)，不同區(qū)段的保溫層設(shè)置如下：對(duì)隧道沿軸向溫度分布區(qū)域劃分，依據(jù)對(duì)隧道軸向分區(qū)變化形式給出函數(shù)關(guān)系式，分別對(duì)隧道各斷面進(jìn)行保溫層設(shè)置。針對(duì)紅土山隧道，根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分區(qū)及現(xiàn)場(chǎng)冷期中間段的氣溫大于0℃，將隧道沿軸向溫度變化分為3個(gè)函數(shù)表達(dá)式，在計(jì)算保溫層厚度時(shí)，應(yīng)充分利用現(xiàn)場(chǎng)條件。表9和表10分別為大坂山和紅土山隧道優(yōu)化后的軸向保溫層布設(shè)厚度，具體結(jié)果見(jiàn)表9和表10。

表7 現(xiàn)場(chǎng)隧道實(shí)際采用保溫設(shè)防段落長(zhǎng)度

表8 隧道計(jì)算保溫設(shè)防段落長(zhǎng)度

表9 大坂山隧道軸向保溫層布設(shè)厚度（單位：mm）

表10 紅土山隧道軸向保溫層布設(shè)厚度（單位：mm）

圖9 大坂山隧道保溫層設(shè)防段落示意圖

圖10 紅土山隧道保溫層設(shè)防段落示意圖

圖9和圖10給出了大坂山隧道和紅土山隧道按縱向溫度分區(qū)相應(yīng)的保溫設(shè)防長(zhǎng)度和厚度，并給出了兩個(gè)分區(qū)之間過(guò)渡段的保溫層設(shè)防段落值。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，大坂山隧道在冷期洞內(nèi)氣溫都處在負(fù)溫環(huán)境下，需要全長(zhǎng)布設(shè)保溫層；而對(duì)于紅土山隧道，隨著隧道長(zhǎng)度的增加，穩(wěn)定區(qū)的氣溫較高，全長(zhǎng)布設(shè)保溫層又顯得不合理，這樣既不能達(dá)到隧道洞口防凍的目的，洞身段造成保溫材料浪費(fèi)，同時(shí)也增加了隧道建設(shè)的費(fèi)用。由于隧道進(jìn)出口段和外界環(huán)境直接相通，洞口段受大氣氣溫影響最為嚴(yán)重，為了使隧道洞口圍巖免受凍害，在設(shè)置保溫層時(shí)需分段不等厚度布設(shè)。

四、結(jié)論

大坂山隧道氣溫與進(jìn)深擬合曲線為T(mén)=0.001X－1.97×10-6X2-14.95，紅土山隧道為T(mén)=0.005X－1.45×10-6X2-11.9（0m≤x≤1500m），T=0.005X－1.69×10-6X2-12.67（1500m≤x≤3020m）。

對(duì)隧道在分區(qū)段函數(shù)關(guān)系式的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論計(jì)算，在強(qiáng)影響區(qū)和弱影響區(qū)布設(shè)不等厚度保溫材料并給出了過(guò)渡段的保溫層厚度。

優(yōu)化后的保溫層厚度較設(shè)計(jì)值與理論值的結(jié)果較為合理，且更能滿足后期襯砌及圍巖抗凍的要求。