不同保温材料保温效果数值模拟计算

张谊鹏，黄奕轩(四川省川建勘察设计院, 四川成都 610031)

不同保温材料保温效果数值模拟计算

张谊鹏，黄奕轩
(四川省川建勘察设计院, 四川成都 610031)

针对某高海拔严寒地区隧道保护问题，利用数值模拟计算方法，分别模拟保温层材料类型、敷设厚度对隧道衬砌保温效果的影响。结果表明，导热系数最小的硅酸铝纤维保温板的保温效果最好。研究结果可为隧道保温层设计提供参考。

隧道；保温材料；保温层厚度

高海拔寒冷地区隧道开挖后，受冷空气的影响，隧道洞壁将会出现负温的不利情况。如不采取保温措施，隧道势必出现冻害，影响行车安全，降低隧道使用寿命。在我国，对寒区隧道的防寒保温措施主要有3种，供热法，防寒门法和敷设保温材料法[1]。国内寒区隧道多采用铺设保温隔热材料的方式来减少冻害的发生[2]。本文利用二维瞬态有限元程序，对保温材料的类型、厚度对保温效果的影响进行计算与分析。

1 依托工程概况

隧道位于四川省省道S303线小金县，进口海拔3 849 m，出口海拔3 852 m。隧址区年平均气温1.8 ℃，其中12月至次年1月平均气温在-5 ℃以下，最低气温为-16.1 ℃。隧址区地层以三叠系中统杂谷脑组和三叠系上统侏倭组的砂岩夹板岩为主。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

隧道洞壁设置的混凝土二次衬砌，厚度为70 cm, 在二次衬砌的表面敷设保温材料。为了定量研究敷设保温材料后隧道二次衬砌及隧道围岩的温度变化情况，在数值模型中设立了3个典型位置的深度-温度监测线，分别位于隧道拱顶中央位置，隧道边墙4.1 m高位置和隧道底部中央位置，如图1所示。

图1 监测位置布置示意

2.2 保温材料热物理参数

为了给隧道保温防寒设计提供合理的参数，经对国内外目前生产使用的不同材质的保温隔热材料进行比选，选取了如下4种保温材料：硅酸铝纤维板、聚乙烯保温板、聚酚醛保温板、聚氨酯泡沫保温板。

根据测定及查阅资料，得出混凝土、保温材料、沥青的热物理参数，如表1所示。

表1 防冻保温材料热物理参数

3 保温隔热材料类型对保温效果的影响

保温材料的类型不同，其导热系数不同。隧道洞壁的保温材料选取硅酸铝纤维板、聚酚醛保温板、聚乙烯泡沫板和聚氨酯泡沫板。选取距离隧道进口端10 m处为研究对象。为了保证数值模拟计算的结果应用在工程上有足够的安全性，选择计算时间为30 d、极端气温-16.1℃的计算模型，建立二维瞬态热传递模型。

研究选取4种保温材料在厚度为5 cm时隧道的温度场分布规律，提取隧道二次衬砌表面的温度，如表2、表3所示。

由表2可知，敷设了5 cm厚的4种保温材料之后，隧道拱顶二次衬砌表面的温度不同，可以总结为随着保温材料导热系数的增大，隧道拱顶二次衬砌的表面温度逐渐降低。以硅酸铝纤维为保温材料的隧道拱顶二次衬砌表面温度最高，为0.3049 ℃；以聚酚醛保温板为保温材料的隧道拱顶二次衬砌表面温度最低，为-0.23008 ℃。

表2 敷设不同保温材料时隧道拱顶二衬表面温度

表3 敷设不同保温材料时隧道边墙二衬表面温度

由表3可知，敷设了5 cm厚的4种保温材料之后，隧道边墙二次衬砌表面的温度不同。其规律也是随着保温隔热材料导热系数的增大，隧道边墙二次衬砌表面的温度逐渐减小。4种保温材料中，只有以硅酸铝纤维保温板作为隧道保温材料的隧道边墙二次衬砌表面的温度为0 ℃以上，其余3种保温材料后的二次衬砌表面温度均为0 ℃以下。

综上可以得知，给隧道敷设不同类型的保温材料厚度相同时，导热系数小的保温材料的保温效果更好，可以更好地阻止冷空气对隧道洞壁的影响。

4 保温材料厚度对保温效果的影响

选取4种保温材料，敷设厚度分别为3 cm、4 cm、5 cm、6 cm。研究不同保温材料不同厚度时隧道二次衬砌表面温度。提取温度场云图相关节点的温度，绘制敷设不同厚度不同类型保温材料时隧道拱顶二次衬砌表面的温度曲线，如图2、图3所示。

通过图2可以看出敷设不同类型不同厚度的保温材料之后，同一种材料不同厚度时二次衬砌表面的温度不同。隧道二次衬砌表面的温度随着保温材料厚度的增大而上升。敷设硅酸铝保温板时，当敷设厚度为3 cm和4 cm时，隧道拱顶二次衬砌的温度均小于0℃，不符合要求；当敷设厚度为5 cm和6 cm时，隧道拱顶二次衬砌表面的温度大于0℃，满足要求。敷设聚乙烯泡沫塑料时，当敷设厚度为3 cm和4 cm时，隧道拱顶二次衬砌表面的温度小于0℃，当敷设厚度为5 cm和6 cm时，隧道拱顶二次衬砌表面温度大于0℃。敷设硬质聚氨酯泡沫塑料后，隧道拱顶二次衬砌表面的温度同以上两种保温材料情况相同，都是3 cm和4 cm时不符合要求，5 cm和6 cm时符合要求。当敷设聚酚醛保温板时，敷设厚度为3 cm、4 cm和5 cm时隧道拱顶的二次衬砌表面温度均为0℃以下，只有当敷设厚度为6 cm时隧道拱顶二次衬砌表面温度才达到0℃以上。

图2 不同保温材料不同厚度隧道拱顶二衬表面温度

图3 不同保温材料不同厚度隧道边墙二衬表面温度

通过图3可知，敷设硅酸铝纤维保温板时，敷设厚度为3 cm和4 cm时，隧道边墙二次衬砌表面温度均小于0℃，敷设厚度为5 cm和6 cm时隧道边墙二次衬砌表面的温度大于0℃。余下3种保温材料，在敷设厚度为3 cm、4 cm和5 cm时，隧道边墙二次衬砌表面的温度均为0℃以下，只有当敷设厚度为6 cm时，隧道边墙的二次衬砌表面温度才达到0℃以上。

可知，敷设5 cm厚的硅酸铝纤维保温板可有效保持隧道衬砌表面温度在0℃以上。

5 结论

(1)导热系数最小的硅酸铝纤维保温板的保温效果最好。

(2)增加保温材料的厚度，隧道二次衬砌表面的温度会升高。当给隧道洞壁敷设5 cm厚的硅酸铝纤维板时隧道的拱顶和边墙的二次衬砌表面温度大于0℃，其它几种保温材料在敷设厚度为5 cm时隧道边墙的二次衬砌表面温度未达到0℃。

[1] 谢红强, 何川, 李永林.寒区公路隧道保温层厚度的相变温度场研究[J].岩石力学与工程学报, 2007,26(S2):4395-4407.

[2] 姚红志, 张晓旭, 董长松, 等.多年冻土区公路隧道保温隔热层铺设方式及材料性能对比分析[J].中国公路学报, 28(12): 106-113.

张谊鹏(1979～)，男，学士，工程师，从事建筑工程建设项目管理工作。

TU55+1.1

B

[定稿日期]2016-06-15