季节性冻土区隧道保温层御寒保温技术研究

袁金秀，王道远，2，马海龙

(1.河北交通职业技术学院土木工程系，石家庄 050091；2.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043；3.中国铁路上海局集团有限公司徐州工务段，江苏徐州 221000)

随着我国“一带一路”建设的推进，穿越高寒冻土地区隧道工程越来越多[1]。已有调查[2]表明70%寒区隧道均存在不同程度的冻害，给交通隧道行车安全埋下重大安全隐患。为应对冻害产生的衬砌开裂、剥落、结冰等不利影响，国内外学者对隧道御寒保温技术开展了一系列研究，并取得了较为丰富的成果。夏才初等[3]通过推导寒区隧道瞬态温度场显式解析解，得出二衬内侧温度与保温层厚度的增加呈正向关系，但隔热层厚度超过5 cm后，其对二衬内侧岩温的提升效率较低。陈建勋等[4]结合某寒区隧道工程资料，提出了寒区隧道防冻隔温层设计计算方法，并于应用中取得了良好效果。姚红志等[5]通过利用ANSYS有限元软件，分析了保温隔热层不同铺设方式下的温度场变化，并结合模糊综合评价方法对不同保温材料的保温性能进行了评价。祝安龙[6]结合东北多条新建铁路隧道的冻胀病害，阐述了多种治理措施，但治理效果并不理想，加之对隧道冻害机理的分析，提出采用保温隔热层的方法进行冻害治理。季海峰等[7]通过对我国西部某隧道工程增加保温隔热层冻害治理的研究，提出将玻化微珠保温砂浆应用于寒区隧道隔热保温。叶朝良等[8]依托高寒地区后安山大断面隧道工程，利用Abaqus建立有限元计算模型，研究了保温层厚度对隧道贯通前后温度场和保温设防段的影响，并给出了后安山大断面隧道铺设保温层御寒保温技术方案。

本文在前人研究基础上，依托桦皮岭隧道工程，建立“围岩-衬砌-保温层-空气”气固耦合力学模型，对季节性冻土区隧道保温层设置效果进行深入探讨，为寒区交通生命线抗冻裂技术提供理论支持和实践参考。

1 隧道洞口温度实测

1.1 工程概况

桦皮岭隧道地处张北县，为分离式上、下行独立双洞四车道隧道，该区域夏季短促凉爽，冬季漫长寒冷干燥，多年统计年平均气温5.1 ℃，极端最高、最低气温分别可达35.1 ℃和-34.8 ℃；年最热和最冷月份出现在7月份和1月份，平均气温分别为19.8 ℃和-12.3 ℃。年平均风速约4.8 m/s，年平均大风日数为63.3 d，最高大风日数可达96 d，隧道通过段内最大标准冻结深度为220 cm。

1.2 洞口段温度监测结果分析

通过利用WS-A1型温湿度表，对隧道施工期内洞口进口段每日14：00和02：00的气温进行监测，计算得到每日平均气温值。同时结合监测温度数据，利用修正后的余弦函数回归法[9]，拟合得到了隧道洞口段温度变化函数

(1)

式中，t为月份；T(t)为t月时的月平均温度，℃。

拟合洞口段气温与实测值变化对比见图1。

图1 洞口段温度监测与拟合温度对比

由图1可知，隧道洞口段全年气温呈周期性三角函数变化；全年平均气温为5.2 ℃，月平均气温最高和最低值出现在7月份和1月份，分别为20.4 ℃和-11.4 ℃。拟合函数求得的隧道洞口气温与监测温度具有较好的一致性，为后续计算提供精确温度载荷。

2 隧道隔热层数值计算模型

2.1 计算模型的建立

隧道铺设保温层的保温效果与保温层的铺设厚度、材质及铺设方式有关。以控制单一变量法，对桦皮岭隧道铺设保温隔热层的厚度、材质、铺设方式进行对比分析。首先，通过隧道表面铺设不同厚度硬质聚氨酯保温材料的保温效果对比，优选出最佳保温层铺设厚度；其次，以优选的保温层厚度为基础，在隧道表面铺设另外两种(聚酚醛泡沫塑料、泡沫玻璃)常用的保温材料，对其防冻效果给出评判；最后，采用上述优化结果，对保温层表层铺设(二衬表面)、夹层铺设(初支和二衬之间)、双层铺设(初期支护与二衬之间及二衬外表面)的御寒保温效果进行评价。

建立“围岩-衬砌-保温层-空气”气固耦合计算模型[9-11]，经试算，气温对隧道径向温度场的最大影响深度在8 m左右。故确定模型尺寸为：左右边界距隧道起拱处表面为15 m，上边界距隧道拱顶表面25 m，下边界距隧道仰拱表面25 m。隧道初支和二衬混凝土厚度[12]分别为25、50 cm。利用Gambit建立模型并划分网格，在隧道洞壁范围内网格适当加密，以提高计算精度和可靠性，模型及网格划分见图2。

图2 计算模型与网格划分

2.2 边界条件与参数选取

隧道表面与外界气流直接接触发生对流换热，设定对流换热系数为15 W/m2·K，其中气流温度以拟合得到的气温变化函数为加载温度，见式(1)。

隧道地质勘测资料显示，该区域岩体的地温梯度为0.012 5 ℃，隧道处于外界气温影响线以下，测试的桦皮岭隧道洞口段竖直钻孔围岩温度随深度的变化见图3。

图3 围岩温度随深度的变化

由图3可知，地表层岩土随深度的增加受到的外界干扰逐渐减弱，之后岩土温度随地热梯度呈升高趋势；岩土温度活动层范围在8～10 m。隧道开挖后，外界气流与围岩界面的热量交换，使得原有的温度场分布已失去了对当前围岩热过程的影响；同时，已无法准确地确定围岩初始状态的温度场[13]。桦皮岭隧道洞口段属于典型的浅埋偏压隧道，由于隧道断面埋深较浅，其周围岩体温度可近似为一个接近于外界年平均气温值的常数[14]。为了简化计算，假定模型初始岩温均布为外界年平均温度，即5 ℃；模型左右和上边界为绝热边界，下边界由于受地热影响，参考隧道地勘水文资料，设定热流密度为0.06 W/m2。

计算涉及到的相关材料的物理参数见表1，其中混凝土物理参数采用实验室配比测定值；围岩物理参数根据桦皮岭地勘揭露的地层岩性，查阅相关文献得到[15]；保温材料参数以多家生产厂家公布的材料数据为参考[16-17]。

表1 材料物理参数

3 数值计算模型合理性验证

在隧道不采取保温措施时，分析隧道不同径向深度处的围岩温度随外界年气温变化的规律；以及隧道在不同低温月份时，围岩温度沿径向深度的变化。通过对比隧道最大冻结深度的数值计算值与勘测值，以验证数值模型设置的合理性和计算的可靠性。不同径向深度的围岩温度随年气温变化见图4；低温月份围岩温度沿径向深度变化见图5。

图4 距隧道表面不同径向深度围岩温度随年气温变化

图5 低温月份围岩温度沿径向深度变化

由图4可知，隧道围岩温度随外界气温呈三角函数变化，随距隧道表面径向深度的增加，围岩年温度变化振幅减小，出现负温时间变短，直至不出现。当距离隧道表面径向深度达8 m时，围岩温度已基本不受外界全年气温变化的影响；证明了模型尺寸设置的合理性。

由图5可知，隧道径向温度较外界气温变化具有明显的滞后性。以4月份隧道径向围岩温度变化为例，当外界气温升高，隧道表面一定范围内的围岩很快受到影响并随之升温，但内部围岩温度受之前低温月份影响还未来得及反应，仍表现出较低温度；随着隧道径深的进一步增加，围岩温度又渐渐升高至初始岩温。由此，隧道出现最大冻结深度的月份为2月，而非最冷月1月份；计算得出隧道不采取保温措施的最大冻结深度为2.12 m；对比地勘揭露的最大冻结深度2.20 m，数值计算误差小于5 %，验证了本文数值求解方法的可靠及精确性。

4 保温层铺设参数优化

4.1 保温层铺设厚度优化

在隧道表面铺设不同厚度的硬质聚氨酯保温材料，并以二次衬砌内表面温度不小于0 ℃作为保温层铺设厚度判别条件。则保温层铺设厚度不同时，隧道二衬内侧温度随外界气温变化见图6。

图6 铺设不同厚度保温层二衬内侧温度随外界气温变化

由图6可知，隧道铺设保温层后，外界气流和隧道表面接触的介质由二衬变为了保温材料；由此，隧道依靠保温层良好的隔热效应，受外界气温的影响随保温层铺设厚度的增加而减弱。当保温层铺设厚度为5 cm时，二衬内侧表面最低温度为0.87 ℃，已然达到了防冻要求；其与不设保温层的年温度振幅比较，减少了3.0 ℃。

考虑隧道岩温变化的“滞后效应”，优化外界最冷的1月份前后，满足防冻要求的保温层铺设厚度见图7。

图7 隧道二衬内侧表面温度随保温层铺设厚度变化

由图7可知，随着保温层铺设厚度的增加，二衬内侧表面温度逐渐升高。其中保温层铺设厚度不大于1 cm时的工作效率明显较高，但又通常不能满足防冻要求；当其铺设厚度超过1 cm后，隧道二衬内侧温度随保温层厚度的增加，在平稳缓慢中升高，直至初始岩温。在2月份，隧道所需满足防冻要求的保温层厚度最大，为4.12 cm；考虑隧道保温层施作时的便利性及其面对极端不利低温所需预留的冗余值，建议保温铺设厚度为5 cm。

4.2 保温层铺设材料优化

考虑隧道投入运营后可能面对的极端不利气温条件，在隧道表面铺设5 cm厚度不同保温隔热材料，对比极端低温-34.8 ℃下，隧道暴露30 d后的温度场分布，见图8。

图8 铺设不同保温材料极端温度下隧道温度场分布

由图8可知，隧道不采取保温措施下， 隧道会直接暴露在空气中，低温气流与隧道壁面不断地对流换热，并在固-固热传导作用下，隧道逐渐出现负温区域，并且越靠近隧道壁面温度越低；而采取保温措施后，隧道出现的负温区域明显减小，由温度场分布云图看，保温效果最好的是硬质聚氨酯，其次是聚酚醛泡沫塑料，最差的是铺设泡沫玻璃保温材料。

隧道铺设不同保温材料时，隧道暴露在极端气温中不同时间下的冻结深度见图9。

图9 隧道在极端气温中冻结深度与暴露时间关系

由图9可知，不设保温层时，隧道冻结深度随暴露时间近似呈二次上抛线增加；而铺设保温层后，随着保温材料保温性能的提升，隧道冻结深度由上抛线逐渐过渡到线性趋势增加，并且出现冻结的时间延后、深度减小。隧道铺设硬质聚氨酯低温暴露30 d后的冻结深度为1.05 m，相对于聚酚醛泡沫塑料、泡沫玻璃的防冻工作效率分别提高了20.6%、80.9%。从保温防冻效果来看，建议保温层铺设优先选用硬质聚氨酯材料。

4.3 保温层铺设方式优选

在隧道二衬内表面，初支与二衬之间以及双层铺设5 cm厚保温层3种工况，观测保温层不同铺设方式下，隧道出现最大冻结深度时的径向围岩温度变化，见图10。

图10 隧道径向围岩温度与保温层不同铺设方式关系

由图10可知，表层铺设保温在整个隧道的御寒保温效果上较夹层保温方式都较为有利；而对比双层保温，表层保温在二衬冻害防治上明显占优，但在初支及后侧围岩抵抗外界温度干扰上又相对处于劣势；但不管采取何种保温层铺设方式，在隧道冻害防治上都要好于不设保温隔热层，并在保温层内外两侧温度都会出现“跳跃”，最大温差可达8 ℃。综合御寒防冻效果，并结合夹层铺设的保温层容易受到围岩压力的挤压破坏及其破坏后的不利更换条件和双层铺设时的工序繁琐性，因此隧道保温层建议优先选用表层铺挂方式。

5 结论

以季冻区桦皮岭隧道为依托，首先，通过环境温度的现场监测获得了计算模型所需精准温度荷载；其次，建立了基于fluent流体计算软件的“围岩-衬砌-保温层-空气”气固耦合力学模型，并通过对比现场地勘验证了模型的合理性；最后，对不同保温材质、不同铺设厚度和铺挂方式进行了对比分析。所得主要结论如下。

(1)隧道围岩温度随外界气温呈三角函数变化，但“滞后效应”明显；当隧道径向深度达8 m时，围岩温度已基本不受外界气温变化的影响。

(2)硬质聚氨酯保温材料较聚酚醛泡沫塑料和泡沫玻璃御寒保温效果分别提高了近20%和80.9%，但保温层处内外温度存在“跳跃”现象，最高内外温差达8 ℃。

(3)推荐保温层最优铺挂方式为隧道表面铺设，最优铺挂厚度为5 cm。