时间:2024-07-28
郭沛,傅宇浩,韩猛,李哲
(1.中国公路工程咨询集团有限公司,北京 100089;2.空间信息应用与防灾减灾技术交通运输行业研发中心,北京 100089 3.长安大学公路学院,西安 710064)
随着我国大西北建设浪潮的兴起,在高海拔高纬度寒冷地区修建大量的公路隧道是必不可少的,由于高海拔寒冷地区特殊的地理环境,隧道结构的抗防冻能力要求非常高,而现有的保温材料设计并不能满足实际需求,所以对保温材料的研究十分必要。
通过对寒区隧道大量病害的调查发现,病害的产生与隧道围岩温度场的分布有着密切联系。针对高海拔寒区隧道温度场,国内外学者已经做了大量研究:国际隧道协会前主席埃纳尔·布罗赫(Einar Broch,挪威)通过采用双层衬砌保温技术处理,通过在上羽晃隧道中衬砌与保温层之间加设空气层来增强隧道保温效果。铁道部第三勘察设计院的乜凤鸣通过对位于多年冻土段铁路隧道气温状态,给该地区隧道防冻及排水设计提供参考。铁道部第一勘察设计院的黄双林等结合昆仑山隧道的基本情况,提出寒区隧道的保温隔热的设计方法。中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室的赖远明等通过对大坂山隧道洞口设置保温门、洞内设置保温层及在洞外进出口处加设保温防雪棚后,对现场温度监测数据进行系统分析,并对不同保温效果进行了对比和评价,结果发现安装防寒保温门比防雪棚的保温效果显著。虽然高海拔寒冷地区隧道的保温抗防冻及排水问题研究不少,但是由于现场地质情况较为复杂,影响隧址区环境温度的因素较多,致使很多隧道的防冻设计具有盲目性,没有明确的保温与排水设计标准,一些设计和施工措施较难从根本上解决防冻问题。
针对以上问题,本文基于现场实测温度,运用热流量公式反推算出运营期隧道的保温铺设厚度,得到了隧道各分区段及过渡段保温材料的布设厚度。研究结果可以有效减小寒区隧道衬砌和围岩的冻结,为类似寒区隧道工程保温材料的施工和设计提供一定的参考和借鉴。
图1 隧道围岩温度场示意图
图2 有衬砌保温层计算工况
1.计算基本参数
表1 大坂山和红土山隧道保温层计算基本参数
图3 大坂山隧道最冷测试温度与进深的关系
图4 红土山隧道冷期与进深的关系曲线
根据公式(1)~(4),可以求出隧道进口和出口的保温层厚度,表3和表4分别为大坂山隧道进口和出口的温度计算结果,通过上表3和表4可知,如果以二衬表面温度(Tb>0)作为保温层设防厚度的参考值,进、出口保温层设防厚度的最小值为90mm和110mm;当以初衬表面温度(Ts>0)作为保温层设防厚度时,进、出口保温层设防厚度为80mm和100mm。表5和表6为分别为红土山隧道进口和出口的温度计算结果。通过上表5和表6可以得知,对于红土山隧道而言,如果以二衬表面的温度(Tb>0)作为保温层设防厚度的参考值,进、出口保温层设防厚度的最小值为75mm和60mm;当以初衬表面温度(Ts>0)作为保温层设防厚度时,进、出口保温层设防厚度为65mm和55mm。
表2 不同隧道气温随进深函数关系式
表3 进口处界面温度计算结果(大坂山隧道)
表4 出口处界面温度计算结果(大坂山隧道)
表5 进口处界面温度计算结果(红土山隧道)
表6 出口处界面温度计算结果(红土山隧道)
见表7。
见表8。
如果以二衬表面及初衬表面温度大于0℃作为设置的依据,不同区段的保温层设置如下:对隧道沿轴向温度分布区域划分,依据对隧道轴向分区变化形式给出函数关系式,分别对隧道各断面进行保温层设置。针对红土山隧道,根据隧道现场测试分区及现场冷期中间段的气温大于0℃,将隧道沿轴向温度变化分为3个函数表达式,在计算保温层厚度时,应充分利用现场条件。表9和表10分别为大坂山和红土山隧道优化后的轴向保温层布设厚度,具体结果见表9和表10。
表7 现场隧道实际采用保温设防段落长度
表8 隧道计算保温设防段落长度
表9 大坂山隧道轴向保温层布设厚度(单位:mm)
表10 红土山隧道轴向保温层布设厚度(单位:mm)
图9 大坂山隧道保温层设防段落示意图
图10 红土山隧道保温层设防段落示意图
图9和图10给出了大坂山隧道和红土山隧道按纵向温度分区相应的保温设防长度和厚度,并给出了两个分区之间过渡段的保温层设防段落值。通过现场实测数据可知,大坂山隧道在冷期洞内气温都处在负温环境下,需要全长布设保温层;而对于红土山隧道,随着隧道长度的增加,稳定区的气温较高,全长布设保温层又显得不合理,这样既不能达到隧道洞口防冻的目的,洞身段造成保温材料浪费,同时也增加了隧道建设的费用。由于隧道进出口段和外界环境直接相通,洞口段受大气气温影响最为严重,为了使隧道洞口围岩免受冻害,在设置保温层时需分段不等厚度布设。
大坂山隧道气温与进深拟合曲线为T=0.001X-1.97×10-6X2-14.95,红土山隧道为T=0.005X-1.45×10-6X2-11.9(0m≤x≤1500m),T=0.005X-1.69×10-6X2-12.67(1500m≤x≤3020m)。
对隧道在分区段函数关系式的基础上,通过理论计算,在强影响区和弱影响区布设不等厚度保温材料并给出了过渡段的保温层厚度。
优化后的保温层厚度较设计值与理论值的结果较为合理,且更能满足后期衬砌及围岩抗冻的要求。
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