高地温隧道隔热技术研究

2013-09-04白国权仇文革张俊儒

铁道标准设计 2013年2期

白国权，仇文革，张俊儒

(1.云南省交通规划设计研究院，昆明 650011;2.西南交通大学，成都 610031)

1 高地温隧道概述及研究现状

在设计深埋长大越岭隧道时，必须考虑在施工过程中人员和机具的工作条件，而首先要解决的问题是所有的工程地质问题，天然地温便是其中比较突出的一个。高地温，或者称作地热，在我国分布较广，尤其在西南的云南地区，分布较为显著。对于隧道工程而言，当地温超过30℃时，便称为高地温，也称作热害。隧道工程中若发生高地温问题，一方面将恶化施工作业环境，降低劳动生产效率，并严重威胁到施工人员的生命安全;另一方面将影响到施工材料的选取和混凝土的耐久性，而且附加温度应力还可以引起衬砌开裂，将严重影响隧道的稳定性。从国内外部分深埋长大隧道的地温值及主要穿越的地层岩性统计(表1)可以看出，大部分深埋长大隧道都修建在比较坚硬的围岩中，由于这些岩石的热导率较低，传热性能差，在岩体中容易聚集热能。随着隧道埋深的增加，地温值一般也逐渐增加，但这种增加的趋势并非线性;地温值还与隧道所在地区的地层岩性、地质构造、近期岩浆活动，以及地下水的活动等因素均有密切关系。

目前国内外针对隧道热害的研究一般都侧重于对地温场进行模拟［1］，这类研究多采用有限元数值解或数值模拟的方法以求解温度场的分布，分析隧道地温场特征，对隧道围岩温度进行预测、分析［2-4］。有部分研究是针对隧道热害进行总体评估［5］，其分析方法是根据实际调查资料，考虑相关影响因素，通过层次分析以及其他方法来进行。还有部分研究对高地温隧道在设计和施工技术方面的措施进行了简单的探讨［6］，这种探讨主要是结合初步的地质勘探等资料做概述性的比较分析。高地温隧道具体该如何降温，应该采取哪些方面的措施，仅有少量的研究［7］，其研究方法主要是通过编程计算，对采用人工制冷降温措施解决掌子面高地温的问题进行分析和探讨。对高地温隧道的降温以及其他的隔热措施在其对应的功效方面的研究还未见。

表1 部分深埋长隧道的地温值

相对于高地温隧道，目前高地温矿井方面的研究较为深入些，主要包括通过数值模拟来研究矿井的温度场分布［8-9］和热害治理时地层储冷［10］。另外煤炭行业还根据其行业的特殊性和危险性，制定了相应的热害防治设计规范［11］，但其具体的防治措施是根据既经济又有效的原则，结合相关经验进行拟定的，其侧重点是强调通风散热和制冷。

本文以拟建大瑞铁路高黎贡山隧道将穿越高地温围岩为背景，主要通过有限元数值模拟，对隧道在不同隔热材料、不同地温(边界条件)下的隔热效果和所需的制冷功率进行试算、分析，并确定其功率值，计算得出相应的制冷剂用量;另外通过计算还得出了隔热层厚度与冷能补给量的对应关系并绘制了关系曲线，通过分析得出了二者的关系。

2 隔热和隔热材料

隔热又称绝热，它相对于传热而言。隔热层的作用是使通过它的传热量最小，隔热效果的好坏，取决于隔热材料的性能、厚度及防潮措施等。

作为隔热材料，应具备导热系数小、轻质、均质、吸水性差、耐火性好等特征，同时还需综合考虑其力学性能和经济指标。常用的隔热材料及其基本特征参数见表2。

3 不同材料的隔热效果及耗能比较

采用有限元热分析方法，对不同隔热材料(在此选取苯乙烯和聚氨酯两种)的隔热效果和对应的消耗补给冷能进行计算分析。有限元计算时的材料参数见表3，其中部分热物理参数根据文献选取［12］。

表2 各种隔热材料的导热系数

表3 材料参数

隧道考虑为复合式衬砌支护形式，围岩与初支密贴，初支和二衬之间设置隔热层(和防水层)，有限元数值模拟的计算模型见图1。

图1 FEM计算网格划分模型

通过多次试算，模拟在较高的原始地温(100℃和60℃)条件下，当没有隔热层材料和设置隔热层(材料分别为苯乙烯和聚氨酯)的情况下，需要补给多少冷能来将隧道内的温度降到可工作温度(28℃)。计算共考虑了不设置隔热层、设置10 cm和5 cm厚隔热层(苯乙烯和聚氨酯)分别在100℃和60℃两种原始地温等条件下的10种组合工况。

图2～图6所示为不设置隔热层和设置10 cm厚隔热层(苯乙烯)分别在100℃和60℃原始地温共计4种工况下将隧道内温度降至28℃后的温度场分布图和温度场梯度分布图。另外6种工况的计算结果未在图中示出。

图2 不设置隔热层情况下降温后的温度场分布

图3 设10 cm厚苯乙烯隔热层，原始地温为100℃降温后温度场分布图

为将隧道内温度降至28℃，需要对隧道洞内进行冷能补给以达到降温的效果，通过对前述10种工况进行多次试算和比较，可以基本确定其对应的冷能补给值，即单位面积功率值(以负表示)，见表4。按隧道周界边长29 m换算为单位长度能冷补给功率值，列于表5(以正表示)。从两表可以看出，不设置隔热层所需冷能补给大于设置隔热层的工况，苯乙烯作为隔热层所需冷能补给大于聚氨酯的工况，10 cm厚隔热层所需冷能补给小于5 cm厚的工况。

图4 设10 cm厚苯乙烯隔热层，原始地温为100℃降温后温度场分布梯度

图5 设10 cm厚苯乙烯隔热层，原始地温为60℃降温后温度场分布

图6 设10 cm厚苯乙烯隔热层，原始地温为60℃降温后温度场分布梯度图

表4 降温冷能补给比较一 W/m2

表5 降温冷能补给比较二 W/m

4 制冷剂的选用比较

前述计算已经可以确定冷能补给的功率值，但具体到不同的制冷剂所需要的用量，还需要通过转换进一步计算。在此选用冰和液氮2种制冷剂进行比较分析，其用量计算公式如下

式中 M——制冷剂用量，kg/(m·h);

Pl——延米冷能补给功率值，W/m;

C——制冷剂比热，J/(kg·K);

t1——隧道内的可工作温度，取最高28℃;

1）引入车辆实例，结合车辆知识，让控制“活”起来，加入MATLAB仿真技术，让课程“动”起来，这样做会提升学生的兴趣。

t0——制冷剂的相变点温度，℃。

制冷剂的热物理参数见表6。通过计算，将各种工况下隧道每小时需要的制冷剂用量列于表7中。

表6 制冷剂热物理参数

表7 制冷剂用量比较 kg/(m·h)

通过计算，对结果进行比较分析，可以看出:不设置隔热层所需的制冷剂用量较设置时大，苯乙烯作为隔热层材料时所需的制冷剂用量较聚氨酯的大。另外，液氮的相变点比冰的低，作为制冷剂的降温效果比冰好，但液氮的制造成本比冰高。

5 隔热层厚度与冷能补给量的关系

直观地理解，隔热层厚，其隔热效果应该好，但是否是越厚就越好呢?在此做进一步分析，通过计算确定隔热层厚度和冷能补给量之间的关系。前面已经计算了10 cm和5 cm两种厚度工况，在此，以聚氨酯作为隔热层材料，再选取15 cm和2 cm两种厚度工况进行计算，选取初始地温为100℃，降至可工作温度28℃。

对计算结果进行列表(表8)比较并对图示(图7)分析，可看出隔热层厚度和冷能补给量间的关系。

表8 不同隔热层厚度与对应的冷能补给量

图7 隔热层厚度与冷能补给的关系曲线

由图7可以看出，当保温隔热层达到一定厚度时，通过继续增大其厚度的措施来实现隔热的效果不再很明显，即通过增加保温隔热层的厚度来达到隧道内降温的效果是有限的。但是，具体选用何种隔热材料以及隔热层的厚度取多少更显合理，还需要对材料的各种性能进行综合比较分析。

6 高地温隧道建设建议

本文所述为一种新的研究方式:通过有限元数值模拟，对不同隔热材料在不同地温条件下的隔热效果和所需的制冷功率进行试算、分析，确定其功率值，得出相应的制冷剂用量;通过计算得出了不同隔热层厚度对应的冷能补给量，分析得二者的关系。

作为下一步研究的内容，同时对包括拟建的大瑞铁路高黎贡山隧道在内的高地温隧道的建设提出以下建议。

(1)在高地温条件下，隧道支护形式的选择要综合施工及运营时两方面的要求综合确定。表9是建议的6种支护形式。

表9 高地温隧道支护形式

针对不同的支护形式，应对其安全性、隔热效果、经济性、耐久性等指标进行综合比较，确定最优方案。文中前述研究方法可用于对各种支护形式的隔热效果进行比较。

(2)施工过程中，隧道开挖后应尽快施作初期支护，及时量测隧道内拱顶、拱腰、边墙和拱脚的位移收敛及围岩的温度，并及时反馈，采用信息反馈法指导现场施工。另外，应适当的减少炮孔数目，缩短钻爆施工时间，保证孔内岩体温度低于炸药安全使用温度，以降低地热区爆破施工危险程度。

(3)结合煤矿的经验，在施工过程中，采取通风、洒水或两者相结合的措施，对隧道洞内进行降温，必要时，可采用大型通风设备。如遇热水涌出的情况，可增建降水、排水设施和排水钻孔，以降低水位;如果水量仍然较大，可采用水玻璃水泥系药液注浆，以发挥堵截水和稳定围岩的作用。

(4)应研究并采用新型材料，提高结构在高地温条件下的耐久性。在掌握了材料的相应热物理参数的条件下，仍可通过文中前述的研究方法对各新型材料的隔热效果进行比较。

7 结论

我国对冻土隧道冻害的研究已经取得了大量的成果并已应用于实际工程，但在高地温隧道热害领域的研究还很少。本文主要通过有限元数值模拟的方法，对不同初始地温、不同隔热条件下，需要将隧道内的温度降至可工作温度所需的制冷功率进行试算和比较;分别计算了不同制冷剂在各种工况下的用量;分析了隔热层厚度与冷能补给量的关系。通过分析，可得出如下结论。

(1)聚氨酯作为保温隔热层材料的效果较苯乙烯好;液氮的相变点比冰的低，作为制冷剂的降温效果比冰好，但液氮的的制造成本比冰的高。

(2)隔热层厚度厚时其隔热效果好，但当其达到一定厚度时，继续增厚降温的效果不再很明显，即通过增加保温隔热层的厚度来实现隧道内降温的效果是有限的。

本文所述的研究方法和相关结论，特别是各种工况的对应的冷能补给量和制冷剂需用量，可以作为今后高地温隧道隔热设计的一种比较依据和参照标准。

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