后安山隧道保温层优化设计仿真分析

叶朝良，宋　鹤，米俊峰

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄　050043；2.中铁十二局集团第一工程有限公司，西安　710038)

后安山隧道保温层优化设计仿真分析

叶朝良1，宋鹤1，米俊峰2

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄050043；2.中铁十二局集团第一工程有限公司，西安710038)

摘要：以高寒地区吉图珲客运专线后安山大断面隧道为研究对象，采用ABAQUS有限元建立计算模型，讨论隧道贯通前后保温层厚度对温度场的影响和保温设防段，分析结果表明：(1)距离隧道洞口越远，防止围岩出现冻结所需的保温层厚度越小；随着保温层厚度的增加，围岩的冻结深度会相应变小；(2)隧道贯通前的保温设防段长度为450～500 m，隧道贯通后的保温段长度为720～830 m，较隧道贯通前增加了近300 m；(3)验证了后安山隧道在距洞门721 m范围内铺设5 cm厚的聚氨酯保温板的保温方案。

关键词：铁路隧道；寒区隧道;温度场;保温层;保温设防段；仿真

随着我国基础设施建设的快速发展，交通工程中寒区隧道数量日益增多，寒区隧道病害也日渐突出，已成为工程界所关注的又一难点问题。近20年来，各国学者虽然对寒区隧道温度场分布规律[1-4]、抗防冻设计中的隔热措施[5-7]、保温材料的选择和敷设方式[8-11]等进行了较为系统的研究，也提出了很多具有实用价值的理论与方法，为寒区隧道抗防冻设计与施工提供了依据。但由于隧道所处地理位置、工程地质条件、复杂环境以及施工技术水平的影响，仍然存在很多问题值得进一步研究。

保温隔热方法是目前应用较为普遍的一种措施，但在优化设计中，防冻材料选择、铺设范围、厚度等方面仍存在较多争议。郝飞，孙全胜[12]针对我国东北地区西山隧道，采用数值方法研究了隧道保温效果，认为将保温层设置在二次衬砌外侧比较合理，对于断面半径大于7 m隧道，仅使用40 mm厚的PU硬质聚氨酯泡沫板作为保温材料欠合理。程耀烜[13]通过有限元分析表明隧道设置厚度不小于2 cm的保温层，防冻效果良好。董锐哲[14]采用有限元计算验证了不同保温方式的保温效果，与实测结果对比分析认为，将保温层设置在二次衬砌外侧，并结合防水层的处理措施是合理有效的。霍润科等[15]通过数值模拟得到隧道运营期内保温层的设防厚度，并计算了3种工况下等厚度保温层的设置方式，结果表明分层设置保温层具有有效防治冻害的效果。

目前对隧道贯通前后的保温设防段长度研究成果较少，尤其在不同隧道断面所需的保温层厚度和设置不同保温层厚度与围岩冻结深度关系的研究方面鲜见报道。因此，以吉图珲客运专线寒区大断面隧道——后安山隧道为背景，采用ABAQUS有限元建立计算模型，首先对隧道贯通前后的围岩温度场分布特征进行分析，在此基础上，探讨了保温设防段长度，评价了保温层的隔热效果。

1工程概况

后安山隧道位于吉林省图们市东嘎呀河东岸至高岭沟之间的低山丘陵区，毗邻中朝边境，为双线隧道，起讫里程GDK306+029～GDK312+580，隧道中心里程GDK309+285，隧道全长6551 m，隧道净空面积92 m2，是吉图珲客运专线第二长隧道和重难点控制工程之一。隧址区地处北纬43°，年平均气温为5.9 ℃，极端最高气温为37.7 ℃，极端最低气温为-42.5 ℃，土壤最大冻结深度达192 cm，施工期间隧道极易产生冻害。

在后安山隧道施工过程中，在初次衬砌和二次衬砌之间采用双层防水板夹一层5 cm厚聚氨酯保温板+无纺布施工，铺设长度721 m；排水措施采用深埋中心水沟，埋深轨下3.7 m，侧沟采用聚氨酯保温水沟。

2有限元计算模型建立

假定隧道为无限长圆筒壁，围岩、各层混凝土为各向同性的均匀连续介质，不考虑防水层的影响。分别选取距隧道洞口25、200、400、700 m和800 m测试断面进行分析，通过设计施工图查得各断面对应埋深分别为3、10、28、33、42 m和84 m。利用有限元软件ABAQUS建立隧道有限元计算分析模型。

2.1几何模型确定

隧道模型的左右边界各取30 m，下边界取30 m，上边界(地表)与大气接触。由于隧道的温度场分布对称，只取一半进行分析计算，距洞门25 m处和距洞门200 m处计算模型如图1所示。

图1　计算模型

2.2参数选取

材料的计算参数见表1。由于同强度等级的混凝土性能参数变化不大，因此，混凝土的计算参数参考已有值[16]。后安山隧道地区的围岩多为砂质泥岩，根据相关资料[17]确定其计算参数。保温层采用导热系数较小，耐久性能好的聚氨酯，其相关参数见文献[11]。

表1　材料热物理参数

2.3初始温度场和边界条件

施加到隧道内轮廓的温度为隧道内测定的温度，此温度可以拟合成正弦函数，拟合的一般通式为

式中，T为气温，℃；Ta为年平均气温，℃；A为气温年变幅，℃；t为时间，d。

上边界施加的地温变化规律也可表示为三角函数；左右边界设为绝热边界。根据后安山隧道的地质岩性、地理位置，计算取后安山隧道的温度梯度为30 ℃/km。

3计算结果及分析

3.1贯通前隧道二维瞬态温度场计算

根据现场数据测试分析，选取3个断面：距洞门200 m、距洞门400 m、距洞门500 m，计算贯通前后安山隧道的保温设防段长度。采取逐渐加厚保温层厚度的计算方法，以初次衬砌外表面小于0 ℃作为保温层铺设的判定条件，计算时间为2年。

(1)距洞门200 m

计算结果如图2所示。从图2可以得出，无保温层时围岩的冻结深度为1.02 m。当铺设1 cm厚的保温层时，保温板两侧温度从-7.3 ℃变化到-2.4 ℃，升高了4.9 ℃，围岩出现少量冻结现象，冻结深度为0.33 m。当铺设2 cm厚的保温层时，保温层两侧的温度升高了7.5 ℃，围岩中不存在负温区。

图2　距洞门200 m处温度分布云图

(2)距洞门400 m

若不铺设保温层，围岩在2年内会有微量冻结现象，仍然可以考虑铺设0.5 cm厚的保温材料来防冻。

(3)距洞门500 m

无保温层时，围岩的温度全部高于冻结温度，即围岩不会发生冻害。

通过对3个断面采取逐渐加大保温层厚度，对比分析可知：距洞门200 m处，防止围岩出现冻结的保温层厚度为2 cm可满足防冻胀要求；距洞门400 m处，仅需铺设0.5 cm厚的保温材料；距洞门500 m处，即使不铺设保温层，围岩也不会发生冻结。因此，可初步确定隧道贯通前的保温设防段长度为450～500 m。

3.2贯通后隧道二维瞬态温度场计算

对于寒区隧道，贯通前由于气流尚未形成对流和施工产生水化热的影响，隧道一般不会发生冻害。但是隧道贯通后，由于空气的对流作用，冻害现象往往比较普遍。因此，重点对隧道贯通后的围岩温度场进行计算，分别选取为距洞门25 m、距洞门200 m、距洞门500 m，距洞门700 m，距洞门800 m。对于每个断面，采取与贯通前相同的计算方法，逐渐加厚保温层的厚度，计算时间为50年。

(1)距洞门25 m处

经过50年的计算，当没有保温层时，温度场云图如图3(a)所示，拱腰处测线温度分布规律如图4(a)所示，从图可以看出初次衬砌后一定区域的围岩均处于负温区，极易发生病害，围岩的冻结深度为2.27 m。由于隧道埋深较浅，受到外界环境温度的影响较大，隧道拱顶以上部位的围岩全部处于负温区，模型其他部分土壤的负温区也延伸到距离上边界2.3 m左右。

图3　距洞门25 m处温度云图

图4　距洞门25 m处拱腰温度分布规律

当在初次衬砌和二次衬砌之间铺设1、2、3、4 cm厚的保温层时，围岩均会发生不同程度的冻结。当保温层的厚度变为5 cm时，温度场的分布规律如图3(b)和图4(b)所示。拱腰处保温板两侧的温度从-3.8 ℃升高到1.05 ℃，初次衬砌和围岩内温度均不存在负温区。拱顶处围岩由于受到外界环境温度的影响，其全部处于负温状态。

把保温层的厚度变成7 cm，按照同样的思路计算，得到温度场分布如图3 (c) 和图4(c)所示。保温板两侧的温度从-3.8 ℃升高到2 ℃。从图可以看出温度场云图与图3(b)相似，拱顶处围岩的负温区并没有减小。

对于距离洞门25 m处，由于隧道埋深较浅，且离洞门过近，受到外界环境温度影响较大，单采取加大保温层厚度并不能完全避免冻害的发生，应配合其他防冻措施如采用耐低温混凝土、防渗措施、防排水措施等，会取得良好效果。

(2)距洞门其他断面处

距洞门200、500、700、800 m处的计算结果如表2所示。距洞门200 m处，无保温层时围岩的冻结深度为2.11 m，有2 cm厚保温层时围岩冻结深度为0.57 m，防止围岩出现冻结所需的保温层厚度为3 cm。模型上表面的冻结深度均为2.28 m，因此，可以得出当埋深大于10 m时，地温对隧道内温度分布影响较小。距洞门500 m和700 m处均需保温层厚度为2 cm。而在距洞门800 m处，即使不铺设保温层，围岩在50年内也不会发生冻结现象。

表2　不同断面在不同保温层厚度情况下围岩冻结深度

保温设防段的长度可以通过有限元模拟、现场测试以及经验公式确定。现场铺设保温段的长度为721 m。根据经验公式黑川希范公式[18]

式中，t为洞口最冷月月平均气温，℃；y为防寒保温段长度，m。

计算出的保温段长度为831 m。通过有限元模拟得出的保温段长度为800 m，与实测和经验公式计算结果较为符合，验证了模拟的精度和准确性，该模拟结果可以用于寒区隧道温度场分布规律的研究和预测。

通过对后安山隧道典型断面的数值模拟，并结合现场铺设长度和经验公式，可以定出隧道贯通后的保温设防段长度为720～830 m，较隧道贯通前增加了近300 m。

4结论

通过对后安山大断面寒区隧道仿真分析，得到了隧道贯通前和贯通后的保温设防段长度，研究了保温层厚度与围岩冻结深度的关系，可得到如下结论。

(1)距离隧道洞口越远，防止围岩出现冻结所需的保温层厚度越小；随着保温层厚度的增加，围岩的冻结深度会相应变小。对于距离洞门25 m处，由于隧道埋深较浅，受外界环境温度影响大，单采取加大保温层厚度并不能完全避免冻害的发生，应配合其他防冻措施如采用耐低温混凝土、防渗措施、防排水措施等，会取得良好效果。

(2)隧道贯通前的保温设防段长度为450～500 m，隧道贯通后的保温段长度为720～830 m，较隧道贯通前增加了近300 m。

(3)通过设置不同厚度聚氨酯保温板计算结果对比，验证了后安山隧道在距洞门721 m范围内铺设5 cm厚的聚氨酯保温板可以起到很好的隔热保温效果，是合理的，其防寒保温方案对其他类似工程具有一定参考价值。

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Simulation Analysis of Optimization Design for Insulation Layer in Houanshan Tunnel

YE Chao-liang1， SONG He1， MI Jun-feng2

(1.College of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043 China;

2.First Engineering Limited Company of China Railway 12thBureau， Xian 710038， China)

Abstract：Taking the large cross-section Houanshan Tunnel on Jinlin-Tumen-Hunchun Passenger Dedicated Line in cold region as the study object， this paper establishes a calculation model with ABAQUS to analyze the effect of insulation layer thickness on the temperature field and frost penetration length before and after tunnel holing-through. The results show that: (1) The farther the distance to tunnel portal， the smaller thickness of insulation layer required to prevent the surrounding rock from freezing; frozen depth of surrounding rock decreases with the increase of insulation layer thickness. (2)Frost penetration length should be 450～500 m before tunnel holing-through， and 720～830 m after tunnel holing-through with nearly 300 m in addition. (3)It is verified that the 5 cm polyurethane insulation board in the range of 721 m from the Tunnel portal of Houanshan tunnel proves to be effective in heat insulation.

Key words：Railway tunnel; Tunnel in cold region; Temperature field; Insulation layer; Frost penetration length; Simulation

中图分类号：U45

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.027

文章编号：1004-2954(2015)06-0122-04

作者简介：叶朝良(1969—)，男，教授，工学博士，从事岩土与地下工程、路基工程等方向的教学与研究。

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2012G0061-F)

收稿日期：2014-09-22； 修回日期：2014-10-19