寒区隧道玻化微珠保温砂浆保温隔热效果分析

季海峰,李 珠,霍英涛,柴丽娟

(太原理工大学建筑与土木工程学院,太原 030024)

寒区隧道玻化微珠保温砂浆保温隔热效果分析

季海峰,李 珠,霍英涛,柴丽娟

(太原理工大学建筑与土木工程学院,太原 030024)

对于当前寒区隧道普遍采用的保温隔热材料存在的诸多不足,根据玻化微珠保温砂浆的物理力学性能,提出将玻化微珠保温砂浆应用于寒区隧道隔热层。结合工程实例,通过有限元计算,对玻化微珠保温砂浆在寒区隧道保温隔热效果进行分析,并对隧道围岩温度场的影响因素进行评定。结果表明, 8cm厚的玻化微珠保温砂浆具有良好的保温隔热性能,可以减少自然气候对隧道围岩温度场的影响,为其在工程中的应用提供相应的依据。

寒区隧道；非冻土段；玻化微珠保温砂浆；初始地温；有限元分析

随着我国当前经济的不断发展以及西部开发战略的不断推进，我国西部基础设施建设正不断完善，寒区隧道工程的建设也得到了蓬勃发展。冻害是寒区隧道面临的重要问题之一，其直接关系到隧道结构的整体稳定及耐久性能，危及行车安全。据统计，我国20世纪80年代建设的多座隧道面临着不同程度的冻害问题，严重影响隧道的正常使用，较为严重的如新疆天山2号隧道，其冻害极为严重，目前已近乎报废[1]。

针对上述问题，在寒区隧道增加保温隔热层成为解决该问题的重要途径，并且在大量工程应用中得以证实[2-4]，得出了诸多有益的结果。赖远明等[5]结合传热、渗流、冻土力学等诸多理论推导得出考虑相变的温度、应力、渗流三场耦合控制微分方程，为寒区隧道隔热层设计及施工提供相应的理论依据。陈建勋等[4]根据绝热原理推导得出寒区隧道保温隔热层厚度计算公式，并对保温隔热效果进行了实测分析，为隧道隔热层设计提供了参考。马建新、王飞等[7-8]对不同材料不同厚度保温隔热层设置效果进行分析，对不同保温材料在寒区隧道应用效果作出评价。谭贤君等[9]结合传热、流体及空气动力学相关知识，给出考虑通风影响的隧道温度场模型，并对隧道隔热层铺设长度进行了深入分析。范东方等[10]通过有限元计算对不同类型冻土保温隔热层设置方式进行分析，得出不同类型冻土保温隔热层的最佳设置方式。

目前，寒区隧道广泛采用的有机保温材料如聚氨酯、福利凯等，通常导热系数较低，在寒区隧道使用中得以证实具有良好的保温隔热性能，然而在防火性能方面则成为有机保温材料面临的重大问题，其防火等级一般属于B级阻燃材料，无法满足A级防火的要求，部分有机保温材料在燃烧时释放大量烟雾，当隧道火灾发生时严重威胁着现场人员的生命安全，同时给现场救援也带来了诸多困难。在防火方面，无机保温材料则具有明显的优势，满足A级防火的要求，然而在导热及吸水率等诸多方面则成为无机保温材料在寒区隧道推广面临的主要问题。如硅酸铝纤维板，其导热系数为0.09 W/(m·K)，远高于聚氨酯等有机保温材料的导热系数，同时其吸水率过大也制约了其在寒区隧道的使用。

本文旨在探讨新型无机保温材料-玻化微珠保温砂浆在寒区隧道的应用研究，通过有限元计算对寒区隧道一定厚度的玻化微珠保温砂浆隔热层保温隔热效果进行分析，同时考虑初始地温对隧道围岩的温度影响，深入分析玻化微珠保温砂浆保温隔热效果，探讨其在寒区隧道应用的可行性。

1 玻化微珠保温砂浆性能介绍

玻化微珠保温砂浆是以无机玻璃质保温材料玻化微珠为主要保温材料，以水泥、石膏等为粘结剂，同时添加多种外加剂，经充分搅拌均匀而形成的干混保温材料。玻化微珠保温砂浆作为涂抹式保温隔热材料，其具有良好的粘结性能，可以与基层粘结为整体，不会形成内部空鼓，具有良好的整体性；与市面上常用的保温砂浆相比，玻化微珠保温砂浆具有良好的保温隔热性能和较好的力学强度，其抗裂性能好、耐久性能优良，其寿命周期较长；玻化微珠保温砂浆同时也具有良好的施工性能，其早强快干，施工速度快，质量稳定可靠[11]。玻化微珠保温砂浆其保温骨料玻化微珠为闭孔结构，极大程度解决了当前无机保温砂浆在吸水率方面的不足，有利于维持其优良的保温隔热性能。作为无机保温材料，玻化微珠保温砂浆良好的耐火性能是其相对于当前有机保温隔热材料的突出优势，其防火性能可达A级，在突发火灾时，可以阻止火势蔓延，避免了有机保温材料易燃、火灾蔓延迅速、燃烧时产生有毒烟雾及浓烟等诸多缺点。玻化微珠保温砂浆力学物理性能如表1所示。

表1 玻化微珠保温砂浆物理力学性能

2 寒区隧道有限元模型的建立

2.1 工程概况及相关计算参数

以我国西部某隧道工程为例，对寒区隧道玻化微珠保温砂浆隔热层保温隔热效果进行分析。该隧道全长约4 000余m，坡度20‰，隧道单通双线行车，其净宽度10.8 m，高为5 m。该隧道所处自然环境较为恶劣，全年冰冻期多达7个月，年平均温度低于0 ℃，冬季寒冷干燥，全年降水集中稀少。隧道初次衬砌厚度为30 cm，二次衬砌厚度40 cm。本模型选取该隧道中部非冻土段进行分析，计算时模型上边界取为多年冻土下界，距隧道顶部50 m，下边界取为距隧道底部20 m，左右边界各为30 m。根据玻化微珠保温砂浆的物理力学性能及寒区隧道不同保温隔热层设置方法的利弊，玻化微珠保温砂浆隔热层选取表面铺设方式。寒区隧道有限元模型如图1所示。寒区隧道有限元模型相关计算参数如表2所示。

图1 寒区隧道有限元模型

材料种类导热系数/[W/(m·K)]容重/(kg/m3)比热/(kg·K)混凝土2.52360890保温砂浆0.0582001000围岩(-15℃)2.162500850围岩(0℃)2.002500980围岩(15℃)1.8425001100

考虑到寒区隧道非冻土段施工对围岩温度场的影响相对较小，本模型计算时忽略施工对隧道围岩温度场的影响。模型计算时玻化微珠保温砂浆隔热层厚度设置为8 cm，初始地温为4 ℃。模型计算时气候温度采用当地实测统计气候数据。由于该隧道所处地区年平均温度低于0 ℃，其隧道围岩的散发大于补给，因而对于寒区隧道非冻土段隔热保温效果的研究应当限于在一定年限内的保温隔热效果。针对寒区隧道非冻土段单纯设置保温隔热层难以满足隧道保温隔热要求及考虑到隧道保温隔热层成本的经济性，夏才初等[12]提出了对寒区隧道非冻土段采取铺设保温层与主动加温相结合的方法来实现隧道围岩及排水系统长期防止冻结的要求。

2.2 热传导微分方程的建立

隧道热量的传递主要涉及热传导和热对流，隧道温度场有限元计算时可以忽略热辐射的相关影响。根据传热学基本理论，同时假定混凝土为各向同性材料，考虑隧道施工完成后内部热量释放相对较小，忽略混凝土内部热量的释放，建立隧道热传导微分方程如下

(1)

式中，λ为材料导热系数，W/(m·K)；ρ为材料密度，kg/m3；C为材料比热，J/(kg·K)；T为温度。

考虑到有限元计算的复杂性及模型轴向长度远大于截面尺寸，忽略隧道轴向温度变化，将计算模型简化为二维模型，隧道热传导简化如下

(2)

模型计算时对于隧道与空气接触面采用第三类边界条件，即

(3)

式中，h为空气与隧道接触面的对流换热系数，W/(m2·K)。

2.3 玻化微珠保温砂浆保温隔热层设置效果分析

模型计算对比了5 cm厚硬质聚氨酯保温隔热层和8 cm厚玻化微珠保温砂浆隔热层保温隔热效果，如图2所示。

图2 设置不同保温材料后围岩表面温度

由图2分析可知，8 cm厚玻化微珠保温砂浆保温隔热效果与5 cm厚硬质聚氨酯保温隔热效果相当，保温隔热层的设置对于隧道及围岩的防冻效果明显。对于寒区隧道非冻土段，尤其在该地年平均气温低于0 ℃时，由于该地区历年围岩热量的散发大于热量的补给，随着时间的推延，非冻土段隧道围岩冬季冻结深度不断增大，隧道围岩年冻结时间逐渐增加，单纯设置隔热层来满足在使用期寿命期内围岩不冻结的要求往往较难实现。尽管玻化微珠保温砂浆隔热层的设置并未避免围岩经受冻融循环，但其很大幅度降低了围岩冻结的深度，减轻其冻融循环的破坏程度，同时保温隔热层的设置也有利于减少隧道衬砌结构内外温差，减少隧道衬砌结构所承受的温度应力。玻化微珠保温隔热层的设置大幅减少了隧道围岩热量的扩散，有利于其配合主动加温的方式，避免围岩及排水系统的冻结。

图3对比了设置玻化微珠保温砂浆隔热隔热层后不同深度处围岩温度。分析可知不同深度处隧道围岩有着类似的温度变化规律，随着围岩深度的增加，其温度变化幅度变小，在本模型计算的时间段中，距隧道围岩表面1.7 m处温度变化幅度仅为隧道围岩表面温度变化幅度的57.43%，可见深处围岩受气候因素影响明显小于表层围岩。同时从图3可知，由于隧道热量的不断散发，隧道围岩历年冻结的总时间不断增长，隧道围岩的温度整体呈现出降低的趋势，随着时间推移，隧道冻害问题越来越严重。

图3 设置玻化微珠保温砂浆隔热层后不同深度处围岩温度

对于设置8 cm厚玻化微珠保温砂浆隔热层前后隧道围岩最大冻结深度如图4所示。对图4进行分析可知，设置玻化微珠保温隔热层可以有效降低隧道围岩最大冻结深度，很大程度减少气候条件对于隧道围岩温度场的影响。随着时间的推移，寒区隧道非冻土段最大冻结深度不断增大，这主要是由于该地区终年平均气温低于零度，围岩散发热量大于补给，这也再次证实了对寒区非冻土段隧道辅助升温的必要性。

图4 设置不同厚度玻化微珠保温隔热层围岩最大冻结深度

2.4 不同初始地温对寒区隧道非冻土段围岩温度场的影响

本模型计算时初始地温设置为4 ℃，然而不同的初始地温对寒区隧道非冻土段围岩温度场影响明显。不同初始地温对多年冻土寒区隧道围岩温度场影响如图5所示。

图5 不同初始地温对隧道围岩温度场影响分析

对图5分析可知，寒区非冻土段隧道围岩初始地温对隧道运行后围岩温度分布影响显著。当初始地温为8 ℃时，直至1 000 d隧道围岩仍未冻结，而当初始地温4 ℃时，隧道围岩在其正式运行后230 d首次出现冻结。隧道围岩初始地温越高，隧道围岩首次经受冻融时间越迟，隧道围岩最大冻结深度越小。较高的初始温度对防止隧道围岩的冻结起着积极作用，地热的散发延缓了隧道围岩的首次冻结时间，有利于减少隧道围岩及衬砌结构经受冻融循环的次数，同时也可相应减少寒区隧道用于辅助升温的资源消耗。

2.5 区域年平均气温对寒区隧道非冻土段围岩温度影响

由于实际工程寒区隧道非冻土段所处区域气候年平均温度并非均处于0 ℃以下，基于上述建立的有限元模型，对所加载的气候温度曲线年平均气温做出调整，气温变化幅度不变，以此探究年平均气温对隧道围岩温度场的影响。年平均气温对隧道围岩表面温度影响如图6所示。

图6 年平均气温对隧道围岩表面温度影响

对图6分析可知，年平均气温对寒区隧道围岩温度变化影响显著，年平均温度的升高，围岩整体温度也有所提升。当年平均温度低于围岩温度时，随着时间推移，隧道围岩表面温度整体仍呈现降低趋势，但随着年平均温度的提升，这一趋势有所缓解；当年平均温度高于围岩初始温度时，随着时间的推移，围岩表面整体温度显现出微小的增幅，逐渐趋向于自然气候的年平均气温，隧道围岩热量从自然界得到补给。寒区隧道非冻土段年平均气温高于0 ℃而低于围岩初始低温时，由于气温整体随时间的推移呈现降低趋势，设计时可按极限情况，即隧道围岩表面温度与年平均气温相等，以此为基础对隧道隔热层厚度进行设计，且按此方法计算得出的保温隔热层厚度是偏于保守的，若按此方法计算出的隔热层厚度过大，则可考虑按实际寿命期最终围岩温度状况进行设计计算，若计算出的保温隔热层厚度仍较大，则需考虑必要的辅助升温。对于年平均气温高于围岩初始地温时，由于此时围岩热量得到补给，可按隧道通车后第一个冬季计算出的保温隔热层厚度进行设计，由此计算出的保温隔热层厚度可满足隧道寿命期内防止围岩冻融的要求。

3 结语

(1)结合玻化微珠保温隔热砂浆自身的物理力学性能，与当前寒区隧道普遍采用的保温隔热材料作出对比，初步提出其在寒区隧道保温隔热层应用。

(2)8 cm厚的玻化微珠保温砂浆具有良好的保温隔热性能，可以减少自然气候对隧道衬砌结构及围岩温度的影响，减轻其遭受冻融破坏的程度。

(3)当寒区隧道非冻土段所处地区年平均地温低于0 ℃，该地区围岩热量损耗大于补给，随着时间的推移，隧道围岩整体温度逐渐降低，单纯设置保温隔热层往往无法避免隧道围岩及排水系统在使用寿命期内免遭冻结。

(4)寒区隧道非冻土段初始地温对隧道围岩温度影响明显，初始地温越高，隧道首次经受冻融时间越迟，更有利于隧道围岩免遭冻融循环的影响。

(5)寒区隧道非冻土段所处区域气候年平均温度对隧道围岩温度变化影响明显，且两者差值越大，影响越显著。当隧道所处区域年平均气温高于围岩表面初始低温时，对于非冻土段隧道的设计，应以确保围岩第一个冬季不经受冻融循环为原则，由此计算出的保温隔热层厚度可满足寿命期内围岩免遭冻融循环的要求。当隧道所处区域平均气温低于初始低温时，宜按照实际情况进行计算，必要时进行辅助升温。

[1]陈建勋，昝勇杰.寒冷地区公路隧道防冻隔热层效果现场测试与分析[J].中国公路学报，2001，14(4)：75-79.

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[3]曹晏国，郭胜，陈娟.利用热管技术和地源热泵技术防治隧道冻害研究[J].铁道标准设计，2014，58(10)：97-101.

[4]祝安龙.对东北某铁路隧道冻害产生原因的思考[J].铁道标准设计，2013(11)：81-83，87.

[5]赖远明，吴紫汪，朱元林，等.寒区隧道温度场、渗流场、应力场耦合问题的非线性分析[J].岩土工程学报，1999，21(5)：529-533.

[6]陈建勋.寒冷地区隧道防冻隔温层设计计算方法及应用[J].土木工程学报，2004，37(11)：85-88.

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Analysis of Thermal Insulation Effect of Glazed Hollow Bead Mortar in Cold Region Tunnels

JI Hai-feng, LI Zhu, HUO Ying-tao, CHAI Li-juan

(College of Architecture and civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In view of the fact that the thermal insulation materials generally used in the cold region tunnels have many shortcomings, this paper recommends the application of thermal insulation glazed hollow bead mortar in cold region tunnels in the light of its physical and mechanical properties. With reference to engineering practices, finite element calculation is employed to study the insulation effect of the glazed hollow bead mortar, and assess the factors affecting the temperature field of the surrounding rock of the tunnel. The results show that the glazed hollow bead mortar with 8cm thickness has good heat insulation performance, and the influence of nature climate is reduced. The research results serve to promote its future application.

Tunnels in cold region; Non frozen section; Thermal insulation glazed hollow bead mortar; Initial temperature; Finite element analysis

2014-10-27；

2014-11-12

教育部高等院校博士点基金资助(20101402120007)

季海峰(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：849691627@qq.com。

1004-2954(2015)08-0118-04

U454

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.025