四季越野滑雪隧道建设围岩保温措施研究

汪智慧，张雨浓，佘小康，董福瑞，王述红

(1.中国建筑东北设计院有限公司， 辽宁 沈阳 110055；2.东北大学 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819)

随着我国大力发展冰雪事业，为了改变我国冰雪项目运动的成绩水平，以及迎接2022年冬奥会的到来，冰雪运动项目的训练保障成为重中之重，我国气候中，只有北方冬季时期，温度到达0℃以下时，才能够进行冰雪运动项目的训练，对于成绩的取得以及民众对于冰雪运动项目的认知是远远不够的。那么我国现如今需要一条能够为优秀运动员提供训练保障的一条四季越野滑雪隧道，同时也可为国外高水平运动员训练提供帮助，促进交流与合作。四季越野隧道的施工建成应本着节能环保、消耗少，应在现有废弃隧道基础上进行改进隧道开挖，由于四季越野滑雪隧道为保持隧道内部积雪不融化，隧道内部温度常年保持负温状态下，但负温情况对隧道围岩冻害现象极为严重，对于隧道所在山体的环境影响也极为巨大，所以对隧道保温措施的实施极为重要。结合吉林市船营区四季越野滑雪隧道的实际工程经验，对四季越野滑雪隧道建设围岩保温措施进行了研究，提供了切实可行的施工方法，对我国以后四季越野滑雪隧道的建设提供可行的借鉴和参考。

1 工程概况

我国首座四季越野滑雪隧道位于吉林省吉林市船营区，隧道工程为原北山人防工程原址上改建，四季越野滑雪隧道总长为1.308 km，人防工程总长度为1.8 km。滑雪隧道为世界第四座、亚洲首座室内四季越野滑雪场地，为既有山体中人防洞室改扩建工程，具有设计无专业规范、无同类案例借鉴、线路平面及高程设计复杂、使用功能特殊等特点。隧道综合热回收技术、隧道内造雪方式、智能化控制、消防设计、人防设计等方面进行突破性研究，应用新技术新产品，研究新标准。建成后的四季越野滑雪隧道专业雪道1 308 m，宽度为8 m，有效高度为4 m，最大坡度为8°，总体线路1/3上坡、1/3下坡、1/3平坡，最低点与最高点相差21.3 m，为保证隧道内积雪不融化将在-6℃条件下运营，采取的方式为利用乙二醇在隧道内降温，造雪技术为喷射水雾，由于温度在负温，研究保温措施就极为重要。

2 四季越野滑雪隧道热传导模型

2.1 保温隔热材料及模型选取

隧道在负温空气热传导作用下，围岩中的水会发生水冰相变产生冻胀，隧道的保温措施目的在于使隧道围岩不发生冻结(即隧道的围岩表面处的温度≥0℃)，在施工设计中加入保温隔热层的方式有两种，分别在一衬与二衬之间保温隔热，或者在二衬外敷设保温隔热层[1]。其隧道模型简化示意图如图1所示。

图1四季越野滑雪隧道模型简化示意图

针对四季越野滑雪隧道的冻害问题，保持围岩的原始状态，需要对四季越野滑雪隧道的围岩进行保温。常见的隧道保温材料的主要性能指标如表1所示[2]。

表1 隧道保温材料的主要性能指标

从表1中数据可以看出，聚氨酯的密度为最小，其耐冷性能良好，四季越野滑雪隧道为一个密闭的空间，如果发生火灾后果特别严重，所以保温材料的防火性能也是隧道的重要指标，同样对于保温材料的阻燃性要求高，所以选择加入阻燃剂的聚氨酯为隧道的保温隔热材料。

当隧道建设完成后，负温空气在隧道内流通将与之发生热交换，其热交换过程分为两个过程，第一部分为隧道衬砌与负温空气发生对流换热，第二部分为隧道内部固体与固体之间的热传导过程[3-6]，如图2所示。

图2四季越野滑雪隧道热传导示意图

图3四季越野隧道一维圆筒壁模型

其中，Ⅰ部分发生对流换热，Ⅱ部分(衬砌及支护部分)与围岩发生热传导。

2.2 隧道模型基本假定

(1) 为了便于计算、获得隧道围岩传热的解析解，四季越野滑雪隧道视为圆形隧道。

(2) 认为隧道各层之间完全接触，忽略各部分接触处热阻。

(3) 隧道的围岩具有相同的初始温度。

3 四季越野滑雪隧道保温隔热层性能比较分析

3.1 隧道围岩热流量计算

当隧道开挖完成后，无保温隔热层情况下，负温空气在隧道内会与围岩发生对流换热，隧道围岩壁处有加热装置，使其围岩温度始终维持在2℃，其热流量公式如下：

Q=Q1+Q2

(1)

式中：Q为隧道内负温空气与围岩对流换热总热流量；Q2为隧道内负温空气通过保温隔热层对流换热到围岩的热流量；Q1为隧道围岩电伴热系统发热功率。则：Q2=Q-Q1为我们实际所求解数值。

以隧道无保温层为例，气温在一年中的温度如图4所示[7-10]。

图4四季越野滑雪隧道一年内温度示意图

四季越野滑雪隧道在无保温隔热层情况下，其隧道围岩冻结深度Hu,f由斯蒂芬公式确定，即：

(2)

式中：λu,f为已冻土的导热系数，W/(m·℃)；∑Tu,f为冻结指数，即为围岩的正、负积温，℃·d；Qu,f为单位体积土的相变潜热，J/m3。

对于单位体积土融化或冻结时的相变潜热Qu,f，即：

Qu,f=Lρd(W-Wi,u)

(3)

式中：L为水结冰的相变潜热，工程中一般取数值333.56 kJ/kg；ρd为土体的干密度，kg/m3；W为土中的总含水率；Wi,u为冻土中的寒冰量。

四季越野滑雪隧道其围岩为碎石土，密度为ρd=2 200 kg/m3，其围岩导热系数为1.28 W/(m·℃)，则Qu,f数值为733.832 W。

要计算冻结深度，必须先求出围岩的负积温∑Tf，由图4可知，阴影部分面积就是围岩的负积温。两点坐标分别为(1，-6)，(365，-6)。则阴影部分面积的数值为-2 184 ℃·d，即为围岩的负积温。根据求解的Qu,f∑Tf的数值代入公式(2)中，则Hu,f=2.76 m。

隧道洞内常年负温，围岩深度取冻结深度，设隧道是当量半径为r、冻结深度为Hu,f的圆筒壁，未铺设隔热层，计算其热流量Q2，其计算公式即：

(4)

式中：ΔT为圆筒壁两侧的温差，℃；L为隧道的长度，m；r=(开挖高度+开挖宽度)/4，m。则热流量Q2的数值计算为：Q2=-3.04×104W。

3.2 隧道保温隔热层在一衬与二衬之间性能分析

四季越野滑雪隧道加入保温隔热层后相当于多层圆筒壁模型[11-15]，其导热热流量公式为：

(5)

式中：λi表示隧道导热系数；ri表示隧道模型多层圆筒壁半径；l表示隧道长度；ΔT表示隧道内壁到围岩壁处温度差。

当保温隔热层在一衬与二衬之间时，为公式(5)中n=4时，其热流量计算公式即：

(6)

式中：r1表示隧道内壁半径；r2表示二次衬砌外边缘半径；r3表示为隧道保温隔热层外边缘半径；r4表示隧道二次衬砌与围岩交界处半径。λ1、λ2、λ3分别表示二次衬砌、隧道保温隔热层、一次衬砌的热传导系数。

其中四季越野滑雪隧道热流量为3.04×104W，二次衬砌厚度为0.3 m，一次衬砌厚度0.05 m。其衬砌为C30混凝土，导热系数为1.28 W/(m·℃)，保温隔热层聚氨酯导热系数为0.03 W/(m·℃)，设保温隔热层聚氨酯厚度为r0，则r1=5 m，r2=5.3 m，r3=5.3+r0，r4=5.35+r0。则温度差与保温隔热层厚度公式，即：

(7)

围岩表面温度与保温隔热层厚度之间关系如图5所示。

图5保温隔热层厚度与围岩温度关系

3.3 隧道保温隔热层在二衬表面性能分析

当保温隔热层在隧道二次衬砌表面时，设保温隔热层聚氨酯厚度为r0，则r1=5-r0，r2=5+r0，r3=5.3+r0，r4=5.35+r0则根据公式(7)得围岩温度与保温隔热层之间的关系如图6所示。

图6保温隔热层厚度与围岩温度关系

同一保温隔热层厚度条件下，不同敷设位置对围岩壁的温度影响如图7所示。

由图7可以得出，温度变化趋势明显的为保温隔热层敷设在二衬表面，且效果明显。保温隔热层敷设在二次衬砌表面时效果最佳。

图7两种情况下保温隔热层效果分析比较

4 结 论

以我国首座室内四季越野滑雪场为例，其隧道洞室内保持-6℃低温条件，会对隧道围岩产生冻害效果，影响围岩稳定性，需对四季越野隧道敷设保温隔热层。本文分别分析了保温隔热层敷设在一次衬砌与二次衬砌之间时及二次衬砌表面时两种情况，得出结论保温效果随着保温隔热层的厚度增加效果更为理想，敷设在二次衬砌表面效果优于敷设在一次衬砌与二次衬砌之间，为我国其他滑雪隧道保温措施提供借鉴。