寒区隧道衬砌智能保温技术研究*

赫传凯

(国家电子工程建筑及环境性能质量监督检验中心，北京 100142)

0 引言

在寒冷地区，由于隧道周围的岩土处于季节性反复冻融作用之中，对隧道的正常服役影响很大[1-2]。长期的工程实践表明，寒区隧道在服役期内均存在不同严重程度的冻害[3-5]。由于衬砌开裂乃至剥落，导致普遍存在渗水现象，在冬季很易在拱顶出现一系列悬挂的冰锥，并在路面冻结成冰，不仅严重影响隧道的正常使用，同时也给隧道结构安全带来不利影响。因此，必须考虑对隧道冻害加以防治[6-8]。

常规的方法是在衬砌之上铺设保温板或衬砌采用特种混凝土施工。铺设保温板存在有效期问题，而特种混凝土成本太高，不能从根本上解决这一问题[9-10]。因此，本文尝试采取新的技术措施进行隧道抗冻防护研究。

1 智能保温装置构造

为兼顾隧道衬砌抗冻的效率和经济性问题，研究提出下述自适应智能保温装置，包括镀锌钢丝网、温控箱、温度传感器、发热电缆、铝箔层和泡沫隔热层等部件，如图1所示。其中，镀锌钢丝网固定在隧道二次衬砌表面，发热电缆铺设到镀锌钢丝网内，温度传感器按监控需要分布在发热电缆覆盖区域的衬砌表面，铝箔层将发热电缆工作区域密封，泡沫隔热层喷涂至铝箔外表面以阻隔环境温度场的影响。

图1 隧道自适应智能保温装置

2 智能保温装置智能控制原理

该装置通过发热电缆通电产生热辐射提升防护区内的衬砌结构温度，设置铝箔层可进一步增强对隧道结构层的热辐射量，而泡沫隔热层作为多闭孔结构能有效阻隔热量散失。考虑到节能需求，该系统采取智能反馈控制原理进行自适应控制方案设计，即通过程序编制可使控制单元(温度控制器)根据测量装置(温度传感器)获得的隧道结构实际值和预期值的偏差，自行控制可执行单元(可控电源)，自动化程度较高。控制系统工作原理为：在冬季当衬砌温度达到保护既定目标值时，宜减小加热电路电压(电流)，直至电路中断，供热装置处于休眠状态；当低于目标值时，说明电热能量不足，控制器发出指令增大加热电路电压(电流)，继续提升衬砌工作温度，直至满足要求(见图2)。

图2 保温装置智能控制原理

3 工程概况与计算建模

3.1 简化模型

以某公路隧道作为研究对象，对其进行寒区隧道衬砌抗冻保温研究。隧道全长480m，初衬采用C25钢筋混凝土，厚度为8cm；二次衬砌采用用C25钢筋混凝土，厚度为 30cm。建立的隧道-围岩整体模型如图3所示，模型宽36m、高30m，隧道尺寸参考设计图纸选取。

图3 计算模型

3.2 计算参数

模拟隧道衬砌-围岩温度场分布时，首先需明确衬砌和围岩的热物理参数，如导热系数、比热和密度等；同时，隧道和围岩因为其内部结构的复杂性，不利于模型的建立，因此简化为假设隧道结构各层材料分布均匀，且符合材料的热物理性质。参考工程勘察资料，计算中需用到的热物理参数如表1所示。

表1 热物理参数

3.3 边界条件

隧道衬砌的外表面与冷空气接触，两者之间主要进行对流传热。空气对流换热系数取15W/(m2·K)，-25℃作为外界温度荷载。围岩内部一定深度内存在恒温区，取4℃作为围岩温度边界条件。

4 数值模拟

先后考虑隧道衬砌无防护和采取智能保温2种模式进行数值模拟，以便对比分析。

4.1 无防护模式

此模式下在隧道衬砌外表面不设任何防护措施。按设置的隧道衬砌和围岩等物质的材料属性，对应的结构模型如图4所示。

图4 无保温模式下隧道结构布局

在此基础上，运用ANSYS软件进行稳态热分析，可得出隧道衬砌-围岩在无防护模式下的温度场分布云图，如图5所示。

图5 隧道衬砌-围岩初始温度场分布

4.2 智能保温模式

智能保温措施的构造相对较复杂，结构建模时需考虑热源、空气层、铝箔反射层、聚氨酯喷涂层、衬砌和围岩等，对应的结构布局如图6所示。

图6 智能保温措施下隧道结构布局

计算时，需考虑围岩温度和冷空气对流换热2种边界条件，并输入发热电缆热流通量、发热电缆发射率和铝箔的发射率等参数。采取相同的初始环境条件，该模式下最终的稳态热分析结果如图7所示。

图7 智能保温措施下隧道温度分布云图

4.3 对比分析

结合以上数值分析结果可知，无防护模式下隧道衬砌温度处于-22～-17℃；而在智能保温模式下的衬砌温度下限在2.5℃左右，上限在5.6℃左右。无防护模式下隧道围岩的温度处于-17～4℃；智能保温措施下围岩温度的最高处为发热电缆铺设区域，受其影响，围岩靠近衬砌部分的温度较恒温区略高, 温度下限为4℃。

5 现场测试

由于国家范围内突发事件影响，导致隧道现场测试无法在冬季进行，但延期春季测试数据仍可说明问题，不失一般性。隧道现场气候环境多变，需考虑风力和光照可能带来的影响。因此，将试验测点设置在距离隧道洞口10m处，分别在监测区衬砌的表面建立试验组和环境对照组。试验组采用本文提出的智能保温装置覆盖衬砌外表面；环境对照组衬砌外表面裸露，直接与外界接触。试验组与环境对照组的覆盖区各占隧道衬砌表面一半，试验组测点与环境对照组测点以衬砌对称面左、右均等分布，各组内测点布置如图8所示。发热电缆按图9进行铺设，并要进行密封。

图8 测点现场布置

图9 发射电缆铺设现场

每天监测数据采集2次，时间分别为7：00和12：30，共持续监测9d。选用Et表示某一时间点试验组内各监测点的平均温度值，Ee表示在某一时间点环境对照组内各监测点的平均温度值，在此基础上可给出采取保温措施与否的温度曲线，如图10所示。

图10 监测点温度对比曲线

通过对Et，Ee的监测数据进行分析可发现，随着每日气温的变化，环境温度波动也较大。然而，采取智能保温措施后，可有效消除上述波动现象，使衬砌的温度基本处于稳定状态。

6 结语

1)采取智能保温措施后，隧道衬砌表面温度可大幅度提升，从而消除其后围岩冻胀力的影响。

2)环境气温一般具有较强的波动性，导致温差变化较大，而采取智能保温措施可使隧道衬砌结构保持在基本恒定的理想温度，有效避免冻害发生。

3)该装置能结合周围环境和待保护对象的热力参数，自动对环境温度和衬砌表面温度进行实时在线监测，智能调节控制衬砌供热系统的运行，综合考虑了能耗损失和系统经济性双重因素的影响，实际效果显著。