寒区隧道电热膜加热保温技术研究

陶琦

中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏 无锡 214028

隧道冻害已经成为制约我国隧道工程发展的难点问题。截至2014年底，我国15117座铁路隧道中发生冻害的有7921座，占总数的52.4%，发生严重冻害的隧道3855座，占总数的25.5%［1］。我国发生冻害的隧道主要集中于高纬度和高海拔地区，分布在青藏高原、东北、内蒙古等地区。

季海峰等［2］提出将玻化微珠保温砂浆隔热层应用到寒区隧道保温领域，并给出保温层厚度计算方法。王仁远等［3］研究发现围岩地温、洞口风速以及冻结时间是影响寒区隧道温度场的主要因素。高焱等［4］提出寒区隧道空气幕保温系统，利用空气幕联合保温层的方法进行隧道防寒保温。汤贵海等［5］开展聚氨酯冻融循环试验，发现隧道运营期复杂的工程环境容易引起聚氨酯保温板结构耐久性下降，进而失去防寒保温效果。高焱等［6］发现保温层具有一定的适用范围，当隧道洞口气温低于-16.77℃时，保温层失效。王亚琼等［7］以东南里隧道为例，对隧道内漏水处进行局部加热，解决隧道冻害问题。夏才初等［8］研究发现知亥代隧道保温设防长度600 m是合理的，采用抗冻等级为F800的混凝土可满足隧道防寒保温设计要求。严健等［9］以雀儿山隧道为例，研究发现通过向隧道内通热风可解决因掌子面温度过低、影响混凝土施工质量的问题。叶朝良等［10］在国内35座隧道冻害数据基础上，拟合得到保温层设防长度的计算公式。保温材料被动抵御寒冷气流的入侵，不能根据隧道外环境的变化而主动调节，具有一定的温度适应范围，无法从根本上解决隧道冻害问题。当环境温度较低时，须采用或者联合其他保温措施共同抵御寒冷气流的入侵。

本文结合东南里隧道工程，研究寒区隧道设防长度和保温层厚度的确定方法，分析保温层适应性，提出寒区隧道电热膜加热保温系统。

1 东南里隧道温度实测

东南里隧道地处吉林省延边朝鲜族自治州图们市，全长2012 m，为设计速度80 km/h的公路隧道。在隧道洞口每隔50 m安装一台温湿度计，用于监测隧道洞口及隧道内部温度变化情况。隧道洞外、洞内50 m以及隧道洞内中间处实测大气温度拟合曲线见图1。

由图1可知，东南里隧道实测洞内外大气温度拟合曲线近似符合正弦（余弦）变化规律。隧道洞内外大气温度T的变化规律计算公式为

图1 隧道大气温度拟合曲线

式中：t为时间，d；ta和tb为计算参数。

由式（1）可对东南里隧道测试数据进行整理和分析。洞外、洞内50 m以及洞内中间处大气温度变化规律分别为

由图1可知，东南里隧道最冷月平均气温发生在2月份，为-18.5℃。依据式（2），隧道洞外大气温度变化曲线可作为寒区公路隧道设防长度或者温度场变化规律数值分析时温度边界条件。

高焱等［11］通过对80座寒区隧道测试数据拟合分析，得到最冷月平均气温与设防长度关系，见图2。

图2 最冷月平均气温与设防长度拟合关系曲线

单侧隧道设防长度x与最冷月平均气温的关系为

通过式（5）可得，东南里隧道单侧隧道防寒保温设防长度为775 m，隧道两端设防总长度为1550 m。

2 保温层厚度计算方法

采用等效厚度法对东南里隧道保温层厚度进行计算。该方法依据围岩冻结层和衬砌层的热量之和等于保温层热量，计算得到保温层的厚度。

围岩冻结层热量Q1、衬砌层热量QC、保温层热量Q2的计算公式为

式中：λ1、λ2、λC分别为围岩、保温层材料和混凝土衬砌导热系数，W/(m·℃)；S为热交换面积，m2；TW1、TW2、TW3、t0分别为围岩地温、围岩与衬砌接触面温度、衬砌与保温层接触面温度以及洞内平均气温，℃；δ1、δC分别为最大冻结深度和衬砌厚度，m。

求解过程中，令围岩冻结层和衬砌层的热量之和等于保温层热量，即Q1+QC=Q2，则

依据东南里隧道现场测试数据，采用式（9）计算可得东南里隧道保温层厚度，分别计算洞口处、距离进口100、400、700 m处保温层设防厚度。东南里隧道保温层采用聚氨酯材料，其围岩、保温层、混凝土导热系数分别为1.160、0.022、2.560 W/(m·℃)，混凝土厚度为1 m。其他计算参数和计算结果见表1。

表1 计算参数和计算结果

由表1可知，保温层设置的厚度不是一成不变的，越往隧道里面洞内气温越高，保温层设置厚度相对越薄。这与传统保温层采用单一厚度铺设相比，更符合实际工程防寒保温要求。寒区隧道实际工程可采用变厚度设置保温层，一般而言洞口段相对厚一点，隧道里面设置得相对薄一点。

3 保温层适应性分析

采用有限元软件ANSYS中solid 70单元模拟隧道结构，建立三维温度场计算模型。划分网格单元数为201250，节点数为208602，隧道总长2012 m。保温层为11.6 cm厚的聚氨酯，其在隧道一端设防长度为775 m。计算参数参见表1。

以东南里隧道外界气温-18.5℃、围岩地温5℃为初始温度边界条件，计算隧道内铺设11.6 cm厚聚氨酯的条件下隧道内保温层后、二次衬砌后和初期支护后负温由洞口向隧道内的发展情况，见表2。

表2 负温由洞口向隧道内的发展情况

由表2可知：在隧道外界气温为-18.5℃、围岩地温为5℃条件下，外界低温持续15 d后，保温层后距洞口45 m范围内出现负温，即距洞口45 m范围内容易出现冻害，还需要采取其他主动保温措施；外界低温持续45 d后，二次衬砌后距洞口145 m范围内出现负温，此时距洞口382 m范围内容易出现冻害；外界低温持续60 d后，初期支护后距洞口182 m范围内出现负温，此时距洞口567 m范围内容易出现冻害；外界低温持续90 d时，距洞口683 m范围内都容易出现冻害。

在隧道外界气温为-18.5℃、围岩地温为5℃条件下，隧道拱顶和仰拱处温度纵向分布见图3。距洞口800 m处隧道内温度分布见表3。

图3 外界低温持续条件下隧道内壁温度纵向分布

由图3和表3可知，当外界低温持续时间超过45 d后，隧道拱顶处和仰拱处负温分布范围大于800 m，此时隧道初期支护后和二次衬砌后均出现负温分布，若有水存在，将会引发隧道衬砌结构出现冻害现象。因此，当隧道外界气温为-18.5℃、围岩地温为5℃时，外界低温持续时间超过45 d后，11.6 cm厚的聚氨酯材料保温失效。

表3 距洞口800 m处隧道内温度

综上，当隧道外界气温低于-18.5℃时，应考虑采用其他主动保温措施。

4 电热膜加热系统保温效果分析

我国寒区隧道保温方法见表4。目前，保温层法是国内解决寒区隧道冻害问题的主要方法。该方法属于被动保温措施，主要缺点在于保温层材料不能随隧道外界气温降低而变化，在极端低温条件下容易出现保温失效的情况，因此具有一定的温度适应范围，无法完全解决隧道冻害问题。

表4 我国寒区隧道保温方法

为解决寒区隧道冻害问题，提出电热膜加热保温系统，该系统包括中央处理器、温度信号分析模块、保温系统加热模块、电能监测模块。该系统的控制方法包括以下步骤。

1）采集温度信号。温度感应器测量二次衬砌的温度值并反馈给温度信号分析模块。

2）温度信号分析。温度信号分析模块将采集的温度值与预设温度值进行对比后通过传输模块传输给保温系统加热模块。

3）控制操作。当温度低于0℃时，保温系统加热模块控制对应位置电热膜加热；当温度高于设定的阈值时，保温系统加热模块控制对应位置的电热膜停止加热。

该保温系统通过在每块保温层板上一一对应地安装电热膜和温度传感器作为单个整体，每个整体间采用并联的方式连接到智能控制系统进行智能控制，电热膜加热布置方式如图4所示。

图4 寒区隧道电热膜加热布置

系统中电热膜采用石墨烯电热膜，与传统发热材料电热膜（表5）相比，石墨烯电热膜具有阻燃、使用寿命长（大于50年）、耐性好、发热均匀、安全不漏电、耐腐蚀、防水等特点，通过模块化加热的方式，解决保温层法温度适应范围窄、不能随外界气温变化而变化的被动保温方法缺陷，可有效解决寒区隧道冻害问题。

表5 传统发热材料电热膜及其缺点

本系统中石墨烯电热膜由石墨烯、碳纳米管等经过多道工序精密加工而成，具有高强韧性的超薄性、阻燃性。石墨烯电热膜抗拉强度达到50～200 GPa，是钢的100倍，具有良好的力学性能。石墨烯电热膜厚度0.338 mm，电压220 V，功率220 W/m2，运行温度40～50℃，正常使用寿命50年。

温度信号分析模块、保温系统加热模块、电能监测模块三者有机结合，能够实现任意温度感应器所在位置的负温智能感测（即邻近冻害发生位置），并通过智能控制系统对这一区域独立地进行加热，预防冻害发生，具有精确加热、节能环保、维修方便等优点。

电热膜加热前后围岩和衬砌结构的温度分布如图5所示。可知，电热膜加热开启前后围岩和衬砌结构温度变化明显，且电热膜加热开启后，围岩和衬砌结构温度均达到0℃以上，可以有效解决隧道冻害问题。

图5 加热前后围岩和衬砌结构温度分布（单位：℃）

为进一步明确不同加热功率下电热膜开启时间，采用有限元分析软件ANSYS计算得到电热膜加热围岩和衬砌结构由负温达到正温所需的时间，见表6。可知，随着外界气温降低，电热膜加热开启的时间变长；随着加热功率提高，消除相同气温条件出现负温的时间变短。

表6 电热膜加热时间

在实际寒区隧道工程中，通过合理布设温度感应计，精准检测出隧道结构冻害发生的具体位置，并根据温度感应计处温度的情况，选择合适的加热功率，消除隧道结构出现的负温，预防隧道冻害的发生。

5 结论

1）采用等效厚度法，提出保温层厚度计算方法和保温层变截面厚度设置方法，一般洞口段相对厚一点，隧道里面设置相对薄一点。

2）隧道外界气温为-18.5℃、保温层采用11.6 cm厚聚氨酯材料时，外界低温持续45 d后，二次衬砌后开始出现负温，隧道拱顶处和仰拱处负温分布范围大于800 m。保温层具有一定的温度适应性，当隧道外界气温低于-18.5℃时，应考虑其他主动保温措施。

3）寒区隧道电热膜加热保温系统基于主动保温设计理念，通过温度感应计精准定位冻害的发生位置，进而启动加热膜工作，为寒区隧道保温技术提供了新方法。