高寒地区隧道洞口保温效果研究

尹海龙，历永杰

（华杰工程咨询有限公司，北京 100029）

1 引言

通过对大量寒区隧道的保温方案进行调研可知，寒区隧道常用的有机保温材料主要包括酚醛泡沫板、聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯材料等，厚度多在5~6 mm。经过多年运营期检验，隧道洞身内效果普遍较好，但洞口发生冻害的情况较多，因此，本文对洞口浅埋段的保温效果进行研究，供后期项目参考和借鉴[1-2]。

2 工程概况

某项目位于西藏尼木县境内，海拔约3 700 m，地勘调查最大冻结深度0.6 m。

气温曲线一般可以拟合成周期为365 d的正弦函数，这里选择1月平均气温-2.8℃为气温曲线的最小值，6月平均气温15.0℃为气温曲线的最大值，气温T1曲线可表示为：

式中，t为时间，d。

若选择1月平均最低气温-12.5℃为气温曲线的最小值，6月平均最高气温23.2℃为气温曲线的最大值，气温T2曲线可表示为：

T1采用平均气温计算得到的隧址气温曲线，是一般气候条件下的情况；T2采用平均最高和最低气温计算得到的隧址气温曲线，是极端气候条件下的情况。

3 围岩初始地温

本次数值模拟计算所采用的围岩初始地温，是通过还原隧址区原始地层施加气温边界条件，下边界施加0.06 W/m2的热通量，计算100年后的围岩温度场作为围岩的初始地温。

土壤在气温比较低时会发生冻结，需考虑土壤的相变，融土与冻土之间的相变温度设为-0.5℃，转变间隔为1℃，相变潜热为31.7 kJ/kg。其他参数见表1。

表1 融土和冻土参数表

初始条件：取年平均气温6.1℃。

边界条件：（1）上边界为对流热通量边界n·q=h（Text-T）；（2）下边界为广义向内热通量边界，n·q=q0；（3）左右边界为热绝缘边界n·q=0。式中，n为边界法向单位矢量；q为边界向外传递的矢量热通量或矢量热流，W/m2；h为边界材料与外部材料的对流交换系数，W/（m2·K）；Text为外部材料的温度，设为大气温度T1，K；T为边界材料的温度，K；q0为热通量，取0.06 W/m2。

采用映射网格划分，对地面2 m范围内的网格进行了细化，时间步设为0.01年，计算时间100年；容差设为1×10-6。计算结果为：最大冻结深度为0.68 m，与地勘调查0.6 m相接近，地面附近的围岩会在冬季冻结。

4 计算工况

4.1 不设保温层

几何模型：不设置6 cm厚的聚酚醛保温层。

初始条件：围岩初始条件，采用前面计算的100年后的地温T0。

边界条件：（1）模型左右边界：热绝缘，n·q=0；（2）模型上边界：对流热通量边界n·q=h（Text-T），外部材料温度Text取一般气候条件下的隧址大气气温T1；（3）模型下边界：广义向内热通量边界n·q=q0，热通量为0.06 W/m2；（4）隧道内部边界：对流热通量边界n·q=h（Text-T），外部材料温度Text取一般气候条件下的隧址大气气温T1。

采用自由三角形网格划分，对衬砌和隧道周边围岩的网格进行了细化，时间步设为0.01年，计算时间25年。

4.2 设置保温层（隧址大气气温取T1）

几何模型：设置6 cm厚的聚酚醛保温层。

初始条件：围岩初始条件，采用前面计算的100年后的地温T0。

边界条件：（1）模型左右边界：热绝缘，n·q=0；（2）模型上边界：对流热通量边界n·q=h（Text-T），外部材料温度Text取一般气候条件下的隧址大气气温T1；（3）模型下边界：广义向内热通量边界n·q=q0，热通量为0.06 W/m2；（4）隧道内部边界：对流热通量边界n·q=h（Text-T），外部材料温度Text取一般气候条件下的隧址大气气温T1。

采用自由三角形网格划分，对保温层、衬砌和隧道周边围岩的网格进行了细化，时间步设为0.01年，计算时间25年。

4.3 设置保温层（隧址气温取T2）

几何模型：设置6 cm厚的聚酚醛保温层。

初始条件：围岩初始条件，采用前面计算的100年后的地温T0。

边界条件：（1）模型左右边界：热绝缘，n·q=0；（2）模型上边界：对流热通量边界n·q=h（Text-T），外部材料温度Text取极端气候条件下的隧址大气气温T2；（3）模型下边界：广义向内热通量边界n·q=q0，热通量为0.06 W/m2；（4）隧道内部边界：对流热通量边界n·q=h（Text-T），外部材料温度Text取极端气候条件下的隧址大气气温T2。

采用自由三角形网格划分，对保温层、衬砌和隧道周边围岩的网格进行了细化，时间步设为0.01年，计算时间25年。

4.4 模型参数

模型所需的材料物理参数见表2。

表2 材料物理参数表

5 数值模拟结果分析

为便于分析，在模型上设置了A1~A4、B1~B4、C1~C4温度监测点，见图1。

图1 温度监测点分布

5.1 无保温层

无保温层时，从25年时的隧道附近的温度分布情况、地面到拱顶在第25年的温度分布情况以及路面以下混凝土在第25年的温度分布情况得知，拱顶到地面的围岩冷季会冻结，拱腰处的冻结深度约为0.6 m，路面的冻结深度约为0.85 m。

从拱顶附近监测点A2~A4在最后5年（第20年~第25年，下同）的温度变化情况得知，无保温层时拱顶处二衬和初支在冷季都会冻结。

从拱腰附近监测点B2~B4在最后5年的温度变化情况得知，无保温层时拱腰处二衬在冷季会冻结。

从路面附近监测点C1~C4在最后5年的温度变化情况得知，无保温层时路面下的部分回填的混凝土在冷季会冻结。

5.2 设置保温层（隧址大气气温取T1）

设置6 cm厚聚酚醛保温层后，隧址气温采用月平均气温拟合曲线T1。从25年时的隧道附近的气温分布情况、地面到拱顶在第25年的温度分布情况以及路面以下混凝土在第25年的温度分布情况得知，拱顶到地面的围岩的冻结深度为0.68 m，拱腰处的冻结深度约为0.03 m，路面的冻结深度约为0.85 m。

从拱顶附近监测点A1~A4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，拱顶处保温层在冷季会冻结，但二衬和初支的温度几乎在0℃以上，说明保温层对拱顶衬砌起到了有效的保温作用。

从拱腰附近监测点B2~B4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，拱腰处保温层在冷季会冻结，但二衬和初支的温度在2.8℃以上，说明保温层对拱腰的衬砌起到了很好的保温作用。

从路面附近监测点C1~C4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，对路面的保温效果几乎没有，路面下的部分回填的混凝土在冷季依然会冻结。

5.3 设置保温层（隧址大气气温取T2）

设置6 cm厚聚酚醛保温层后，隧址气温采用月平均气温拟合曲线T2。从25年时的隧道附近的温度分布情况、地面到拱顶在第25年的温度分布情况以及路面以下混凝土在第25年的温度分布情况得知，拱顶到地面的围岩在冷季会冻结，而拱腰处的冻结深度约为0.06 m，路面的冻结深度约为2.6 m。

从拱顶附近监测点A1~A4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，在极端气候条件下，拱顶处保温层、二衬和初支在冷季会发生冻结，保温层的厚度不足以对衬砌起到保温作用。

从拱腰附近监测点B2~B4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，在极端气候条件下，拱腰处保温层和二衬在冷季依然会冻结，初支的温度几乎在0℃以上，没有冻结。

从路面附近监测点C1~C4在最后5年的温度变化情况得知，设置6 cm厚聚酚醛保温层后，极端气候条件下，对路面的保温效果几乎没有，路面下的回填的混凝土、二衬和初支在冷季都会冻结。

5.4 对比分析

将无保温层、有保温层T1大气气温和有保温层T2大气气温下的拱顶和拱腰衬砌表面的温度变化进行对比发现：当大气气温为T1时，保温层可起到很好的保温作用，使拱顶和拱腰的衬砌在冷季免受冻结；当大气气温为T2时，保温层不足以充分保护衬砌，原因是T2气温较低，且埋深太浅为2 m，地面的大气气温和洞内的大气气温同时对衬砌起到冻结作用。

6 结语

综上所述，对于寒区隧道，正常气温条件下，采用6 cm厚的聚酚醛保温层能够有效保障洞口附近埋深＜2 m的隧道拱顶和拱腰后的围岩在冷季免受冻结。当气温为极端低温时，洞口附近埋深＜2 m的隧道断面围岩在冷季会冻结，设计过程中需采取地表铺设保温层以达到防冻目的，确保隧道结构安全稳定。