基于混凝土强度的高地热隧道隔热层厚度研究

郭利民，段俊哲，夏才初，常文江

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043; 2.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;3.宁波大学岩石力学研究所,宁波 315211; 4.绍兴文理学院土木工程学院,浙江绍兴 312000;5.川藏铁路建设公司,成都 610036)

引言

近年来,我国越来越重视西部地区的开发。我国西部尤其是青藏高原地区具有海拔高、气候严寒、强震、大高差、地形八起八伏、地质条件复杂等特点,在此地区修建隧道将会面临巨大的挑战,高地热问题就是其中的一个重大难点。高地热主要表现为高水温和高岩温[1]。高水温隧道通常是被高热温泉水包围,如西南某高地温铁路隧道就是受到了瓦纳温泉的影响[2]。高岩温隧道又称为干热型隧道,通常湿度较低,一般出现在地质构造良好处。地质层的内热通过岩石传递到隧道表面,使隧道内部表面围岩壁温度较高[3]。例如,新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞岩壁温度最高达100 ℃[4]。高岩温或高水温对结构的影响不尽相同[5],文中叙述的高地温隧道指的是高岩温隧道。

过高的岩温不仅会对施工造成麻烦,降低施工质量,还会破坏衬砌混凝土结构,进一步降低支护性能[6]。因此,如何降低高地热对隧道的影响成为一个热点问题。目前,高地热隧道降温方法主要有通风、洒水喷雾、设置隔热层、引排围岩内热水等,已有不少学者在这方面取得了进展。王志杰等[7]铺设隔热层并对隧道内进行通风,最后取得了不错的降温效果。之后,王志杰等[8]又提出了一套适用于中高温段的“预、防、治”三位一体的降温体系,实现了主动降温与被动降温相结合。朱宇等[9]提出以地温45 ℃作为分界线,在地温低于45 ℃的隧道仅使用通风降温,而对于地温高于45 ℃的隧道附加冰块制冷、洒水喷雾等手段。孙其清等[10]研究了80 ℃初始围岩地温段,将洞内气温降至28 ℃所需的通风量,结果表明,仅靠通风降温是不够的,还需辅以其他降温措施。霍建勋[11]建议对高温水采取针对性措施,从源头上消除热害。

其中,铺设隔热层是一种直接且有效的方法。不少学者针对其作用方式、作用机理以及具体设计展开了研究。邵珠山等[12]通过理论计算和数值模拟发现,增厚隔热层会使初期支护的温度升高,在设计隔热层时要关注初期支护的温度及其材料性能变化。刘炜等[13]研究证明了隔热层并不是越厚越好,增加隔热层厚度对降低衬砌温度的效果是递减的。白国权等[14]通过数值方法定量计算了不同厚度的隔热层与制冷量之间的关系。吴彪等[15]指出设置隔热层可使衬砌结构的受力、二次衬砌轴力和弯矩显著减小。吴根强等[16]对比了不同隔热层的降温效果,推荐选取5～10 cm厚隔热层。傅金阳等[17]从预防混凝土开裂的角度建议当温度超过63 ℃时使用夹心式隔热层来隔绝热量。

然而,上述研究通常只把隧道内的气温或衬砌的温度作为衡量高地热隧道降温效果的决定性指标,却忽略了高地热危害的本质是高温会降低衬砌混凝土力学性能。因此,从保护衬砌混凝土力学性能的角度,计算在不同初始地温工况下铺设不同厚度隔热层时衬砌混凝土的各龄期强度,对比不同工况下不同厚度隔热层的作用效果,最后给出相应的隔热层厚度选取建议,供工程参考。

1 温度对混凝土强度的影响

混凝土是由水泥、骨料和水组成的复合材料,其强度很大程度上取决于水泥的强度。而水泥的强度又与其养护条件密切相关,温度就是影响其强度发育的关键因素之一。在混凝土养护早期,高温会促进水泥的水化反应,加速其凝结硬化速率。大量的水化产物会迅速填充满混凝土内部的孔隙,增加混凝土的早期强度。此时,混凝土中的水分并没有因为高温蒸发太多,尚能满足水泥水化的需要。而随着时间的推移,混凝土内的水分不断蒸发流失,使得水泥的水化速率降低。此时,水泥的水化产物来不及填充水分蒸发留下的孔隙,从而导致混凝土内部孔隙率提高,降低其强度性能。并且水分蒸发还会引起混凝土干燥收缩产生微裂缝,进一步导致混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度降低。

不同养护温度下普通混凝土(C25)和喷射混凝土(C25)的抗压强度[18]如图1所示。从图1中可以看出,在常温(40 ℃以下)时,两种混凝土的抗压强度基本没有下降,甚至有小幅度提高。而当温度较高(40 ℃以上)时,两种混凝土的各龄期抗压强度都显著下降,这说明高温对这两种混凝土强度的发展都非常不利。

普通混凝土(C25)抗压强度和劈裂抗拉强度随养护温度的变化曲线如图2[3]所示。从图2中可以看出,当温度由20 ℃升高至40 ℃时,普通混凝土的28 d抗压强度从26 MPa降低至24.9 MPa,仅降低4.2%。普通混凝土的28 d抗拉劈裂强度从2.42 MPa降低至2.26 MPa,仅降低6.6%。这说明,此时温度对混凝土强度的发展影响较小。但当温度超过40 ℃之后,无论是喷射混凝土的抗压强度还是抗拉劈裂强度都随着温度升高而迅速降低。当养护温度从40 ℃升高到60 ℃时,仅20 ℃的变化就会导致喷射混凝土28 d龄期的抗压强度下降48%,抗拉劈裂强度下降37%。由此可见,当温度超过40 ℃后,普通混凝土的强度开始大幅度下降。在高地温地区施工时,应保证普通混凝土的温度低于40 ℃,否则会严重降低衬砌混凝土的力学性能,从而降低结构的安全性。

2 隔热层对衬砌混凝土养护温度的影响

2.1 工程概况

选取西部高原地区某隧道作为依托工程,该隧道靠近板块缝合带,且隧道埋深较大。在隧道洞身东南侧存在温泉分布,附近钻探亦揭示存在高地温现象。该隧道沿线钻孔所揭示的温度介于20.7～93.5 ℃之间,文中研究工况的初始地温属于这个区间。

2.2 隧道温度场计算模型

(1)模型假设

适当的模型假设是尽可能还原实际又便于研究开展的必要条件。因此,在进行数值模拟之前,要给数值模型一些合适的假设条件。隧道是一个复杂的结构体,为简化计算,对模型做以下假设。

①隧道高地热段的埋深很大,可以忽略地表传热以及隧道轮廓的影响。

②不考虑隔热层与衬砌之间、围岩与隔热层之间的接触热阻,接触边界处满足温度和热流量相等的连续条件。

③假设隔热材料、围岩和混凝土的热力学参数不随温度的变化而变化,是固定的常数。

(2)几何模型

隧道的几何轮廓按照设计资料选取。模型边界取为90 m×90 m的正方形,可以保证30个月内,模型边界与初始岩温的差值小于1%[19],符合圣维南原理。为隔绝热量,减少高温对衬砌混凝土的危害,在二衬浇筑前要铺设隔热层,尽可能降低混凝土的入模温度[20]。于是该模型可以看作一个围岩-隔热层-衬砌-空气的四层结构,其几何模型如图3所示。模型的外边界设置为完全绝热,空气与衬砌的接触面设置为第三类热力学边界,即Tw=f(H,Tn)。根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[21],在隧道施工时应保证洞内气温不高于28 ℃。本模型将洞内气温设置为恒定的28 ℃。

图3 隧道几何模型(单位:m)Fig.3 Tunnel geometry model (unit: m)

(3)计算参数取值

根据张建荣等[22]的研究,混凝土衬砌与洞内空气之间的对流换热系数h(W/(m2·K))可按式(1)选取。

h=3.06v+4.11

(1)

式中,v为衬砌混凝土表面的空气流速,m/s。为满足隧道内的通风降温需求,拟使用风机加速隧道内的空气流通。根据相关文献,取通风后隧道内的平均风速为2 m/s。将风速代入式(1)中,可得对流换热系数h≈10 W/(m2·K)。衬砌厚度取为50 cm。根据规范,在地温高于60 ℃的区段,二衬混凝土强度等级需要提高一级,不得低于C35。因此,在本节中衬砌混凝土的热力学参数统一按照C35混凝土的标准来选取,隔热层材料选用硬质聚氨酯泡沫板。衬砌混凝土、隔热层和围岩的热力学参数取值如表1所示。

表1 材料热力学参数Tab.1 Thermodynamic parameters of materials

(4)计算工况

决定衬砌温度的条件有很多,例如隔热层厚度、衬砌厚度、初始地温等。文中衬砌厚度保持与设计一致不变,为50 cm。探究不同隔热层厚度与围岩地温对衬砌混凝土强度的影响。

经过计算,对于地温低于50 ℃的工况,即使不施加隔热层,衬砌上的温度也不会高于40 ℃,不会降低衬砌混凝土的力学性能,在文中不做探讨。结合地勘资料,可以得到该隧道所需研究的地温范围为50～93.7 ℃。由于不可能计算所有的地温情况,以10 ℃作为间隔,选取初始地温50,60,70,80,90 ℃作为代表进行研究。

2.3 隔热层的降温效果

由于围岩温度始终要高于洞内气温,因此,靠近围岩一侧混凝土的温度会始终高于远离一侧的温度。于是,选取衬砌顶部与隔热层的交界处作为衬砌温度的分析点,如图4所示。

图4 衬砌温度分析点Fig.4 The analysis point for lining temperature

图5是在不同地温环境下采用不同厚度的隔热层后,衬砌混凝土的温度变化曲线。当不铺设保温隔热层时,衬砌混凝土会在接触到高热围岩后的极短时间内被加热到温度峰值。衬砌混凝土在其整个28 d龄期内温度都很高。而在铺设隔热层后,衬砌温度不像未铺设隔热层时急剧上升,而是缓慢升高至峰值,此峰值要远小于不铺设隔热层的温度峰值。3 cm隔热层就可以起到很好的降温效果。比如,在初始地温70 ℃工况中,铺设3 cm隔热层就可以使衬砌混凝土的温度降低到40 ℃以下(图5(c))。在铺设10 cm隔热层后,衬砌混凝土上的温度峰值较不铺设隔热层的情况普遍可以降低10 ℃以上,且地温越高降温效果越好。在90 ℃地温工况下,铺设10 cm隔热层相对于不铺设隔热层最多可以降温28 ℃。铺设10 cm隔热层后衬砌混凝土上的温度仅比常温升高了6 ℃。

图5 不同厚度隔热层作用时衬砌混凝土养护温度随龄期的变化Fig.5 Variation of the curing temperature of tunnel lining concrete with age under the influence of insulation layers of different thicknesses

3 隔热层作用分析及讨论

根据图5衬砌混凝土的温度变化曲线,将温度对时间积分并取平均值,可以得到衬砌混凝土在其龄期1 d、7 d及28 d内的平均温度,如表2所示。以此温度作为衬砌混凝土在其各龄期的养护温度,对其力学性能进行评估。

表2 衬砌混凝土各龄期平均温度 ℃Tab.2 Average temperature of tunnel lining concrete at various ages

将表2得到的衬砌混凝土平均温度对应到图2中,可以得到衬砌混凝土在各工况下相应龄期的强度,如图6所示。当不铺设隔热层时,随着围岩温度升高,衬砌混凝土各龄期的抗压强度和抗拉劈裂强度均迅速降低。而铺设隔热层后,衬砌混凝土强度降低的速度变缓,甚至会出现强度提高的情况。这是因为当隔热层较厚(10 cm)时,衬砌混凝土上的温度将远小于40 ℃。此时,升高温度会促进水泥的水化,从而提高衬砌混凝土的强度。

图6 衬砌混凝土各龄期强度Fig.6 Strength of tunnel lining concrete at various ages

通过对比各工况下衬砌混凝土的抗压强度和抗拉劈裂强度,可计算得到在不同情况下隔热层的作用效果,如表3和表4所示。在地温较低(50 ℃)时,衬砌混凝土上的温度较低(未超过40 ℃),铺设隔热层反而会降低水泥的水化速度,从而降低衬砌混凝土的早期强度。此时,铺设隔热层能使混凝土28 d龄期强度提高,但是提升幅度很小,不到5%。当地温较高时(>60 ℃),铺设隔热层不仅可以提高衬砌混凝土的28 d龄期强度,也可以提高其早期强度。隔热层越厚,衬砌混凝土的28 d龄期强度提升幅度就越大,其中90 ℃地温条件下10 cm隔热层的效果比3 cm隔热层多14.3%。

表3 抗压强度提高幅度(相对于无隔热层) %Tab.3 Increase in compressive strength (relative to no insulation layer)

表4 抗拉劈裂强度提高幅度(相对于无隔热层) %Tab.4 Increase in tensile splitting strength (relative to no insulation layer)

上述计算结果均是在维持洞内气温28 ℃的前提下得到的。然而,《铁路隧道设计规范》[21]所规定的隧道内气温低于28 ℃的要求仅针对普通隧道。对于高地热隧道,尤其是地温高于70 ℃的极端高温隧道,要维持洞内气温低于28 ℃有很大的困难。李建高等[23]根据工程实测,在某些工况下即使使用了降温措施,也仅能将环境温度降到34 ℃。胡政等[24]研究了高地热隧道内气温随施工的变化规律,结果显示在其中一里程段出现了气温从35.2 ℃上升至56.4 ℃的情况。而国外资料介绍,日本隧道施工规范规定洞内气温仅需低于37 ℃。因此,结合实际有必要研究洞内气温高于28 ℃的情况。当洞内气温超过28 ℃,衬砌混凝土的强度就会进一步受到影响。图7对比了地温90 ℃,洞内气温37 ℃时,无隔热层以及铺设3,5,10 cm隔热层时衬砌混凝土的28 d龄期强度情况。从图7中可以看出,在洞内气温升高之后,铺设隔热层同样可以大幅度提高衬砌混凝土的强度,且10 cm隔热层的效果比3 cm隔热层效果,高24.2%,同比洞内气温28 ℃工况下的14.3%还多近10%。因此,在极高地热段(70 ℃以上)有必要增加隔热层的厚度。

图7 隔热层效果对比(地温90 ℃,洞内气温37 ℃)Fig.7 Comparison of insulation layer effects (ground temperature: 90 ℃, internal air temperature: 37 ℃)

根据上述计算结果,以10 ℃地温差值为一个区间进行分析。用具体计算的工况代表所处±5 ℃区间的情况(例如,以地温60 ℃的工况代表55～65 ℃的情况)。当地温≤55 ℃时,铺设隔热层后衬砌混凝土强度的提升幅度均在5%以内,因此可不铺设隔热层。当地温为55～65 ℃时,铺设3 cm隔热层就可以使衬砌混凝土强度少降低10%,因此推荐铺设3 cm的隔热层。当地温为65～75 ℃时,5 cm隔热层的效果要明显高于3 cm隔热层的效果,但10 cm隔热层与5 cm隔热层差别不大,因此在此区间段推荐铺设5 cm隔热层。当地温为75～85 ℃时,10 cm隔热层效果略优于5 cm隔热层(混凝土抗压与抗拉劈裂强度多提升3%),但考虑极端高温条件下难以维持洞内低温,隔热层厚度可根据实际隧道环境选取。若能保证洞内气温维持在28 ℃以内,铺设5 cm隔热层,否则铺设10 cm隔热层。对于地温超过85 ℃的地段,推荐铺设10 cm的隔热层,尽可能隔绝围岩的高温。

4 结论

直接以温度作为隔热效果的控制指标不能反映高温会使衬砌力学性能降低的本质,以衬砌混凝土强度作为评价隔热效果的指标更能反映热害的本质。依托某高原隧道,使用Comsol数值模拟建立了其热力学模型,并计算得到了不同初始地温工况下铺设不同厚度隔热层时衬砌混凝土各龄期的平均养护温度。根据强度与养护温度之间的关系计算得到了各龄期衬砌混凝土的强度,并以此为基准对比了各工况下不同厚度隔热层的作用效果,研究得到以下结论。

(1)隧道施工时,应保证混凝土养护温度低于40 ℃,否则会严重降低衬砌混凝土的力学性能。

(2)隔热层的厚度应根据围岩初始地温确定,太厚不经济,太薄则不能充分隔绝热量,仍会使衬砌混凝土的强度降低:55 ℃以下的地温段,无需使用隔热层;55～65 ℃的地段,推荐使用3 cm隔热层;65～75 ℃地温段,使用5 cm隔热层;75～85 ℃地温段,若能保证洞内气温维持在28 ℃以内,使用5 cm隔热层,否则使用10 cm隔热层;高于85 ℃的地段,推荐使用10 cm隔热层。