巴朗山隧道保温层设计参数数值模拟分析

巴朗山隧道保温层设计参数数值模拟分析　张鹏飞，陈子龙　（西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都６１００３１）　【摘要】　为了确定巴郎山隧道防冻保温材料设计参数，通过有限元数值模拟对隧道温度场分布情况　进行了计算。计算结果表明：隧道开挖后若不铺设防冻保温材料，隧道围岩会产生冻害；当防冻材料选用硅　酸铝纤维保温板，铺设厚度达到５　ｅｍ时，－－Ｊ－ｖ；￣有效地防止隧道洞１：２处衬砌及围岩产生冻害。　【关键词】　寒区隧道；保温材料；设计参数；数值模拟　【中图分类号】Ｕ４５２．２　５　【文献标志码】Ａ　巴朗山隧道工程起止点与省道３０３线相连，隧道全长约　１．２隧址区气象条件　７．９　ｋｍ，进口端海拔３　８４９　ｍ，出口端海拔３　８５２　Ｉｎ，属于中低　隧址区附近，年平均气温在１．８￣Ｃ左右，月平均气温１１　纬度高海拔寒冷地区。由于隧址区附近海拔较高，气候条件　月至次年３月均在０￣Ｃ以下，气候寒冷，长冬无夏。其中进口　恶劣，气温年较差小，Ｅｔ较差大，积雪及结冰Ｅｌ期较长，若不　端海拔３　２００—４　２００　ｍ范围，年平均积雪Ｅｔ数７０．９　ｄ～１１９．２　采取保温措施，隧道将产生冻害，影响隧道的行车安全。目　ｄ，最大积雪深度３５—４９　ｃｍ；出口端海拔３　２００—４　２００　ｍ范　前我国对于高寒区隧道冻害防治措施主要有加强排水、铺设　围，年平均积雪Ｅｌ数６５．５　ｄ～１１３．７　ｄ，最大积雪深度２Ｏ一　保温层和设置防冻门等。在铺设保温层时，需要依据隧道温　３８　ｅｍ。　度场分布情况对保温层的材料和铺设厚度等参数进行设计　选取。隧道温度场分布情况可以通过现场测量和数值模拟　２数值模拟计算参数确定　计算这两种方法得到，前者由于设计时隧道还未修建，因此　２．１岩石热物理参数确定　测量结果往往滞后于工程设计，不能指导隧道的工程设计，　建立数值模型时需要设置围岩的热物理参数。在巴郎　而后者可在隧道施工前进行，能够直接指导隧道的防冻保温　山隧道出口端现场收集砂岩和板岩岩块，在实验室把取得的　设计　。　砂岩和板岩各制成６个直径１０　ｃｍ，高１０　ｅｍ的试件，进行室　近十年来，随着计算机数值模拟的快速发展，国内外许　内热物理参数测试。热物理参数测试采用的仪器为湘潭市　多学者都对寒区隧道温度场及防冻效果的数值模拟方法进　仪器仪表有限公司生产的ＨＡＤ—ＤＲＥ一２Ｃ导热系数测试　行了研究，提出了多种多场耦合控制方程并建立了相应的温　仪，该仪器基于ＴＰＳ瞬态平面热源技术，用Ｈｏｔ　Ｄｉｓｋ作为探　度场计算模型。何川，张学富，张祉道，谭贤君等人　先后　头，可用于测量固体、粉末、涂层、薄膜、各向异性材料等的导　建立模型对多座寒区隧道温度场分布及保温防冻措施效果　热系数、导温系数（热扩散系数）和比热。它的优点是可直接　进行了数值模拟分析，取得了很多值得借鉴和引用的成果。　测量热传播，不受接触热阻的影响，对于试验样品制样要求　本文以在建巴朗山隧道为工程背景，根据隧道自身特征　较低。测得的砂岩和板岩热物理参数如表１所示。　并结合国内外数值模拟研究成果，建立有限元模型对巴郎山　表１岩石热物理参数表　隧道防冻保温层材料选取及设计参数进行了数值模拟分析，　样品名称　比热　导热系数　为隧道防冻保温设计提供了合理的依据。　／（ｋＪ・ｋｇ～・Ｋ　）　／（Ｗ・ｍ～・Ｋ　）　１　工程背景　板岩　０．３０８　６．２３２４　砂岩　Ｏ．１８４　６．ｏｏ２３　１．１巴郎山隧道工程概况　巴朗山隧道起于省道￥３０３线Ｋ９７＋７３０，设计高程　２．２保温防冻材料热物理参数　３　８４９．７９　ｍ，止于Ｋ１２５＋７６０，设计高程３　８５２　ｉｎ。隧道工程　不同种类的保温材料由于材质的差异因而具有不同的　保温防冻性能，且在工程中的工程造价和施工便利性也并不　全长约９．７３８　ｋｍ，其中新建隧道长约７．９４０　ｋｍ，最大埋深　相同。为了给隧道保温防寒设计提供合理的参数，对国内外　８７１　Ｉｎ。绕避了冰雪雾、滑坡、泥石流等自然灾害最严重、最　目前经常使用的４种保温隔热材料进行比选，包括硅酸铝纤　集中的巴朗山垭口路段。隧址区位于小金弧形构造带东段，　维板、聚乙烯保温板、聚酚醛保温板和聚氨酯泡沫保温板。　该构造带呈东西向展布，由一系列彼此协调紧密排列的弧顶　根据测定，各保温材料的热物理参数如表２所示。　朝南的线状弧形褶皱组成，断裂构造不发育。其中隧道穿过　主要地层为三迭系中统杂谷脑组（Ｔ：　），岩性为石英砂岩、板　岩互层，砂、板岩厚度之比约８：２—７．５：２．５。　［定稿日期］２０１３—０６—２７　１２２　四川建筑第３４卷３期２０１４．０６　表２　防冻保温材料热物理参数　材料名称　比热／　（Ｊ・ｋｇ～・Ｋ一　）　导热系数／　（Ｗ・ｍ　・Ｋ　）　聚氨酯泡沫塑料　聚乙烯泡沫塑料　硅酸铝纤维板　聚酚醛保温板　１．８４　ｘ１０　１．７４　ｘ１０　１．７８　ｘ１０　２．０４　ｘ１０　０．０２９１７２　０．０２８８４６　０．０２８１８５　０．０３２６１３　２．３隧道围岩初始温度场确定　为得到隧道开挖前的围岩初始温度，在ＳＺＫ２钻孔中进　行了地温测试。该钻孑Ｌ里程为Ｋ１０２＋６００　ｍ，地面标高４　２４１　ｍ，地温测试结果如表３所示。根据测试结果得出场地的地　温梯度约为２．１￣Ｃ／１００　ｍ，隧道最大深度约９００　ｍ，推测隧道　最深埋段地温约为２１．７℃，洞口端的围岩温度约为５．８℃。　表３　ｓＺｌ（２号钻孔地温测量成果表　序号　测点深度／ｍ　ｏ　１　２　３　４　５　６　７　８　９　ｌＯ　１１　１２　月份　图１隧道洞口月平均最低气温　中部和仰拱上各设置一条测线，用于测量岩温变化情况。建　立的模型网格划分如图２所示。　测量温度／￣Ｃ　第一次　第二次　５．２　３．５　３．６　３．９　１　２　３　４　２．Ｏ　２Ｏ．Ｏ　４０．０　６ｏ．０　３．８　３．４　３．６　３．９　５　，＿爨　５　８Ｏ．０　４．２　４．２　４．６　：２　６　∞　１００．０　Ｏ　ｍ　４．７　７　８　１２０．０　１４０．０　５．１　５．４　５．１　５．４　９　１０　ｌ６０．０　１８０．Ｏ　５．８　６．３　５．９　仰拱测线　６．３　图２模型网格划分示意　１１　１２　ｌ３　１４　１５　１６　２０ｏ．Ｏ　２２０．０　２４０．Ｏ　２６０．Ｏ　２８０．０　３ｏｏ．０　６．７　７．２　７．６　８．１　８．６　９．Ｏ　６．８　７．２　７．７　８．２　８．６　９．１　３．２模型边界大小　在建立模型时其边界大小　如果过大，则计算时间和负　荷较大；Ｒ如果过小，则边界误差较大，计算结果不准确，因　此需要通过计算来确定合理的Ｒ大小。建立边界Ｒ分别为　１Ｏ一２５　ｍ的模型，选取极端最低温度一１６．１℃为气温边界，　计算极端最低气温作用３０　ｄ后隧道围岩的温度场分布情况。　计算得到围岩边界温度随ＪＲ变化的曲线，如图３所示。从图　１７　１８　ｌ９　３２０．０　３４０．０　３６０．０　９．４　９．９　１Ｏ．４　９．５　１０．０　１Ｏ．４　中可以看出，随着Ｒ的增大，围岩边界温度也不断增大，当尺　为１６　ｍ时，围岩边界温度开始稳定保持不变，因此选择模型　边界　大小为１６　ｎｌ。　２．４气温边界条件　根据阿坝州气象局提供的《省道３０３线巴朗山隧道气象　观测分析报告》中统计出隧道出口端的各月平均最低气温，　如图１所示。从图１中可以看出进出口两端的月平均最低　气温在ｌ０月至次年４月处于０￣Ｃ以下，且该温度曲线为极限　低温情况，因此在计算时候我们采用ｌ０月至次年４月的温　１．２５　ｌ－３Ｏ　度曲线为依据，对数值模拟计算模型的气温参数进行设置。　赠１．２０　３建立模型　３．１计算模型　１．１５　本文选取隧道洞口端作为研究对象，根据隧道横断面按　照１：１比例建立模型，隧道高７　ｍ，横向最宽处为９．２　ｍ。衬　砌厚度７０　ｃｍ，在计算保温层材料和厚度时候，还在衬砌的表　面设置保温层。模型外边界为半径Ｒ的圆形，在拱顶、边墙　１．１０　Ｒ／ｍ　图３　围岩边界温度随Ｒ变化的曲线　四ＪＩｌ建筑第３４卷３期２０１４．０６　１２３　４数值模拟计算分析　直接引用已建成的隧道保温层设计参数，但每个隧道的自身　气温和岩温都各不相同，在设计上难免产生保温层厚度过厚　４．１　无保温层隧道模型数值模拟分析　隧道开挖后，山体内部原有的稳定热力状态被破坏，取　或者过薄的情况，前者使得设计中出现浪费，很不经济；后者　则会使得保温防冻措施达不到预期效果，给隧道的安全带来　而代之的是以通风、对流等的新热力系统。受气候季节性变　隐患。因此本文针对保温层厚度的影响进行了数值模拟分　化的影响，隧道周边围岩和衬砌温度随之变化。隧道围岩和　析，确定出巴郎山隧道适合的保温层厚度。模拟时候保温层　空气的热交换方式主要是热传导和热对流交换，因此建立空　材料选用硅酸铝纤维板，模型参数按照２、３节中的结论进行　气通风对流模型，计算分析开挖后的隧道围岩温度场情况。　设置。分别建立保温层厚度为３—７　ｃｍ的模型，计算隧道围　根据２、３节中选定的参数建立模型进行数值模拟计算，计算　岩开挖１８０　ｄ后的温度场分布，并统计出各保温层厚度下二　时间为１８０　ｄ，即月平均最低气温在Ｏｃｃ以下的１０月至次年４　月。图４为开挖１８０　ｄ后隧道围岩温度场分布图，从图中可　衬表面的温度情况。　隧道拱顶二衬表面温度随保温层厚度变化曲线如图５　以看出开挖１８０　ｄ后隧道围岩冻结深度已达到２．８１８　ｍ，隧　道围岩中必然将产生冻害问题，因此必须对隧道进行防冻保　所示，从图５中可以看出当保温层厚度达到４　ｃｍ时候，拱顶　温处理。　二衬表面温度仍还在Ｏ￣Ｃ以下，当厚度达到５　ｅｎｌ时，拱顶二　衬表面温度约为０．３℃，达到０℃以上，满足防冻保温要求。　１．５　１．０　戮　０．５　交０．０　赠　．０，５　．１．０　：＾批ｓ　ｓ　＾Ｔ　：　１．５　ｊ　４　５　６　７　图４　开挖１８０　ｄ后隧道围岩温度场等值线　保温层厚度／ｃｍ　４．２不同保温材料数值模拟分析　不同的保温材料具有不同的热物理参数，因此保温效果　图５拱顶二衬表面温度随保温层厚度变化曲线　也各不相同，选择４种常见的保温材料进行防冻保温数值模　隧道边墙二衬表面温度随保温层厚度变化曲线如图６　拟分析，并考虑到施工便利和经济因素，确定出适用于巴郎　所示，从图６中可以看出当保温层厚度达到４　ｃｍ时候，边墙　山隧道的保温材料。对比的４种材料为硅酸铝纤维板、聚酚　二衬表面温度仍还在０℃以下，当厚度达到５　ｅｍ时，边墙二　醛保温板、聚乙烯泡沫板和聚氨酯泡沫板。选取距离隧道洞　衬表面温度约为０．０７５℃，达到Ｏ￣Ｃ以上，满足防冻保温　口端为研究对象，建立相同保温层厚度的二维瞬态热传递模　要求。　１・５　型，计算结果如表４所示。从表４中可以看出，硅酸铝纤维　板的防冻保温性能最好，在拱顶位置，硅酸铝纤维板、聚酚醛　１．Ｏ　保温板和聚乙烯泡沫板这三种材料都可以满足防冻要求，在　０　５　边墙位置只有硅酸铝纤维板可以满足防冻要求。考虑到巴　郎山隧道为高海拔寒区特长隧道，因此隧道通风防火显得特　嚣ｏ－ｏ　别重要，硅酸铝纤维板防火性能较好，常作为高温窑炉的热　一０．５　面耐火材料，且施工方便，因此确定使用硅酸铝纤维板作为　巴郎山隧道的防冻保温材料。　－１・０　表４不同保温材料二衬表面温度统计　－１．５　材料名称　二衬表面温度／℃　３　４　６　７　拱顶　边墙　仰拱　保温层厚度／ｃｍ　硅酸铝纤维板　０．３Ｏ４９　０．０７５　Ｏ．１８６７７　图６边墙二衬表面温度随保温层厚度变化曲线　聚乙烯泡沫塑料　０．２１７６７　—０．０１４　０．１８７３　隧道仰拱表面温度随保温层厚度变化曲线如图７所示，　聚氨酯泡沫塑料　０．１７９０３　—０．０５４　０．１８６９　由于隧道底面没有直接铺设保温材料，所以保温层厚度对仰　聚酚醛保温板　一Ｏ．２３０ｏ８　—０　４７５９　Ｏ．１８２２　拱表面温度影响较小，仰拱主要依靠沥青路面等材料来进行　４．３保温层厚度影响数值模拟分析　隔热保温，因此当保温层厚度为３　ｃｍ时，仰拱表面温度就已　在保温防冻设计中保温层的厚度是很重要的参数，常常　经达到Ｏ￣Ｃ以上，满足防冻保温要求。　１２４　四川Ｉ建筑第３４卷３期２０１４．０６　后，冻结深度达到２．８１８　ｍ，将会产生冻害问题。　（２）对比４种保温材料数值分析结果，并考虑经济和施　ｌ　５　１　Ｏ　Ｏ　５　Ｏ　Ｏ　Ｏ　５　ｌ　Ｏ　１　５　工便利等因素，选用硅酸铝纤维板作为巴郎山隧道保温层　材料。　（３）对不同厚度保温层保温效果模拟分析可知，当保温　赠　层厚度为４　ｅｍ时，隧道拱顶和边墙二衬表面温度在０＂Ｃ以　下，保温层厚度为５　ｃｍ时，隧道各个位置二衬表面的温度都　在０￣Ｃ以上，能够达到保温防冻的目的，因此确定５　ｅｍ为合　理的保温层厚度。　３　４　５　６　７　参考文献　保温层厚腰／ｅｍ　图７仰拱表面温度随保温层厚度变化曲线　［１］吴紫汪．寒区隧道工程［Ｍ］．北京：海洋出版社，２００３　从上述模拟分析结果中可以看出，当保温层厚度为４　ｅｍ　时，隧道拱顶和边墙二衬表面温度在０￣Ｃ以下，保温层厚度为　５　ｃｍ时，隧道各个位置二衬表面的温度都在Ｏ＇Ｅ以上，能够　达到保温防冻的目的，因此确定５　ｃｍ为合理的保温层厚度。　，　［２］何川，谢红强．多场耦合分析在隧道工程中的应用［Ｍ］．成　都：西南交通大学出版社，２００７　［３］张祉道，王联・高海拔及严寒地区隧道防冻设计探讨［Ｊ］・现　代隧道技术，　。０４，４　（。）　１４ｊ　张学酉，喻文兵，刘志强，等－寒区隧道渗流场和温度场耦合　问题的三维非线性分析［Ｊ］．岩土工程学报，２００６，２８（９）　３　堇亩　本文通过数值模拟分析得出以下结论：　（１）隧道开挖后若不设置保温层，根据其气温特征计算　当经过一个低温周期（温度低于Ｏ￣Ｃ的一个周期，即１８０　ｄ）　［５］谭贤君・高海拔寒区隧道冻胀机理及其保温技术研究［Ｄ］．中　国科学院武汉岩土力学研究所，２０１０　ｅ　、、　、’　、、　、’　ｅ　２　、、　、’　—　、　，　。、　、－　（上接第１２１页）　常运行的根基。当风机基础出现超过规范的不均匀沉降时，　经营单位应该给予高度关注，认真分析原因并采取有效的处　理措施，保证风机的正常运行。　参考文献　孙秋菊，刘磊．浅析ＰＨＣ管桩在风机基础应用中的若干问题　［Ｊ］．上海水务，２００８，（２４）：４２—４５　［２］　邢占清，王春．响水风电场风机基础沉降观测与分析［Ｊ］．水利　水电技术，２００９，（９）：６７—７Ｏ　［３］　王岩峰．内蒙古某风机基础地基处理的对比分析［Ｊ］．山西建　筑，２０１１，（７）：５Ｏ一５１　图２灌注桩补桩剖面　［４］　赵卫全，杨锋．灌浆技术在风机基础加固工程中的应用［Ｊ］．水　利水电技术，２００９，（９）：７５—７７　［５］　孙永山，马治国．一个风机基础倾斜事故处理方案实例［Ｊ］．岩　土工程界，２００７，（１Ｏ）：７４—７７　通过以上几种方法的对比分析，对不均匀沉降超过厂家　允许值的风机基础建议采用“高压注浆法＋堆载纠偏法”。　４结束语　风机基础作为承受上部风机荷载的重要部位，是风机正　四ＪＩＩ建筑第３４卷３期２０１４．０６　１２５