李又云， 張玉偉,*， 張志耕

(1.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064；2.內(nèi)蒙古高等級(jí)公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

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考慮隔熱層的寒區(qū)隧道圍巖溫度徑向傳播規(guī)律及相關(guān)參數(shù)研究

李又云1， 張玉偉1,*， 張志耕2

(1.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064；2.內(nèi)蒙古高等級(jí)公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

寒區(qū)隧道圍巖徑向溫度傳播規(guī)律對(duì)隧道保溫設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。目前寒區(qū)溫度場(chǎng)的研究多為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析2個(gè)方面。為得到寒區(qū)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖溫度沿徑向變化的規(guī)律，自行研制了溫度模擬足尺試驗(yàn)儀器，并在此基礎(chǔ)上開展了無(wú)隔熱層與有隔熱層2種條件下的模擬試驗(yàn)，分析了隧道圍巖徑向溫度場(chǎng)變化規(guī)律。結(jié)果表明：模擬環(huán)境溫度為-12.5 ℃條件下，無(wú)隔熱層時(shí)，90 h時(shí)環(huán)境溫度降到-9 ℃，初噴混凝土層與圍巖的交界面處的溫度降低至0 ℃，當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，圍巖出現(xiàn)凍結(jié)狀態(tài)，且隨著時(shí)間的推移，凍結(jié)范圍逐步擴(kuò)大，192 h時(shí)環(huán)境溫度降低到-12.5 ℃，各界面溫度基本達(dá)到穩(wěn)定； 設(shè)置4.5 cm隔熱層時(shí)，由于隔熱層作用，450 h時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土及圍巖內(nèi)的溫度均大于0 ℃。結(jié)合試驗(yàn)最后確定了隔熱層、隧道支護(hù)混凝土與圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)，結(jié)果可為寒區(qū)隧道保溫設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

寒區(qū)隧道； 徑向溫度場(chǎng)； 隔熱層； 傳播規(guī)律； 模型試驗(yàn)

0 引言

寒區(qū)隧道常常受到凍融循環(huán)作用而出現(xiàn)襯砌開裂漏水和襯砌掛冰等病害。研究圍巖溫度場(chǎng)分布規(guī)律，做好保溫措施是解決寒區(qū)隧道凍害的基礎(chǔ)[1-6]。截至目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)做了大量的研究，主要分為2個(gè)方面：首先是寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如乜鳳鳴[7]對(duì)嫩林線西羅奇2號(hào)隧道溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，得到了隧道洞內(nèi)外氣溫分布規(guī)律； 吳紫汪等[8]對(duì)青海227國(guó)道寧張段的達(dá)坂山隧道進(jìn)行了溫度場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與研究，得出了隧道洞內(nèi)與洞壁的溫度變化規(guī)律； 何川等[9]對(duì)國(guó)道317線的鷓鴣山隧道進(jìn)行了溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出了溫度場(chǎng)的年變化規(guī)律； 賴金星等[10]對(duì)青海省平阿高速青沙山隧道洞內(nèi)外也進(jìn)行了溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出了溫度場(chǎng)沿隧道縱向的變化規(guī)律； 其次是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)溫度場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行理論分析，如C.Bonacina等[11]提出了相變熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)的數(shù)值求解方法； C.Comini等[12]對(duì)相變熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)的非線性問題進(jìn)行了有限元分析； 賴遠(yuǎn)明等[13]運(yùn)用Galerkin法對(duì)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合非線性問題進(jìn)行了分析研究； 楊旭等[14]基于圍巖溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究，利用ANSYS有限元軟件，同時(shí)考慮水文地質(zhì)條件、混凝土襯砌水化熱、大氣溫度和地溫隨時(shí)間變化等影響因素，預(yù)測(cè)、比較隧道施加隔熱層和未施加隔熱層的凍融循環(huán)圈。由以上研究可以看出，寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)變化規(guī)律采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論分析的方法較為普遍，但是通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)分析的研究尚不多見。

本文根據(jù)寒區(qū)隧道的實(shí)際狀況，為分析寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的徑向變化規(guī)律，自行研制了溫度場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停_展了無(wú)隔熱層與有隔熱層2種條件下的試驗(yàn)研究，得到了溫度沿隧道襯砌至圍巖的徑向變化規(guī)律，并對(duì)隔熱層、隧道支護(hù)混凝土與圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可為寒區(qū)隧道保溫設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1 試驗(yàn)原理與方法

1.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)參考準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板的導(dǎo)熱問題來(lái)設(shè)計(jì)，由于條件限制，采取無(wú)限大平板是不可能實(shí)現(xiàn)的，一般試驗(yàn)要求試件的橫向尺寸為板厚的6倍以上。本試驗(yàn)由于模型試驗(yàn)框架尺寸限制，橫向尺寸僅為板厚的2.5倍，為保證達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板試驗(yàn)的預(yù)期效果，對(duì)模型頂層、底層及其周邊進(jìn)行了保溫處理，保證測(cè)試材料層周邊傳熱對(duì)試驗(yàn)對(duì)象中心的影響可忽略不計(jì)。

通過循環(huán)冷浴系統(tǒng)的制冷鋁板來(lái)模擬環(huán)境溫度變化，溫度的控制依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)洞內(nèi)溫度的實(shí)測(cè)結(jié)果，并選取最低溫度作為實(shí)際控制指標(biāo)，確定最低溫度為-12.5 ℃(現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度數(shù)據(jù)為隧道貫通之前的數(shù)據(jù)，洞內(nèi)外空氣未充分交換，溫度相對(duì)較高)，而模型底部即圍巖外層的初始控制溫度保持在0 ℃(用來(lái)模擬隧道圍巖凍結(jié)與融化交界面位置的溫度)。試驗(yàn)材料采用與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)相同強(qiáng)度的混凝土，板厚采用隧道二次襯砌設(shè)計(jì)的常見厚度40 cm，初期支護(hù)厚度選取為20 cm，圍巖的厚度選取為40 cm，其中圍巖可從隧道施工爆破產(chǎn)生的巖石塊體經(jīng)拼接、細(xì)砂灌封處理得到。

1.2 熱流量的估算

為了使溫度控制達(dá)到預(yù)期效果，熱流量的控制最為關(guān)鍵。熱流量控制主要針對(duì)隧道無(wú)隔熱層與有隔熱層2種情況，可以結(jié)合隧道的實(shí)際狀況，通過計(jì)算進(jìn)行確定[15]。

未鋪設(shè)襯砌與隔熱層條件下，其熱流量

(1)

式中：Δt為圓筒壁兩側(cè)的溫差，℃；L為隧道的長(zhǎng)度，m；λ為已融土或已凍土的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；H為融化或凍結(jié)深度，m；r為隧道當(dāng)量半徑，m， 其值為隧道開挖寬度與高度之和的0.25倍。其中，無(wú)論在多年凍土區(qū)，還是在季節(jié)性凍土區(qū)，凍結(jié)或融化的深度可以參考斯蒂芬公式進(jìn)行確定，如果有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。對(duì)于多年凍土區(qū)，圍巖深度取融化深度； 對(duì)于季節(jié)性凍土區(qū)，圍巖深度則取凍結(jié)深度。

若隧道鋪設(shè)了厚度為hw、導(dǎo)熱系數(shù)為λw的隔熱層，又鋪設(shè)了厚度為hc(該厚度包含二次襯砌與初噴混凝土層)、導(dǎo)熱系數(shù)為λc的混凝土襯砌，可按2層圓筒壁模型計(jì)算其熱流量

(2)

如果將二次襯砌混凝土與初噴混凝土層分開計(jì)算，可按3層圓筒壁模型計(jì)算其熱流量。在公式(2)中，隔熱層與襯砌混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)可通過模型試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)具體分為2種方案：一是無(wú)隔熱層條件下的溫度場(chǎng)模擬試驗(yàn)； 二是綜合考慮隔熱層材料的常規(guī)物性、熱力學(xué)性質(zhì)、成本以及使用的普遍性，并參考其他已建或在建隧道隔熱層的材料使用情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)。本次試驗(yàn)選用硬質(zhì)福利凱(FLOLIC FOAM)材料作為隔熱層，層厚為4.5 cm，測(cè)溫探頭按照在每一界面埋設(shè)2個(gè)進(jìn)行布置，其主要目的是檢查該試驗(yàn)過程與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)過程的吻合效果，具體布設(shè)見圖1。

圖1 各層模擬材料布置(單位：mm)

試驗(yàn)開始前，主要進(jìn)行2項(xiàng)準(zhǔn)備工作：1)測(cè)試原件埋設(shè)； 2)巡檢儀溫度校正。實(shí)際工程中要求圍巖、初期支護(hù)、防水板和二次襯砌之間彼此緊密相連，若試驗(yàn)中直接安裝，很難保證彼此間密實(shí)不留空隙，同時(shí)由于各層間的熱量傳遞將主要通過熱對(duì)流來(lái)進(jìn)行，在各層之間形成“空氣隔熱層”，阻止溫度的傳遞，導(dǎo)致熱對(duì)流的效率遠(yuǎn)低于熱傳導(dǎo)。為防止此現(xiàn)象發(fā)生，在每層的表面涂抹導(dǎo)熱性能較好的凡士林，使試驗(yàn)更接近實(shí)際情況，同時(shí)可以保護(hù)測(cè)溫元件不受損壞。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒M成

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕赡Ｐ拖?、冷浴刻槽頂板和底板、循環(huán)冷浴系統(tǒng)、自動(dòng)采集系統(tǒng)和保溫板等組成。該模型具有測(cè)試原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、測(cè)試數(shù)據(jù)精度高的特點(diǎn)。

2.1 溫度模型箱

依據(jù)寒區(qū)隧道初期支護(hù)和二次襯砌的工程實(shí)際情況，并考慮到試驗(yàn)拼裝與試驗(yàn)過程的簡(jiǎn)便性，模型箱采用框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)箱體尺寸為1 005 mm×1 005 mm×1 005 mm。試驗(yàn)箱整體為可拆卸結(jié)構(gòu)，如圖2所示，便于重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，箱體周圍敷設(shè)保溫板進(jìn)行保溫。

2.2 冷浴刻槽板和底板

模型箱頂面與底面均鋪設(shè)鋁制制冷平板，冷浴頂面和底面均由9個(gè)平均分布的刻槽圓盤組成，如圖3所示，圓盤之間采用防腐蝕的橡膠管連接并用保溫材料包裹，接頭處用萬(wàn)能膠封口，使制冷液體循環(huán)流動(dòng)處在一個(gè)全密封、高保溫環(huán)境中，整個(gè)冷浴系統(tǒng)保持動(dòng)態(tài)恒溫。

2.3 循環(huán)冷浴系統(tǒng)

試驗(yàn)采用HC-2010型低溫恒溫槽和乙二醇組成的循環(huán)冷浴系統(tǒng)，對(duì)保溫箱溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。HC-2010型低溫恒溫槽最低溫度可以控制在-30 ℃，乙二醇與水按1∶1的比例混合組成冷卻液，冷卻液的冰點(diǎn)可以達(dá)到-36.7 ℃，滿足冷浴液體既具有較好的流動(dòng)性，其冰點(diǎn)又低于試驗(yàn)溫度(防止冷浴系統(tǒng)結(jié)凍)的要求。

圖2 溫度場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

(a) (b)

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)采用SWD-809型自動(dòng)打印數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過16路巡檢溫度測(cè)試儀對(duì)模型箱內(nèi)的溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控和定時(shí)打印，并按要求進(jìn)行溫度校正，每2～3 d更換一次記錄紙帶。

2.5 精密測(cè)溫探頭

試驗(yàn)采用WZP-011型Pt100單支鉑熱電阻感應(yīng)元件作為測(cè)溫探頭，測(cè)量范圍為-200～220 ℃； 溫度分辨率為負(fù)溫0.01～0.005 ℃，正溫0.01～0.03 ℃； 測(cè)量精度為0.05 ℃。傳感器外部用不銹鋼合金保護(hù)，防止銹蝕，可長(zhǎng)期使用，傳感器引出導(dǎo)線長(zhǎng)5 m。熱流計(jì)主要測(cè)試模型頂部熱流量的變化情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無(wú)隔熱層條件下的試驗(yàn)結(jié)果分析

未鋪設(shè)隔熱層時(shí)模型各界面位置的溫度變化情況如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，試驗(yàn)開始時(shí)，室內(nèi)溫度為9 ℃左右，隨著熱量的傳遞，模型各界面的溫度逐漸降低。模型頂部D界面由于和冷浴板相接觸，溫度降低速度最快，且幅度降低最大，最終保持穩(wěn)定在-12.5 ℃左右，所需時(shí)間為160 h； 底部A界面的溫度降低也較快，最終保持穩(wěn)定在0 ℃附近，所需時(shí)間為60 h； C與D界面溫度降低相對(duì)緩慢。

圖4 無(wú)隔熱層各界面溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

Fig. 4 Variation of interface temperatures vs. time without thermal insulation layer

圖5 無(wú)隔熱層各界面溫度變化規(guī)律

Fig. 5 Variation of interface temperature without thermal insulation layer

由圖5可以看出，在試驗(yàn)開始前，各層界面的溫度分布相對(duì)均勻，隨著時(shí)間的增加，各界面溫度逐漸降低，呈現(xiàn)出頂部與底部降溫幅度大，中間相對(duì)較小的狀態(tài)。

B界面為圍巖層與初期支護(hù)層之間的界面，是寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)研究中重點(diǎn)關(guān)注的部位。該處的溫度變化直接反應(yīng)出圍巖內(nèi)部是否產(chǎn)生負(fù)溫區(qū)。無(wú)隔熱層時(shí)，當(dāng)B界面溫度降至0 ℃時(shí)，各界面溫度值見表1。

表1 B界面溫度降至0 ℃時(shí)各界面溫度值

Table 1 Interface temperatures when the temperature of interface B reduces to 0 ℃

界面溫度值/℃A0.2B0C-0.8D-9.1

根據(jù)表1和圖5，大約在96 h時(shí)，模型頂部D界面的溫度下降至大約-9 ℃，在無(wú)隔熱層條件下，擁有40 cm厚的二次襯砌和20 cm厚的初期支護(hù)條件下寒區(qū)隧道的圍巖層表面溫度值達(dá)到0 ℃，說明混凝土層從某種程度上可以起到一定的保溫作用。

此外，結(jié)合圖4與表1可知，為保證隧道周邊圍巖處于正溫狀態(tài)，避免凍脹引起的危害，在隧道復(fù)合式襯砌總體厚度為65 cm的情況下，當(dāng)隧道洞內(nèi)氣溫持續(xù)4 d低于-9 ℃時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮鋪設(shè)隔熱層。由圖4可以看出，隨著時(shí)間的推移，熱量不斷地傳導(dǎo)，頂部界面的溫度不斷下降，圍巖內(nèi)溫度處于0 ℃以下的影響范圍不斷擴(kuò)大。

無(wú)隔熱層條件下溫度恒定時(shí)各界面溫度值見表2。由表2可知，各界面溫度變化基本穩(wěn)定時(shí)，D界面的最低溫度控制在-12.5 ℃， A、B和C界面的溫度均處于負(fù)溫狀態(tài)，表明隧道圍巖處于凍結(jié)狀態(tài)，且凍結(jié)深度大于0.4 m。在試驗(yàn)開始時(shí)，雖然隧道圍巖底部的溫度保持在0 ℃，但是在圍巖頂部與底部存在溫差影響作用下，熱量繼續(xù)向下傳播，直至穿透圍巖層，使底部溫度降低了1 ℃，保持在負(fù)溫狀態(tài)。

表2 無(wú)隔熱層溫度恒定時(shí)各界面溫度值

Table 2 Interface temperatures under a constant temperature without thermal insulation layer

界面恒定溫度值/℃A-1B-3.2C-4.5D-12.5

3.2 內(nèi)置隔熱層條件下的試驗(yàn)結(jié)果分析

為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，在上述無(wú)隔熱層試驗(yàn)結(jié)束后，立即在D界面與冷浴刻槽板之間鋪設(shè)4.5 cm硬質(zhì)福利凱(FLOLIC FOAM)材料作為隔熱層并進(jìn)行試驗(yàn)，各分層界面位置的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖6和圖7所示。由圖6可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，除E界面的溫度基本保持不變，維持在-12.5 ℃左右外，其余各界面的溫度則隨著時(shí)間的增加，呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。其原因是由于隔熱層的隔熱作用，使得穿越隔熱層的熱流量急劇降低，絕大部分的熱量不能傳遞到隧道襯砌D界面，而下部支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土材料及圍巖在模型箱內(nèi)外溫差的影響下，不斷從外界吸收熱量，導(dǎo)致溫度不斷升高，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，溫度保持穩(wěn)態(tài)不變，最終表現(xiàn)為除隔熱層頂面的溫度為負(fù)值外，其余各個(gè)界面的溫度都保持在正溫狀態(tài)。

圖6 有隔熱層條件下各界面溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

Fig. 6 Variation of interface temperature vs. time with thermal insulation layer

圖7 有隔熱層條件下各界面溫度變化規(guī)律

Fig. 7 Variation of interface temperature with thermal insulation layer

由圖7可知，雖然C界面離頂部界面距離較近，但測(cè)試結(jié)果顯示其溫度比B、A界面的溫度還要略高。究其原因，首先是由于加設(shè)了隔熱層，將模型與頂面冷浴隔離開來(lái)，熱量向襯砌混凝土傳導(dǎo)受阻，模型中低溫區(qū)實(shí)際上由溫度箱底部冷浴刻槽平板控制，從而導(dǎo)致熱量的傳導(dǎo)方向與無(wú)隔熱層條件下傳導(dǎo)方向相反； 其次是模型箱外部溫度較高，外部熱量緩慢向箱內(nèi)傳導(dǎo)，最終使遠(yuǎn)離底面的C界面溫度值會(huì)高于距底面較近的B、A界面的溫度值。

在隔熱層頂部溫度為-12.5 ℃的條件下，時(shí)間接近400 h之前，各界面溫度均有顯著上升，到模型中各界面的溫度基本保持穩(wěn)定時(shí)，不同界面的溫度值見表3。

當(dāng)溫度變化穩(wěn)定時(shí)，由圖6和表3可以看出，中間B、C和D界面的溫度較之底面A與頂面E的溫度高，且A界面的溫度也由初始的0 ℃上升到1.4 ℃左右。這首先是由于鋪設(shè)隔熱層對(duì)熱量傳導(dǎo)的阻礙作用，隧道襯砌混凝土和圍巖與隧道洞內(nèi)氣體的熱交換被基本切斷； 其次是由于外部環(huán)境溫度的變化，外界熱流密度與底板冷浴刻槽板控制的熱流密度的相互影響，導(dǎo)致A界面的溫度由初始控制的0 ℃逐漸上升到1.4 ℃。

表3 有隔熱層溫度恒定時(shí)各界面溫度值

Table 3 Interface temperatures under a constant temperature with thermal insulation layer

界面恒定溫度值/℃A1.4B4.8C6.2D4.4E-12.5

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，B、C和D界面較A和E界面的溫度高，D界面雖然距離E界面只有4.5 cm，但E界面溫度為-12.5 ℃的情況下，D界面溫度仍然為4.4 ℃，這表明隔熱層具有良好的保溫效果； C界面溫度最高，主要因?yàn)樵摻缑嫖挥诟鳒y(cè)試界面中間的位置，相對(duì)溫度較低的E、A界面的距離最遠(yuǎn)，熱量交換的速度最慢。

綜上所述，當(dāng)隔熱層的隔熱效果良好，如果二次襯砌內(nèi)表面的溫度呈現(xiàn)正溫狀態(tài)，那么依據(jù)隧道熱量傳遞邊界狀態(tài)變化規(guī)律的分析，襯砌混凝土與圍巖的溫度場(chǎng)的變化主要取決于外部區(qū)域的圍巖初始溫度。圍巖的初始溫度場(chǎng)的影響因素較多，其主要影響因素有3種：一是圍巖的埋深，二是周邊的地?zé)釥顩r，三是圍巖自身礦物組成。雖然不同地區(qū)的圍巖溫度有所差異，但當(dāng)圍巖埋置較深時(shí)，其溫度不受外界影響，保持恒定，且在0 ℃以上。在該狀態(tài)下，圍巖內(nèi)的水不會(huì)存在結(jié)冰狀態(tài)，隧道凍害不會(huì)發(fā)生。

3.3 隧道支護(hù)混凝土與隔熱層溫度場(chǎng)參數(shù)的確定

寒區(qū)隧道支護(hù)混凝土與隔熱層的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)是影響寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的重要參數(shù)，對(duì)寒區(qū)隧道的保溫效果有直接影響，是隔熱層選取與設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。圍巖作為隧道環(huán)境介質(zhì)，在低溫環(huán)境下的凍結(jié)范圍與導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)有著密切聯(lián)系。因此，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試具有重要意義。依據(jù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板試驗(yàn)的基本原理，如果確定了試驗(yàn)中熱流量q、試驗(yàn)板材的厚度2δ及其加熱面與板中溫度差Δt′就可以計(jì)算出試驗(yàn)材料的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)[16-17]。

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)； Δt′為平板中心面與加熱面之間的溫度差；α為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；τ為時(shí)間，s。通過計(jì)算，隔熱層、襯砌混凝土、初期支護(hù)與圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)λ和導(dǎo)溫系數(shù)α的取值見表4。

表4 各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)

Table 4 Material coefficients of thermal conductivity and thermal diffusivity of every layer

各層材料導(dǎo)熱系數(shù)λ/(W/(m·K))導(dǎo)溫系數(shù)α/(m2/s)隔熱層0.033.74×10-10二次襯砌1.422.96×10-7初期支護(hù)1.571.85×10-6圍巖1.233.70×10-7

4 結(jié)論與建議

研制了寒區(qū)隧道圍巖溫度場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型測(cè)試原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，測(cè)試數(shù)據(jù)精度高，通過該試驗(yàn)平臺(tái)開展了不同條件下寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)模擬試驗(yàn)，通過試驗(yàn)分析，得到如下結(jié)論和建議。

1)在無(wú)隔熱層條件下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及其圍巖各界面的溫度隨著時(shí)間的變化而逐漸下降，經(jīng)歷90 h時(shí)，模型箱頂部界面溫度為-9 ℃的狀態(tài)下，圍巖與初期支護(hù)混凝土界面的溫度降為0 ℃。

2)依據(jù)無(wú)隔熱層試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度由室溫降低到-12.5 ℃，且保持-12.5 ℃恒定時(shí)，歷經(jīng)192 h時(shí)，各界面溫度基本穩(wěn)定，且為負(fù)值，這為寒區(qū)隧道隔熱層厚度設(shè)計(jì)中的環(huán)境溫度取值標(biāo)準(zhǔn)提供了參考。

3)在設(shè)置4.5 cm隔熱層條件下，歷經(jīng)450 h，當(dāng)溫度變化穩(wěn)定時(shí)，隔熱層與二次襯砌界面的溫度呈正溫狀態(tài)，其余各界面也呈現(xiàn)正溫狀態(tài)，表明保溫材料的保溫效果明顯。

4)基于試驗(yàn)結(jié)果，最終確定了試驗(yàn)用隔熱層材料、隧道支護(hù)混凝土及圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)等參數(shù)。

5)隧道環(huán)境溫度呈周期性變化，試驗(yàn)中著重考慮了降溫和升溫過程隧道圍巖溫度場(chǎng)的傳播規(guī)律，隧道環(huán)境溫度周期變化的復(fù)雜情況有待于進(jìn)一步研究。

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Study of Radial Propagation Laws of Surrounding Rocks Temperature Considering Thermal Insulation Layer of Tunnel in Cold Regions and Their Relevant Parameters

LI Youyun1, ZHANG Yuwei1, *, ZHANG Zhigeng2

(1.KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,Chang’anUniversity,Xi’an710064,Shaanxi,China; 2.InnerMongoliaFirst-ClassHighwayConstructionDevelopmentLimitedLiabilityCompany,Huhhot010051,InnerMongolia,China)

Radial propagation of temperature field of surrounding rocks of tunnel in cold regions is the key to design of thermal insulation. The study of temperature field of surrounding rocks of tunnel in cold regions focuses on site monitoring and theoretical analysis. Full scale testing device for temperature simulation is developed, on basis of which simulation tests with and without thermal insulation layer are carried out; and the radial propagation laws of temperature of surrounding rocks and support structure of tunnel in cold regions are analyzed. The study results show that: 1) The temperature of contact face between primary shotcrete and surrounding rocks is 0 ℃ after 90 h under the conditions of environmental temperature of -9℃ and no thermal insulation layer; and the surrounding rocks froze when the temperature keeps going down. The temperatures of every interface of structure become stable after 192 h and under condition of stable environment temperature of -12.5 ℃. 2) The internal temperatures of support structure and concrete are larger than 0 ℃ after 450 h under the conditions of environmental temperature of -12.5 ℃ and thermal insulation layer of 4.5 cm thickness. 3) The thermal conductivity and the thermal diffusivity of the thermal insulation layer, support concrete and surrounding rocks of the tunnel are determined. The results can provide reference for thermal insulation design of tunnels in cold region.

tunnel in cold region; radial temperature field; thermal insulation layer; propagation law; model test

2015-12-14;

2016-03-23

內(nèi)蒙古自治區(qū)交通廳科技項(xiàng)目(NJ200702)； 交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2015319812140)

李又云(1973—)，男，山東聊城人，2000年畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)，巖土工程專業(yè)，博士，副教授，主要從事巖土與隧道工程方面的教學(xué)與研究工作。E-mail: liyouyun2006@163.com。*通訊作者：張玉偉， E-mail：1032659676@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.005

U 45

A

1672-741X(2016)07-0800-06