郭利民，段俊哲，夏才初，常文江

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043; 2.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092;3.寧波大學巖石力學研究所,寧波 315211; 4.紹興文理學院土木工程學院,浙江紹興 312000;5.川藏鐵路建設公司,成都 610036)

引言

近年來,我國越來越重視西部地區(qū)的開發(fā)。我國西部尤其是青藏高原地區(qū)具有海拔高、氣候嚴寒、強震、大高差、地形八起八伏、地質條件復雜等特點,在此地區(qū)修建隧道將會面臨巨大的挑戰(zhàn),高地熱問題就是其中的一個重大難點。高地熱主要表現(xiàn)為高水溫和高巖溫[1]。高水溫隧道通常是被高熱溫泉水包圍,如西南某高地溫鐵路隧道就是受到了瓦納溫泉的影響[2]。高巖溫隧道又稱為干熱型隧道,通常濕度較低,一般出現(xiàn)在地質構造良好處。地質層的內(nèi)熱通過巖石傳遞到隧道表面,使隧道內(nèi)部表面圍巖壁溫度較高[3]。例如,新疆齊熱哈塔爾水電站引水隧洞巖壁溫度最高達100 ℃[4]。高巖溫或高水溫對結構的影響不盡相同[5],文中敘述的高地溫隧道指的是高巖溫隧道。

過高的巖溫不僅會對施工造成麻煩,降低施工質量,還會破壞襯砌混凝土結構,進一步降低支護性能[6]。因此,如何降低高地熱對隧道的影響成為一個熱點問題。目前,高地熱隧道降溫方法主要有通風、灑水噴霧、設置隔熱層、引排圍巖內(nèi)熱水等,已有不少學者在這方面取得了進展。王志杰等[7]鋪設隔熱層并對隧道內(nèi)進行通風,最后取得了不錯的降溫效果。之后,王志杰等[8]又提出了一套適用于中高溫段的“預、防、治”三位一體的降溫體系,實現(xiàn)了主動降溫與被動降溫相結合。朱宇等[9]提出以地溫45 ℃作為分界線,在地溫低于45 ℃的隧道僅使用通風降溫,而對于地溫高于45 ℃的隧道附加冰塊制冷、灑水噴霧等手段。孫其清等[10]研究了80 ℃初始圍巖地溫段,將洞內(nèi)氣溫降至28 ℃所需的通風量,結果表明,僅靠通風降溫是不夠的,還需輔以其他降溫措施?；艚▌譡11]建議對高溫水采取針對性措施,從源頭上消除熱害。

其中,鋪設隔熱層是一種直接且有效的方法。不少學者針對其作用方式、作用機理以及具體設計展開了研究。邵珠山等[12]通過理論計算和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),增厚隔熱層會使初期支護的溫度升高,在設計隔熱層時要關注初期支護的溫度及其材料性能變化。劉煒等[13]研究證明了隔熱層并不是越厚越好,增加隔熱層厚度對降低襯砌溫度的效果是遞減的。白國權等[14]通過數(shù)值方法定量計算了不同厚度的隔熱層與制冷量之間的關系。吳彪等[15]指出設置隔熱層可使襯砌結構的受力、二次襯砌軸力和彎矩顯著減小。吳根強等[16]對比了不同隔熱層的降溫效果,推薦選取5～10 cm厚隔熱層。傅金陽等[17]從預防混凝土開裂的角度建議當溫度超過63 ℃時使用夾心式隔熱層來隔絕熱量。

然而,上述研究通常只把隧道內(nèi)的氣溫或襯砌的溫度作為衡量高地熱隧道降溫效果的決定性指標,卻忽略了高地熱危害的本質是高溫會降低襯砌混凝土力學性能。因此,從保護襯砌混凝土力學性能的角度,計算在不同初始地溫工況下鋪設不同厚度隔熱層時襯砌混凝土的各齡期強度,對比不同工況下不同厚度隔熱層的作用效果,最后給出相應的隔熱層厚度選取建議,供工程參考。

1 溫度對混凝土強度的影響

混凝土是由水泥、骨料和水組成的復合材料,其強度很大程度上取決于水泥的強度。而水泥的強度又與其養(yǎng)護條件密切相關,溫度就是影響其強度發(fā)育的關鍵因素之一。在混凝土養(yǎng)護早期,高溫會促進水泥的水化反應,加速其凝結硬化速率。大量的水化產(chǎn)物會迅速填充滿混凝土內(nèi)部的孔隙,增加混凝土的早期強度。此時,混凝土中的水分并沒有因為高溫蒸發(fā)太多,尚能滿足水泥水化的需要。而隨著時間的推移,混凝土內(nèi)的水分不斷蒸發(fā)流失,使得水泥的水化速率降低。此時,水泥的水化產(chǎn)物來不及填充水分蒸發(fā)留下的孔隙,從而導致混凝土內(nèi)部孔隙率提高,降低其強度性能。并且水分蒸發(fā)還會引起混凝土干燥收縮產(chǎn)生微裂縫,進一步導致混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度降低。

不同養(yǎng)護溫度下普通混凝土(C25)和噴射混凝土(C25)的抗壓強度[18]如圖1所示。從圖1中可以看出,在常溫(40 ℃以下)時,兩種混凝土的抗壓強度基本沒有下降,甚至有小幅度提高。而當溫度較高(40 ℃以上)時,兩種混凝土的各齡期抗壓強度都顯著下降,這說明高溫對這兩種混凝土強度的發(fā)展都非常不利。

普通混凝土(C25)抗壓強度和劈裂抗拉強度隨養(yǎng)護溫度的變化曲線如圖2[3]所示。從圖2中可以看出,當溫度由20 ℃升高至40 ℃時,普通混凝土的28 d抗壓強度從26 MPa降低至24.9 MPa,僅降低4.2%。普通混凝土的28 d抗拉劈裂強度從2.42 MPa降低至2.26 MPa,僅降低6.6%。這說明,此時溫度對混凝土強度的發(fā)展影響較小。但當溫度超過40 ℃之后,無論是噴射混凝土的抗壓強度還是抗拉劈裂強度都隨著溫度升高而迅速降低。當養(yǎng)護溫度從40 ℃升高到60 ℃時,僅20 ℃的變化就會導致噴射混凝土28 d齡期的抗壓強度下降48%,抗拉劈裂強度下降37%。由此可見,當溫度超過40 ℃后,普通混凝土的強度開始大幅度下降。在高地溫地區(qū)施工時,應保證普通混凝土的溫度低于40 ℃,否則會嚴重降低襯砌混凝土的力學性能,從而降低結構的安全性。

2 隔熱層對襯砌混凝土養(yǎng)護溫度的影響

2.1 工程概況

選取西部高原地區(qū)某隧道作為依托工程,該隧道靠近板塊縫合帶,且隧道埋深較大。在隧道洞身東南側存在溫泉分布,附近鉆探亦揭示存在高地溫現(xiàn)象。該隧道沿線鉆孔所揭示的溫度介于20.7～93.5 ℃之間,文中研究工況的初始地溫屬于這個區(qū)間。

2.2 隧道溫度場計算模型

(1)模型假設

適當?shù)哪Ｐ图僭O是盡可能還原實際又便于研究開展的必要條件。因此,在進行數(shù)值模擬之前,要給數(shù)值模型一些合適的假設條件。隧道是一個復雜的結構體,為簡化計算,對模型做以下假設。

①隧道高地熱段的埋深很大,可以忽略地表傳熱以及隧道輪廓的影響。

②不考慮隔熱層與襯砌之間、圍巖與隔熱層之間的接觸熱阻,接觸邊界處滿足溫度和熱流量相等的連續(xù)條件。

③假設隔熱材料、圍巖和混凝土的熱力學參數(shù)不隨溫度的變化而變化,是固定的常數(shù)。

(2)幾何模型

隧道的幾何輪廓按照設計資料選取。模型邊界取為90 m×90 m的正方形,可以保證30個月內(nèi),模型邊界與初始巖溫的差值小于1%[19],符合圣維南原理。為隔絕熱量,減少高溫對襯砌混凝土的危害,在二襯澆筑前要鋪設隔熱層,盡可能降低混凝土的入模溫度[20]。于是該模型可以看作一個圍巖-隔熱層-襯砌-空氣的四層結構,其幾何模型如圖3所示。模型的外邊界設置為完全絕熱,空氣與襯砌的接觸面設置為第三類熱力學邊界,即Tw=f(H,Tn)。根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》[21],在隧道施工時應保證洞內(nèi)氣溫不高于28 ℃。本模型將洞內(nèi)氣溫設置為恒定的28 ℃。

圖3 隧道幾何模型(單位:m)Fig.3 Tunnel geometry model (unit: m)

(3)計算參數(shù)取值

根據(jù)張建榮等[22]的研究,混凝土襯砌與洞內(nèi)空氣之間的對流換熱系數(shù)h(W/(m2·K))可按式(1)選取。

h=3.06v+4.11

(1)

式中,v為襯砌混凝土表面的空氣流速,m/s。為滿足隧道內(nèi)的通風降溫需求,擬使用風機加速隧道內(nèi)的空氣流通。根據(jù)相關文獻,取通風后隧道內(nèi)的平均風速為2 m/s。將風速代入式(1)中,可得對流換熱系數(shù)h≈10 W/(m2·K)。襯砌厚度取為50 cm。根據(jù)規(guī)范,在地溫高于60 ℃的區(qū)段,二襯混凝土強度等級需要提高一級,不得低于C35。因此,在本節(jié)中襯砌混凝土的熱力學參數(shù)統(tǒng)一按照C35混凝土的標準來選取,隔熱層材料選用硬質聚氨酯泡沫板。襯砌混凝土、隔熱層和圍巖的熱力學參數(shù)取值如表1所示。

表1 材料熱力學參數(shù)Tab.1 Thermodynamic parameters of materials

(4)計算工況

決定襯砌溫度的條件有很多,例如隔熱層厚度、襯砌厚度、初始地溫等。文中襯砌厚度保持與設計一致不變,為50 cm。探究不同隔熱層厚度與圍巖地溫對襯砌混凝土強度的影響。

經(jīng)過計算,對于地溫低于50 ℃的工況,即使不施加隔熱層,襯砌上的溫度也不會高于40 ℃,不會降低襯砌混凝土的力學性能,在文中不做探討。結合地勘資料,可以得到該隧道所需研究的地溫范圍為50～93.7 ℃。由于不可能計算所有的地溫情況,以10 ℃作為間隔,選取初始地溫50,60,70,80,90 ℃作為代表進行研究。

2.3 隔熱層的降溫效果

由于圍巖溫度始終要高于洞內(nèi)氣溫,因此,靠近圍巖一側混凝土的溫度會始終高于遠離一側的溫度。于是,選取襯砌頂部與隔熱層的交界處作為襯砌溫度的分析點,如圖4所示。

圖4 襯砌溫度分析點Fig.4 The analysis point for lining temperature

圖5是在不同地溫環(huán)境下采用不同厚度的隔熱層后,襯砌混凝土的溫度變化曲線。當不鋪設保溫隔熱層時,襯砌混凝土會在接觸到高熱圍巖后的極短時間內(nèi)被加熱到溫度峰值。襯砌混凝土在其整個28 d齡期內(nèi)溫度都很高。而在鋪設隔熱層后,襯砌溫度不像未鋪設隔熱層時急劇上升,而是緩慢升高至峰值,此峰值要遠小于不鋪設隔熱層的溫度峰值。3 cm隔熱層就可以起到很好的降溫效果。比如,在初始地溫70 ℃工況中,鋪設3 cm隔熱層就可以使襯砌混凝土的溫度降低到40 ℃以下(圖5(c))。在鋪設10 cm隔熱層后,襯砌混凝土上的溫度峰值較不鋪設隔熱層的情況普遍可以降低10 ℃以上,且地溫越高降溫效果越好。在90 ℃地溫工況下,鋪設10 cm隔熱層相對于不鋪設隔熱層最多可以降溫28 ℃。鋪設10 cm隔熱層后襯砌混凝土上的溫度僅比常溫升高了6 ℃。

圖5 不同厚度隔熱層作用時襯砌混凝土養(yǎng)護溫度隨齡期的變化Fig.5 Variation of the curing temperature of tunnel lining concrete with age under the influence of insulation layers of different thicknesses

3 隔熱層作用分析及討論

根據(jù)圖5襯砌混凝土的溫度變化曲線,將溫度對時間積分并取平均值,可以得到襯砌混凝土在其齡期1 d、7 d及28 d內(nèi)的平均溫度,如表2所示。以此溫度作為襯砌混凝土在其各齡期的養(yǎng)護溫度,對其力學性能進行評估。

表2 襯砌混凝土各齡期平均溫度 ℃Tab.2 Average temperature of tunnel lining concrete at various ages

將表2得到的襯砌混凝土平均溫度對應到圖2中,可以得到襯砌混凝土在各工況下相應齡期的強度,如圖6所示。當不鋪設隔熱層時,隨著圍巖溫度升高,襯砌混凝土各齡期的抗壓強度和抗拉劈裂強度均迅速降低。而鋪設隔熱層后,襯砌混凝土強度降低的速度變緩,甚至會出現(xiàn)強度提高的情況。這是因為當隔熱層較厚(10 cm)時,襯砌混凝土上的溫度將遠小于40 ℃。此時,升高溫度會促進水泥的水化,從而提高襯砌混凝土的強度。

圖6 襯砌混凝土各齡期強度Fig.6 Strength of tunnel lining concrete at various ages

通過對比各工況下襯砌混凝土的抗壓強度和抗拉劈裂強度,可計算得到在不同情況下隔熱層的作用效果,如表3和表4所示。在地溫較低(50 ℃)時,襯砌混凝土上的溫度較低(未超過40 ℃),鋪設隔熱層反而會降低水泥的水化速度,從而降低襯砌混凝土的早期強度。此時,鋪設隔熱層能使混凝土28 d齡期強度提高,但是提升幅度很小,不到5%。當?shù)販剌^高時(>60 ℃),鋪設隔熱層不僅可以提高襯砌混凝土的28 d齡期強度,也可以提高其早期強度。隔熱層越厚,襯砌混凝土的28 d齡期強度提升幅度就越大,其中90 ℃地溫條件下10 cm隔熱層的效果比3 cm隔熱層多14.3%。

表3 抗壓強度提高幅度(相對于無隔熱層) %Tab.3 Increase in compressive strength (relative to no insulation layer)

表4 抗拉劈裂強度提高幅度(相對于無隔熱層) %Tab.4 Increase in tensile splitting strength (relative to no insulation layer)

上述計算結果均是在維持洞內(nèi)氣溫28 ℃的前提下得到的。然而,《鐵路隧道設計規(guī)范》[21]所規(guī)定的隧道內(nèi)氣溫低于28 ℃的要求僅針對普通隧道。對于高地熱隧道,尤其是地溫高于70 ℃的極端高溫隧道,要維持洞內(nèi)氣溫低于28 ℃有很大的困難。李建高等[23]根據(jù)工程實測,在某些工況下即使使用了降溫措施,也僅能將環(huán)境溫度降到34 ℃。胡政等[24]研究了高地熱隧道內(nèi)氣溫隨施工的變化規(guī)律,結果顯示在其中一里程段出現(xiàn)了氣溫從35.2 ℃上升至56.4 ℃的情況。而國外資料介紹,日本隧道施工規(guī)范規(guī)定洞內(nèi)氣溫僅需低于37 ℃。因此,結合實際有必要研究洞內(nèi)氣溫高于28 ℃的情況。當洞內(nèi)氣溫超過28 ℃,襯砌混凝土的強度就會進一步受到影響。圖7對比了地溫90 ℃,洞內(nèi)氣溫37 ℃時,無隔熱層以及鋪設3,5,10 cm隔熱層時襯砌混凝土的28 d齡期強度情況。從圖7中可以看出,在洞內(nèi)氣溫升高之后,鋪設隔熱層同樣可以大幅度提高襯砌混凝土的強度,且10 cm隔熱層的效果比3 cm隔熱層效果,高24.2%,同比洞內(nèi)氣溫28 ℃工況下的14.3%還多近10%。因此,在極高地熱段(70 ℃以上)有必要增加隔熱層的厚度。

圖7 隔熱層效果對比(地溫90 ℃,洞內(nèi)氣溫37 ℃)Fig.7 Comparison of insulation layer effects (ground temperature: 90 ℃, internal air temperature: 37 ℃)

根據(jù)上述計算結果,以10 ℃地溫差值為一個區(qū)間進行分析。用具體計算的工況代表所處±5 ℃區(qū)間的情況(例如,以地溫60 ℃的工況代表55～65 ℃的情況)。當?shù)販亍?5 ℃時,鋪設隔熱層后襯砌混凝土強度的提升幅度均在5%以內(nèi),因此可不鋪設隔熱層。當?shù)販貫?5～65 ℃時,鋪設3 cm隔熱層就可以使襯砌混凝土強度少降低10%,因此推薦鋪設3 cm的隔熱層。當?shù)販貫?5～75 ℃時,5 cm隔熱層的效果要明顯高于3 cm隔熱層的效果,但10 cm隔熱層與5 cm隔熱層差別不大,因此在此區(qū)間段推薦鋪設5 cm隔熱層。當?shù)販貫?5～85 ℃時,10 cm隔熱層效果略優(yōu)于5 cm隔熱層(混凝土抗壓與抗拉劈裂強度多提升3%),但考慮極端高溫條件下難以維持洞內(nèi)低溫,隔熱層厚度可根據(jù)實際隧道環(huán)境選取。若能保證洞內(nèi)氣溫維持在28 ℃以內(nèi),鋪設5 cm隔熱層,否則鋪設10 cm隔熱層。對于地溫超過85 ℃的地段,推薦鋪設10 cm的隔熱層,盡可能隔絕圍巖的高溫。

4 結論

直接以溫度作為隔熱效果的控制指標不能反映高溫會使襯砌力學性能降低的本質,以襯砌混凝土強度作為評價隔熱效果的指標更能反映熱害的本質。依托某高原隧道,使用Comsol數(shù)值模擬建立了其熱力學模型,并計算得到了不同初始地溫工況下鋪設不同厚度隔熱層時襯砌混凝土各齡期的平均養(yǎng)護溫度。根據(jù)強度與養(yǎng)護溫度之間的關系計算得到了各齡期襯砌混凝土的強度,并以此為基準對比了各工況下不同厚度隔熱層的作用效果,研究得到以下結論。

(1)隧道施工時,應保證混凝土養(yǎng)護溫度低于40 ℃,否則會嚴重降低襯砌混凝土的力學性能。

(2)隔熱層的厚度應根據(jù)圍巖初始地溫確定,太厚不經(jīng)濟,太薄則不能充分隔絕熱量,仍會使襯砌混凝土的強度降低:55 ℃以下的地溫段,無需使用隔熱層;55～65 ℃的地段,推薦使用3 cm隔熱層;65～75 ℃地溫段,使用5 cm隔熱層;75～85 ℃地溫段,若能保證洞內(nèi)氣溫維持在28 ℃以內(nèi),使用5 cm隔熱層,否則使用10 cm隔熱層;高于85 ℃的地段,推薦使用10 cm隔熱層。