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摘 要： 摘要：為防止寒冷地區(qū)隧道排水系統(tǒng)冬季凍結(jié)，減少隧道凍害，本文依托遼寧天秀山隧道，采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬的方法，結(jié)合現(xiàn)場防凍保溫設(shè)計，對中隔式局部保溫法的合理性進行分析，提出防凍保溫設(shè)計的建議與改進措施。結(jié)果表明，中隔式局部保溫板可有效增加
摘要：為防止寒冷地區(qū)隧道排水系統(tǒng)冬季凍結(jié)，減少隧道凍害，本文依托遼寧天秀山隧道，采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬的方法，結(jié)合現(xiàn)場防凍保溫設(shè)計，對中隔式局部保溫法的合理性進行分析，提出防凍保溫設(shè)計的建議與改進措施。結(jié)果表明，中隔式局部保溫板可有效增加環(huán)向盲管溫度，但負溫區(qū)會從保溫板兩側(cè)擴散，進而覆蓋環(huán)向盲管，造成排水系統(tǒng)凍結(jié)堵塞，此時初期支護縱向溫度呈“倒U”型分布。將保溫板寬度優(yōu)化至4m后，可保證環(huán)向盲管冬季不凍結(jié)。
關(guān)鍵詞：寒區(qū)隧道;環(huán)向盲管;數(shù)值模擬;溫度變化規(guī)律;局部保溫法
0 引言
隨著我國鐵路系統(tǒng)的不斷發(fā)展與完善，鐵路運營范圍逐漸擴大，修建環(huán)境也更加復雜。在我國東北地區(qū)和西南地區(qū)，由于氣候環(huán)境常年嚴寒，高速鐵路的修建和養(yǎng)護出現(xiàn)了諸多問題。鐵路隧道由于地處野外山嶺地區(qū)，冬季寒冷、晝夜溫差大、氣候環(huán)境惡劣，常常會發(fā)生道床結(jié)冰、襯砌掛冰、混凝土開裂等凍害現(xiàn)象，嚴重影響隧道行車安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[1-4]。
隧道環(huán)向盲管作為地下水重要疏排通道，如果其發(fā)生凍結(jié)，將會導致圍巖內(nèi)地下水無法排出，在防水不嚴的情況下會造成襯砌滲漏水、襯砌掛冰、道床結(jié)冰等凍害現(xiàn)象。因此，保證環(huán)向盲管冬季不凍結(jié)是非常重要的，主要方法有被動保溫法和主動供熱法[5-8]。
目前，國內(nèi)應用較廣的是被動保溫法，即鋪設(shè)保溫板以減少熱傳導，保證襯砌壁后溫度穩(wěn)定。但在高速鐵路隧道，由于高鐵行車活塞風影響，保溫板不宜鋪設(shè)于襯砌外側(cè)。因此，一般采用中隔式鋪設(shè)，即鋪設(shè)在二次襯砌與初期支護之間。同時，為降低工程造價，鐵路隧道一般采用局部保溫法，即在環(huán)向盲管外側(cè)鋪設(shè)一定寬度保溫板，并采用雙層防水板進行包裹。
本文依托遼寧天秀山隧道工程，結(jié)合現(xiàn)場防凍保溫設(shè)計情況，采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬的方法，對中隔式局部保溫法的合理性進行分析，研究冬季溫度場時空分布規(guī)律，提出防凍保溫設(shè)計的建議與改進措施，為我國寒冷地區(qū)高速鐵路隧道防凍保溫設(shè)計提供參考。
1 隧道工程概況
1.1 隧址區(qū)工程概況
天秀山隧道位于遼寧省建平縣，地處我國高緯度寒冷地區(qū)，全長9072m，為雙線單洞高速鐵路隧道，是京沈高鐵支線赤喀客專的控制性工程。
隧址區(qū)屬于北溫帶亞干旱季風氣候區(qū)，春季干旱多風;夏季高溫多雨;冬季干燥寒冷。2018年平均氣溫9.9℃，最冷月平均氣溫為-12℃，全年最低溫度為-20℃。
1.2 隧道防排水設(shè)計
隧道二次襯砌混凝土采用抗?jié)B等級不小于P10的防水混凝土。防水層由EVA防水板和土工布組成。防水板背后設(shè)有外包土工布的環(huán)向透水盲管，縱向間距6~8m/道，地下水發(fā)育地區(qū)密集布置。環(huán)向盲管通過隧底的橫向?qū)軐⑺胫行纳盥袼疁稀?/p>
1.3 局部保溫設(shè)計
天秀山隧道對環(huán)向盲管采用間隔施作保溫層的局部保溫法，具體方法為：根據(jù)環(huán)向盲管位置，在二次襯砌背后依次鋪設(shè)：2m寬EVA防水板+2m寬保溫板+EVA防水板+土工布+環(huán)向盲管。保溫板采用5cm厚聚氨酯保溫板。具體布置情況如圖1、圖2所示。
由于局部保溫設(shè)計并非全長施作保溫板，冬季負溫區(qū)域?qū)采w襯砌和部分初期支護。因此，建議支護結(jié)構(gòu)采用抗凍混凝土，以防止溫度應力引起襯砌開裂。同時，為分析負溫區(qū)域是否覆蓋環(huán)向盲管，對其進行有限元數(shù)值模擬。
2 隧道數(shù)值模擬
為研究局部保溫設(shè)計合理性，揭示地層溫度場時空變化規(guī)律，采用ANSYS有限元軟件對其進行瞬態(tài)熱分析，建立襯砌局部保溫模型，采用現(xiàn)場實測氣溫作為溫度荷載，分析地層溫度場周期性變化規(guī)律。
2.1 有限元模型
根據(jù)天秀山隧道設(shè)計資料，建立襯砌局部保溫數(shù)值模型，忽略隧道曲率影響，并簡化為平面?zhèn)鲗栴}。定義距襯砌表面20m為恒溫邊界，模型長度為26m，即間隔設(shè)置三個局部保溫板，具體數(shù)值模型與局部保溫模型圖如圖3、圖4所示。
2.2 計算參數(shù)的選取
假定圍巖、混凝土、保溫材料均為各向同性的均勻連續(xù)介質(zhì)[9-13]，其相關(guān)材料參數(shù)不發(fā)生變化;忽略防水層對熱傳遞的影響。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)物理參數(shù)的推薦值[14]，以及聚氨酯保溫板的物理參數(shù)實測值，對模型中各材料進行賦值，具體參數(shù)見表1所列。
2.3 邊界條件
在隧道洞外設(shè)置氣象觀測站，如圖5所示，獲取隧址區(qū)2018年氣溫數(shù)據(jù)。由于本文未考慮列車活塞風、極端天氣、晝夜溫差等不利因素的影響，為減小這些誤差影響，使計算結(jié)果更貼近實際，采用洞外實測氣溫作為氣溫荷載應用于數(shù)值模擬，同時，不考慮地熱等有利因素的影響。
由圖6可知，隧址區(qū)最低月平均氣溫出現(xiàn)在1月份，3月份回升至正溫，7月份達到最高值，10月份降低至0℃。
將氣溫擬合方程作為溫度荷載，施加于襯砌表面;其余邊界定義為恒溫邊界，根據(jù)恒溫帶溫度[15-16]，將恒溫邊界與初始溫度場設(shè)置為5℃。
3 數(shù)值模擬結(jié)果分析
為減小初始溫度場和恒溫邊界對數(shù)值計算的影響，模擬運營期溫度場，選取第10年冬季計算結(jié)果進行分析。同時，為方便研究隧道負溫區(qū)域時空分布規(guī)律，以下僅顯示-10℃至 0℃溫度云圖。
3.1 全長鋪設(shè)保溫板模擬
為分析局部保溫法的合理性，首先需確定保溫板厚度是否符合工況要求，因此，對保溫板進行全長鋪設(shè)模擬，即襯砌背部全長鋪設(shè)5cm聚氨酯保溫板。具體溫度場時空分布情況，如圖7所示。
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由圖7可知，5cm厚聚氨酯保溫板保溫效果顯著，滿足該工況設(shè)計要求，環(huán)向透水盲管及初期支護未出現(xiàn)負溫。而襯砌由于未施加保溫板，始終暴露在負溫負溫。
3.2 局部保溫層模擬
根據(jù)天秀山隧道實際情況，對局部保溫法進行模擬分析，得到溫度場分布情況，如圖8所示。
由圖8可知，初期支護12月之后降低至負溫;負溫區(qū)域由保溫板兩側(cè)逐漸擴散，進而影響環(huán)向盲管，保溫板背后負溫帶呈“U”型分布;2月環(huán)向盲管達到最低溫度為-2℃左右;3月溫度逐漸回升。
由此可知，局部保溫法一定程度上可以減少熱傳導，降低負溫對環(huán)向盲管的影響，使冬季環(huán)向盲管溫度維持在 -2℃以上。但負溫會從保溫板兩側(cè)傳導至環(huán)向盲管，依舊存在凍結(jié)風險。因此，建議對局部保溫層進行優(yōu)化，增加其設(shè)置寬度，以滿足工況要求。
3.3 局部保溫層優(yōu)化
天秀山隧道原設(shè)計局部保溫層寬度為2m，相鄰保溫板邊緣間隔5m，對其寬度進行優(yōu)化，依次增加0.5m，計算各寬度下最冷溫度場，即2月溫度云圖，計算結(jié)果如圖9所示。
由圖9可知，保溫板2.5~3.0m寬時，環(huán)向盲管溫度維持在0℃左右，但依舊存在凍結(jié)風險;3.5m寬以上時環(huán)向盲管不再被負溫區(qū)域覆蓋，此時相鄰保溫板邊緣間距3.5m。
由此可知，寒冷地區(qū)隧道采用中隔式局部保溫法是可行的。當防凍隔熱層厚度和寬度滿足工況要求時，可有效防止排水系統(tǒng)凍結(jié)，將圍巖內(nèi)地下水順利排出，減少凍害的發(fā)生。
4 測線溫度
為進一步研究保溫板防凍隔熱效果，在襯砌內(nèi)選取三條測線進行溫度觀測。AB測線沿襯砌徑向進尺1m測線，并通過環(huán)向盲管中心;CD測線沿襯砌徑向進尺1m測線，并通過未鋪設(shè)保溫板中心，EF測線為沿初期支護縱向10m測線，測線中心位于環(huán)向盲管中心，具體測線布置情況如圖10所示。
由圖11可知，溫度在通過保溫板時，會發(fā)生突變，其中全面鋪設(shè)保溫板溫度突變更為明顯;同時，襯砌負溫期為11月至3月，環(huán)向盲管負溫期為1月至3月，鋪設(shè)保溫板后，環(huán)向盲管溫度更高，負溫期更短。
局部鋪設(shè)與全面鋪設(shè)保溫板溫度曲線對比，各月初期支護溫度相差較大，具體表現(xiàn)為：局部保溫時，10月和11月初期支護的溫度相對更高，12月至4月則更低。全面鋪設(shè)保溫板時初期支護溫度始終未降至負溫，而局部鋪設(shè)保溫板時初期支護溫度在1月至3月為負溫。
降溫期，測線溫度隨時間逐漸降低，襯砌溫度降低較快，而初期支護溫度降低較慢。升溫期，襯砌溫度隨時間逐漸增加，而初期支護溫度2月后才逐漸增加。同時，襯砌最低溫度出現(xiàn)在1月，而初期支護最低溫度出現(xiàn)在2月。這說明，溫度在透過保溫板傳遞時，具有較大的滯后性。——論文作者：王能學
