發(fā)布時(shí)間：2021-01-29所屬分類(lèi)：工程師職稱(chēng)論文瀏覽：1次
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(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬的方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)防凍保溫設(shè)計(jì)，對(duì)中隔式局部保溫法的合理性進(jìn)行分析，提出防凍保溫設(shè)計(jì)的建議與改進(jìn)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(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬的方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)防凍保溫設(shè)計(jì)，對(duì)中隔式局部保溫法的合理性進(jìn)行分析，提出防凍保溫設(shè)計(jì)的建議與改進(jìn)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(fù)溫區(qū)會(huì)從保溫板兩側(cè)擴(kuò)散，進(jìn)而覆蓋環(huán)向盲管，造成排水系統(tǒng)凍結(jié)堵塞，此時(shí)初期支護(hù)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(guó)鐵路系統(tǒng)的不斷發(fā)展與完善，鐵路運(yùn)營(yíng)范圍逐漸擴(kuò)大，修建環(huán)境也更加復(fù)雜。在我國(guó)東北地區(qū)和西南地區(qū)，由于氣候環(huán)境常年嚴(yán)寒，高速鐵路的修建和養(yǎng)護(hù)出現(xiàn)了諸多問(wèn)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(huì)發(fā)生道床結(jié)冰、襯砌掛冰、混凝土開(kāi)裂等凍害現(xiàn)象，嚴(yán)重影響隧道行車(chē)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(huì)導(dǎo)致圍巖內(nèi)地下水無(wú)法排出，在防水不嚴(yán)的情況下會(huì)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(dòng)保溫法和主動(dòng)供熱法[5-8]。
目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的是被動(dòng)保溫法，即鋪設(shè)保溫板以減少熱傳導(dǎo)，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(chē)活塞風(fēng)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(hù)之間。同時(shí)，為降低工程造價(jià)，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(jìn)行包裹。
本文依托遼寧天秀山隧道工程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)防凍保溫設(shè)計(jì)情況，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬的方法，對(duì)中隔式局部保溫法的合理性進(jìn)行分析，研究冬季溫度場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律，提出防凍保溫設(shè)計(jì)的建議與改進(jìn)措施，為我國(guó)寒冷地區(qū)高速鐵路隧道防凍保溫設(shè)計(jì)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(guó)高緯度寒冷地區(qū)，全長(zhǎng)9072m，為雙線單洞高速鐵路隧道，是京沈高鐵支線赤喀客專(zhuān)的控制性工程。
隧址區(qū)屬于北溫帶亞干旱季風(fēng)氣候區(qū)，春季干旱多風(fēng);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(jì)
隧道二次襯砌混凝土采用抗?jié)B等級(jí)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(guò)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(jì)
天秀山隧道對(duì)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(jì)并非全長(zhǎng)施作保溫板，冬季負(fù)溫區(qū)域?qū)?huì)覆蓋襯砌和部分初期支護(hù)。因此，建議支護(hù)結(jié)構(gòu)采用抗凍混凝土，以防止溫度應(yīng)力引起襯砌開(kāi)裂。同時(shí)，為分析負(fù)溫區(qū)域是否覆蓋環(huán)向盲管，對(duì)其進(jìn)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(jì)合理性，揭示地層溫度場(chǎng)時(shí)空變化規(guī)律，采用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，建立襯砌局部保溫模型，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)氣溫作為溫度荷載，分析地層溫度場(chǎng)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(jì)資料，建立襯砌局部保溫?cái)?shù)值模型，忽略隧道曲率影響，并簡(jiǎn)化為平面?zhèn)鲗?dǎo)問(wèn)題。定義距襯砌表面20m為恒溫邊界，模型長(zhǎng)度為26m，即間隔設(shè)置三個(gè)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(jì)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(duì)熱傳遞的影響。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)值，對(duì)模型中各材料進(jìn)行賦值，具體參數(shù)見(jiàn)表1所列。
2.3 邊界條件
在隧道洞外設(shè)置氣象觀測(cè)站，如圖5所示，獲取隧址區(qū)2018年氣溫?cái)?shù)據(jù)。由于本文未考慮列車(chē)活塞風(fēng)、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(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際，采用洞外實(shí)測(cè)氣溫作為氣溫荷載應(yīng)用于數(shù)值模擬，同時(shí)，不考慮地?zé)岬扔欣蛩氐挠绊憽?/p>
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(dá)到最高值，10月份降低至0℃。
將氣溫?cái)M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(chǎng)設(shè)置為5℃。
3 數(shù)值模擬結(jié)果分析
為減小初始溫度場(chǎng)和恒溫邊界對(duì)數(shù)值計(jì)算的影響，模擬運(yùn)營(yíng)期溫度場(chǎng)，選取第10年冬季計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。同時(shí)，為方便研究隧道負(fù)溫區(qū)域時(shí)空分布規(guī)律，以下僅顯示-10℃至 0℃溫度云圖。
3.1 全長(zhǎng)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(duì)保溫板進(jìn)行全長(zhǎng)鋪設(shè)模擬，即襯砌背部全長(zhǎng)鋪設(shè)5cm聚氨酯保溫板。具體溫度場(chǎng)時(shí)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(jì)要求，環(huán)向透水盲管及初期支護(hù)未出現(xiàn)負(fù)溫。而襯砌由于未施加保溫板，始終暴露在負(fù)溫負(fù)溫。
3.2 局部保溫層模擬
根據(jù)天秀山隧道實(shí)際情況，對(duì)局部保溫法進(jìn)行模擬分析，得到溫度場(chǎng)分布情況，如圖8所示。
由圖8可知，初期支護(hù)12月之后降低至負(fù)溫;負(fù)溫區(qū)域由保溫板兩側(cè)逐漸擴(kuò)散，進(jìn)而影響環(huán)向盲管，保溫板背后負(fù)溫帶呈“U”型分布;2月環(huán)向盲管達(dá)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(dǎo)，降低負(fù)溫對(duì)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(fù)溫會(huì)從保溫板兩側(cè)傳導(dǎo)至環(huán)向盲管，依舊存在凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議對(duì)局部保溫層進(jìn)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(jì)局部保溫層寬度為2m，相鄰保溫板邊緣間隔5m，對(duì)其寬度進(jìn)行優(yōu)化，依次增加0.5m，計(jì)算各寬度下最冷溫度場(chǎng)，即2月溫度云圖，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。
由圖9可知，保溫板2.5~3.0m寬時(shí)，環(huán)向盲管溫度維持在0℃左右，但依舊存在凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn);3.5m寬以上時(shí)環(huán)向盲管不再被負(fù)溫區(qū)域覆蓋，此時(shí)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(dāng)防凍隔熱層厚度和寬度滿足工況要求時(shí)，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(cè)線溫度
為進(jìn)一步研究保溫板防凍隔熱效果，在襯砌內(nèi)選取三條測(cè)線進(jìn)行溫度觀測(cè)。AB測(cè)線沿襯砌徑向進(jìn)尺1m測(cè)線，并通過(guò)環(huán)向盲管中心;CD測(cè)線沿襯砌徑向進(jìn)尺1m測(cè)線，并通過(guò)未鋪設(shè)保溫板中心，EF測(cè)線為沿初期支護(hù)縱向10m測(cè)線，測(cè)線中心位于環(huán)向盲管中心，具體測(cè)線布置情況如圖10所示。
由圖11可知，溫度在通過(guò)保溫板時(shí)，會(huì)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(shí)，襯砌負(fù)溫期為11月至3月，環(huán)向盲管負(fù)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(fù)溫期更短。
局部鋪設(shè)與全面鋪設(shè)保溫板溫度曲線對(duì)比，各月初期支護(hù)溫度相差較大，具體表現(xiàn)為：局部保溫時(shí)，10月和11月初期支護(hù)的溫度相對(duì)更高，12月至4月則更低。全面鋪設(shè)保溫板時(shí)初期支護(hù)溫度始終未降至負(fù)溫，而局部鋪設(shè)保溫板時(shí)初期支護(hù)溫度在1月至3月為負(fù)溫。
降溫期，測(cè)線溫度隨時(shí)間逐漸降低，襯砌溫度降低較快，而初期支護(hù)溫度降低較慢。升溫期，襯砌溫度隨時(shí)間逐漸增加，而初期支護(hù)溫度2月后才逐漸增加。同時(shí)，襯砌最低溫度出現(xiàn)在1月，而初期支護(hù)最低溫度出現(xiàn)在2月。這說(shuō)明，溫度在透過(guò)保溫板傳遞時(shí)，具有較大的滯后性。——論文作者：王能學(xué)
