寒区公路隧道保温层设置的数值分析

第４５卷第２期　Ｖｏｌ｜４５　ＮＯ．２　２０１３年４月　Ａｐｒ．２Ｏ１３　寒区公路隧道保温层设置的数值分析　霍润科　。，汤寅净　，宁翠萍　。，许　健　西　（１．西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安７１００５５；２．结构工程与抗震教育部重点实验室，陕西西安７１００５５；　、妥，Ｘ　　３．杨凌职业技术学院，陕西杨凌７１２１００）　建ｈ　摘　要：针对东西部寒区隧道出现的冻害工程问题，结合哈尔滨天恒山公路隧道现场监测数据，提出考虑相变　Ｖ　筑ｏ　的平面瞬态温度场计算模型，利用有限元软件对隧道温度场进行了数值模拟．计算得到隧道运营期内保温层　的设防厚度，考虑隧道贯通后会在当地形成新的季节冻结层的实际情况，计算了三种不同工况相同厚度保温　科　层的设置方式，结果表明分层设置保温层具有有效防治冻害的效果，同时结合传热学理论，对隧道结构设置保　技＆　．　温层和不设置保温层两种工况进行热一应力耦合分析，发现温度场对隧道结构应力场有较大影响，因此在寒区　进行隧道设计时，应考虑热一应力相互作用的影响．　大　关键词：寒区隧道；温度场；保温层；热一应力耦合　中图分类号：Ｕ４５１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００６—７９３０（２０１３）０２—０１５８　Ｏ６　学　学№　ｍ　近年来，随着我国交通基础产业的迅速发展，东西部寒冷地区隧道工程正在大规模的兴建，与一般　地区隧道相比将面临更多复杂的技术难题，尤其是冻害问题．据报道ｌｍ　ｌ　］，仅在我国东北和西北地区就有　报　．　３３座铁路隧道和多座公路隧道遭受不同程度的冻害，每年都有８～９个月不能正常使用．鉴于寒区隧道　遭受冻害的严峻形势，许多学者开展了对隧道保温隔热技术的研究，取得了不少研究成果．陈建勋等　］一　　科附　学采用４种防冻隔温材料对大坂山隧道的保温效果进行了现场测试，证明了采取防冻隔温措施治理冻害　＝壹　版　的可行性；马建新、谢红强等ｌ＿５　］对高寒地区隧道保温隔热层设防厚度进行了分析，并比较了硬质聚胺脂　泡沫塑料和干法硅酸铝纤维板的保温性能；晏启祥等　以高寒地区某隧道工程为背景，分析了隧道保温　隔热材料厚度为０．０，３．０　ｃｍ情况下二次衬砌及周边围岩温度的变化过程，研究了温度应力分布及其可　能导致的混凝土开裂，对保温隔热材料的防冻效果进行了评价．本文以严寒地区天恒山绕城公路隧道为　背景，提出考虑相变的平面瞬态温度场计算模型，模拟分析了２０年后温度场及冻结层的变化规律，对其　工程防治效果进行了验证，并利用有限元方法对保温材料所处不同位置隧道的温度场进行模拟分析，确　定了防冻保温层的最佳设防位置，同时对隧道结构进行热一应力耦合分析，研究了温度与应力相互作用　的影响规律．　１　工程概况　天恒山隧道工程是哈尔滨绕城公路东北段的重要组成部分，该隧道为双线分离式隧道，其中上行线　隧道长度为１　６６０　ｍ，下行线隧道长度为１　６９０　ｍ，基本宽度为１１．５　ｍ，建筑限界净高为５　ｍ，隧道围岩　为第四系堆积层粘土、亚粘土，局部地下水较丰富，围岩级别Ｖ、Ⅵ级，按新奥法原理设计与施工，采用复　合式支护结构形式．该隧道位于北寒带气候区，冬季长达５个月之久，最冷月平均气温达到一１８￣Ｃ左　右，最大冻深２．０５　ｍ，地面稳定冻结日期为１１月下旬，稳定解冻日期为翌年４月中旬．　２　隧道保温隔热层计算　２．１　模型建立　选取距隧道洞口５０　ｍ测试断面ＸＫ８９＋９９０进行分析，利用有限元软件ＡＮＳＹＳ建立隧道有限元　收稿日期：２０１２－０８—２０　修改稿日期：２０１３－０３　２２　基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１１　７２２３７）；陕西省教育厅专项基金资助项目（１１ＪＫ０９４７）　作者简介：霍润科（１９６３一），男，陕西岐山人，博士。教授，从事岩土工程与隧道工程教学及科研工作　第２期　霍润科等：寒区公路隧道保温层设置的数值分析　ｌ５９　分析模型．　２．１．１　基本假定　（１）假定围岩为各向同性的均匀介质；（２）各层混凝土是完全均匀且各向同性的连续材料；（３）为　简化计算，不考虑防水层的影响；（４）隧道为二维、稳态及无限长圆筒壁．　２．２．２计算范围及材料参数　计算范围取左右边界距中心点距离为３０　ｍ，下边界距中心点距离为３０　ｍ，上边界取到地表．其中　左右边界为绝热边界，下边界的温度梯度为０．０４￣Ｃ／ｍ，上边界和隧道内边界均与大气相通，隧道内空气　对流换热系数为１０　Ｗ／ｍ。・ＫＥ　．　由工程勘察报告知，计算范围内的围岩均为粘土，亚粘土，由中国科学院冻土工程国家重点实验室　测试结果得到围岩的热物理参数见表１［　，考虑材料相变参数热焓值见表２Ｅ　］．　表１材料的热物理参数　Ｔａｂ．１　Ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　表２粘土的相变参数热焓值　Ｔａｂ．２　Ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｅｎｔｈａｌｐｙ　ｏｆ　ｃｌａｙ　温度／℃　／Ｊ　视比热ｇ１．Ｍｋ－．ｎＩＥ）一　　・　ｇ　１　６０８　１３０　２７８３５　９Ｏ３　（×１０　Ｊ／热　值，　，ｍ。）　，、２２．１　１５．９　１Ｏ．８７　２．２数值模拟　２．２．１　计算模型　由现场已测温度数据利用有限元法推算出研究范围内围岩的原始地温值ｒｒ０，拟合出当地的气温函　数Ｔ１和隧道洞内的气温函数丁。，以丁。、Ｔ　及丁　作为边界条件，输入各材料热物理参数，计算隧道冻融　圈范围和温度场分布，以评价保温层设置厚度的冻害防治效果．　隧道采用平面四节点二维热实体单元ＰＩ　ＡＮＥ５５模拟围岩、衬砌　及保温层，运用ＡＮＳＹＳ的自由网格划分功能对模型进行网格划分，　共生成１　３１５个单元，１　３９９个节点，划分后的模型局部放大如图１所　示．　２．２．２计算结果分析　通过数值模拟，得到在运营期内寒区隧道设置保温层以后围岩冻　融圈范围及温度场变化规律，其结果如图２（ａ，ｂ，ｃ）所示．　从图中可知，在隧道运营第１年冬季，地面冻胀深度为２．１　１ＴＩ，在　隧道内部从保温层表面算起０．５　ｉｎ范围内出现负温，二次衬砌内部　０．４　ｍ范围出现负温，在围岩内没有出现负温及冻胀现象．通过对隧　图１　模型中心网格划分图　道运营１０、２０年模拟计算发现，地面冻深由２．３　ｍ增加到２．５　ｍ，二　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｍｅｓｈｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｃｅｎｔｅｒ　次衬砌内负温范围由０．４６　ｍ增加到０．５　１ＴＩ，而在围岩内不会出现负　温及冻胀现象．由此可知，隧道保温层的设置厚度可以有效防治隧道冻害，从地面的冻深程度可知，由于　第２期　霍润科等：寒区公路隧道保温层设置的数值分析　１６３　ＭＡ　Ｊｉａｎ—ｘｉｎ，ＨＥ　Ｃｈｕａｎ，ＸＩＥ　Ｈｏｎｇ—ｑｉａｎｇ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｆｏｒｔｉｆｉｅｄ　ｈｅａｔ　ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ａｒｅａ　ｔｕｎｎｅｌ［Ｊ］．Ｒａｉｌｗａｙ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３（６）：２０—２２．　［６］　谢红强，何４４０ｌ＿　ＪＩ１．寒区公路隧道保温层厚度的相变温度场研究［Ｊ］．岩石力与工程学报，２００７，２６（增刊２）：４３９５—　ＸＩＥ　Ｈｏｎｇ—ｑｉａｎｇ，ＨＥ—Ｃｈｕａｎ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｂｙ　ｐｈａｓｅ—ｃｈａｎｇｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ｒｅｇｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，２６（ｓ２）：４３９５—４４０１．　［７］　晏启祥，何川Ｉ，曾东洋．寒区隧道温度场及保温隔热层研究［Ｊ］．四川大学学报：工程科学版，２００５，３７（３）：２５—２７．　ＹＡＮ　Ｑｉ—ｘｉａｎｇ，ＨＥ　Ｃｈｕａｎ，ＺＥＮＧ　Ｄｏｎｇ—ｙａｎｇ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ　ｆｏｒ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ａｒｅａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，２００５，３７（３）：２５—２７．　［８］　章熙民，任泽霈，梅飞鸣．传热学［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００７．　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉ—ｍｉｎ，ＲＥＮ　Ｚｅ—ｐｅｉ，ＭＥＩ　Ｆｅｉ—ｍｉｎｇ．Ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｐｒｅｓｓ，２００７．　［９］　郑　波．高温一高含冰量冻土力学特性及冻土路基变形研究［Ｄ］．兰州：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，　２００７．　ＺＨＥＮＧ　Ｂｏ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｗａｒｍ　ａｎｄ　ｉｃｅ—ｒｉｃｈ　ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　ｂｅｎｅａｔｈ　Ｐｈｙｓｉｃ—Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　Ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　Ｄｅ—　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｒｕｌｅｓ［Ｄ］．Ｌａｎｚｈｏｕ：Ｃｏｌｄ　ａｎｄ　Ａｒｉｄ　Ｒｅｇｉｏｎｓ　Ｅｎｖｅｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎｓｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００７．　［１ｏ］　王泽鹏，张秀辉，胡仁喜，等．ＡＮＳＹＳ１２．０热力学有限元分析从入门到精通［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２Ｏ１Ｏ．　ＷＡＮＧ　Ｚｅ－ｐｅｎｇ，ＺＨＡＭＧ　Ｘｉｕ—ｈｕｉ，ＨＵ　Ｒｅｎ－ｘｉ，ｅｔ　ａ１．Ｂｅｇｉｎｎｅｒ　ｔｏ　ｐｒｏｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａ—　ｎａｌｙｓｉｓ　ＡＮＳＹＳ　１２．Ｏ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｐｒｅｓｓ，２０１０．　［１１］　吴紫汪．寒区隧道工程［Ｍ］．北京：海洋出版社，２００３．　ｗｕ　Ｚｉ—ｗａｎｇ．Ｔｕｎｎｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ａｒｅａ　ＥＭ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｏｃｅａｎ　Ｐｒｅｓｓ，２００３．　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｏｆ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ＨＵＯＲｕｎ—ｋｅ　～。ＴＡＮＧ　Ｙｉｎ－ｊｉｎｇ　，ＮＩＮＧ　Ｃｕｉ—ｐｉｎｇ　～，ＸＵＪｉａｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００５５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｘｉ　ａｎ　７１００５５，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｙａｎｇｌｉｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ　７１２１００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｒｏｓｔ　ｄａｍａｇｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅａｓｔｅｒｎ　ａｎｄ　ｗｅｓｔｅｒｎ　ｃｏｌｄ　ｒｅｇｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＴｉａｎＨｅｎｇｓｈａｎ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｄａｔａ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｊｏｂ—ｌｏｃａｔｉｏｎ，ｃｒｅａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｐｌａｎｅ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｏｄｅｌ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｐｒｏｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｆｒｏｍ　ｆｒｏｓｔ　ｄａｍａｇｅ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌ　ｒｅｇｉｏｎ　ｗｉｌｌ　ｆｏｒｍ　ａ　ｎｅｗ　ｆｒｏｚｅｎ　ｌａｙｅｒ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｌｓｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｓｕ—　ｌａｔｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｂｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｒｅｖｅａｌｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ｓｅｔ　ｂｙ　ｌａｙｅｒｉｎｇ　ｃａｎ　ｍｏｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｓｔｏｐ　ｔｈｅ　ｆｒｏｓｔ　ｄａｍａｇｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｈａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｏｎ　ｈｏｔ—　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｗｈｅｒｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｓｅｔ　ａｎｄ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ　ｉｓ　ｓｅｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｒｅｖｅａｌｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｈａｓ　ａ　ｍａｊｏｒ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ．Ｓｏ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ｒｅｇｉｏｎｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ；ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｌａｙｅｒ；ｈｏ＃ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＨＵＯ　Ｒｕｎ－ｋｅ，Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｐｈ．Ｄ．，Ｘｉ　ａＤ．７１００５５，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ，Ｔｅｌ：００８６—１３６０９１９１２０８６，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕｏｒｋｄｑ＠ｘａｕａｔ．ｅｄｕ．ｃｎ