王能学
中铁隧道集团二处有限公司 河北三河 065201
摘要：为防止寒冷地区隧道排水系统冬季冻结，减少隧道冻害，本文依托辽宁天秀山隧道，采用现场测试和数值模拟的方法，结合现场防冻保温设计，对中隔式局部保温法的合理性进行分析，提出防冻保温设计的建议与改进措施。结果表明，中隔式局部保温板可有效增加环向盲管温度，但负温区会从保温板两侧扩散，进而覆盖环向盲管，造成排水系统冻结堵塞，此时初期支护纵向温度呈“倒U”型分布。将保温板宽度优化至4m后，可保证环向盲管冬季不冻结。
关键词：寒区隧道；环向盲管；数值模拟；温度变化规律；局部保温法
中图分类号：U45 文献标志码：A
Study on rationality of local thermal insulation method for tunnel ring drain pipes of Tianxiushan tunnel
Wang Neng-xue
(China Railway Tunnel Group Corporation, Sanhe, Hebei 065201, China)
Abstract：In order to prevent the tunnel drainage system from freezing in winter and reduce the freezing damage of the tunnel, this paper relying on the Tianxiushan tunnel in Liaoning Province, adopts the methods of field test and numerical simulation, combined with the field anti-freezing and insulation design, analyzes the rationality of the partitioned type local thermal insulation method, and puts forward suggestions and improvement measures for the anti-freezing and insulation design.The results show that the temperature of the partition type partial insulation board can be increased effectively, but the negative temperature zone will spread from both sides of the insulation board, and then cover the circumferential blind pipe, causing the drainage system to freeze and block. At this time, the longitudinal temperature of the initial support The distribution is "inverted U". When the insulation board width is optimized to 4 m, the circular blind pipe can’t be frozen in winter.
Key words：cold-region tunnels; ring drain pipes; numerical simulation; temperature change law; local thermal insulation method
0 引言
随着我国铁路系统的不断发展与完善，铁路运营范围逐渐扩大，修建环境也更加复杂。在我国东北地区和西南地区，由于气候环境常年严寒，高速铁路的修建和养护出现了诸多问题。铁路隧道由于地处野外山岭地区，冬季寒冷、昼夜温差大、气候环境恶劣，常常会发生道床结冰、衬砌挂冰、混凝土开裂等冻害现象，严重影响隧道行车安全和结构稳定[1-4]。
隧道环向盲管作为地下水重要疏排通道，如果其发生冻结，将会导致围岩内地下水无法排出，在防水不严的情况下会造成衬砌渗漏水、衬砌挂冰、道床结冰等冻害现象。因此，保证环向盲管冬季不冻结是非常重要的，主要方法有被动保温法和主动供热法[5-8]。
目前，国内应用较广的是被动保温法，即铺设保温板以减少热传导，保证衬砌壁后温度稳定。但在高速铁路隧道，由于高铁行车活塞风影响，保温板不宜铺设于衬砌外侧。因此，一般采用中隔式铺设，即铺设在二次衬砌与初期支护之间。同时，为降低工程造价，铁路隧道一般采用局部保温法，即在环向盲管外侧铺设一定宽度保温板，并采用双层防水板进行包裹。
本文依托辽宁天秀山隧道工程，结合现场防冻保温设计情况，采用现场测试和数值模拟的方法，对中隔式局部保温法的合理性进行分析，研究冬季温度场时空分布规律，提出防冻保温设计的建议与改进措施，为我国寒冷地区高速铁路隧道防冻保温设计提供参考。
1 隧道工程概况
1.1 隧址区工程概况
天秀山隧道位于辽宁省建平县，地处我国高纬度寒冷地区，全长9072m，为双线单洞高速铁路隧道，是京沈高铁支线赤喀客专的控制性工程。
隧址区属于北温带亚干旱季风气候区，春季干旱多风；夏季高温多雨；冬季干燥寒冷。2018年平均气温9.9℃，最冷月平均气温为-12℃，全年最低温度为-20℃。
1.2 隧道防排水设计
隧道二次衬砌混凝土采用抗渗等级不小于P10的防水混凝土。防水层由EVA防水板和土工布组成。防水板背后设有外包土工布的环向透水盲管，纵向间距6~8m/道，地下水发育地区密集布置。环向盲管通过隧底的横向导水管将水引入中心深埋水沟。
1.3 局部保温设计
天秀山隧道对环向盲管采用间隔施作保温层的局部保温法，具体方法为：根据环向盲管位置，在二次衬砌背后依次铺设：2m宽EVA防水板+2m宽保温板+EVA防水板+土工布+环向盲管。保温板采用5cm厚聚氨酯保温板。具体布置情况如图1、图2所示。
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由于局部保温设计并非全长施作保温板，冬季负温区域将会覆盖衬砌和部分初期支护。因此，建议支护结构采用抗冻混凝土，以防止温度应力引起衬砌开裂。同时，为分析负温区域是否覆盖环向盲管，对其进行有限元数值模拟。
2 隧道数值模拟
为研究局部保温设计合理性，揭示地层温度场时空变化规律，采用ANSYS有限元软件对其进行瞬态热分析，建立衬砌局部保温模型，采用现场实测气温作为温度荷载，分析地层温度场周期性变化规律。
2.1 有限元模型
根据天秀山隧道设计资料，建立衬砌局部保温数值模型，忽略隧道曲率影响，并简化为平面传导问题。定义距衬砌表面20m为恒温边界，模型长度为26m，即间隔设置三个局部保温板，具体数值模型与局部保温模型图如图3、图4所示。
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2.2 计算参数的选取
假定围岩、混凝土、保温材料均为各向同性的均匀连续介质[9-13]，其相关材料参数不发生变化；忽略防水层对热传递的影响。根据《民用建筑热工设计规范》中相关物理参数的推荐值[14]，以及聚氨酯保温板的物理参数实测值，对模型中各材料进行赋值，具体参数见表1所列。
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2.3 边界条件
在隧道洞外设置气象观测站，如图5所示，获取隧址区2018年气温数据。由于本文未考虑列车活塞风、极端天气、昼夜温差等不利因素的影响，为减小这些误差影响，使计算结果更贴近实际，采用洞外实测气温作为气温荷载应用于数值模拟，同时，不考虑地热等有利因素的影响。
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根据正弦函数公式对气温数据进行拟合，具体拟合曲线如图6所示，气温方程如下：
T=7.08+17.65*sin(π*(t-3.94)/6)
其中，T为气温，单位:℃；t为时间，单位:月。
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由图6可知，隧址区最低月平均气温出现在1月份，3月份回升至正温，7月份达到最高值，10月份降低至0℃。
将气温拟合方程作为温度荷载，施加于衬砌表面；其余边界定义为恒温边界，根据恒温带温度[15-16]，将恒温边界与初始温度场设置为5℃。
3 数值模拟结果分析
为减小初始温度场和恒温边界对数值计算的影响，模拟运营期温度场，选取第10年冬季计算结果进行分析。同时，为方便研究隧道负温区域时空分布规律，以下仅显示-10℃至 0℃温度云图。
3.1 全长铺设保温板模拟
为分析局部保温法的合理性，首先需确定保温板厚度是否符合工况要求，因此，对保温板进行全长铺设模拟，即衬砌背部全长铺设5cm聚氨酯保温板。具体温度场时空分布情况，如图7所示。
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由图7可知，5cm厚聚氨酯保温板保温效果显著，满足该工况设计要求，环向透水盲管及初期支护未出现负温。而衬砌由于未施加保温板，始终暴露在负温负温。
3.2 局部保温层模拟
根据天秀山隧道实际情况，对局部保温法进行模拟分析，得到温度场分布情况，如图8所示。
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由图8可知，初期支护12月之后降低至负温；负温区域由保温板两侧逐渐扩散，进而影响环向盲管，保温板背后负温带呈“U”型分布；2月环向盲管达到最低温度为-2℃左右；3月温度逐渐回升。
由此可知，局部保温法一定程度上可以减少热传导，降低负温对环向盲管的影响，使冬季环向盲管温度维持在 -2℃以上。但负温会从保温板两侧传导至环向盲管，依旧存在冻结风险。因此，建议对局部保温层进行优化，增加其设置宽度，以满足工况要求。
3.3 局部保温层优化
天秀山隧道原设计局部保温层宽度为2m，相邻保温板边缘间隔5m，对其宽度进行优化，依次增加0.5m，计算各宽度下最冷温度场，即2月温度云图，计算结果如图9所示。
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由图9可知，保温板2.5~3.0m宽时，环向盲管温度维持在0℃左右，但依旧存在冻结风险；3.5m宽以上时环向盲管不再被负温区域覆盖，此时相邻保温板边缘间距3.5m。
由此可知，寒冷地区隧道采用中隔式局部保温法是可行的。当防冻隔热层厚度和宽度满足工况要求时，可有效防止排水系统冻结，将围岩内地下水顺利排出，减少冻害的发生。
4 测线温度
为进一步研究保温板防冻隔热效果，在衬砌内选取三条测线进行温度观测。AB测线沿衬砌径向进尺1m测线，并通过环向盲管中心；CD测线沿衬砌径向进尺1m测线，并通过未铺设保温板中心，EF测线为沿初期支护纵向10m测线，测线中心位于环向盲管中心，具体测线布置情况如图10所示。
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4.1 全面铺设与局部铺设温度对比
根据计算结果，提取各月温度测线数据，将全面铺设保温板和局部铺设2m宽保温板时AB测线温度曲线进行对比，如图10所示。
根据衬砌温度变化规律将温度曲线分为降温期（10月—1月）和升温期（1月—4月）。
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由图11可知，温度在通过保温板时，会发生突变，其中全面铺设保温板温度突变更为明显；同时，衬砌负温期为11月至3月，环向盲管负温期为1月至3月，铺设保温板后，环向盲管温度更高，负温期更短。
局部铺设与全面铺设保温板温度曲线对比，各月初期支护温度相差较大，具体表现为：局部保温时，10月和11月初期支护的温度相对更高，12月至4月则更低。全面铺设保温板时初期支护温度始终未降至负温，而局部铺设保温板时初期支护温度在1月至3月为负温。
降温期，测线温度随时间逐渐降低，衬砌温度降低较快，而初期支护温度降低较慢。升温期，衬砌温度随时间逐渐增加，而初期支护温度2月后才逐渐增加。同时，衬砌最低温度出现在1月，而初期支护最低温度出现在2月。这说明，温度在透过保温板传递时，具有较大的滞后性。
4.2 AB与CD测线温度对比
为对比局部保温法时，铺设保温板区域与未铺设保温板区域的温度差异，选择AB与CD测线温度进行对比，如图12所示。
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由图12可知，CD测线温度随衬砌径向深度增加呈线性变化，并随时间整体下降和上升。
CD测线1月衬砌温度较2月低，初期支护温度却较2月高，这说明温度传递具有滞后性，初期支护最低温度发生时间比衬砌最低温度发生时间晚一些。
4.3 优化后测线温度对比
根据各优化阶段数值模拟，绘制各优化阶段温度测线对比图，研究测线温度随铺设宽度增加的变化规律，得出符合工况的最佳铺设宽度。
采用单一变量法，选取环向盲管最冷月进行分析，即2月时温度曲线，如图13所示。
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由图13可知，同一深度处，铺设保温板区域温度比未铺设区域高，初期支护纵向温度呈“倒U”型分布。随保温板宽度增加，初期支护温度逐渐增加。
局部保温板铺设宽度为3.5m以上时，环向盲管回升至正温，因此，建议优化保温板宽度至3.5m以上。同时，考虑冬季极端天气和高铁活塞风影响，建议优化宽度至4m，最大限度降低冻害发生几率。
4.4 全年温度曲线对比
对未铺设、局部铺设4m宽保温板和全长铺设保温板三种情况下环向盲管温度进行监测，并绘制温度时态曲线，如图14所示。
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由图14可知，各测点温度随时间呈三角函数规律变化，温度曲线振幅受径向深度、保温板铺设情况影响。其中，全面铺设和局部铺设保温板时曲线振幅较小，此时，环向盲管始终未降至负温；未铺设保温板时环向盲管温度曲线振幅较大，此时，环向盲管受气温影响严重。
铺设保温板后，温度曲线峰值和谷值发生后移，并存在一定相位差，这说明温度在通过保温板时具有一定的滞后性。
5 结论与体会
（1）寒冷地区隧道采用中隔式局部保温措施，即衬砌与环向盲管之间铺设一定宽度防冻隔热层，可以有效增加环向盲管温度。该方法有较强的实用性和经济性。
（2）局部铺设保温板时，环向盲管温度明显升高，初期支护温度呈“倒U”型分布。随铺设宽度增加，保温板背后温度逐渐升高，保温范围逐渐增加，经对比分析，建议天秀山隧道局部保温板铺设宽度增加至4m。
（3）不足和展望：本文数值模拟所采用气温荷载为隧址区实测气温，但高纬度地区冬季受寒潮影响，会出现极端低温天气，且由于高铁行车速度较快，会将洞外冷空气带入洞内，增加冷空气与衬砌热对流。因此，本文数值模拟具有一定局限性，未考虑极端天气和对流换热、流体力学等内容。
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