高地温隧道隔热技术研究

·隧道 / 地下工程·
图 1摇 FEM 计算网格划分模型
通过多次试算,模拟在较高的原始地温(100摇益 和 60 益 ) 条件下,当没有隔热层材料和设置隔热层( 材料 分别为苯乙烯和聚氨酯) 的情况下,需要补给多少冷 能来将隧道内的温度降到可工作温度(28 益 ) 。 计算 共考虑了不设置隔热层、设置 10 cm 和 5 cm 厚隔热层 ( 苯乙烯和聚氨酯) 分别在 100 益 和 60 益 两种原始地 温等条件下的 10 种组合工况。
Байду номын сангаас
38
20郾 0 0郾 071
软质聚氨酯
不连续气泡 ( 独 立气 泡)
30
20 0郾 130
聚乙烯泡沫
不连续气泡 ( 独 立气 泡)
30
70 0郾 162
牛毛毛毡
牛 毛 50% , 其 他 兽 毛 30% ,植物纤维 20%
160
18郾 1 0郾 146
软木
软木 粒 3 ~ 6 mm 蒸 气 烧成
118
目前国内外针对隧道热害的研究一般都侧重于对 地温场进行模拟[1] ,这类研究多采用有限元数值解或 数值模拟的方法以求解温度场的分布,分析隧道地温 场特征,对隧道围岩温度进行预测、分析[2 4] 。 有部分 研究是针对隧道热害进行总体评估[5] ,其分析方法是
铁道标准设计摇 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN摇 2013(02)
测定温 度/ 益
导热系数 / ( kJ / ( m· h·益 ))
苯乙烯泡沫
不连续气泡 ( 独 立气 泡)
20 30
20郾 0 20. 0
0郾 130 0郾 126
玻璃棉 玻璃纤维酚系树脂粘接
12 20
20郾 0 0郾 151 20郾 S0 0郾 130
硬质聚氨酯 聚酯不连续气泡
26
20郾 0 0郾 088
摘摇 要:相对于冻土隧道冻害的大量和深入的研究,高地温隧道热害的研究并不多,而且一般都侧重于对地温场进 行模拟,对施工技术措施进行探讨,或者对热害的整体水平进行总体评估;在具体的隔热措施及其降温功效方面, 研究甚少。 通过有限元数值模拟,对不同隔热材料在不同地温条件下的隔热效果和所需的制冷功率进行试算、分 析,确定其功率值,得出相应的 制 冷 剂 用 量; 通 过 计 算 得 出 了 不 同 隔 热 层 厚 度 对 应 的 冷 能 补 给 量, 分 析 得 出 者 的 关系。 关键词:隧道; 高地温; 隔热; 热害 中图分类号:U452摇 摇 文献标识码:A摇 摇 文章编号:1004 2954(2013)02 0077 04
Abstract: Relative to the numerous intensive studies on frost鄄harm of tunnel in frozen earth, the studies on heat鄄harm of tunnel in high geo鄄temperature region were less. Moreover, most of them were particularly only on simulation of geo鄄temperature field, or on discussion of technical measures for construction, or on general estimation of heat鄄harm of tunnel; however, studies on thermal insulation technology and efficiency of lowering the temperature were much less. In this article, by numerical simulation, the trial calculation and analysis on the thermal insulation effect and refrigerating power of different material in different geo鄄temperature conditions were carried out to determine the refrigerating power value and the refrigerant dosage. And then by calculation, the recharge magnitude of refrigerating power corresponding to the different thickness of thermal insulation material was obtained, and the relationship between them was analyzed and worked out either. Key words: tunnel; high geo鄄temperature; thermal insulation; heat鄄harm
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白国权,仇文革,张俊儒—高地温隧道隔热技术研究
根据实际调查资料,考虑相关影响因素,通过层次分析 以及其他方法来进行。 还有部分研究对高地温隧道在 设计和施工技术方面的措施进行了简单的探讨[6] ,这 种探讨主要是结合初步的地质勘探等资料做概述性的 比较分析。 高地温隧道具体该如何降温,应该采取哪
0郾 035 6 0郾 022 2
0郾 03
摇 摇 隧道考虑为复合式衬砌支护形式,围岩与初支密
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铁道标准设计摇 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN摇 2013(02)
白国权,仇文革,张俊儒—高地温隧道隔热技术研究
贴,初支和二衬之间设置隔热层( 和防水层),有限元 数值模拟的计算模型见图 1。
矿渣棉 保温带
180
软木粒
120
17郾 6
— 14郾 4
0郾 153
0郾 178 0郾 251
表 3摇 材料参数
材料 围岩( 花岗岩) 衬砌( 混凝土)
苯乙烯 聚氨酯
空气
密度 / ( kg / m3 ) 2 800 2 300 25 32 1郾 293
导热系数 / (W / (m·K)) 3郾 49 1郾 51
摇 摇 相对于高地温隧道,目前高地温矿井方面的研究 较为深入些,主要包括通过数值模拟来研究矿井的温 度场分布[8 9] 和热害治理时地层储冷[10] 。 另外煤炭行 业还根据其行业的特殊性和危险性,制定了相应的热 害防治设计规范[11] ,但其具体的防治措施是根据既经 济又有效的原则,结合相关经验进行拟定的,其侧重点 是强调通风散热和制冷。
网络出版时间：2013-01-17 10:41 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2987.U.20130117.1041.020.html
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高地温隧道隔热技术研究
白国权1 , 仇文革2 , 张俊儒2
(1郾 云南省交通规划设计研究院, 昆明摇 650011; 2郾 西南交通大学, 成都摇 610031)
表 1摇 部分深埋长隧道的地温值
长度 / km 54 4郾 35
19郾 80 33郾 0 57郾 0 14郾 64 14郾 94 43郾 0 11郾 60 6郾 40 6郾 107 18郾 448 5郾 28 10郾 24 12郾 84 18郾 518
最大埋深 / m 2 000 700 2 140 2 200 2 300 1 640 1 706 不详 2 480 2 287 1 650 1 600 不详 720 1 600 2 000
Study on the Thermal Insulation Technology of Tunnel in High Geo鄄temperature Region
BAI Guo鄄quan1 , QIU Wen鄄ge2 , ZHANG Jun鄄ru2
(1. Yunnan Broadvision Engineering Consultants, Kunming 650011, China; 2. Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
2摇 隔热和隔热材料
隔热又称绝热,它相对于传热而言。 隔热层的作 用是使通过它的传热量最小,隔热效果的好坏,取决于 隔热材料的性能、厚度及防潮措施等。
作为隔热材料,应具备导热系数小、轻质、均质、吸 水性差、耐火性好等特征,同时还需综合考虑其力学性 能和经济指标。 常用的隔热材料及其基本特征参数见 表 2。
隧道名称 里昂—都灵( Lyon鄄Turin) 隧道 安房公路隧道 辛普隆( Simplon) 隧道 新列奇堡( Leotchberg) 隧道 新圣哥达( St. Gotthard) 隧道 老列奇堡( Leotchberg) 隧道 老圣哥达( St. Gotthard) 隧道 阿尔帕—谢万输水隧洞 勃朗峰公路隧道 特科洛特( Tecolote) 公路隧道 成昆铁路关村坝隧道 西康铁路秦岭隧道 新黑部第三水电站水工隧洞 阿尔贝( Arlberg) 隧道 仙尼斯峰( Mt. Cenis) 隧道 亚平宁( Appenine) 铁路隧道
收稿日期:2012 06 21; 修回日期:2012 07 07 作者简介:白国权 ( 1981—) , 男, 工 程 师, 工 学 硕 士, E鄄mail: bgqynlw @ sina. com。
土的耐久性,而且附加温度应力还可以引起衬砌开裂, 将严重影响隧道的稳定性。 从国内外部分深埋长大隧 道的地温值及主要穿越的地层岩性统计(表 1) 可以看 出,大部分深埋长大隧道都修建在比较坚硬的围岩中, 由于这些岩石的热导率较低,传热性能差,在岩体中容 易聚集热能。 随着隧道埋深的增加,地温值一般也逐 渐增加,但这种增加的趋势并非线性;地温值还与隧道 所在地区的地层岩性、地质构造、近期岩浆活动,以及 地下水的活动等因素均有密切关系。
本文以拟建大瑞铁路高黎贡山隧道将穿越高地温 围岩为背景,主要通过有限元数值模拟,对隧道在不同 隔热材料、不同地温(边界条件) 下的隔热效果和所需 的制冷功率进行试算、分析,并确定其功率值,计算得 出相应的制冷剂用量;另外通过计算还得出了隔热层 厚度与冷能补给量的对应关系并绘制了关系曲线,通 过分析得出了二者的关系。
1摇 高地温隧道概述及研究现状
在设计深埋长大越岭隧道时,必须考虑在施工过 程中人员和机具的工作条件,而首先要解决的问题是 所有的工程地质问题,天然地温便是其中比较突出的 一个。 高地温,或者称作地热,在我国分布较广,尤其 在西南的云南地区,分布较为显著。 对于隧道工程而 言,当地温超过 30 益 时,便称为高地温,也称作热害。 隧道工程中若发生高地温问题,一方面将恶化施工作 业环境,降低劳动生产效率,并严重威胁到施工人员的 生命安全;另一方面将影响到施工材料的选取和混凝
温度 / 益 40 75 55郾 4 42 45 34 30郾 8 30 35 47 28 40 170 18郾 5 29 63郾 8
主要岩性 砂页岩、灰岩、片麻岩、石英岩 黏板岩、砂岩、花岗闪绿斑岩 流纹岩、片麻岩、花岗岩 片麻岩、花岗岩 片麻岩、白云岩 石灰岩、片麻岩、花岗岩 花岗岩、花岗片麻岩、片岩 大部分为中等—坚硬岩层 花岗岩、结晶片岩、片麻岩 砂岩、粉砂岩 灰岩 混合花岗岩、混合片麻岩 不详 长石质云母片岩、片麻岩、闪长岩 石灰岩、片麻岩、砂岩 砂质片麻岩、软岩、黏土
些方面的措施,仅有少量的研究[7] ,其研究方法主要 是通过编程计算,对采用人工制冷降温措施解决掌子 面高地温的问题进行分析和探讨。 对高地温隧道的降 温以及其他的隔热措施在其对应的功效方面的研究还 未见。
国家 法、意 日本 瑞士 瑞士 瑞士 瑞士 瑞士 俄罗斯 法、意 美国 中国 中国 日本 奥地利 法、意 意大利
3摇 不同材料的隔热效果及耗能比较
采用有限元热分析方法,对不同隔热材料( 在此
选取苯乙烯和聚氨酯两种) 的隔热效果和对应的消耗 补给冷能进行计算分析。 有限元计算时的材料参数见 表 3,其中部分热物理参数根据文献选取[12] 。
表 2摇 各种隔热材料的导热系数
隔热材料
形式
平均密度 / ( kg / m3 )