铁５４ 道建筑 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３—１９９５（２０１２）０７．００５４．０４ 高海拔寒区隧道保温材料的选型分析 王 飞，谢洪新，张胜 ２３００１１） （安徽省交通规划设计研究院，安徽合肥摘要：通过对国内外各种保温材料性能、主要技术指标的对比分析，以在建的高海拔寒区隧道为依托，结 合理论计算与数值分析手段，对不同敷设方式下各种保温材料的设置厚度及相同厚度不同材料下的各 保温材料效果进行了分析。结果表明，不同材料在相同条件下表现出不同的抗防冻效果，但总体差别不 大。实际应用中应在上述研究的基础上，结合其安全性、技术性及经济性等方面综合比选。 关键词：寒区隧道 抗防冻’选型 材料 中图分类号：Ｕ４５１ ．４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３．１９９５．２０１２．０７－１７ 近年来，随着我国西部大开发建设步伐的快速发 展，各类高海拔寒区隧道正大量修建，如位于四川省境 内的国道３１７线上的鹧鸪山隧道…，位于青海省境内 的国道２２７线上的大坂山公路隧道 ，位于西藏自治 ｌ 寒区隧道保温材料的性能分析 保温隔热材料（又称绝热材料）是指对热流具有 显著阻抗性的材料或材料复合体。绝热材料的品种很 多，按材质分类，可分为无机绝热材料、有机绝热材料 和金属绝热材料三大类。按形态分，可分为纤维状、微 孑Ｌ状、气泡状和层状等。 目前，抗防冻材料采用的品种较多，如酚醛泡沫塑 料、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、高压聚乙烯、 橡塑隔热材料、岩棉及玻璃棉等，各材料的主要技术指 标如表１所示 。从表中可以看出，对于寒区隧道保 温材料的选择除应考虑其抗防冻性能外，同时还应考 虑其他方面的影响，如密度、吸水性等方面，这些性能 不但将影响到材料的重量，同时材料吸水过后也将直 接影响其导温性能，直接影响到材料的抗防冻效果。 此外隧道中火灾等危险状况随时可能发生，抗防冻材 料在实施后是否存在助燃效果，也将是材料选择应用 的一个主要方面。如２００８年１月７ Ｅｌ韩国京畿道利 区墨脱县境内的嘎隆拉隧道 ，青藏铁路上穿越多年 高寒冻土地区的风火山隧道，昆仑山隧道等 。在 高海拔的寒冷地区修建隧道工程与一般地区相比，技 术性问题要复杂得多。最主要的问题是隧道主体结 构，尤其是洞口带的结构抗防冻能力及由此引发的运 营期间结构的安全性及长期寿命等问题。随着抗防冻 设计理念的逐步转变，现行的抗防冻设计更多倾向于 采用被动保温方式，即在隧道内设置保温材料，阻止围 岩、衬砌和冷空气之间的热传递，以期达到如下目的： ①在多年冻土地区，保温隔热层在夏季能阻止热量向 隧道衬砌背后流动，使隧道周边多年冻土不至于融化， 能减轻冻融循环的影响，防止冻融循环导致衬砌背后 出现空洞，减轻积水冻胀的可能性。②在季节冻土地 区，保温隔热层在寒冷的冬季能阻止隧道衬砌和围岩 热量的散失，使围岩不至于冻结，减轻冻胀影响。但保 温材料种类繁多，性状各异，甚至差异很大。究竟采用 川市冷冻仓库发生火灾，４０人死亡１７人受伤。后来 火灾原因调查分析发现，工人在进行抗防冻材料施工 时发生事故。火灾发生后，抗防冻材料及其他材料燃 烧使空气中充满有毒气体和浓烟，现场的工人无从逃 难，也使消防人员难以接近，因此造成了惨剧。因此， 何种材料才能更好地保障寒区隧道经济性与安全性之 间的平衡，一直以来是设计中关注的重点问题之一。 有鉴于此，本文从当前寒区抗防冻材料的性能及抗防 冻效果分析出发，对寒区隧道的抗防冻材料进行相关 分析，以期指导后期设计。 寒区隧道抗防冻材料的选择是一个多方面比选过程， 在此过程中，充分了解各材料的性能是十分必要的。 ２寒区隧道保温材料的应用分析 ２．１依托工程概况 收稿日期：２０１１—１１－２１；修回日期：２０１２—０３—２３ 牟尼沟隧道地处青藏高原与四川盆地过渡地带， 隧址区空气稀薄，气温低寒，年平均气温５．８℃，一月 作者简介：王飞（１９７８一），男，安徽歙县人，高级工程师。 ２０１２年第７期 高海拔寒区隧道保温材料的选型分析 ５５ 平均气温一４．３℃，极端最低气温达一１４℃。据已有 ２）在初期支护与二次衬砌之间设置保温隔热层。 寒区隧道设计资料分析，牟尼沟隧道不可避免地存在 定义衬砌混凝土的导热系数为Ａ ，衬砌混凝土的厚度 季节性冻融问题，必须考虑冻害的影响及抗防冻问题。 为ｃ，则有 ２．２实际应用的理论探讨 依据绝热原理，对在隧道衬砌表面或内部铺设保 去 ｎ（ ）＝ ｎ（ ）＋ ｉｎ（ ） 温隔热材料的情况，可利用等效厚度换算法计算其厚 （２） 度。其原理是对于不同导热性能的两种材料（一种是 其中隧道的当量半径为 衬砌和围岩的组合整体，一种是防冻隔热层），欲使隔 ｒ＝（开挖高度＋开挖宽度）／４ （３） 温效果相同，可令热流量相同，即同一热流量通过不同 围岩的厚度为 导热性能、不同厚度的材料，根据材料两侧的温差相 Ａ。／ｄ。＝Ａ／ｄ （４） 等，即可解出这两种材料的等效厚度 。 理论分析中把地壳看作一个均质的、半无限大物 式中，ｄ。为气象资料中的最大冻深（ｍ）；Ａ。为地表的 体，地球表面一定范围内的热传导问题看作是单层平 松散岩土体的导热系数（ｗ／（ｍ・℃））；ｄ为围岩换算 的最大冻深（ｍ）；Ａ为围岩的热导系数（ｗ／（ｍ・℃））。 板热传导问题。围岩冻结深度等效换算时，可按单层 平板计算其热流量。隧道是个管状结构，且隧道围岩 在充分调研国内外抗防冻资料的基础上，结合已 的冻结深度较大，可按圆筒壁计算其热流量。 有研究资料，以在建的松潘县境内牟尼沟隧道为依托， 在隧道中设置保温隔热层后，隧道壁面共有保温 参考该地区内类似岩体的热学物理参数，拟定理论分 隔热层、混凝土和围岩三层材料。因此，按照等效厚度 析中相关材料的导热系数，见表２。 换算原理，结合圆筒壁传热流量计算公式，按照保温隔 据现场勘查资料可知，牟尼沟隧道隧址区地表松 热层设置位置的不同，可以得到如下公式： 散土层冻深为０．９ ｍ，由公式（４）可计算得隧道的毛洞 １）在衬砌表面设置隔热层。为保证隧道背部不 围岩最大冻结深度 发生冻结，且有一定的安全储备，设计中以保温隔热层 ｄ＝ ×ｄ。＝ ×０．９－ｌ＿７５９ ｍ 背部的温度大于０ ｏＣ作为保温隔热层厚度计算的控制 要求。因此在进行理论分析时，将这一点作为基本条 根据隧道设计断面尺寸，计算得隧道当量半径 件。分析中定义围岩的热导系数为Ａ ，保温隔热层材 ｒ＝（８．３５９ ３＋ｌ０．５）／４＝４．７１５ ｍ 料的导热系数为Ａ，，隧道的当量半径为ｒ，围岩的厚度 理论分析中按最不利工况将混凝土导热系数取 为ｄ（换算或实测的围岩最大冻结深度），保温隔热层 ２．５６０ ｗ／（ｍ・ｏｃ），计算各种不同材料下的抗防冻层 的厚度为８，则有 设置厚度如下。 １ｎｆ 卜 ｌｎｆ １ （１） １）在衬砌表面设置隔热层（三种材料均按０℃时 的导热系数计算）厚度计算公式为 （责任审编赵其文）