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寒区隧道保温隔热层的优化设计研究

周元辅  
【摘要】: 随着国家西部大开发战略的实施,青藏铁路、西气东输工程以及南水北调西线工程等一些重大建设项目的进行,寒区冻土工程和寒区隧道工程将越来越多。如果这些工程按照一般地区工程修建,那么冻害就在所难免,如天山二号、甘肃七道梁公路隧道以及青藏铁路关角隧道等。为了防止隧道结构冻害,保温隔热层被广泛采用,青藏铁路风火山、昆仑山隧道在隧道衬砌与初支见铺设了5cm的保温材料,西(宁)张(掖)公路大坂山隧道在二衬外铺设了8cm的保温材料。这些铺设的保温层厚度及其导热系数是否最合理,是否既经济又安全等问题,即最优问题也不得而知。为了解决这个问题,就须对保温隔热层进行优化。 为此,本文以青藏铁路风火山隧道和西(宁)—张(掖)公路大坂山隧道为依托,运用寒区隧道温度场计算理论和优化设计基本原理,建立了保温材料优化设计的计算理论,并提出了其求解方法。应用大型有限元软件ANSYS,对多年冻土地区风火山隧道和季节性冻土地区大坂山隧道进行了优化计算分析,得到以下主要成果: ①寒区隧道在不考虑气候变暖和考虑气候变暖情况下,优化结果与验算结果完全一致,最优设计也是在可行域内并且是最优解,因此该优化方法及其结果是可靠的。 ②对于风火山隧道,原设计的保温隔热层参数为: H =0.50E-01m和λ=0.30E-01 W.m~(-1).K~(-1),每延米价格为5972.6元。优化结果为:不考虑气候变暖最高价格为7581.3元,考虑气候变暖的情况下最高价格为7581.8元,相应的保温隔热层参数基本相同,均为H =6.64E-02m和λ=0.13025E-01 W.m~(-1).K~(-1);不考虑气候变暖的最低价格为5752.7元,相应的保温隔热层参数为H =4.66E-02m和λ=2.8491E-02 W.m~(-1).K~(-1);考虑气候变暖的最低价格为5812.4,相应的保温隔热层参数为H =5.84E-02m和λ=6.5613E-02 W.m~(-1).K~(-1)。气候变暖是一种趋势,因此为了保证隧道结构周围围岩处于负温,若设置参数为H =6.64E-02m和λ=0.13025E-01 W.m~(-1).K~(-1)的保温隔热层,虽然其价格增加了26.9%,但均可以保证隧道结构周围围岩避免冻融作用的影响,同时说明原设计基本合理。 ③对于大坂山隧道,原设计的保温隔热层参数为: H =0.135m和λ=0.341E-01W.m~(-1).K~(-1),每延米价格为12256.8元。优化结果为:不考虑气候变暖最高价格为6787.5元,相应的保温隔热层参数为H =5.51E-02m和λ=1.0323E-02 W.m~(-1).K~(-1);考虑气候变暖的情况下最高价格为7613.0元,相应的保温隔热层参数为H =6.60E-02m和λ=1.0227E-02 W.m~(-1).K~(-1);不考虑气候变暖的最低价格为6030.7元,相应的保温隔热层参数为H =4.52E-02m和λ=1.1027E-02 W.m~(-1).K~(-1);考虑气候变暖的最低价格为6240.0,相应的保温隔热层参数为H =4.77E-02m和λ=1.0226E-02W.m~(-1).K~(-1)。气候变暖是一种趋势,因此为了保证隧道结构周围围岩处于正温,若设置参数为H =6.60E-02m和λ=1.0227E-02 W.m~(-1).K~(-1)的保温隔热层,其价格减少37.9%,因此,在两种条件下,虽然隧道结构周围围岩都处于正温,但大坂山的原设计偏于保守。 ④通过对考虑气候变暖和不变暖两种情况计算分析,隧道围岩温度相差较大,而全球气候变暖是不争的事实,因此在寒区隧道工程设计中须考虑气候变暖。 ⑤沿隧道纵向,由于平均温度是变化的,因此铺设的保温隔热层的参数也应是不同的,才更加经济合理。


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