巴朗山隧道保温层设计参数数值模拟分析

围， 年平均积雪 Ｅ ｌ数 ６ ５ ． ５ ｄ～１ １ ３ ． ７ ｄ ， 最 大积 雪 深度 ２ Ｏ一
３８ ｅ ｍ。
纬度高海拔寒 冷地 区。由于隧址 区附近海拔 较高 ， 气 候条件
恶劣 ， 气温 年较差 小 ， Ｅ ｔ 较差 大 ， 积雪及结 冰 Ｅ ｌ期 较长 ， 若不
近十年来 ， 随着 计算 机数值 模拟 的快 速发展 ， 国 内外 许 多学者都对寒 区隧道 温度 场及 防冻效果 的数 值模 拟方 法进 行了研究 ， 提 出了多种 多场耦 合控制方程并 建立 了相应 的温
度场计算模型 。何川 ， 张学富 ， 张祉 道 ， 谭 贤君等人 先后 建立模型对多座寒 区隧道 温度 场分布 及保 温防 冻措施 效果 进行 了数值模拟分析 ， 取得 了很多值得借鉴和引用 的成果 。 本文 以在建 巴朗山隧道为 工程 背景 ， 根 据隧道 自身特征
【 关键词 】 寒 区隧道 ； 保温材料 ； 设计 参数 ； 数值模拟
【 中图分类号 】 Ｕ ４ ５ ２ ． ２ ５
巴朗山隧道工程起止点 与省道 ３ ０ ３线 相连 ， 隧道全长约 ７ ． ９ ｋ ｍ， 进 口端海拔３ ８ ４ ９ ｍ， 出 口端 海拔３ ８ ５ ２ ｎ， Ｉ 属 于 中低
【 文献标 志码 】 Ａ
１ ． ２ 隧址 区气 象条件
隧址 区附近 ， 年 平均 气温 在 １ ． ８ ￣ Ｃ左 右 ， 月平 均气 温 １ １ 月至次年 ３月均在 ０ ￣ Ｃ以下 ， 气候 寒冷 ， 长冬无夏 。其 中进 口
端海拔 ３ ２ ０ ０— ４ ２ ０ ０ ｍ范围 ， 年平均积雪 Ｅ ｔ 数７ ０ ． ９ ｄ～１ １ ９ ． ２ ｄ ， 最大积雪深度 ３ ５— ４ ９ ｃ ｍ； 出 口端 海拔 ３ ２ ０ ０—４ ２ ０ ０ ｍ范
采取 保温措施 ， 隧道将 产生 冻害 ， 影响 隧道 的行 车安全 。 目
前我 国对 于高寒区隧道冻害防治措施主要 有加强排水 、 铺设 保温层 和设 置防冻门等。在铺设 保温层 时 ， 需要 依据隧道 温 度场分布情况对保 温层 的材料 和铺 设厚度 等参 数进 行设计 选取。隧道温度场分 布情况 可 以通过现 场测 量和数 值模 拟
２ 数 值模 拟计 算参 数确 定
２ ． １ 岩 石 热 物 理 参数 确 定
计算这两种方法得 到 ， 前 者 由于设计 时 隧道还未 修建 ， 因此
测量 结果往往滞后 于工程 设计 ， 不 能指导 隧道 的工程 设计 ， 而后 者可在隧道施工前进行 ， 能够 直接指导 隧道的 防冻保 温
仪， 该仪 器基 于 Ｔ Ｐ Ｓ瞬态平 面热 源技术 ， 用 Ｈｏ ｔ Ｄ ｉ ｓ ｋ作 为探 头， 可用于测量 固体 、 粉末 、 涂层 、 薄膜 、 各 向异性 材料等 的导
热系数 、 导温系数（ 热扩散 系数 ） 和 比热 。它的优点是可直 接 测量热传播 ， 不受接触 热 阻的影 响 ， 对于试 验样 品制 样要 求 较低 。测得 的砂岩 和板 岩热物理参数如表 １所示。
６ ． ２ ３ ２ ４
６ ． ｏ ｏ ２ ３
／ （ ｋ Ｊ・ ｋ ｇ～ ・ Ｋ ） ／ （ Ｗ・ ｍ～ ・ Ｋ ）
１ 工 程背 景
１ ． １ 巴郎 山隧 道 工 程 概 况
巴朗 山隧 道 起 于 省 道 ￥ ３ ０ ３线 Ｋ ９ ７＋７ ３ ０ ， 设 计 高 程 ３ ８ ４ ９ ． ７ ９ ｍ， 止于 Ｋ１ ２ ５＋７ ６ ０ ， 设 计高 程３ ８ ５ ２ ｉ ｎ 。隧道 工程 全 长约 ９ ． ７ ３ ８ ｋ ｍ， 其 中新 建 隧道 长约 ７ ． ９ ４ ０ ｋ ｍ， 最 大 埋 深
根据测定 ， 各保温 材料的热物理参数如表 ２所示 。
８ ７ １ ｎ。绕避 了冰雪 雾 、 Ｉ 滑坡 、 泥 石流 等 自然 灾害 最严 重 、 最
设 计 。
建立数值模型 时需要 设置 围岩 的热 物理参 数。在 巴 郎
山隧道出 口端现场收集砂岩和板岩岩 块 ， 在 实验室把 取得 的
砂岩和板岩各制成 ６个直径 １ ０ ｃ ｍ， 高１ ０ ｅ ｍ的试件 ， 进行 室
内热物理参数测试 。热物 理参 数测试 采用 的仪 器为 湘潭 市 仪器仪表 有 限公 司生 产 的 Ｈ Ａ Ｄ—Ｄ Ｒ Ｅ一２ Ｃ导 热 系数 测试
表 １ 岩石热 物理参数 表 样品名称
板 岩
砂岩
并结合 国内外数值模 拟研究成 果 ， 建立 有限元模 型对 巴郎山 隧道防冻保温层材料选取 及设计参 数进行 了数值模拟 分析 ，
为隧道 防冻保温设计 提供 了合 理的依据 。
比热
０ ． ３ ０ ８
Ｏ ． １ ８ ４
导热系数
巴朗 山隧 道 保 温 层设 计 参 数 数 值 模 拟 分 析
张鹏飞 ， 陈子龙
（ 西南交通大学地球科学与环境工程学院 ， 四川成都 ６ １ ０ ０ ３ １ ）
【 摘 要】 为了 确 定巴郎山隧道 防冻保 温材料 设计参数 ， 通过 有限元数值 模拟对 隧道温度场 分布情 况
进行 了计算。计 算结果表 明 ： 隧道开挖后若不铺设 防冻保 温材料 ， 隧道 围岩会产 生冻 害； 当防冻材料 选 用硅 酸铝纤维保 温板 ， 铺设厚度达到 ５ ｅ ｍ时 ， － － Ｊ － ｖ ； ￣ 有效地 防止 隧道洞 １ ： ２ 处衬砌及 围岩产 生冻害。
２ ． ２ 保温防冻材料热物理参数
不同种类的保温材 料 由于材质 的差 异 因而具有 不 同的 保温防冻性能 ， 且在工程 中的工程造 价和施 工便利性 也并不
相同 。为 了给隧道保温 防寒设计提供 ห้องสมุดไป่ตู้理的参数 ， 对 国 内外 目前经常使用 的 ４种保温隔热材料进 行 比选 ， 包括硅 酸铝纤 维板 、 聚乙烯 保 温板 、 聚酚 醛保 温 板和 聚 氨酯 泡沫 保 温 板。