基于混凝土強(qiáng)度的高地?zé)崴淼栏魺釋雍穸妊芯?/h1>
2024-04-12 02:13:20郭利民段俊哲夏才初常文江
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì) 2024年4期
郭利民，段俊哲，夏才初，常文江
(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043; 2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092;3.寧波大學(xué)巖石力學(xué)研究所,寧波 315211; 4.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院,浙江紹興 312000;5.川藏鐵路建設(shè)公司,成都 610036)
引言
近年來(lái),我國(guó)越來(lái)越重視西部地區(qū)的開(kāi)發(fā)。我國(guó)西部尤其是青藏高原地區(qū)具有海拔高、氣候嚴(yán)寒、強(qiáng)震、大高差、地形八起八伏、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn),在此地區(qū)修建隧道將會(huì)面臨巨大的挑戰(zhàn),高地?zé)釂?wèn)題就是其中的一個(gè)重大難點(diǎn)。高地?zé)嶂饕憩F(xiàn)為高水溫和高巖溫[1]。高水溫隧道通常是被高熱溫泉水包圍,如西南某高地溫鐵路隧道就是受到了瓦納溫泉的影響[2]。高巖溫隧道又稱為干熱型隧道,通常濕度較低,一般出現(xiàn)在地質(zhì)構(gòu)造良好處。地質(zhì)層的內(nèi)熱通過(guò)巖石傳遞到隧道表面,使隧道內(nèi)部表面圍巖壁溫度較高[3]。例如,新疆齊熱哈塔爾水電站引水隧洞巖壁溫度最高達(dá)100 ℃[4]。高巖溫或高水溫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不盡相同[5],文中敘述的高地溫隧道指的是高巖溫隧道。
過(guò)高的巖溫不僅會(huì)對(duì)施工造成麻煩,降低施工質(zhì)量,還會(huì)破壞襯砌混凝土結(jié)構(gòu),進(jìn)一步降低支護(hù)性能[6]。因此,如何降低高地?zé)釋?duì)隧道的影響成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。目前,高地?zé)崴淼澜禍胤椒ㄖ饕型L(fēng)、灑水噴霧、設(shè)置隔熱層、引排圍巖內(nèi)熱水等,已有不少學(xué)者在這方面取得了進(jìn)展。王志杰等[7]鋪設(shè)隔熱層并對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng),最后取得了不錯(cuò)的降溫效果。之后,王志杰等[8]又提出了一套適用于中高溫段的“預(yù)、防、治”三位一體的降溫體系,實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)降溫與被動(dòng)降溫相結(jié)合。朱宇等[9]提出以地溫45 ℃作為分界線,在地溫低于45 ℃的隧道僅使用通風(fēng)降溫,而對(duì)于地溫高于45 ℃的隧道附加冰塊制冷、灑水噴霧等手段。孫其清等[10]研究了80 ℃初始圍巖地溫段,將洞內(nèi)氣溫降至28 ℃所需的通風(fēng)量,結(jié)果表明,僅靠通風(fēng)降溫是不夠的,還需輔以其他降溫措施?；艚▌譡11]建議對(duì)高溫水采取針對(duì)性措施,從源頭上消除熱害。
其中,鋪設(shè)隔熱層是一種直接且有效的方法。不少學(xué)者針對(duì)其作用方式、作用機(jī)理以及具體設(shè)計(jì)展開(kāi)了研究。邵珠山等[12]通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),增厚隔熱層會(huì)使初期支護(hù)的溫度升高,在設(shè)計(jì)隔熱層時(shí)要關(guān)注初期支護(hù)的溫度及其材料性能變化。劉煒等[13]研究證明了隔熱層并不是越厚越好,增加隔熱層厚度對(duì)降低襯砌溫度的效果是遞減的。白國(guó)權(quán)等[14]通過(guò)數(shù)值方法定量計(jì)算了不同厚度的隔熱層與制冷量之間的關(guān)系。吳彪等[15]指出設(shè)置隔熱層可使襯砌結(jié)構(gòu)的受力、二次襯砌軸力和彎矩顯著減小。吳根強(qiáng)等[16]對(duì)比了不同隔熱層的降溫效果,推薦選取5～10 cm厚隔熱層。傅金陽(yáng)等[17]從預(yù)防混凝土開(kāi)裂的角度建議當(dāng)溫度超過(guò)63 ℃時(shí)使用夾心式隔熱層來(lái)隔絕熱量。
然而,上述研究通常只把隧道內(nèi)的氣溫或襯砌的溫度作為衡量高地?zé)崴淼澜禍匦Ч臎Q定性指標(biāo),卻忽略了高地?zé)嵛：Φ谋举|(zhì)是高溫會(huì)降低襯砌混凝土力學(xué)性能。因此,從保護(hù)襯砌混凝土力學(xué)性能的角度,計(jì)算在不同初始地溫工況下鋪設(shè)不同厚度隔熱層時(shí)襯砌混凝土的各齡期強(qiáng)度,對(duì)比不同工況下不同厚度隔熱層的作用效果,最后給出相應(yīng)的隔熱層厚度選取建議,供工程參考。
1 溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響
混凝土是由水泥、骨料和水組成的復(fù)合材料,其強(qiáng)度很大程度上取決于水泥的強(qiáng)度。而水泥的強(qiáng)度又與其養(yǎng)護(hù)條件密切相關(guān),溫度就是影響其強(qiáng)度發(fā)育的關(guān)鍵因素之一。在混凝土養(yǎng)護(hù)早期,高溫會(huì)促進(jìn)水泥的水化反應(yīng),加速其凝結(jié)硬化速率。大量的水化產(chǎn)物會(huì)迅速填充滿混凝土內(nèi)部的孔隙,增加混凝土的早期強(qiáng)度。此時(shí),混凝土中的水分并沒(méi)有因?yàn)楦邷卣舭l(fā)太多,尚能滿足水泥水化的需要。而隨著時(shí)間的推移,混凝土內(nèi)的水分不斷蒸發(fā)流失,使得水泥的水化速率降低。此時(shí),水泥的水化產(chǎn)物來(lái)不及填充水分蒸發(fā)留下的孔隙,從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率提高,降低其強(qiáng)度性能。并且水分蒸發(fā)還會(huì)引起混凝土干燥收縮產(chǎn)生微裂縫,進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低。
不同養(yǎng)護(hù)溫度下普通混凝土(C25)和噴射混凝土(C25)的抗壓強(qiáng)度[18]如圖1所示。從圖1中可以看出,在常溫(40 ℃以下)時(shí),兩種混凝土的抗壓強(qiáng)度基本沒(méi)有下降,甚至有小幅度提高。而當(dāng)溫度較高(40 ℃以上)時(shí),兩種混凝土的各齡期抗壓強(qiáng)度都顯著下降,這說(shuō)明高溫對(duì)這兩種混凝土強(qiáng)度的發(fā)展都非常不利。
普通混凝土(C25)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的變化曲線如圖2[3]所示。從圖2中可以看出,當(dāng)溫度由20 ℃升高至40 ℃時(shí),普通混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度從26 MPa降低至24.9 MPa,僅降低4.2%。普通混凝土的28 d抗拉劈裂強(qiáng)度從2.42 MPa降低至2.26 MPa,僅降低6.6%。這說(shuō)明,此時(shí)溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展影響較小。但當(dāng)溫度超過(guò)40 ℃之后,無(wú)論是噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度還是抗拉劈裂強(qiáng)度都隨著溫度升高而迅速降低。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度從40 ℃升高到60 ℃時(shí),僅20 ℃的變化就會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土28 d齡期的抗壓強(qiáng)度下降48%,抗拉劈裂強(qiáng)度下降37%。由此可見(jiàn),當(dāng)溫度超過(guò)40 ℃后,普通混凝土的強(qiáng)度開(kāi)始大幅度下降。在高地溫地區(qū)施工時(shí),應(yīng)保證普通混凝土的溫度低于40 ℃,否則會(huì)嚴(yán)重降低襯砌混凝土的力學(xué)性能,從而降低結(jié)構(gòu)的安全性。
2 隔熱層對(duì)襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)溫度的影響
2.1 工程概況
選取西部高原地區(qū)某隧道作為依托工程,該隧道靠近板塊縫合帶,且隧道埋深較大。在隧道洞身東南側(cè)存在溫泉分布,附近鉆探亦揭示存在高地溫現(xiàn)象。該隧道沿線鉆孔所揭示的溫度介于20.7～93.5 ℃之間,文中研究工況的初始地溫屬于這個(gè)區(qū)間。
2.2 隧道溫度場(chǎng)計(jì)算模型
(1)模型假設(shè)
適當(dāng)?shù)哪Ｐ图僭O(shè)是盡可能還原實(shí)際又便于研究開(kāi)展的必要條件。因此,在進(jìn)行數(shù)值模擬之前,要給數(shù)值模型一些合適的假設(shè)條件。隧道是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體,為簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)模型做以下假設(shè)。
①隧道高地?zé)岫蔚穆裆詈艽?可以忽略地表傳熱以及隧道輪廓的影響。
②不考慮隔熱層與襯砌之間、圍巖與隔熱層之間的接觸熱阻,接觸邊界處滿足溫度和熱流量相等的連續(xù)條件。
③假設(shè)隔熱材料、圍巖和混凝土的熱力學(xué)參數(shù)不隨溫度的變化而變化,是固定的常數(shù)。
(2)幾何模型
隧道的幾何輪廓按照設(shè)計(jì)資料選取。模型邊界取為90 m×90 m的正方形,可以保證30個(gè)月內(nèi),模型邊界與初始巖溫的差值小于1%[19],符合圣維南原理。為隔絕熱量,減少高溫對(duì)襯砌混凝土的危害,在二襯澆筑前要鋪設(shè)隔熱層,盡可能降低混凝土的入模溫度[20]。于是該模型可以看作一個(gè)圍巖-隔熱層-襯砌-空氣的四層結(jié)構(gòu),其幾何模型如圖3所示。模型的外邊界設(shè)置為完全絕熱,空氣與襯砌的接觸面設(shè)置為第三類熱力學(xué)邊界,即Tw=f(H,Tn)。根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[21],在隧道施工時(shí)應(yīng)保證洞內(nèi)氣溫不高于28 ℃。本模型將洞內(nèi)氣溫設(shè)置為恒定的28 ℃。
圖3 隧道幾何模型(單位:m)Fig.3 Tunnel geometry model (unit: m)
(3)計(jì)算參數(shù)取值
根據(jù)張建榮等[22]的研究,混凝土襯砌與洞內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)h(W/(m2·K))可按式(1)選取。
h=3.06v+4.11
(1)
式中,v為襯砌混凝土表面的空氣流速,m/s。為滿足隧道內(nèi)的通風(fēng)降溫需求,擬使用風(fēng)機(jī)加速隧道內(nèi)的空氣流通。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),取通風(fēng)后隧道內(nèi)的平均風(fēng)速為2 m/s。將風(fēng)速代入式(1)中,可得對(duì)流換熱系數(shù)h≈10 W/(m2·K)。襯砌厚度取為50 cm。根據(jù)規(guī)范,在地溫高于60 ℃的區(qū)段,二襯混凝土強(qiáng)度等級(jí)需要提高一級(jí),不得低于C35。因此,在本節(jié)中襯砌混凝土的熱力學(xué)參數(shù)統(tǒng)一按照C35混凝土的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選取,隔熱層材料選用硬質(zhì)聚氨酯泡沫板。襯砌混凝土、隔熱層和圍巖的熱力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。
表1 材料熱力學(xué)參數(shù)Tab.1 Thermodynamic parameters of materials
(4)計(jì)算工況
決定襯砌溫度的條件有很多,例如隔熱層厚度、襯砌厚度、初始地溫等。文中襯砌厚度保持與設(shè)計(jì)一致不變,為50 cm。探究不同隔熱層厚度與圍巖地溫對(duì)襯砌混凝土強(qiáng)度的影響。
經(jīng)過(guò)計(jì)算,對(duì)于地溫低于50 ℃的工況,即使不施加隔熱層,襯砌上的溫度也不會(huì)高于40 ℃,不會(huì)降低襯砌混凝土的力學(xué)性能,在文中不做探討。結(jié)合地勘資料,可以得到該隧道所需研究的地溫范圍為50～93.7 ℃。由于不可能計(jì)算所有的地溫情況,以10 ℃作為間隔,選取初始地溫50,60,70,80,90 ℃作為代表進(jìn)行研究。
2.3 隔熱層的降溫效果
由于圍巖溫度始終要高于洞內(nèi)氣溫,因此,靠近圍巖一側(cè)混凝土的溫度會(huì)始終高于遠(yuǎn)離一側(cè)的溫度。于是,選取襯砌頂部與隔熱層的交界處作為襯砌溫度的分析點(diǎn),如圖4所示。
圖4 襯砌溫度分析點(diǎn)Fig.4 The analysis point for lining temperature
圖5是在不同地溫環(huán)境下采用不同厚度的隔熱層后,襯砌混凝土的溫度變化曲線。當(dāng)不鋪設(shè)保溫隔熱層時(shí),襯砌混凝土?xí)诮佑|到高熱圍巖后的極短時(shí)間內(nèi)被加熱到溫度峰值。襯砌混凝土在其整個(gè)28 d齡期內(nèi)溫度都很高。而在鋪設(shè)隔熱層后,襯砌溫度不像未鋪設(shè)隔熱層時(shí)急劇上升,而是緩慢升高至峰值,此峰值要遠(yuǎn)小于不鋪設(shè)隔熱層的溫度峰值。3 cm隔熱層就可以起到很好的降溫效果。比如,在初始地溫70 ℃工況中,鋪設(shè)3 cm隔熱層就可以使襯砌混凝土的溫度降低到40 ℃以下(圖5(c))。在鋪設(shè)10 cm隔熱層后,襯砌混凝土上的溫度峰值較不鋪設(shè)隔熱層的情況普遍可以降低10 ℃以上,且地溫越高降溫效果越好。在90 ℃地溫工況下,鋪設(shè)10 cm隔熱層相對(duì)于不鋪設(shè)隔熱層最多可以降溫28 ℃。鋪設(shè)10 cm隔熱層后襯砌混凝土上的溫度僅比常溫升高了6 ℃。
圖5 不同厚度隔熱層作用時(shí)襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)溫度隨齡期的變化Fig.5 Variation of the curing temperature of tunnel lining concrete with age under the influence of insulation layers of different thicknesses
3 隔熱層作用分析及討論
根據(jù)圖5襯砌混凝土的溫度變化曲線,將溫度對(duì)時(shí)間積分并取平均值,可以得到襯砌混凝土在其齡期1 d、7 d及28 d內(nèi)的平均溫度,如表2所示。以此溫度作為襯砌混凝土在其各齡期的養(yǎng)護(hù)溫度,對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估。
表2 襯砌混凝土各齡期平均溫度 ℃Tab.2 Average temperature of tunnel lining concrete at various ages
將表2得到的襯砌混凝土平均溫度對(duì)應(yīng)到圖2中,可以得到襯砌混凝土在各工況下相應(yīng)齡期的強(qiáng)度,如圖6所示。當(dāng)不鋪設(shè)隔熱層時(shí),隨著圍巖溫度升高,襯砌混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度和抗拉劈裂強(qiáng)度均迅速降低。而鋪設(shè)隔熱層后,襯砌混凝土強(qiáng)度降低的速度變緩,甚至?xí)霈F(xiàn)強(qiáng)度提高的情況。這是因?yàn)楫?dāng)隔熱層較厚(10 cm)時(shí),襯砌混凝土上的溫度將遠(yuǎn)小于40 ℃。此時(shí),升高溫度會(huì)促進(jìn)水泥的水化,從而提高襯砌混凝土的強(qiáng)度。
圖6 襯砌混凝土各齡期強(qiáng)度Fig.6 Strength of tunnel lining concrete at various ages
通過(guò)對(duì)比各工況下襯砌混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉劈裂強(qiáng)度,可計(jì)算得到在不同情況下隔熱層的作用效果,如表3和表4所示。在地溫較低(50 ℃)時(shí),襯砌混凝土上的溫度較低(未超過(guò)40 ℃),鋪設(shè)隔熱層反而會(huì)降低水泥的水化速度,從而降低襯砌混凝土的早期強(qiáng)度。此時(shí),鋪設(shè)隔熱層能使混凝土28 d齡期強(qiáng)度提高,但是提升幅度很小,不到5%。當(dāng)?shù)販剌^高時(shí)(>60 ℃),鋪設(shè)隔熱層不僅可以提高襯砌混凝土的28 d齡期強(qiáng)度,也可以提高其早期強(qiáng)度。隔熱層越厚,襯砌混凝土的28 d齡期強(qiáng)度提升幅度就越大,其中90 ℃地溫條件下10 cm隔熱層的效果比3 cm隔熱層多14.3%。
表3 抗壓強(qiáng)度提高幅度(相對(duì)于無(wú)隔熱層) %Tab.3 Increase in compressive strength (relative to no insulation layer)
表4 抗拉劈裂強(qiáng)度提高幅度(相對(duì)于無(wú)隔熱層) %Tab.4 Increase in tensile splitting strength (relative to no insulation layer)
上述計(jì)算結(jié)果均是在維持洞內(nèi)氣溫28 ℃的前提下得到的。然而,《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]所規(guī)定的隧道內(nèi)氣溫低于28 ℃的要求僅針對(duì)普通隧道。對(duì)于高地?zé)崴淼?尤其是地溫高于70 ℃的極端高溫隧道,要維持洞內(nèi)氣溫低于28 ℃有很大的困難。李建高等[23]根據(jù)工程實(shí)測(cè),在某些工況下即使使用了降溫措施,也僅能將環(huán)境溫度降到34 ℃。胡政等[24]研究了高地?zé)崴淼纼?nèi)氣溫隨施工的變化規(guī)律,結(jié)果顯示在其中一里程段出現(xiàn)了氣溫從35.2 ℃上升至56.4 ℃的情況。而國(guó)外資料介紹,日本隧道施工規(guī)范規(guī)定洞內(nèi)氣溫僅需低于37 ℃。因此,結(jié)合實(shí)際有必要研究洞內(nèi)氣溫高于28 ℃的情況。當(dāng)洞內(nèi)氣溫超過(guò)28 ℃,襯砌混凝土的強(qiáng)度就會(huì)進(jìn)一步受到影響。圖7對(duì)比了地溫90 ℃,洞內(nèi)氣溫37 ℃時(shí),無(wú)隔熱層以及鋪設(shè)3,5,10 cm隔熱層時(shí)襯砌混凝土的28 d齡期強(qiáng)度情況。從圖7中可以看出,在洞內(nèi)氣溫升高之后,鋪設(shè)隔熱層同樣可以大幅度提高襯砌混凝土的強(qiáng)度,且10 cm隔熱層的效果比3 cm隔熱層效果,高24.2%,同比洞內(nèi)氣溫28 ℃工況下的14.3%還多近10%。因此,在極高地?zé)岫?70 ℃以上)有必要增加隔熱層的厚度。
圖7 隔熱層效果對(duì)比(地溫90 ℃,洞內(nèi)氣溫37 ℃)Fig.7 Comparison of insulation layer effects (ground temperature: 90 ℃, internal air temperature: 37 ℃)
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,以10 ℃地溫差值為一個(gè)區(qū)間進(jìn)行分析。用具體計(jì)算的工況代表所處±5 ℃區(qū)間的情況(例如,以地溫60 ℃的工況代表55～65 ℃的情況)。當(dāng)?shù)販亍?5 ℃時(shí),鋪設(shè)隔熱層后襯砌混凝土強(qiáng)度的提升幅度均在5%以內(nèi),因此可不鋪設(shè)隔熱層。當(dāng)?shù)販貫?5～65 ℃時(shí),鋪設(shè)3 cm隔熱層就可以使襯砌混凝土強(qiáng)度少降低10%,因此推薦鋪設(shè)3 cm的隔熱層。當(dāng)?shù)販貫?5～75 ℃時(shí),5 cm隔熱層的效果要明顯高于3 cm隔熱層的效果,但10 cm隔熱層與5 cm隔熱層差別不大,因此在此區(qū)間段推薦鋪設(shè)5 cm隔熱層。當(dāng)?shù)販貫?5～85 ℃時(shí),10 cm隔熱層效果略優(yōu)于5 cm隔熱層(混凝土抗壓與抗拉劈裂強(qiáng)度多提升3%),但考慮極端高溫條件下難以維持洞內(nèi)低溫,隔熱層厚度可根據(jù)實(shí)際隧道環(huán)境選取。若能保證洞內(nèi)氣溫維持在28 ℃以內(nèi),鋪設(shè)5 cm隔熱層,否則鋪設(shè)10 cm隔熱層。對(duì)于地溫超過(guò)85 ℃的地段,推薦鋪設(shè)10 cm的隔熱層,盡可能隔絕圍巖的高溫。
4 結(jié)論
直接以溫度作為隔熱效果的控制指標(biāo)不能反映高溫會(huì)使襯砌力學(xué)性能降低的本質(zhì),以襯砌混凝土強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)隔熱效果的指標(biāo)更能反映熱害的本質(zhì)。依托某高原隧道,使用Comsol數(shù)值模擬建立了其熱力學(xué)模型,并計(jì)算得到了不同初始地溫工況下鋪設(shè)不同厚度隔熱層時(shí)襯砌混凝土各齡期的平均養(yǎng)護(hù)溫度。根據(jù)強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)溫度之間的關(guān)系計(jì)算得到了各齡期襯砌混凝土的強(qiáng)度,并以此為基準(zhǔn)對(duì)比了各工況下不同厚度隔熱層的作用效果,研究得到以下結(jié)論。
(1)隧道施工時(shí),應(yīng)保證混凝土養(yǎng)護(hù)溫度低于40 ℃,否則會(huì)嚴(yán)重降低襯砌混凝土的力學(xué)性能。
(2)隔熱層的厚度應(yīng)根據(jù)圍巖初始地溫確定,太厚不經(jīng)濟(jì),太薄則不能充分隔絕熱量,仍會(huì)使襯砌混凝土的強(qiáng)度降低:55 ℃以下的地溫段,無(wú)需使用隔熱層;55～65 ℃的地段,推薦使用3 cm隔熱層;65～75 ℃地溫段,使用5 cm隔熱層;75～85 ℃地溫段,若能保證洞內(nèi)氣溫維持在28 ℃以內(nèi),使用5 cm隔熱層,否則使用10 cm隔熱層;高于85 ℃的地段,推薦使用10 cm隔熱層。
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郭利民，段俊哲，夏才初，常文江
(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043; 2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092;3.寧波大學(xué)巖石力學(xué)研究所,寧波 315211; 4.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院,浙江紹興 312000;5.川藏鐵路建設(shè)公司,成都 610036)
引言
近年來(lái),我國(guó)越來(lái)越重視西部地區(qū)的開(kāi)發(fā)。我國(guó)西部尤其是青藏高原地區(qū)具有海拔高、氣候嚴(yán)寒、強(qiáng)震、大高差、地形八起八伏、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn),在此地區(qū)修建隧道將會(huì)面臨巨大的挑戰(zhàn),高地?zé)釂?wèn)題就是其中的一個(gè)重大難點(diǎn)。高地?zé)嶂饕憩F(xiàn)為高水溫和高巖溫[1]。高水溫隧道通常是被高熱溫泉水包圍,如西南某高地溫鐵路隧道就是受到了瓦納溫泉的影響[2]。高巖溫隧道又稱為干熱型隧道,通常濕度較低,一般出現(xiàn)在地質(zhì)構(gòu)造良好處。地質(zhì)層的內(nèi)熱通過(guò)巖石傳遞到隧道表面,使隧道內(nèi)部表面圍巖壁溫度較高[3]。例如,新疆齊熱哈塔爾水電站引水隧洞巖壁溫度最高達(dá)100 ℃[4]。高巖溫或高水溫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不盡相同[5],文中敘述的高地溫隧道指的是高巖溫隧道。
過(guò)高的巖溫不僅會(huì)對(duì)施工造成麻煩,降低施工質(zhì)量,還會(huì)破壞襯砌混凝土結(jié)構(gòu),進(jìn)一步降低支護(hù)性能[6]。因此,如何降低高地?zé)釋?duì)隧道的影響成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。目前,高地?zé)崴淼澜禍胤椒ㄖ饕型L(fēng)、灑水噴霧、設(shè)置隔熱層、引排圍巖內(nèi)熱水等,已有不少學(xué)者在這方面取得了進(jìn)展。王志杰等[7]鋪設(shè)隔熱層并對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng),最后取得了不錯(cuò)的降溫效果。之后,王志杰等[8]又提出了一套適用于中高溫段的“預(yù)、防、治”三位一體的降溫體系,實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)降溫與被動(dòng)降溫相結(jié)合。朱宇等[9]提出以地溫45 ℃作為分界線,在地溫低于45 ℃的隧道僅使用通風(fēng)降溫,而對(duì)于地溫高于45 ℃的隧道附加冰塊制冷、灑水噴霧等手段。孫其清等[10]研究了80 ℃初始圍巖地溫段,將洞內(nèi)氣溫降至28 ℃所需的通風(fēng)量,結(jié)果表明,僅靠通風(fēng)降溫是不夠的,還需輔以其他降溫措施?；艚▌譡11]建議對(duì)高溫水采取針對(duì)性措施,從源頭上消除熱害。
其中,鋪設(shè)隔熱層是一種直接且有效的方法。不少學(xué)者針對(duì)其作用方式、作用機(jī)理以及具體設(shè)計(jì)展開(kāi)了研究。邵珠山等[12]通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),增厚隔熱層會(huì)使初期支護(hù)的溫度升高,在設(shè)計(jì)隔熱層時(shí)要關(guān)注初期支護(hù)的溫度及其材料性能變化。劉煒等[13]研究證明了隔熱層并不是越厚越好,增加隔熱層厚度對(duì)降低襯砌溫度的效果是遞減的。白國(guó)權(quán)等[14]通過(guò)數(shù)值方法定量計(jì)算了不同厚度的隔熱層與制冷量之間的關(guān)系。吳彪等[15]指出設(shè)置隔熱層可使襯砌結(jié)構(gòu)的受力、二次襯砌軸力和彎矩顯著減小。吳根強(qiáng)等[16]對(duì)比了不同隔熱層的降溫效果,推薦選取5～10 cm厚隔熱層。傅金陽(yáng)等[17]從預(yù)防混凝土開(kāi)裂的角度建議當(dāng)溫度超過(guò)63 ℃時(shí)使用夾心式隔熱層來(lái)隔絕熱量。
然而,上述研究通常只把隧道內(nèi)的氣溫或襯砌的溫度作為衡量高地?zé)崴淼澜禍匦Ч臎Q定性指標(biāo),卻忽略了高地?zé)嵛：Φ谋举|(zhì)是高溫會(huì)降低襯砌混凝土力學(xué)性能。因此,從保護(hù)襯砌混凝土力學(xué)性能的角度,計(jì)算在不同初始地溫工況下鋪設(shè)不同厚度隔熱層時(shí)襯砌混凝土的各齡期強(qiáng)度,對(duì)比不同工況下不同厚度隔熱層的作用效果,最后給出相應(yīng)的隔熱層厚度選取建議,供工程參考。
1 溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響
混凝土是由水泥、骨料和水組成的復(fù)合材料,其強(qiáng)度很大程度上取決于水泥的強(qiáng)度。而水泥的強(qiáng)度又與其養(yǎng)護(hù)條件密切相關(guān),溫度就是影響其強(qiáng)度發(fā)育的關(guān)鍵因素之一。在混凝土養(yǎng)護(hù)早期,高溫會(huì)促進(jìn)水泥的水化反應(yīng),加速其凝結(jié)硬化速率。大量的水化產(chǎn)物會(huì)迅速填充滿混凝土內(nèi)部的孔隙,增加混凝土的早期強(qiáng)度。此時(shí),混凝土中的水分并沒(méi)有因?yàn)楦邷卣舭l(fā)太多,尚能滿足水泥水化的需要。而隨著時(shí)間的推移,混凝土內(nèi)的水分不斷蒸發(fā)流失,使得水泥的水化速率降低。此時(shí),水泥的水化產(chǎn)物來(lái)不及填充水分蒸發(fā)留下的孔隙,從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率提高,降低其強(qiáng)度性能。并且水分蒸發(fā)還會(huì)引起混凝土干燥收縮產(chǎn)生微裂縫,進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低。
不同養(yǎng)護(hù)溫度下普通混凝土(C25)和噴射混凝土(C25)的抗壓強(qiáng)度[18]如圖1所示。從圖1中可以看出,在常溫(40 ℃以下)時(shí),兩種混凝土的抗壓強(qiáng)度基本沒(méi)有下降,甚至有小幅度提高。而當(dāng)溫度較高(40 ℃以上)時(shí),兩種混凝土的各齡期抗壓強(qiáng)度都顯著下降,這說(shuō)明高溫對(duì)這兩種混凝土強(qiáng)度的發(fā)展都非常不利。
普通混凝土(C25)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的變化曲線如圖2[3]所示。從圖2中可以看出,當(dāng)溫度由20 ℃升高至40 ℃時(shí),普通混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度從26 MPa降低至24.9 MPa,僅降低4.2%。普通混凝土的28 d抗拉劈裂強(qiáng)度從2.42 MPa降低至2.26 MPa,僅降低6.6%。這說(shuō)明,此時(shí)溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展影響較小。但當(dāng)溫度超過(guò)40 ℃之后,無(wú)論是噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度還是抗拉劈裂強(qiáng)度都隨著溫度升高而迅速降低。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度從40 ℃升高到60 ℃時(shí),僅20 ℃的變化就會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土28 d齡期的抗壓強(qiáng)度下降48%,抗拉劈裂強(qiáng)度下降37%。由此可見(jiàn),當(dāng)溫度超過(guò)40 ℃后,普通混凝土的強(qiáng)度開(kāi)始大幅度下降。在高地溫地區(qū)施工時(shí),應(yīng)保證普通混凝土的溫度低于40 ℃,否則會(huì)嚴(yán)重降低襯砌混凝土的力學(xué)性能,從而降低結(jié)構(gòu)的安全性。
2 隔熱層對(duì)襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)溫度的影響
2.1 工程概況
選取西部高原地區(qū)某隧道作為依托工程,該隧道靠近板塊縫合帶,且隧道埋深較大。在隧道洞身東南側(cè)存在溫泉分布,附近鉆探亦揭示存在高地溫現(xiàn)象。該隧道沿線鉆孔所揭示的溫度介于20.7～93.5 ℃之間,文中研究工況的初始地溫屬于這個(gè)區(qū)間。
2.2 隧道溫度場(chǎng)計(jì)算模型
(1)模型假設(shè)
適當(dāng)?shù)哪Ｐ图僭O(shè)是盡可能還原實(shí)際又便于研究開(kāi)展的必要條件。因此,在進(jìn)行數(shù)值模擬之前,要給數(shù)值模型一些合適的假設(shè)條件。隧道是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體,為簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)模型做以下假設(shè)。
①隧道高地?zé)岫蔚穆裆詈艽?可以忽略地表傳熱以及隧道輪廓的影響。
②不考慮隔熱層與襯砌之間、圍巖與隔熱層之間的接觸熱阻,接觸邊界處滿足溫度和熱流量相等的連續(xù)條件。
③假設(shè)隔熱材料、圍巖和混凝土的熱力學(xué)參數(shù)不隨溫度的變化而變化,是固定的常數(shù)。
(2)幾何模型
隧道的幾何輪廓按照設(shè)計(jì)資料選取。模型邊界取為90 m×90 m的正方形,可以保證30個(gè)月內(nèi),模型邊界與初始巖溫的差值小于1%[19],符合圣維南原理。為隔絕熱量,減少高溫對(duì)襯砌混凝土的危害,在二襯澆筑前要鋪設(shè)隔熱層,盡可能降低混凝土的入模溫度[20]。于是該模型可以看作一個(gè)圍巖-隔熱層-襯砌-空氣的四層結(jié)構(gòu),其幾何模型如圖3所示。模型的外邊界設(shè)置為完全絕熱,空氣與襯砌的接觸面設(shè)置為第三類熱力學(xué)邊界,即Tw=f(H,Tn)。根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[21],在隧道施工時(shí)應(yīng)保證洞內(nèi)氣溫不高于28 ℃。本模型將洞內(nèi)氣溫設(shè)置為恒定的28 ℃。
圖3 隧道幾何模型(單位:m)Fig.3 Tunnel geometry model (unit: m)
(3)計(jì)算參數(shù)取值
根據(jù)張建榮等[22]的研究,混凝土襯砌與洞內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)h(W/(m2·K))可按式(1)選取。
h=3.06v+4.11
(1)
式中,v為襯砌混凝土表面的空氣流速,m/s。為滿足隧道內(nèi)的通風(fēng)降溫需求,擬使用風(fēng)機(jī)加速隧道內(nèi)的空氣流通。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),取通風(fēng)后隧道內(nèi)的平均風(fēng)速為2 m/s。將風(fēng)速代入式(1)中,可得對(duì)流換熱系數(shù)h≈10 W/(m2·K)。襯砌厚度取為50 cm。根據(jù)規(guī)范,在地溫高于60 ℃的區(qū)段,二襯混凝土強(qiáng)度等級(jí)需要提高一級(jí),不得低于C35。因此,在本節(jié)中襯砌混凝土的熱力學(xué)參數(shù)統(tǒng)一按照C35混凝土的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選取,隔熱層材料選用硬質(zhì)聚氨酯泡沫板。襯砌混凝土、隔熱層和圍巖的熱力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。
表1 材料熱力學(xué)參數(shù)Tab.1 Thermodynamic parameters of materials
(4)計(jì)算工況
決定襯砌溫度的條件有很多,例如隔熱層厚度、襯砌厚度、初始地溫等。文中襯砌厚度保持與設(shè)計(jì)一致不變,為50 cm。探究不同隔熱層厚度與圍巖地溫對(duì)襯砌混凝土強(qiáng)度的影響。
經(jīng)過(guò)計(jì)算,對(duì)于地溫低于50 ℃的工況,即使不施加隔熱層,襯砌上的溫度也不會(huì)高于40 ℃,不會(huì)降低襯砌混凝土的力學(xué)性能,在文中不做探討。結(jié)合地勘資料,可以得到該隧道所需研究的地溫范圍為50～93.7 ℃。由于不可能計(jì)算所有的地溫情況,以10 ℃作為間隔,選取初始地溫50,60,70,80,90 ℃作為代表進(jìn)行研究。
2.3 隔熱層的降溫效果
由于圍巖溫度始終要高于洞內(nèi)氣溫,因此,靠近圍巖一側(cè)混凝土的溫度會(huì)始終高于遠(yuǎn)離一側(cè)的溫度。于是,選取襯砌頂部與隔熱層的交界處作為襯砌溫度的分析點(diǎn),如圖4所示。
圖4 襯砌溫度分析點(diǎn)Fig.4 The analysis point for lining temperature
圖5是在不同地溫環(huán)境下采用不同厚度的隔熱層后,襯砌混凝土的溫度變化曲線。當(dāng)不鋪設(shè)保溫隔熱層時(shí),襯砌混凝土?xí)诮佑|到高熱圍巖后的極短時(shí)間內(nèi)被加熱到溫度峰值。襯砌混凝土在其整個(gè)28 d齡期內(nèi)溫度都很高。而在鋪設(shè)隔熱層后,襯砌溫度不像未鋪設(shè)隔熱層時(shí)急劇上升,而是緩慢升高至峰值,此峰值要遠(yuǎn)小于不鋪設(shè)隔熱層的溫度峰值。3 cm隔熱層就可以起到很好的降溫效果。比如,在初始地溫70 ℃工況中,鋪設(shè)3 cm隔熱層就可以使襯砌混凝土的溫度降低到40 ℃以下(圖5(c))。在鋪設(shè)10 cm隔熱層后,襯砌混凝土上的溫度峰值較不鋪設(shè)隔熱層的情況普遍可以降低10 ℃以上,且地溫越高降溫效果越好。在90 ℃地溫工況下,鋪設(shè)10 cm隔熱層相對(duì)于不鋪設(shè)隔熱層最多可以降溫28 ℃。鋪設(shè)10 cm隔熱層后襯砌混凝土上的溫度僅比常溫升高了6 ℃。
圖5 不同厚度隔熱層作用時(shí)襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)溫度隨齡期的變化Fig.5 Variation of the curing temperature of tunnel lining concrete with age under the influence of insulation layers of different thicknesses
3 隔熱層作用分析及討論
根據(jù)圖5襯砌混凝土的溫度變化曲線,將溫度對(duì)時(shí)間積分并取平均值,可以得到襯砌混凝土在其齡期1 d、7 d及28 d內(nèi)的平均溫度,如表2所示。以此溫度作為襯砌混凝土在其各齡期的養(yǎng)護(hù)溫度,對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估。
表2 襯砌混凝土各齡期平均溫度 ℃Tab.2 Average temperature of tunnel lining concrete at various ages
將表2得到的襯砌混凝土平均溫度對(duì)應(yīng)到圖2中,可以得到襯砌混凝土在各工況下相應(yīng)齡期的強(qiáng)度,如圖6所示。當(dāng)不鋪設(shè)隔熱層時(shí),隨著圍巖溫度升高,襯砌混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度和抗拉劈裂強(qiáng)度均迅速降低。而鋪設(shè)隔熱層后,襯砌混凝土強(qiáng)度降低的速度變緩,甚至?xí)霈F(xiàn)強(qiáng)度提高的情況。這是因?yàn)楫?dāng)隔熱層較厚(10 cm)時(shí),襯砌混凝土上的溫度將遠(yuǎn)小于40 ℃。此時(shí),升高溫度會(huì)促進(jìn)水泥的水化,從而提高襯砌混凝土的強(qiáng)度。
圖6 襯砌混凝土各齡期強(qiáng)度Fig.6 Strength of tunnel lining concrete at various ages
通過(guò)對(duì)比各工況下襯砌混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉劈裂強(qiáng)度,可計(jì)算得到在不同情況下隔熱層的作用效果,如表3和表4所示。在地溫較低(50 ℃)時(shí),襯砌混凝土上的溫度較低(未超過(guò)40 ℃),鋪設(shè)隔熱層反而會(huì)降低水泥的水化速度,從而降低襯砌混凝土的早期強(qiáng)度。此時(shí),鋪設(shè)隔熱層能使混凝土28 d齡期強(qiáng)度提高,但是提升幅度很小,不到5%。當(dāng)?shù)販剌^高時(shí)(>60 ℃),鋪設(shè)隔熱層不僅可以提高襯砌混凝土的28 d齡期強(qiáng)度,也可以提高其早期強(qiáng)度。隔熱層越厚,襯砌混凝土的28 d齡期強(qiáng)度提升幅度就越大,其中90 ℃地溫條件下10 cm隔熱層的效果比3 cm隔熱層多14.3%。
表3 抗壓強(qiáng)度提高幅度(相對(duì)于無(wú)隔熱層) %Tab.3 Increase in compressive strength (relative to no insulation layer)
表4 抗拉劈裂強(qiáng)度提高幅度(相對(duì)于無(wú)隔熱層) %Tab.4 Increase in tensile splitting strength (relative to no insulation layer)
上述計(jì)算結(jié)果均是在維持洞內(nèi)氣溫28 ℃的前提下得到的。然而,《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]所規(guī)定的隧道內(nèi)氣溫低于28 ℃的要求僅針對(duì)普通隧道。對(duì)于高地?zé)崴淼?尤其是地溫高于70 ℃的極端高溫隧道,要維持洞內(nèi)氣溫低于28 ℃有很大的困難。李建高等[23]根據(jù)工程實(shí)測(cè),在某些工況下即使使用了降溫措施,也僅能將環(huán)境溫度降到34 ℃。胡政等[24]研究了高地?zé)崴淼纼?nèi)氣溫隨施工的變化規(guī)律,結(jié)果顯示在其中一里程段出現(xiàn)了氣溫從35.2 ℃上升至56.4 ℃的情況。而國(guó)外資料介紹,日本隧道施工規(guī)范規(guī)定洞內(nèi)氣溫僅需低于37 ℃。因此,結(jié)合實(shí)際有必要研究洞內(nèi)氣溫高于28 ℃的情況。當(dāng)洞內(nèi)氣溫超過(guò)28 ℃,襯砌混凝土的強(qiáng)度就會(huì)進(jìn)一步受到影響。圖7對(duì)比了地溫90 ℃,洞內(nèi)氣溫37 ℃時(shí),無(wú)隔熱層以及鋪設(shè)3,5,10 cm隔熱層時(shí)襯砌混凝土的28 d齡期強(qiáng)度情況。從圖7中可以看出,在洞內(nèi)氣溫升高之后,鋪設(shè)隔熱層同樣可以大幅度提高襯砌混凝土的強(qiáng)度,且10 cm隔熱層的效果比3 cm隔熱層效果,高24.2%,同比洞內(nèi)氣溫28 ℃工況下的14.3%還多近10%。因此,在極高地?zé)岫?70 ℃以上)有必要增加隔熱層的厚度。
圖7 隔熱層效果對(duì)比(地溫90 ℃,洞內(nèi)氣溫37 ℃)Fig.7 Comparison of insulation layer effects (ground temperature: 90 ℃, internal air temperature: 37 ℃)
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,以10 ℃地溫差值為一個(gè)區(qū)間進(jìn)行分析。用具體計(jì)算的工況代表所處±5 ℃區(qū)間的情況(例如,以地溫60 ℃的工況代表55～65 ℃的情況)。當(dāng)?shù)販亍?5 ℃時(shí),鋪設(shè)隔熱層后襯砌混凝土強(qiáng)度的提升幅度均在5%以內(nèi),因此可不鋪設(shè)隔熱層。當(dāng)?shù)販貫?5～65 ℃時(shí),鋪設(shè)3 cm隔熱層就可以使襯砌混凝土強(qiáng)度少降低10%,因此推薦鋪設(shè)3 cm的隔熱層。當(dāng)?shù)販貫?5～75 ℃時(shí),5 cm隔熱層的效果要明顯高于3 cm隔熱層的效果,但10 cm隔熱層與5 cm隔熱層差別不大,因此在此區(qū)間段推薦鋪設(shè)5 cm隔熱層。當(dāng)?shù)販貫?5～85 ℃時(shí),10 cm隔熱層效果略優(yōu)于5 cm隔熱層(混凝土抗壓與抗拉劈裂強(qiáng)度多提升3%),但考慮極端高溫條件下難以維持洞內(nèi)低溫,隔熱層厚度可根據(jù)實(shí)際隧道環(huán)境選取。若能保證洞內(nèi)氣溫維持在28 ℃以內(nèi),鋪設(shè)5 cm隔熱層,否則鋪設(shè)10 cm隔熱層。對(duì)于地溫超過(guò)85 ℃的地段,推薦鋪設(shè)10 cm的隔熱層,盡可能隔絕圍巖的高溫。
4 結(jié)論
直接以溫度作為隔熱效果的控制指標(biāo)不能反映高溫會(huì)使襯砌力學(xué)性能降低的本質(zhì),以襯砌混凝土強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)隔熱效果的指標(biāo)更能反映熱害的本質(zhì)。依托某高原隧道,使用Comsol數(shù)值模擬建立了其熱力學(xué)模型,并計(jì)算得到了不同初始地溫工況下鋪設(shè)不同厚度隔熱層時(shí)襯砌混凝土各齡期的平均養(yǎng)護(hù)溫度。根據(jù)強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)溫度之間的關(guān)系計(jì)算得到了各齡期襯砌混凝土的強(qiáng)度,并以此為基準(zhǔn)對(duì)比了各工況下不同厚度隔熱層的作用效果,研究得到以下結(jié)論。
(1)隧道施工時(shí),應(yīng)保證混凝土養(yǎng)護(hù)溫度低于40 ℃,否則會(huì)嚴(yán)重降低襯砌混凝土的力學(xué)性能。
(2)隔熱層的厚度應(yīng)根據(jù)圍巖初始地溫確定,太厚不經(jīng)濟(jì),太薄則不能充分隔絕熱量,仍會(huì)使襯砌混凝土的強(qiáng)度降低:55 ℃以下的地溫段,無(wú)需使用隔熱層;55～65 ℃的地段,推薦使用3 cm隔熱層;65～75 ℃地溫段,使用5 cm隔熱層;75～85 ℃地溫段,若能保證洞內(nèi)氣溫維持在28 ℃以內(nèi),使用5 cm隔熱層,否則使用10 cm隔熱層;高于85 ℃的地段,推薦使用10 cm隔熱層。
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