寒区隧道保温层设置及保温效果数值模拟分析

在寒冷地区,保温层对隧道防冻抗冻起着至关重要的作用。为研究适合高海拔寒区隧道保温层的设计结构,通过有限元数值模拟软件建立了含相变的二维温度场计算模型,对青海省多隆隧道保温层铺设方式、设计厚度、导热系数以及不同保温材料的最优选取进行研究。结果表明：(1)对于拱脚和仰拱,双层铺设和夹层铺设的保温效果优于表层铺设,对于拱顶,3种铺设方法均可有效避免冻结冻害。(2)年平均温度大于0℃时,保温层的厚度宜选取5～9 cm;年平均温度小于0℃时,最佳保温层厚度为13 cm。(3)多隆隧道在运营十年内,保温层厚度为5 cm,保温层的导热系数取值为0.03 W/(m·℃)及以下可以避免衬砌产生冻害。(4)通过对铺设保温层和不铺设保温层的隧道洞壁表面温度进行对比分析,以及对不同保温材料的保温效果进行定量分析,发现保温效果最好的是硬质聚氨酯保温板,聚酚醛泡沫塑料次之,最差的为泡沫玻璃。     

基于水-热耦合模型的多年冻土隧道隔热层厚度优化研究

为了使多年冻土隧道围岩保持冻结状态,经常选择在隧道衬砌结构中铺设保温隔热层的方法以防止围岩产生冻融破坏。保温隔热层的厚度是影响多年冻土隧道结构的稳定性和工程经济的一个重要参数。针对这一问题,建立了考虑渗流和冰水相变的水-热耦合模型,并将该模型嵌入COMSOL Multiphysics数值软件中加以应用。以青海省某隧道为研究对象,对该隧道洞口段保温隔热层厚度的优化设计进行研究。结果表明：隧道仰拱位置被确定为优化设计的不利位置,隧道开挖在第1年的5月23日温度达到最高,被确定为优化设计的不利时间;不利位置处的最高温度随保温隔热层厚度的增加而下降,通过拟合公式计算出最优隔热层厚度为7.2 cm;在最优保温隔热层厚度下隧道衬砌背后围岩温度均处于0 ℃以下,不会产生冻融破坏。隧道在设计隔热结构时采用7.2 cm的隔热层厚度提高了围岩隧道结构的稳定性。