浅析寒区隧道离壁式衬砌热传导的防止方法

摘要：本文以寒区隧道离壁式衬砌结构的构造特点为基础，重点对隧道传热过程中热传递的方式进行了分析，采用了传热学理论，研究了隧道内热传导的两种方式：热传导及热辐射，提出了对隧道热传导防止的方法，从而消除或减轻冻害现象的发生，达到保持寒区隧道的热学、力学稳定的目的。

关 键 词：寒区隧道；离壁衬砌；保温隔热；热传递

Analysis on cold region tunnels off the wall lining insulation structure

Liu Quan

( Chang'an University，Xi'an 710064,China)

AbstractThis article isbased off the wall lining the texture and structure characteristics, discussed preventionare two ways of heat transfer: conduction, radiation, and try to eliminate or mitigate frost damage occurred, to achieve the purpose of the insulation to keep the cold region tunnels thermal, mechanical stability.

Keyword： Cold regions tunnel ；Separate lining ； Thermal insulation；Heat transfer

中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号：

1前言

在严寒或多年冻土区的铁路公路隧道，凡是年平均气温低于-1C，都有不同程度的冻害。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、昆仑山隧道等国内高寒区隧道基本采用的是复合式衬砌结构，采用保温隔热层、中心深埋水沟、防寒泄水洞及保温水沟等温饱隔热措施的组合，形成可我国基本的防冻衬砌结构型式。而国外高纬度地区如挪威已经开发出的离壁式衬砌防冻衬砌结构已经在20多余公里的公路隧道得到成功应用[1]。本文通过对离壁式衬砌结构构造特点与防冻机理上，以探究热传导热传递的两种方式：传导、辐射的防止措施为基础，提出了利用防止热传导的方式对隧道起到防寒保温的作用。

2离壁式衬砌结构的构造特点

离壁式衬砌结构的保温隔热是在衬砌混凝土和隔热层之间设置了空气层来达到保温隔热的效果。它采用锚喷衬砌作为永久支护，在距离锚喷层一定距离设置衬套层，衬套层仅起隔热、防火和提高隧道内表面平整度的作用，不承受岩体荷载，与围岩之间不产生力学上的相互作用。离壁式衬砌主要有两种结构形式：一种是衬套系统均预制混凝土管片；另一种是衬套系统边墙系统也采用预制混凝土管片。这两种离壁式衬砌结构均具有安装过程简单、耗时少、更换和维修方便等优点。

对于交通量较大的特长隧道，离壁式结构单层衬砌平整度高的特点大大降低了通风阻力，实现了减少通风阻力和满足保温隔热的功能要求[2]。离壁式衬砌的主要作用不是承受围岩压力，而是防水和隔潮，并可防范个别落石的危险。因此，离壁式衬砌结构的剖面形式简单，力学性能好，可以一般适用于围岩完整性好、节理裂隙较少，石质坚硬稳定或基本稳定的情况（如图1）。岩壁表面一般应喷射水泥砂浆，以免风化剥落。对石质较差或跨度较大的地下洞室，如用喷锚支护加固后，围岩能维持稳定，也可采用离壁式衬砌。

图1 离壁式衬砌横剖面图

3离壁式衬砌结构的保温隔热原理

离壁式衬砌结构主要是利用空气的导热系数低的特点，由于空气在不考虑对流热交换的情况下其导热系数味0.03W/(M・K)，所以以空气隔热层代替隔热材料对隧道进行隔热防冻[3]。隔热材料与衬砌混凝土之间增加一层空气作为隔热层即离壁式保温隔热的敷设方式。

它的实质就是通过增加空气隔热层的厚度来防止衬砌背后的围岩发生冻结，离壁式衬砌结构的传热过程如图2所示。

图2离壁式衬砌结构传热过程

4离壁式衬砌结构保温隔热的优化措施

4.1热传导的防止

离壁式衬砌结构的构造特点，相当于日常生活中的“保温瓶”，它的特点就是在设置了空气层，造成相对的“真空层”。这样设置的目的为了减少热传导的传递。热传导传出的热量（即能量）由下式来决定：

式中的K为纯热传导系数，为温度梯度，为在一定距离Z处所取截面积，为传导时间，负号表明由高温外传向低温处，净迁移的热量

显然，热量的迁移跟热传导系统K有关，K值越大，热传导进行的越容易;K值越小，热传导进行就越困难，根绝热传导系数与压强无关论知道，在常压下，热传导系数与压强无关[4]。

式中：k为波尔兹曼常数，M为气体分子的质量，C为理想气体定容摩尔热容量，d为气体分子的有效直径，T为热力学温度。

但随着压强的降低，传导系数K则开始与压强有关，但压强降低到一定值之后,k随着其他压强的降低而与压强成正比地减小，具体的讲，衬砌间保温层的距离为L，那么当压强时，若压强再降低，则。因此离壁式衬砌的真空度越高，热传导系数的值越小，热传导就越难进行。

4.2热辐射的防止

离壁式衬砌结构最外表面需要反射能力强的材料，如采用0.3mm厚的涂料与6.5~10.0mm厚的塑泡层结构，这是为了防止热辐射所采取的措施，因为热辐射电磁破所具有的能量被物体吸收，根据斯忒藩定律：

式中：R叫辐射度：单位面积上辐射能的发射率，e为表面的发射系数，是斯忒藩―波尔兹曼参数；T为热力学温度。

由上式知道，辐射能量的多少余额表面发射系数e有关。而表面的发射系数由表面的性质决定，一般讲，表面越粗糙，发射系数就越大；表面越光滑，发射系数越小，发射出去的能量就越少。由于表面的光洁，还能将到达表面的热辐射电波反射回去。表面越光滑，发射能力就越强。

5结论

本文系统阐述了离壁式衬砌结构的设计原理及构造特点，对其传热过程中热传递的方式进行了重点分析，采用了传热学理论研究了隧道内热传导的两种方式：热传导及热辐射对隧道温度场的影响，得出了几点结论和探讨：

隧道内温度传递主要是热传导和热辐射两种方式，是引起离壁式衬砌的主要因素，围岩温度往往是有地质环境的低温和隧道埋深所决定，因此控制隧道内热传导和热辐射是解决隧道防冻问题的主要途径。

离壁式空气层从传热的角度起到了隔热作用，且对离壁空气层的有限空间采用暖气或电加热等工程措施来防止支护衬砌结构发生冻胀问题提供了可能。

采用单层衬砌结构，具有结构受力简单、工序简便、防水性能可靠等优点，而且具有可修性，对提高施工效率和保证工程建设质量具有重要意义。

离壁式衬砌结构的空腔内若开孔，一旦与外界有对流交换，空腔内的温度将下降很快，保温隔热的效果将很难达到要求。

参考文献：

[1]曾宏明 .保温瓶中热传递的防止应用[J].内江科技，2007,12：120-121

[2]杨世铭，陶文铨.传热学（第三版）[M]。北京：高等教育出版社.2009

[3]吴紫汪，赖远明，藏恩穆. 寒区隧道工程[M]. 北京:海洋出版社，2003

[4]陈建勋.寒冷地区隧道防冻隔温层设计计算方法及应用[J].土木工程学报,2004，(11)：256-260