寒區(qū)隧道保溫隔熱層的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，青藏鐵路、西氣東輸工程以及南水北調(diào)西線工程等一些重大建設(shè)項(xiàng)目的進(jìn)行，寒區(qū)凍土工程和寒區(qū)隧道工程將越來越多。如果這些工程按照一般地區(qū)工程修建，那么凍害就在所難免，如天山二號、甘肅七道梁公路隧道以及青藏鐵路關(guān)角隧道等。為了防止隧道結(jié)構(gòu)凍害，保溫隔熱層被廣泛采用，青藏鐵路風(fēng)火山、昆侖山隧道在隧道襯砌與初支見鋪設(shè)了5cm的保溫材料，西(寧)張(掖)公路大坂山隧道在二襯外鋪設(shè)了8cm的保溫材料。這些鋪設(shè)的保溫層厚度及

2、其導(dǎo)熱系數(shù)是否最合理，是否既經(jīng)濟(jì)又安全等問題，即最優(yōu)問題也不得而知。為了解決這個問題，就須對保溫隔熱層進(jìn)行優(yōu)化。
　　 為此，本文以青藏鐵路風(fēng)火山隧道和西(寧)一張(掖)公路大坂山隧道為依托，運(yùn)用寒區(qū)隧道溫度場計(jì)算理論和優(yōu)化設(shè)計(jì)基本原理，建立了保溫材料優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算理論，并提出了其求解方法。應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS，對多年凍土地區(qū)風(fēng)火山隧道和季節(jié)性凍土地區(qū)大坂山隧道進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算分析，得到以下主要成果：
　　 ①寒區(qū)

3、隧道在不考慮氣候變暖和考慮氣候變暖情況下，優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)算結(jié)果完全一致，最優(yōu)設(shè)計(jì)也是在可行域內(nèi)并且是最優(yōu)解，因此該優(yōu)化方法及其結(jié)果是可靠的。
　　 ②對于風(fēng)火山隧道，原設(shè)計(jì)的保溫隔熱層參數(shù)為：H=0.50E-01 m和λ=0.30E-01 W·m-1·K-1，每延米價(jià)格為5972.6元。優(yōu)化結(jié)果為：不考慮氣候變暖最高價(jià)格為7581.3元，考慮氣候變暖的情況下最高價(jià)格為7581.8元，相應(yīng)的保溫隔熱層參數(shù)基本相同，均為H=6.64E

4、-02 m和λ=0.13025E-01 W·m-1·K-1；不考慮氣候變暖的最低價(jià)格為5752.7元，相應(yīng)的保溫隔熱層參數(shù)為H=4.66E-02 m和λ=2.8491E-02 W·m-1·K-1；考慮氣候變暖的最低價(jià)格為5812.4，相應(yīng)的保溫隔熱層參數(shù)為H=5.84E-02m和λ=6.5613E-02 W·m-1·K-1。氣候變暖是一種趨勢，因此為了保證隧道結(jié)構(gòu)周圍圍巖處于負(fù)溫，若設(shè)置參數(shù)為H=6.64E-02 m和λ=0.13025

5、E-01 W·m-1·K-1的保溫隔熱層，雖然其價(jià)格增加了26.9％，但均可以保證隧道結(jié)構(gòu)周圍圍巖避免凍融作用的影響，同時(shí)說明原設(shè)計(jì)基本合理。
　　 ③對于大坂山隧道，原設(shè)計(jì)的保溫隔熱層參數(shù)為：H=0.135 m和λ=0.341E-01 W·m-1·K-1，每延米價(jià)格為12256.8元。優(yōu)化結(jié)果為：不考慮氣候變暖最高價(jià)格為6787.5元，相應(yīng)的保溫隔熱層參數(shù)為H=5.51E-02 m和λ=1.0323E-02 W·m-1·K-1

6、；考慮氣候變暖的情況下最高價(jià)格為7613.0元，相應(yīng)的保溫隔熱層參數(shù)為H=6.60E-02 m和λ=1.0227E-02 W·m-1·K-1；不考慮氣候變暖的最低價(jià)格為6030.7元，相應(yīng)的保溫隔熱層參數(shù)為H=4.52E-02 m和λ=1.1027E-02 W·m-1·K-1；考慮氣候變暖的最低價(jià)格為6240.0，相應(yīng)的保溫隔熱層參數(shù)為H=4.77E-02m和λ=1.0226E-02W·m-1·K-1。氣候變暖是一種趨勢，因此為了保證隧

7、道結(jié)構(gòu)周圍圍巖處于正溫，若設(shè)置參數(shù)為H=6.60E-02 m和λ=1.0227E-02 W·m-1·K-1的保溫隔熱層，其價(jià)格減少37.9％，因此，在兩種條件下，雖然隧道結(jié)構(gòu)周圍圍巖都處于正溫，但大坂山的原設(shè)計(jì)偏于保守。
　　 ④通過對考慮氣候變暖和不變暖兩種情況計(jì)算分析，隧道圍巖溫度相差較大，而全球氣候變暖是不爭的事實(shí)，因此在寒區(qū)隧道工程設(shè)計(jì)中須考慮氣候變暖。
　　 ⑤沿隧道縱向，由于平均溫度是變化的，因此鋪設(shè)的保溫隔