摘要：为防止寒冷地区隧道排水系统冬季冻结，减少隧道冻害，本文依托辽宁天秀山隧道，采用现场测试和数值模拟的方法，结合现场防冻保温设计，对中隔式局部保温法的合理性进行分析，提出防冻保温设计的建议与改进措施。结果表明，中隔式局部保温板可有效增加环向盲管温度，但负温区会从保温板两侧扩散，进而覆盖环向盲管，造成排水系统冻结堵塞，此时初期支护纵向温度呈“倒U”型分布。将保温板宽度优化至4m后，可保证环向盲管冬季不冻结。
关键词：寒区隧道;环向盲管;数值模拟;温度变化规律;局部保温法
0 引言
随着我国铁路系统的不断发展与完善，铁路运营范围逐渐扩大，修建环境也更加复杂。在我国东北地区和西南地区，由于气候环境常年严寒，高速铁路的修建和养护出现了诸多问题。铁路隧道由于地处野外山岭地区，冬季寒冷、昼夜温差大、气候环境恶劣，常常会发生道床结冰、衬砌挂冰、混凝土开裂等冻害现象，严重影响隧道行车安全和结构稳定[1-4]。
隧道环向盲管作为地下水重要疏排通道，如果其发生冻结，将会导致围岩内地下水无法排出，在防水不严的情况下会造成衬砌渗漏水、衬砌挂冰、道床结冰等冻害现象。因此，保证环向盲管冬季不冻结是非常重要的，主要方法有被动保温法和主动供热法[5-8]。
目前，国内应用较广的是被动保温法，即铺设保温板以减少热传导，保证衬砌壁后温度稳定。但在高速铁路隧道，由于高铁行车活塞风影响，保温板不宜铺设于衬砌外侧。因此，一般采用中隔式铺设，即铺设在二次衬砌与初期支护之间。同时，为降低工程造价，铁路隧道一般采用局部保温法，即在环向盲管外侧铺设一定宽度保温板，并采用双层防水板进行包裹。
本文依托辽宁天秀山隧道工程，结合现场防冻保温设计情况，采用现场测试和数值模拟的方法，对中隔式局部保温法的合理性进行分析，研究冬季温度场时空分布规律，提出防冻保温设计的建议与改进措施，为我国寒冷地区高速铁路隧道防冻保温设计提供参考。
1 隧道工程概况
1.1 隧址区工程概况
天秀山隧道位于辽宁省建平县，地处我国高纬度寒冷地区，全长9072m，为双线单洞高速铁路隧道，是京沈高铁支线赤喀客专的控制性工程。
隧址区属于北温带亚干旱季风气候区，春季干旱多风;夏季高温多雨;冬季干燥寒冷。2018年平均气温9.9℃，最冷月平均气温为-12℃，全年最低温度为-20℃。
1.2 隧道防排水设计
隧道二次衬砌混凝土采用抗渗等级不小于P10的防水混凝土。防水层由EVA防水板和土工布组成。防水板背后设有外包土工布的环向透水盲管，纵向间距6~8m/道，地下水发育地区密集布置。环向盲管通过隧底的横向导水管将水引入中心深埋水沟。
1.3 局部保温设计
天秀山隧道对环向盲管采用间隔施作保温层的局部保温法，具体方法为：根据环向盲管位置，在二次衬砌背后依次铺设：2m宽EVA防水板+2m宽保温板+EVA防水板+土工布+环向盲管。保温板采用5cm厚聚氨酯保温板。具体布置情况如图1、图2所示。
由于局部保温设计并非全长施作保温板，冬季负温区域将会覆盖衬砌和部分初期支护。因此，建议支护结构采用抗冻混凝土，以防止温度应力引起衬砌开裂。同时，为分析负温区域是否覆盖环向盲管，对其进行有限元数值模拟。
2 隧道数值模拟
为研究局部保温设计合理性，揭示地层温度场时空变化规律，采用ANSYS有限元软件对其进行瞬态热分析，建立衬砌局部保温模型，采用现场实测气温作为温度荷载，分析地层温度场周期性变化规律。
2.1 有限元模型
根据天秀山隧道设计资料，建立衬砌局部保温数值模型，忽略隧道曲率影响，并简化为平面传导问题。定义距衬砌表面20m为恒温边界，模型长度为26m，即间隔设置三个局部保温板，具体数值模型与局部保温模型图如图3、图4所示。
2.2 计算参数的选取
假定围岩、混凝土、保温材料均为各向同性的均匀连续介质[9-13]，其相关材料参数不发生变化;忽略防水层对热传递的影响。根据《民用建筑热工设计规范》中相关物理参数的推荐值[14]，以及聚氨酯保温板的物理参数实测值，对模型中各材料进行赋值，具体参数见表1所列。
2.3 边界条件
在隧道洞外设置气象观测站，如图5所示，获取隧址区2018年气温数据。由于本文未考虑列车活塞风、极端天气、昼夜温差等不利因素的影响，为减小这些误差影响，使计算结果更贴近实际，采用洞外实测气温作为气温荷载应用于数值模拟，同时，不考虑地热等有利因素的影响。
由图6可知，隧址区最低月平均气温出现在1月份，3月份回升至正温，7月份达到最高值，10月份降低至0℃。
将气温拟合方程作为温度荷载，施加于衬砌表面;其余边界定义为恒温边界，根据恒温带温度[15-16]，将恒温边界与初始温度场设置为5℃。
3 数值模拟结果分析
为减小初始温度场和恒温边界对数值计算的影响，模拟运营期温度场，选取第10年冬季计算结果进行分析。同时，为方便研究隧道负温区域时空分布规律，以下仅显示-10℃至 0℃温度云图。
3.1 全长铺设保温板模拟
为分析局部保温法的合理性，首先需确定保温板厚度是否符合工况要求，因此，对保温板进行全长铺设模拟，即衬砌背部全长铺设5cm聚氨酯保温板。具体温度场时空分布情况，如图7所示。
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由图7可知，5cm厚聚氨酯保温板保温效果显著，满足该工况设计要求，环向透水盲管及初期支护未出现负温。而衬砌由于未施加保温板，始终暴露在负温负温。
3.2 局部保温层模拟
根据天秀山隧道实际情况，对局部保温法进行模拟分析，得到温度场分布情况，如图8所示。
由图8可知，初期支护12月之后降低至负温;负温区域由保温板两侧逐渐扩散，进而影响环向盲管，保温板背后负温带呈“U”型分布;2月环向盲管达到最低温度为-2℃左右;3月温度逐渐回升。
由此可知，局部保温法一定程度上可以减少热传导，降低负温对环向盲管的影响，使冬季环向盲管温度维持在 -2℃以上。但负温会从保温板两侧传导至环向盲管，依旧存在冻结风险。因此，建议对局部保温层进行优化，增加其设置宽度，以满足工况要求。
3.3 局部保温层优化
天秀山隧道原设计局部保温层宽度为2m，相邻保温板边缘间隔5m，对其宽度进行优化，依次增加0.5m，计算各宽度下最冷温度场，即2月温度云图，计算结果如图9所示。
由图9可知，保温板2.5~3.0m宽时，环向盲管温度维持在0℃左右，但依旧存在冻结风险;3.5m宽以上时环向盲管不再被负温区域覆盖，此时相邻保温板边缘间距3.5m。
由此可知，寒冷地区隧道采用中隔式局部保温法是可行的。当防冻隔热层厚度和宽度满足工况要求时，可有效防止排水系统冻结，将围岩内地下水顺利排出，减少冻害的发生。
4 测线温度
为进一步研究保温板防冻隔热效果，在衬砌内选取三条测线进行温度观测。AB测线沿衬砌径向进尺1m测线，并通过环向盲管中心;CD测线沿衬砌径向进尺1m测线，并通过未铺设保温板中心，EF测线为沿初期支护纵向10m测线，测线中心位于环向盲管中心，具体测线布置情况如图10所示。
由图11可知，温度在通过保温板时，会发生突变，其中全面铺设保温板温度突变更为明显;同时，衬砌负温期为11月至3月，环向盲管负温期为1月至3月，铺设保温板后，环向盲管温度更高，负温期更短。
局部铺设与全面铺设保温板温度曲线对比，各月初期支护温度相差较大，具体表现为：局部保温时，10月和11月初期支护的温度相对更高，12月至4月则更低。全面铺设保温板时初期支护温度始终未降至负温，而局部铺设保温板时初期支护温度在1月至3月为负温。
降温期，测线温度随时间逐渐降低，衬砌温度降低较快，而初期支护温度降低较慢。升温期，衬砌温度随时间逐渐增加，而初期支护温度2月后才逐渐增加。同时，衬砌最低温度出现在1月，而初期支护最低温度出现在2月。这说明，温度在透过保温板传递时，具有较大的滞后性。——论文作者：王能学
