高海拔严寒地区特长公路隧道隔热层敷设材料选型

刘玉勇

(中铁西南科学研究院，四川成都610031)

在高寒地区修建隧道，容易产生冻害问题。防止冻融循环所产生破坏的重要措施之一是敷设隔热层。敷设隔热层的目的是阻碍热交换，使围岩保持原状，不同的冻土地层中敷设隔热层的作用在暖季和寒季有所不同。对于多年冻土的严寒地区，当年积算冷度的绝对值大于年积算热度时，要求在暖季时隔热层能够阻碍隧道内的热空气与围岩中冷空气进行交换，防止围岩中冻土的融化，保持围岩的原有状态;对于季节性冻土地区的隧道，则要求在寒季时隔热层能够阻碍隧道内的冷空气与围岩空气进行交换，保持围岩原有状态。防止隧道背后的围岩中的水产生冻融循环。

拟建317国道雀儿山隧道工程区域海拔高度在4 200m以上，地处高寒地区，属季节性冻土，隧道的防冻技术措施将是隧道修建的关键的因素。而隔热层的敷设对隔热效果是至关重要的，因此需对隔热层材料进行合理的选择。

1 高寒隧道隔热层防冻

隔热层法是在衬砌表面或初期支护与二次衬砌之间敷设隔热材料，利用隔热材料尽量阻碍围岩中的热量放出或者是外部热量的侵入，借以保持隧道衬砌背后的围岩保持原状，不发生冻融循环。

对于雀儿山高寒隧道的防冻来说，使用敷设隔热层法对交通没有影响，且一次安装完毕后，后期运营管理费用少，尤其是采用表面隔热处理，它的防冻效果更能得到保证，对衬砌也起到了保护作用，是一种理想的防冻害措施。因此，推荐雀儿山隧道采用敷设隔热层法来进行防冻。隔热层法有贴壁式和夹心式两种敷设方式，如图1所示。合理地选择隔热层材料将有利于保证隔热层的隔热效果。

图1 隔热层两种敷设方式

2 隔热材料

通过市场的调查和实际工程的分析，表1给出了几种适合于在雀儿山隧道中应用的隔热材料的各项性能指标。

表1 隔热材料性能

3 模糊综合评判选择隔热材料

图1中，两种隔热层敷设方式除了要求隔热材料能达到隔热效果外，对隔热材料性能要求各有侧重。贴壁式敷设方式要求隔热材料的阻热性较高，夹心式则要求隔热材料的抗压强度较高。隔热材料的某些性能指标(抗压强度、密度、导热系数等)之间是相互关联的、又是相互冲突的。如在夹心式敷设方式中，要求隔热材料的抗压强度高，其密度就会大，导致其导热系数增大，达不到隔热效果;隔热材料周围存在水份时，其吸水率越高，隔热材料的导热系数增大的越快，达不到隔热效果。

因此下面采用模糊综合评判的方法，综合考虑各因素，对隔热材料进行选择。

3.1 模糊综合评判的基本原理

隔热材料选择的合理与否，直接影响到隔热材料的隔热效果。通过理论分析评价，找出影响隔热材料的主要因素。模糊数学综合评判决策是通过建立影响隔热材料的因素集合U和抉择评判集合V，找出U的模糊子集权重集合A，得出从U到V的模糊关系矩阵R，即:

式中:rij=uR(ui，vj);(0≤rij≤1)表示因素集合 U 中，因素ui抉择评判集合V中重要性vj的隶属度。

对于权重 A=(a1，a2，．．．，an)，取max－min 合成运算，即用模型M(∧，∨)计算，可得综合评判:

B=A°R

3.2 模糊综合评判的应用

在对影响隔热材料的因素进行重要性评价时，首先要建立因素集合。根据现场调查及目前隔热材料的使用情况，经过深入调查研究，影响隔热材料的主要因素有:u1(导热系数)、u2(燃烧性能)、u3(抗冻性)、u4(密度)、u5(吸水率)、u6(使用温度范围)、u7(抗压强度)。由此构成一个因素集合U:

U=(u1u2u3u4u5u6u7)

式中:U为因素集合;ui(i=1～7)指因素集合中的单因素。U可以根据实际情况增减若干个因素。

根据各因素对隔热材料的影响程度大小，即在隔热材料中的重要性可给定一评判集V:

V{很重要，重要，比较重要，不很重要，不重要，很不重要，极不重要}

3.2.1 贴壁式

根据对比权衡法对因素集合U中的各个因素进行相互权衡对比，当两个单因素对比时，重要的一方计1分，次重要的一方计0分，自己与自己对比计1分，然后计算权重αi。

式中:αi指单因素ui的权重;Qi指ui的权衡对比积分总和;Q指各因素权衡对比总和。于是得出各因素权重如表2。

其权重集合为

3.2.1.1 硬质聚氨酯泡沫材料

表2 因素权重

对每一个单因素隶属于评语集合v的程度采取工程技术专家打分刻划，满分1分。各个子因素的重要性评价如表3所示。

表3 模糊关系评价

将表3中的数据代入式(1)，即可得出影响隔热材料因素的模糊关系矩阵:

用模型M(∧，∨)进行综合评判，即将式(3)、式(4)代入式(5)，得

B1={0.25，0.2，0.2，0.21，0.18，0.1，0}将B1归一化得:

{0.22，0.18，0.18，0.18，0.16，0.09，0}为了获得清晰的评比结果，采取得分方式如下:视评判结果所形成的向量为一权重(归一化)，将评判集的等级用1分制数量化，则将评判结果进行加权平均，可得到总分。

评判集V{很重要，重要，比较重要，不很重要，不重要，很不重要，极不重要}

数量化表示为:

V{1.00，0.90，0.80，0.70，0.60，0.50，0.40 }T

得分为:

3.2.1.2 其它材料

同理，对其它几种材料建立模糊关系矩阵，取相同的权重集合A，进行综合评判。可得出结果如表4。

表4 各种隔热材料评判及得分

3.2.2 夹心式

当隔热材料敷设在初支与二衬之间时，各因素权重要发生变化，但各种材料的模糊关系矩阵不变化。其中，重要性:导热系数＞抗压强度＞吸水率＞密度＞抗冻性＞使用温度范围＞燃烧性能。

其权重集合为:

对隔热材料建立模糊关系矩阵，取相同的权重集合A1，进行综合评判，可得出结果如表5。

表5 各种隔热材料评判及得分

续表5

3.3 评判结果

根据综合评判，得出结果如下表6。贴壁式敷设方式中，硬质聚氨酯泡沫材料(0.793分)和干法硅酸铝纤维材料(0.789分)得分较高;夹心式敷设方式中，硬质聚氨酯泡沫材料(0.788分)和挤塑聚苯乙烯发泡隔热材料(0.780分)得分较高。

表6 评判结果

4 结论

通过对雀儿山隔热层敷设方式及可供选择的隔热材料分析，和应用模糊综合评判方法对隔热材料进行合理选择，得出以下几点结论。

(1) 高寒地区隧道衬砌背后的或围岩中的水产生冻融循环是隧道发生冻害的主要原因。对隧道的防冻措施可采用不同的方法，每种防冻方法都有其优缺点，通过分析，推荐雀儿山隧道工程选用敷设隔热层法对隧道进行防冻。

(2) 对7 种隔热材料进行比选，选出了适合雀儿山隧道防冻的隔热材料。若采用贴壁式敷设方式，推荐选用硬质聚氨酯泡沫材料和干法硅酸铝纤维材料; 若采用夹心式敷设方式，推荐选用硬质聚氨酯泡沫材料和挤塑聚苯乙烯发泡材料。

(3) 模糊综合评判的方法可以在类似工程中应用，只需根据工程实际情况增减若干种评判项目，如隔热材料的数量;以及增减影响评判项目的若干个影响因素，如工程造价、施工工艺等。

［1］ 贺仲雄．模糊数学及其应用［M］．天津:天津科学技术出版社，1984

［2］ 吴紫汪．寒区隧道工程［M］．北京:海洋出版社，2003

［3］ 邹春伟，罗章．模糊综合评判在土木工程中的应用初探［J］．株洲工学院学报，2003(3):104－107

［4］ 王建宇．隧道工程的技术进步［M］．北京:中国铁道出版社，2004

［5］ 马建新．高寒地区特长公路隧道温度场及保温隔热层方案研究［D］．西南交通大学，2004

［6］ 中铁西南科学研究院．高海拔严寒地区长大公路隧道防冻技术研究［R］．2009