, 李雪 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2020-09-27
基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(51808100); 辽宁省自然科学基金资助项目(2019-ZD_0004, 20170540303)。
作者简介：王连广(1964-), 男, 辽宁鞍山人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：寒区隧道冬季易出现衬砌破损甚至滴水结冰等冻害，为此，除了做保温层外，主动加热系统也是必要的，主动加热系统主要由二次衬砌和保温层间的电热带组成.为了模拟隧道衬砌混凝土表面滴漏水结冰后从负温加热至正温的工况，对负温条件下的混凝土试件进行电加热模型试验研究，包括对单独试件及三联试件进行加热试验.结果表明：在采用长度2 m、功率30 W、埋置深度10 mm的电热带，并选用40 mm厚的聚氨酯板作为保温层时，混凝土试件表面温度能够在60 min之内从-4 ℃升高至0 ℃以上.研究成果可为寒区隧道融冰防冻提供指导.
关键词：寒区隧道衬砌结构电加热系统升温规律试验研究
Experimental Study on Electric Heating of Tunnel Lining in Cold Region
WANG Lian-guang, XU Xiao
, LI Xue School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: XU Xiao, E-mail: 1752839129@qq.com.
Abstract: In winter, frost damage of tunnel such as lining damaged or even dripping and freezing often occurs in cold region. Therefore, the active heating system is necessary except for the insulation layer. The active heating system is mainly composed of the electric heating belt between the secondary lining and the insulation layer. In order to simulate the heating process of freezing-dripping-water tunnel lining, electric heating model tests on concrete specimen, including single specimen and triple test piece, was conducted from a negative temperature to a positive temperature. The results show that the surface temperature of the concrete specimen can be increased from -4 ℃ to over 0 ℃ within 60 minutes, if the electric heating belt with a length of 2 m, power of 30 W, embedded depth of 10 mm and the polyurethane board with a thickness of 40 mm are used as insulation layer. The research results can provide guidance for ice melting and antifreeze of tunnels in cold regions.
Key words: cold region tunnellining structureelectric heating systemtemperature rising ruleexperimental study
我国寒区隧道建设和使用过程中一直在遭受着不同程度的冻害，隧道衬砌结构的冻害主要表现为衬砌结构由于冻融效应的剥落、衬砌由于裂缝导致的滴漏水结冰以及衬砌结构被推出造成的失稳状态[1-2]，需要及时修复衬砌损害以防事故发生，解决隧道冻害问题已经迫在眉睫.
寒区隧道防冻研究正成为隧道的一个重要研究课题[3]，国内外****对隧道冻害进行了广泛的研究：罗彦斌等[4-5]为了便于隧道冻害的治理，对现有隧道冻害等级进行了划分；Zhao等[6]通过现场温度测试证明了保温层设计时应该考虑气温分布与隧道埋深两方面因素；Li等[7]分析了保温材料吸湿特性对其隔热性能的影响；杨天娇等[8]通过冻胀理论建立了寒区隧道水热力三场耦合计算模型；Zhang等[9]对冻融循环下的寒区隧道温度场的分布进行了研究；Ma等[10]通过建立季节冻土地区隧道热湿耦合数值模拟，分析了保温效果以及保温层位置对隧道热态的影响，得到了隧道隔热效果、热传导率和保温层厚度三者的关系；通过对周期性冻融隧道岩体的研究，Liu等[11]考虑岩体冻融影响岩石弹性模量及孔隙率提出了围岩冻胀压力模型；Feng等[12]通过建立寒区隧道非均匀受压计算模型证明了冻胀引起衬砌应力增量差，导致衬砌破坏.
为了对隧道冻害进行有效的预防，现阶段隧道保温系统主要由保温层与主动加热系统组成，其中保温层主要利用轻质的保温材料[13-14]；而主动加热系统分为电伴热系统与电加热系统.文献[15-16]通过评估达到目标温度所需的加热效率和恒温加热效果，建议将隔热和电伴热相结合，这对于防止隧道冻害是可行及有效的；杨文东等[17]通过理论与试验的方法对隧道电加热系统功率进行了分析，得到了不同深度隧道所需的电加热功率.
综上所述，国内外对于寒区隧道衬砌电加热模型试验少有研究，本文通过对单个混凝土试件及三联混凝土试件加热试验模拟滴漏水结冰隧道加热融冰的过程，定量地给出寒区隧道衬砌能够在规定时间内加热融冰时所需的电热带长度、功率以及埋设深度，并给出推荐的保温板类型及厚度.研究成果可为寒区隧道衬砌冻害防治提供建议.
1 电加热保温系统电加热方法具有污染低、安全性高且操控便捷等优点，可随时供热或终止.在寒区隧道施工期间，在衬砌结构与防水材料间埋设电热缆，并在外部铺设防火层以保证安全.在隧道使用期间，由于隧道衬砌结构冻害大多是由滴漏水结冰引起的[7]，为了防止水体结冰加重隧道冻害，当衬砌结构温度降低到零下时，可将预先埋设好的电热缆通电加热使衬砌结构温度升至0 ℃以上以防冻害的发生.
隧道衬砌施工阶段，在衬砌结构与防水材料间预先埋设U型PVC管作为电热缆管道，埋设方案见图 1.此U型PVC管下端靠近排水管，上端在距路面一定距离处弯出衬砌用以插入电热缆.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 预埋U型PVC管(侧视图)Fig.1 The embedded U type PVC tube(side view) |
本试验采用对表面铺设电热带并在四周缠绕保温棉的混凝土试件进行加热，见图 2.参考现有关于衬砌温度场的研究，主动加热系统设计时应以二次衬砌表面温度不降到冰点以下作为控制条件[16]，为此，本试验以混凝土试件表面温度能否在规定时间内从零下升至0 ℃以上作为评价标准.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 电热带加热试验Fig.2 Heating test of electric heating belt |
2 试验简介2.1 试验材料及仪器通过分析表面铺设保温层的寒区隧道衬砌温度分布，制作厚度为120 mm的混凝土试件进行加热试验.选用DXW-JZ-10型号的自控温＜65 ℃的低限温电热带，由100 W/m2的电热带和50 mm厚的保温板组成的保温系统能有效地进行隧道加热[15-17]，为此结合本试验条件选择20，30和40 W(换算后均大于100 W/m2) 三种功率的电热带并配备20，40和60 mm三种厚度的聚氨酯板用作保温板.保温棉选择20 mm厚的无石棉硅酸铝纤维毯，导热系数为0.035 W/(m· ℃).试验仪器选用6801Ⅱ型数字温度仪表，精度为0.1%±0.4 ℃，并配备与温度仪表搭配的K型热电偶的温度传感器，量程为-50 ℃~+250 ℃，适用于本试验要求的各种条件.
2.2 试验方案设计加热试验采用两种方案，分别为单个试件的电加热试验与三联试件的电加热试验.其中单个试件的电加热试验设置对照试验组A，B，C，D共4组；三联试件电加热试验设置对照试验组E和F两组.为了保证隧道衬砌加热融冰效率以防事故发生，参考表面铺设保温层的寒区隧道二次衬砌表面温度，确定以混凝土试件表面温度-4 ℃左右作为试验初始加热温度，并以60 min作为加热时长.
单个试件试验方案设计中，根据混凝土试件的实际尺寸(450 mm×350 mm×120 mm)，确定以电热带长度2 m和3 m作为A组试验变量，并同时配备功率30 W的电热带，用以确定A1和A2试件能否满足试验要求.B组试验与A组试验相似，只是控制变量变成电热带功率.C组试验控制电热带长度和功率一定，外贴不同厚度的保温板，考虑经济与保温效果确定当使用聚氨酯板和电热带组成隧道衬砌结构保温系统时，隧道保温层的最佳厚度.现阶段隧道电热带均是用线卡设置在二次衬砌表面上[15-16]，为了研究适当的埋深是否有助于电加热效率的提升，设置了D组试验，控制电热带长度、功率及保温板厚度一定，将电热带埋置距混凝土试件表面10 mm与20 mm深度处，确定电热带埋置深度对混凝土试件温度变化的影响.
对于三联试件试验组设计，E组和F组分别以电热带长度及功率作为变量进行试验，以此定量地确定单个试件电加热试验获得数据及结论的可靠性.单个试件和三联试件加热试验具体设计方案见表 1和表 2.
表 1(Table 1)
 表 1 单个试件试验方案Table 1 Test scheme for single specimen
| 表 1 单个试件试验方案 Table 1 Test scheme for single specimen |
表 2(Table 2)
表 2 三联试件试验方案Table 2 Test scheme for the triple test piece
| 表 2 三联试件试验方案 Table 2 Test scheme for the triple test piece |
2.3 试验步骤1) 制作混凝土试件，选用C30混凝土，利用大板喷射试模(450 mm×350 mm×120 mm) 作为模具制作6个混凝土试件.
2) 在浇筑混凝土过程中，在试件表面及表面以下5 cm处预埋温度传感器.为防止传感器出现问题，在表面和内部分别布置2个和3个传感器.
3) 混凝土试件在室温下养护28 d.
4) 试件养护28 d后在混凝土表面铺设电热带并用线卡固定，在试件外围包裹石棉用以保温，用来模拟隧道衬砌结构的实际工况，具体铺设情况如图 3所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 电热带铺设情况Fig.3 Setting of the electric heating belt |
5) 试验开始前先测试检查电热带、测温仪表和传感器是否正常工作.
6) 测试结束后记录初始温度，开始加热的前1/2 h每5 min记录一次数据，后1/2 h每10 min记录一次数据.
3 试验结果与分析试验的主要参数有电热带长度、功率、埋设深度和保温板厚度，记录60 min内不同试验条件下的单个混凝土试件及三联混凝土试件温度，由试验数据绘制试件内部及表面的温度变化曲线，分析单个混凝土试件温度升高速率及最终温度是否符合试验要求，并用三联试件试验加以验证，进而确定能够有效进行隧道衬砌融冰的电热带长度、功率、埋设深度与保温层厚度.
3.1 单个混凝土电加热试验3.1.1 电热带长度及功率的影响A组试验以电热带长度作为变量，选择了2 m和3 m的电热带固定在混凝土试件上进行试验，见图 4.60 min内混凝土表面及内部温度变化曲线见图 5.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同电热带长度试验Fig.4 Test of electric heating belts with different length (a)—2 m; (b)—3 m. |
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 电热带长度对混凝土内部及表面温度的影响Fig.5 Influence of electric heating belt length on the internal and surface temperature of concrete |
由图 5可得：无论是2 m还是3 m长的电热带，内部升温速率都比表面慢，这是由于温度从表面传至一定厚度处需要一定时间.在30 min时，内部相差0.4 ℃，表面相差0.4 ℃；60 min时，内部相差0.9 ℃，表面相差0.6 ℃，采用2 m电热带的试件A1的温度升高速率无论是内部还是表面都没有采用3 m电热带的试件A2快，但是由于温度增长曲线相近，二者相差甚小，而且在相同条件下布置2 m电热带和3 m电热带都能使试件表面温度升至正温，说明电热带长度的增加对于加热效率提升有限，对于本模型试验的混凝土试件而言，2 m的电热带已经足够，过多增加电热带长度对提高加热效率无济于事.对于配备电加热系统的寒区隧道工程，可以考虑保持电热带长度不变而增加其他影响因素来提高隧道衬砌的升温速率.
B组试验采用电热带功率为变量，设置3组铺设不同功率电热带试验组，电热带功率对混凝土试件内部和表面温度的影响曲线见图 6和图 7.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 电热带功率对混凝土内部温度的影响Fig.6 Influence of electric heating belt power on internal temperature of concrete |
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 电热带功率对混凝土表面温度的影响Fig.7 Influence of electric heating belt power on surface temperature of concrete |
由图 6及图 7可得：改变电热带功率对于温度提升速率影响显著，试验60 min时三个试件的内部和表面温度差异明显，对于内部温度而言，试件B1, B2和B3在60 min时温度分别较初始温度升高1.2, 2.5和3.7 ℃；对于表面温度，试件B2和B3升温速率很快，试件B1则相对较缓，且在60 min之内试件B2和B3表面温度可以从-4 ℃提升至0 ℃以上，而试件B1则效果不佳，无法达到试验要求.综上，B组试验中电热带功率的提升能够迅速提高加热效率，在5 min时温度就产生了明显差距，说明相对于增加电热带长度，提升电热带功率对于隧道衬砌结冰融化效率提升显著.
3.1.2 保温板厚度的影响C组试验以聚氨酯泡沫保温板厚度作为对比变量分别设计3组试验，见图 8.60 min内混凝土内部和表面温度变化曲线见图 9和图 10.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 不同厚度保温板试验Fig.8 Test of insulation boards with different thickness |
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 保温板厚度对混凝土内部温度的影响Fig.9 Influence of insulation board thickness on internal temperature of concrete |
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 保温板厚度对混凝土表面温度的影响Fig.10 Influence of insulation board thickness on surface temperature of concrete |
由图 9与图 10可得：对比C组试验中试件C1与C2的温度数据可以发现，由于C2的保温板厚度为40 mm，在试验结束时试件C2内部及表面的温度均高于试件C1，超过1 ℃，尤其在试验结束时，试件C1表面温度刚刚达到1 ℃，试件C2却达到了4 ℃，说明20 mm聚氨酯板作为保温层效果不佳.此外试件C2温度升高的速率也比试件C1要快很多，这些现象是由于聚氨酯板的加厚使得热阻变大，相同时间衬砌结构散失的热量减少，寒区隧道设置足够厚度的保温层意义在于：
1) 避免隧道排水系统由于水结冰造成的堵塞；
2) 减少衬砌结构由于体积膨胀引起的冻胀力.
但是对比试件C2与C3温度变化规律，可以得出：配备40 mm和60 mm保温板的试件温度升高速率和试验结束温度相差不大，说明当保温板厚度达到一定值时保温效果已达极致，再增加保温板厚度对于保温效果提升不大，这与寒区隧道保温层研究结果一致[6-7]，验证了本模型试验数据的准确性.考虑经济和保温效果因素，建议寒区隧道工程选用40 mm厚的聚氨酯板作为保温层与电热带构成隧道保温系统.
3.1.3 电热带埋置深度的影响试验以电热带埋置深度为变量设计了3组试验，见表 1.60 min内埋置不同深度电热带的混凝土试件内部和表面温度变化曲线如图 11和图 12所示.
图 11(Fig. 11)
 | 图 11 埋置深度对混凝土内部温度的影响Fig.11 Influence of embedding depth on internal temperature of concrete |
图 12(Fig. 12)
 | 图 12 埋置深度对混凝土表面温度的影响Fig.12 Influence of embedding depth on surface temperature of concrete |
由图 11与图 12可以看出：对于内部温度，试件D3＞D2＞D1，这是因为内部测温点距20 mm埋置点最近，距10 mm埋置点次之，距表面的距离最远，温度传导有差异；而表面温度，试件D3＜D1＜D2，这是因为虽然表面布置电热带距测点最近，但是电热带和混凝土接触不紧密，暴露在空气中的部分多，而试件D2的电热带埋置在深度10 mm处，不仅和混凝土紧密贴合，而且通过保温板的覆盖，使热量积聚在混凝土表面，才造成表面温度最高的现象.综上所述，当埋置深度为10 mm时，电热带能更加有效地对隧道衬砌进行加热保温.
3.2 三联混凝土电加热试验三联混凝土电加热试验的试件是将三块混凝土并列成一个试验试件，用以验证单个试件电加热试验得出数据及结论的可靠性，分别进行以下两组试验.
3.2.1 电热带长度的影响试验以电热带长度为参数，选用3倍长度于单个试件电加热试验的电热带，即铺设的电热带长度分别为6 m和9 m，由试验结果绘制60 min内不同电热带长度试件温度随时间的变化曲线，见图 13.
图 13(Fig. 13)
 | 图 13 三联试件电热带长度对混凝土内部及表面温度的影响Fig.13 Influence of electric heating belt length of triple test piece on the internal and surface temperature of concrete |
由图 13可以看出：铺设不同长度电热带的三联试件温度变化趋势与单个试件电加热试验相近，但试验结束时的温差不同，在60 min时铺设9 m电热带的试件比铺设6 m的电热带试件表面温度高1.2 ℃，内部温度高0.7 ℃，但由于二者均能在规定时间之内将表面温度提升至正温，故与单个试件加热试验结论相同，选择长度6 m的电热带.
3.2.2 电热带功率的影响以电热带功率为参数，选择的电热带功率分别为30 W和40 W，三联试件不同电热带功率试验如图 14所示.60 min内不同电热带功率的试件温度随时间的变化曲线见图 15.
图 14(Fig. 14)
 | 图 14 三联试件不同电热带功率试验Fig.14 Test of electric heating belts with different power on the triple test piece |
图 15(Fig. 15)
 | 图 15 三联试件电热带功率对混凝土内部及表面温度的影响Fig.15 Influence of electric heating belt power of triple test piece on the internal and surface temperature of concrete |
由图 15可以看出：试验开始15 min之后，试件F2L表面温度始终比试件F1L高1~4 ℃，温度升高速率也比后者略大，最终温度相差1.5 ℃左右.说明电热带功率对于混凝土试件温度升高起到至关重要的作用，且30 W与40 W功率的电热带同样能够在规定时间内使混凝土试件表面温度提升至正温，故与单个试件加热试验结论相同，选用30 W功率电热带为宜.
4 结论1) 铺设电热带长度对混凝土温度有一定的影响，2 m和3 m的电热带在60 min均能使试件温度提升5 ℃，达到0 ℃以上，但是跟其他因素相比，电热带长度的影响较小，实际应用时可以考虑保持电热带长度不变而改变其他影响因素来改善加热效果.
2) 电热带功率不同，发热量不同，混凝土吸收的热量也不同.30 W和40 W电热带满足要求，而20W电热带不能在规定的时间内将试件表面温度提升到0 ℃以上，综合考虑本试验试件选用30 W电热带为宜，对于寒区隧道工程可以按比例进行电热带功率的选取.
3) 对于保温层的选择，40 mm和60 mm厚的聚氨酯板保温效果明显，20 mm厚的聚氨酯板效果不佳，应根据经济和保温效果综合考虑选材，选用40 mm厚的聚氨酯板作为寒区隧道衬砌保温层为佳.
4) 电热带埋置深度对混凝土表面及内部温度影响显著，就本试验而言10 mm埋置深度较好，寒区隧道施工时，可将电热带埋置到距二次衬砌表面10 mm深度处.
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