贺玉龙，赵 文，张光明

（西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031）

0 引 言

高地温问题是深埋长大隧道的突出工程地质病害问题之一，多国在修建深埋长大隧道时都不同程度地出现了高地温热害。如日本的安房公路隧道施工期间地温高达75℃；我国大瑞铁路高黎贡山隧道也遇到了高地温这一关键性技术难题[1]，预测隧道洞身位置温度为43.2～75.2℃。高地温一方面恶化隧道施工作业环境，降低劳动生产率，严重威胁到施工人员的健康和安全；另一方面，还影响到施工及建筑材料的选取，产生的附加温度应力还可能引起衬砌开裂，并造成隧道养护维修困难，从而可能导致运营成本大幅提高。因此，准确预测隧道围岩温度场及围岩热应力分布，对高地温地区隧道工程的安全施工及运营具有重要意义。

导热系数是岩体温度场最主要的特征参数，直接影响到隧道围岩温度场的分布。目前，在深埋长大隧道围岩温度场及围岩热应力计算中，假定围岩导热系数为常数，不随岩体所处的温度、应力环境而变化。国内外的研究表明，温度是影响岩石导热系数的主要外部因素之一，但这些研究涉及的温度多为高压、较高至高温环境[2-8]。Asghari Maqsood 等（2004）测试了-20～60℃范围内花岗岩导热系数的变化情况[9]。隧道工程洞身位置的地温大多处于20～80℃范围，但对这一温度范围内岩石导热系数随温度变化的试验研究甚为欠缺。为此，本文选取高地温出现较集中的花岗岩（取自大理至瑞丽铁路高黎贡山特长隧道）和砂岩进行试验，考察隧道工程常见温度范围内岩石导热系数随温度的变化情况。

1 试验仪器及试验流程

试验仪器采用基于平板热流计法的导热系数测试仪，仪器采用在试样一面加稳定的热面温度，热量通过试样传递到冷面（室温），测量传递的热流来计算导热系数。采用WPY热流计，计算机自动测试。

1.1 导热系数测试仪主要技术参数

（1）导热系数测试范围。板状样0.015～5W/（m·K），准确度小于5%；圆柱状样3～400 W/（m·K），准确度小于5%。

（2）热面温度。室温到99.99℃之间，采用高分辨力数显表测温，准确度等级0.2级，分辨率0.01℃。

（3）冷面温度。室温，采用高分辨力数显表测温，准确度等级0.2级，分辨率0.01℃。冷面采用强制风冷。

（4）冷热板传热面积。150mm×150mm，冷热板可调节间距为0～160mm。

（5）热面温控。平板加热器，双向可控硅控制。

1.2 试验流程

（1）在程序主界面“设定温度”栏输入热面温度值，再按“加热启动”键，使仪器进入升温状态，然后打开“风扇”开关。

（2）将岩样冷热面涂上少量导热硅脂，放置于仪器冷热面正中央，压紧岩样。

（3）输入岩样厚度和截面积数据后，按“自动测试”键，仪器进入自动测试状态，完成后自动生成报表。

1.3 导热系数计算

按式（1）计算岩样导热系数λ：

式中：TA——岩样热面温度，K；

TD——岩样冷面温度，K；

A——岩样截面积，m2；

Q——热流，W；

L——岩样长度，m。

2 试验结果分析

本试验所用岩样来自现场地质钻探所获取的直径70mm的岩芯，加工后岩样的尺寸为：圆柱体，直径50mm，高度15mm，见图1。试验前在岩样冷热面涂上少量导热硅脂（见图2），测试现场见图3。

根据试验时的温度条件，对花岗岩和砂岩岩样各测试了4个平均温度下的导热系数。试验过程中，花岗岩岩样热面温度39.23～88.56℃，冷面温度23.48～35.67℃，平均温度31.39～62.10℃。砂岩岩样热面温度 39.25～88.49℃，冷面温度 18.11～36.71℃，平均温度28.78～62.57℃。

2.1 温度对花岗岩导热系数的影响

根据试验结果，温度对花岗岩导热系数的影响如图4所示。

由图4可看出，花岗岩导热系数随温度的升高而缓慢下降，两者之间存在负相关的直线关系。

式中：λ——岩样的导热系数，W/（m·℃）；

T——岩样的温度，℃。

对试验所用的花岗岩而言，当平均温度从31.39℃升高到62.10℃时，其导热系数值降低了0.1327 W/（m·℃），降低幅度4.4%。

图1 试验所用岩样

图2 岩样冷热面涂导热硅脂

图3 岩样导热系数测试

图4 温度对花岗岩导热系数的影响

Asghari Maqsood等（2004）采用瞬态平面热源（TPS）技术测试了20～60℃范围内的花岗岩导热系数[9]，结果表明所有测试岩样的导热系数均随着温度的升高而减小。本试验所得花岗岩导热系数随温度的变化规律与文献[9]所得到的趋势是一致的。

2.2 温度对砂岩导热系数的影响

根据试验结果，温度对砂岩导热系数的影响如图5所示。

图5 温度对砂岩导热系数的影响

由图5可看出，砂岩导热系数随温度的升高基本上没有变化。对试验所用的砂岩而言，当平均温度从28.78℃升高到62.57℃时，其导热系数波动值约为0.0275W/（m·℃），波动幅度1.1%。

3 结束语

导热系数是岩体温度场最主要的特征参数，对岩体温度场的分布具有重要影响。本文通过试验考察了隧道工程常见温度范围内岩石导热系数随温度的变化情况。结果表明，对试验所用的岩样而言，花岗岩导热系数随温度的升高而缓慢下降，两者之间存在负相关的直线关系。而砂岩导热系数随温度的升高变化很小，基本可以忽略。这与花岗岩与砂岩的矿物成分不同以及颗粒大小的差异有关。

高黎贡山隧道预测的最高地温为75.2℃，按式（2），开挖前隧道设计洞身处围岩的导热系数为2.834 7 W/（m·℃）。假设隧道开挖后围岩温度逐渐降至16℃（隧道所在地年平均气温），则开挖前后隧道围岩的导热系数将由2.834 7 W/（m·℃）增大至3.089 3 W/（m·℃），变化幅度为9.0%，粗略估算隧道围岩温度场时一般可忽略，但在地热异常区精确计算隧道围岩温度场的分布时，应考虑温度变化对其导热系数的影响。同时，由于花岗岩的体积变形模量和热膨胀系数均较大[10]，其热应力系数高达0.839MPa/℃，因此也应考虑由此引起的热应力、热变形对隧道围岩应力场、变形场的影响。

[1]谷柏森.隧道高地温应对措施及通风设计——高黎贡山铁路特长隧道可行性研究[J].现代隧道技术，2007，44（2）：66-71.

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[10]林睦曾.岩石热物理学及其工程应用[M].重庆：重庆大学出版社，1991：138-139.