高海拔寒區(qū)隧道排水結(jié)構(gòu)溫度場數(shù)值分析

陳志杰，任廣麗，閆世豪，李哲

（1.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089；2.空間信息應(yīng)用與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100089；3.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

近年來，我國在高寒地區(qū)修建了大量的寒區(qū)隧道，通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于隧址區(qū)域天氣條件惡劣并且隧道排水設(shè)施設(shè)置不合理，約80%的寒區(qū)隧道有不同程度的凍害問題發(fā)生，影響隧道的正常運(yùn)營。七道梁隧道位于甘肅省通往四川省的交通要道上，由于排水溝發(fā)生凍結(jié)導(dǎo)致隧道襯砌背后圍巖積水，地下水難以排出，隧道襯砌背后圍巖凍脹，隧道襯砌混凝土出現(xiàn)開裂、剝落和滲漏水。另外，東北地區(qū)的興安嶺隧道、新疆的玉希莫勒蓋隧道等，由于隧址區(qū)域冬季溫度過低，在建成投入運(yùn)營后，隧道排水結(jié)構(gòu)及隧道襯砌結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)一定程度的凍結(jié)，不僅增加后期隧道維護(hù)及運(yùn)營成本，而且影響隧道的使用。因此，必須合理地布設(shè)隧道排水結(jié)構(gòu)，并采取相應(yīng)的保溫防凍措施，避免隧道排水結(jié)構(gòu)發(fā)生凍結(jié)，確保冬季排水通暢。

本文以紅土山隧道為依托，采用ANSYS Fluent模擬了不同排水工況下隧道圍巖的溫度場變化，并提出了具體的排水措施。研究結(jié)果為在建及將建的寒區(qū)隧道提供了技術(shù)支持，有利于減少隧道凍害問題的發(fā)生。

一、隧道溫度場有限元模型

（一）初始及邊界條件

紅土山隧道位于內(nèi)陸高原腹地，海拔高且氣溫低，根據(jù)隧址區(qū)地表溫度變化，左右邊界設(shè)為絕熱邊界。由隧道所處地區(qū)的地理位置等條件，通過計(jì)算確定其地溫梯度為2℃/100m，圍巖穩(wěn)定溫度取8℃。隧道洞內(nèi)施加的溫度荷載為隧道內(nèi)實(shí)測的溫度值，隧道洞內(nèi)溫度通常用正弦函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合公式為：

式中，T為溫度，℃；t為時間，d；Ta為年平均氣溫，℃；A為年氣溫振幅，℃。

則洞口氣溫函數(shù)為：

洞內(nèi)距隧道洞口500m氣溫函數(shù)為：

洞內(nèi)距隧道洞口1500m氣溫函數(shù)為：

（二）模型計(jì)算參數(shù)的選取

本文主要針對隧道下部圍巖溫度場進(jìn)行分析，在數(shù)值計(jì)算中要考慮仰拱混凝土和圍巖的熱學(xué)性質(zhì)，由工程地質(zhì)勘查報(bào)告可知，該隧道隧底圍巖以板巖為主，在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時，混凝土及圍巖的熱學(xué)參數(shù)選取如表1所示。

表1.混凝土及圍巖熱學(xué)參數(shù)

隧道保溫材料選用聚氨酯泡沫板，經(jīng)過導(dǎo)熱系數(shù)的測試試驗(yàn)，保溫材料的熱學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2.保溫材料熱學(xué)參數(shù)

（三）模擬工況

由現(xiàn)場測試可知，隧道最大凍結(jié)深度約為3m，凍結(jié)深度隨進(jìn)深的增加逐漸減小，在隧道進(jìn)深580m位置處，隧道下部圍巖凍結(jié)深度達(dá)到1.5m。因此，初步擬定采用3種排水結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行數(shù)值分析：

方案1：設(shè)置中心排水溝，且中心排水溝埋設(shè)于路面下方2m位置處。暫定中心排水溝保溫措施布設(shè)方案如表3所示：

表3.方案1中心排水溝保溫層厚度預(yù)設(shè)方案

方案2：設(shè)置中心排水溝，且中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m位置處。暫定只需在隧道進(jìn)出口一定距離處采取保溫措施，保溫方案如表4所示。

表4.方案2中心排水溝保溫層厚度預(yù)設(shè)方案

方案3：設(shè)置防寒泄水洞，在進(jìn)出口各設(shè)置300m防寒泄水洞，隧道其余位置設(shè)置中心排水溝，中心排水溝埋設(shè)于路面下方2m處，防寒泄水洞埋深預(yù)設(shè)為4m。

（四）計(jì)算模型

根據(jù)紅土山隧道的地形地貌條件，為了縮短模型計(jì)算時間，確保隧道下部冷凍圍巖的計(jì)算結(jié)果能夠完整地反映隧道冷凍區(qū)域的真實(shí)情況。模型尺寸通常選取4～5倍的隧道尺寸，橫斷面尺寸選為50m×60m，平行于隧道軸線上方1000m。

二、數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析

（一）中心排水溝埋深2m時的溫度場分析

結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y料可知，地面最大凍結(jié)深度約為3m，當(dāng)中心排水溝(R=50cm)埋設(shè)于路面下方2m時，且對中心排水溝采取保溫措施，洞口段0m～200m范圍內(nèi)設(shè)3cm厚保溫材料，200m～500m范圍內(nèi)設(shè)2cm厚保溫材料，驗(yàn)證其保溫效果，并運(yùn)用Fluent進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

圖1和圖2分別為不同保溫條件下隧道不同進(jìn)深位置處的溫度分布特征云圖。對不同保溫條件時中心排水溝頂部溫度分布云圖中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，數(shù)據(jù)提取范圍為隧道進(jìn)深0m～500m范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)間隔25m，則溫度隨隧道進(jìn)深變化曲線如圖3所示。

圖1.無保溫措施時不同進(jìn)深位置處溫度分布特征云圖

圖2.方案1保溫條件下不同進(jìn)深位置處溫度分布特征云圖

圖3.中心排水溝頂部溫度沿隧道進(jìn)深變化曲線

隧道未采取保溫措施時，隧道洞口處中心排水溝附近溫度值約為-2.1℃，水流溫度為負(fù)溫，極易引發(fā)凍結(jié)，導(dǎo)致隧道凍害問題發(fā)生；在距隧道兩端洞口0m～200m范圍內(nèi)，中心排水溝周圍包裹3cm厚保溫層，在200m～500m范圍內(nèi)設(shè)2cm保溫層，可以有效地改善中心排水溝周圍的溫度場分布特征，將中心排水溝頂端溫度提升至0℃以上，中心排水溝均被正溫包圍，說明保溫層布設(shè)方案能夠滿足隧道排水結(jié)構(gòu)的保溫防凍要求。

（二）中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m時的溫度場分析

當(dāng)中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m時，且對中心排水溝采取保溫措施，洞口段0m～200m范圍內(nèi)設(shè)2cm厚保溫材料，200m～500m范圍內(nèi)設(shè)1cm厚保溫材料，驗(yàn)證其保溫效果。

圖4為隧道不同進(jìn)深位置處的溫度分布特征云圖。中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m時，且分段改變保溫厚度，提取數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到水溝頂端位置及保溫層內(nèi)壁溫度隨隧道進(jìn)深的變化曲線，如圖5所示。

圖4.方案2保溫條件下不同進(jìn)深位置處溫度分布特征云圖

圖5.中心深埋水溝周圍溫度隨進(jìn)深的變化曲線

由圖4及圖5可知，隧道進(jìn)口斷面處，隧道中心深埋水溝頂端保溫層與溝壁交界處溫度約為2.9℃，保溫層外壁溫度值為0.4℃，溫度值均在0℃以上，且隨著進(jìn)深的增加，中心排水溝頂部位置處溫度值逐漸升高。中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m處，距洞口0m～200m范圍內(nèi)設(shè)置2cm厚聚氨酯保溫層、200m～500m范圍內(nèi)設(shè)置1cm厚聚氨酯保溫層，可以使中心排水溝周圍保持正溫分布，中心深埋水溝內(nèi)水流溫度大于0℃，保證水流不會發(fā)生凍結(jié)，能順利排出至隧道外，防止出現(xiàn)隧道凍害問題。

（三）設(shè)置防寒泄水洞時的溫度場分析

當(dāng)隧道中心排水溝埋置深度過大時，容易造成隧道上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，影響隧道的使用安全，故可以在洞口段設(shè)置防寒泄水洞代替中心深埋水溝。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件暫定將防寒泄水洞埋置于隧道路面下方4m處，設(shè)置長度為隧道進(jìn)出口段0m～300m范圍內(nèi)，隧道其余位置設(shè)置中心排水溝，中心排水溝埋設(shè)于路面下方2m處，距隧道兩端洞口300m～500m范圍內(nèi)，中心排水溝鋪設(shè)2cm厚聚氨酯保溫材料。

圖6為設(shè)置防寒泄水洞時，隧道不同進(jìn)深斷面處溫度分布特征云圖。提取隧道防寒泄水洞拱頂位置溫度值，可得出不同隧道進(jìn)深溫度變化曲線，如圖7所示。

圖6.方案3保溫條件下不同進(jìn)深位置處溫度分布特征云圖

圖7.防寒泄水洞拱頂位置處沿進(jìn)深溫度變化曲線

由圖6和圖7可知，防寒泄水洞在洞口斷面處拱頂位置處溫度為1.2℃，隨著隧道進(jìn)深的增加，溫度值逐漸升高，升高幅度逐漸減小。防寒泄水洞周圍溫度保持在0℃以上，說明防寒泄水洞埋設(shè)于路面下方4m時均被正溫包圍，泄水洞內(nèi)水流不會發(fā)生凍結(jié)，且排水通暢，能夠滿足隧道排水需求。

三、隧道排水結(jié)構(gòu)方案分析

合理的布設(shè)隧道排水結(jié)構(gòu)并采取相應(yīng)的保溫防凍措施是確保隧道冬季排水通暢的關(guān)鍵。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，隧道排水結(jié)構(gòu)布設(shè)方案可分為設(shè)置中心深埋水溝和洞口段設(shè)置防寒泄水洞兩種。

（一）設(shè)置中心深埋水溝

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，隧道中心排水溝埋深為2m并設(shè)置聚氨酯保溫材料后，溫度場較之前發(fā)生較大變化，洞口斷面處中心排水溝頂端溫度值在1℃附近，隧道洞內(nèi)其他斷面位置處，中心排水溝周圍均被正溫包圍，說明中心排水溝設(shè)置變厚度聚氨酯保溫材料可有效防止溝內(nèi)水流凍結(jié)，起到了良好的保溫防凍效果。中心排水溝全長范圍內(nèi)的溫度值也均大于0℃，保溫層內(nèi)外溫度差值約為2.9℃，中心排水溝長期處于正溫區(qū)域，水流不會發(fā)生結(jié)冰，能保證中心排水溝內(nèi)水流正常排至隧道外。因此，建議中心排水溝具體布設(shè)為：

(1) 將中心排水溝埋設(shè)于路面下方2m處，對隧道中心排水溝采取保溫措施，考慮到隧道洞口斷面位置處的溫度場分布特征，一定要設(shè)置安全溫度范圍，建議不同進(jìn)深位置處保溫層厚度布設(shè)方案如表5及圖8所示。

表5.隧道仰拱或中心排水溝保溫層厚度布設(shè)表

圖8.距隧道洞口不同位置處保溫層厚度設(shè)置

(2) 將中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m處，對隧道中心排水溝采取變厚度保溫措施，建議隧道不同位置處中心排水溝保溫層厚度如表6及圖9所示。

表6.不同位置處保溫層厚度

圖9.隧道排水溝不同位置處保溫層厚度設(shè)置

（二）設(shè)置防寒泄水洞

洞口段設(shè)置防寒泄水洞時，防寒泄水洞一直被正溫包圍，水流不會發(fā)生凍結(jié)，中心排水溝和縱向排水管內(nèi)的水流經(jīng)泄水管流入防寒泄水洞內(nèi)，最終由防寒泄水洞將隧道內(nèi)水排至隧道外。建議在隧道進(jìn)出口至隧道進(jìn)深300m范圍內(nèi)設(shè)置防寒泄水洞，泄水洞埋深為4m，排水坡度設(shè)為3%，洞內(nèi)其他位置設(shè)置中心排水溝，中心排水溝埋深為2m，距隧道兩端洞口300m～500m，同時在中心排水溝鋪設(shè)2cm厚的聚氨酯保溫材料，布設(shè)位置示意圖如圖10所示。

圖10.防寒泄水洞及中心排水溝布設(shè)位置圖

四、結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，本文借助數(shù)值模擬對不同排水結(jié)構(gòu)下的溫度場進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1) 隧道中心排水溝埋深2m且未設(shè)保溫時，隧道洞口位置處中心排水溝頂端溫度值為-1.9℃，且中心排水溝周圍為負(fù)溫分布，溫度較低，排水溝洞口段極易發(fā)生凍結(jié)，造成中心排水溝堵塞，引起隧道凍害；中心排水溝分段變厚度設(shè)置聚氨酯保溫材料后，洞口斷面處中心排水溝頂端溫度值在1℃左右，可以有效避免中心排水溝內(nèi)水流出現(xiàn)凍結(jié)。

(2) 隧道中心排水溝埋深3m且中心排水溝分段變厚度設(shè)保溫層時，洞口斷面中心排水溝頂端保溫層內(nèi)外兩側(cè)溫度分別為0.4℃和2.9℃，滿足隧道排水結(jié)構(gòu)的保溫防凍要求。

(3) 在隧道洞口段路面下方4m處設(shè)置防寒泄水洞代替中心深埋水溝時，防寒泄水洞均被正溫包圍，其他位置設(shè)置中心排水溝，中心排水溝埋深為2m，可以滿足隧道排水要求。