寒區(qū)隧道溫度場分布規(guī)律及風速風溫影響分析

李昊波，孫克國，孟慶余，陳 宇，張 弛

(1.西南交通大學土木工程學院交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031;2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

近年來，順應國內(nèi)經(jīng)濟提質(zhì)增效升級的迫切需要，積極倡導構(gòu)建“橫貫東西、縱貫南北、內(nèi)暢外通”的綜合運輸大通道。為構(gòu)建西北、西南、東北對外交通走廊，加快推進高速鐵路成網(wǎng)，完善國家高速公路網(wǎng)絡，新一輪交通基礎建設將繼續(xù)向西部或東北地區(qū)延伸[1]。我國寒區(qū)多分布在中西部的高海拔與北部的高緯度地區(qū)[2]，交通網(wǎng)絡的不斷延伸使得大量寒區(qū)隧道在建和擬建。國內(nèi)外大量隧道工程實踐表明，在高緯度或高海拔的寒冷及嚴寒地區(qū)，隧道常常會發(fā)生凍害現(xiàn)象[3-4]，很大程度上弱化了隧道的使用功能，同時也給運營行車帶來極大的安全隱患[5-6]。因此，如何在寒區(qū)隧道的設計、施工及運營維護中采取行之有效的措施，避免或減輕隧道凍害的發(fā)生，是關乎到工程質(zhì)量的重大問題。

寒冷條件下隧道內(nèi)部會與外界進行熱交換，這一交換主要是通過空氣流動實現(xiàn)的[7]。外界冷空氣進入隧道洞內(nèi)與圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生熱交換后離開隧道，會帶走很多熱量從而使隧道溫度場降低[8]。因此，對寒區(qū)隧道在不同氣溫和風速下的溫度場研究是很有必要的。本文依托京沈客專遼寧段的瓦房店隧道建立三維數(shù)值模型，對寒區(qū)溫度場分布進行研究，并討論氣溫和風速對寒區(qū)隧道溫度場的影響。

1 工程概況

瓦房店隧道地處遼寧省凌源市。凌源市地處中緯度溫帶大陸性季風氣候區(qū)，干燥寒冷期長，春秋季風大，雨量集中，日照充足，四季分明。當?shù)貧v年最冷月的平均氣溫為-9.6 ℃，按對鐵路工程影響的氣候分區(qū)，屬寒冷地區(qū)。隧道全長595 m，西南—東北走向。

隧道位于直線上，隧道內(nèi)縱坡修正后為單面坡，坡度為-0.20 %。

瓦房店隧址氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，最大風速為9 m/s，平均風速為1.04 m/s。風速最高頻率出現(xiàn)在0.5～1 m/s，百分比為23.6 %，其次為0～0.5 m/s、0.5～1 m/s區(qū)間，百分比分別為17.8 %和16.8 %，靜風占比為14.5 %。隧址全年最高溫度35.2 ℃，最低溫度-22.1 ℃，日溫度振幅在0～20 ℃。

2 計算模型說明

本文采用FLUENT建立三維簡化模型模擬該寒區(qū)隧道，計算模型如圖1所示。計算模型高75 m、寬75 m、長595 m?？諝獬跏紲囟葹?63.15 K，圍巖初始溫度取為283.15 K，空氣流速取為2 m/s。分析10 d內(nèi)溫度場的變化規(guī)律，采用基于湍流的瞬態(tài)算法，考慮空氣、襯砌和圍巖的換熱過程。隧道穿越地層巖石主要為安山巖和礫巖，對巖體進行現(xiàn)場取樣試驗，獲得其熱力學參數(shù)?？諝?、混凝土和圍巖的熱力學參數(shù)如表1所示，工況設計如表2所示。

圖1 三維計算模型

表1 計算參數(shù)

表2 工況列表

3 計算結(jié)果及分析

3.1 寒區(qū)隧道溫度場分布規(guī)律

以工況1為例對寒區(qū)隧道的溫度場分布規(guī)律進行分析，圖2為工況1在第10 d的溫度云圖?？梢钥闯鲭S著低溫空氣進入隧道，圍巖及支護結(jié)構(gòu)的溫度場明顯降低。取距洞口100 m處截面的拱頂、拱腰及仰拱為監(jiān)測點，提取計算時間10 d中三個測點埋深5 m內(nèi)的溫度數(shù)值見圖3。可以看出，在10 d內(nèi)，埋深越淺，距離隧道內(nèi)壁越近的測點，溫度降低越快，其最終溫度也越低；較淺處的測點在10 d內(nèi)的溫度變化速度減緩并趨向于恒定，而較深處的測點尚處于恒速變化階段。埋深3 m處的測點在10 d內(nèi)的溫度降低小于1 K，故其最終影響深度約為3 m；提取第10 d拱頂、仰拱和拱腰處溫度曲線對比如圖4 ，可以看出在不同部位同樣埋深的測點最終溫度基本相同，仰拱處混凝土較厚，混凝土部分溫度相對較低。

圖2 工況1第10天溫度云圖

3.2 氣溫對溫度場的影響

空氣溫度對于寒區(qū)隧道溫度場的影響作用很大，工況1～工況3的空氣溫度分別為263.15 K、258.15 K、253.15 K。100 m斷面處溫度云圖如圖5所示。提取仰拱處數(shù)據(jù)如圖6所示，對其進行分析?？梢钥闯鲈诮?jīng)過10 d與冷空氣的熱交換之后，各工況的溫度場分布趨勢基本相同，埋深較淺處降溫幅度較大，埋深較深處降溫幅度較??；對比工況1～工況3，可以發(fā)現(xiàn)空氣溫度越低，圍巖溫度在降溫后越低。但這能影響到埋深在3 m以內(nèi)的圍巖，在10 d內(nèi)，埋深大于3 m處的圍巖受空氣溫度降低的影響不大，即其最終影響深度為3 m。

(a)拱頂處

(b)仰拱

(c)拱腰處圖3 100m斷面處各測點溫度曲線

圖4 第10d100m斷面處測點溫度對比

圖5 不同工況下隧道橫斷面溫度云圖

圖6 第10 d不同氣溫工況仰拱處溫度對比

3.3 風速對溫度場的影響

風速增大會提高將更多的洞外冷空氣帶入洞內(nèi)，加劇了洞內(nèi)洞外熱量的交換[9]。導致隧道內(nèi)部溫度的降低。同時，隨著隧道洞內(nèi)風速的增大，襯砌表面的熱交換系數(shù)增大，襯砌和圍巖對冷空氣的放熱交換更加頻繁。工況1、工況4、工況5的風速分別為2 m/s、5 m/s、10 m/s。

圖7 第10 d不同風速工況仰拱處溫度對比

以仰拱處為例，提取各工況的溫度數(shù)據(jù)對比如圖7所示，可以看出當風速變化時，隧道溫度場分布規(guī)律不變；隨著風速的增加，圍巖溫度場會降低，但是降低幅度不大，且在10 d內(nèi)的影響深度只能到達埋深2 m處左右；兩兩對比工況1、工況4、工況5，工況4相對工況1風速增加3 m/s，圍巖溫度下降明顯，工況5相對工況4風速增加5 m/s，但是圍巖溫度下降相對較小?？梢苑从吵霎旓L速高至一定程度時，隧道內(nèi)外已經(jīng)可以發(fā)生充分的熱量交換，在此情況下風速繼續(xù)升高，對隧道溫度場的影響不大。

4 結(jié)論

本文依托京沈客運專線遼寧段的瓦房店隧道，對寒區(qū)隧道的溫度場分布規(guī)律進行了研究，并分析了空氣溫度和風速對隧道溫度場的影響。

(1)在10 d內(nèi)的冷空氣作用下，圍巖溫度降低，埋深較淺處降溫速率越來越慢，而較深處的測點在10 d內(nèi)恒速降溫。

(2)埋深越淺的測點在第10 d的最終溫度越低，埋深較深的測點最終溫度較高，而10 d內(nèi)的最終影響深度約為3 m。

(3)空氣溫度越低，圍巖的最終溫度場越低，但分布規(guī)律不變。埋深越淺的測點受到的影響越大，埋深3 m以上的測點基本不受影響。

(4)風速增加會使圍巖溫度場降低，但是當風速高至一定程度時，圍巖溫度場會趨于穩(wěn)定，繼續(xù)升高風速對其影響作用不大。