排水作用下高海拔隧道溫度場(chǎng)特性影響研究

李學(xué)智， 孫永清， 胡 川， 劉明江， 王 淵， 周 平

(1. 中交隧道局第四工程有限公司， 四川成都 610091； 2. 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川成都 610031)

近年來(lái)，隨著國(guó)家在基礎(chǔ)建設(shè)方面投入的不斷加大，西部地區(qū)的交通設(shè)施建設(shè)得到了快速發(fā)展，在此背景下，處在高海拔山區(qū)的交通工程數(shù)量猛增，其中便包括諸多鐵路和公路隧道，如昆侖山隧道、大阪山隧道、雀兒山隧道、鷓鴣山隧道等。高海拔地區(qū)年平均氣溫較低，因而這些隧道往往面臨凍害的困擾，如不能妥善解決，輕則影響隧道正常使用，重則導(dǎo)致隧道報(bào)廢，甚至引發(fā)安全事故。凍害的發(fā)生直接與溫度相關(guān)，因此需對(duì)隧道的溫度場(chǎng)特性進(jìn)行分析，探明隧道溫度的分布特性，從而為隧道抗防凍設(shè)計(jì)提供參考。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于高海拔地區(qū)隧道溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了廣泛研究。Bronfenbrener[1]和Mottaghy[2]針對(duì)溫度變化導(dǎo)致的巖土體內(nèi)水分相變的模擬問(wèn)題，提出了三區(qū)域模型；Tan[3-4]進(jìn)一步考慮了滲流的作用，對(duì)高海拔隧道溫度場(chǎng)的模擬更為精確；何春雄[5]通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)大阪山隧道溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究；張學(xué)富等[6-7]通過(guò)建立有限元模型對(duì)風(fēng)火山隧道凍土回凍進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

目前高海拔隧道溫度場(chǎng)研究雖已取得較多成果，但未見(jiàn)有報(bào)道考慮隧道排水對(duì)溫度分布影響，且目前大多數(shù)隧道采用“防排結(jié)合”的防排水體系，圍巖中的地下水不斷通過(guò)襯砌背后排水管流出，在此過(guò)程中勢(shì)必造成熱量流動(dòng)，并對(duì)隧道溫度場(chǎng)造成影響。有鑒于此，以國(guó)道317線珠角拉山隧道為研究對(duì)象，通過(guò)建立含排水管的數(shù)值模型，分析考慮排水時(shí)的高海拔隧道溫度場(chǎng)特性，對(duì)比研究水頭高度對(duì)于隧道溫度場(chǎng)的影響，從而為高海拔隧道抗防凍設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

國(guó)道317線(西藏境)珠角拉山隧道位于橫斷山脈的北端，為單洞雙向兩車道40km/h二級(jí)公路公路隧道，為了滿足施工和后續(xù)運(yùn)營(yíng)需要，在距主洞30m處設(shè)有平行導(dǎo)洞，主洞隧道長(zhǎng)4 605m，平行導(dǎo)洞長(zhǎng)4 636m。隧道洞身最大埋深約540m，洞身段由中-微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r和構(gòu)造破碎帶組成，巖體以塊(碎)石狀結(jié)構(gòu)和層狀砌體結(jié)構(gòu)為主。隧址區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水，隧道防排水設(shè)計(jì)遵循“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，采用φ100mm環(huán)向排水管將巖面滲流水排入φ160mm半邊打孔縱向排水管，再通過(guò)橫向排水管將襯砌背后水引入隧道中心排水管排出洞外。

主洞隧道建筑限界寬9.0m，高5.0m，隧道內(nèi)輪廓采用三心圓斷面，內(nèi)輪廓凈寬9.8m，凈高6.95m；導(dǎo)洞限界凈寬4.5m，凈高5.0m，具體斷面尺寸如圖1所示。主洞和導(dǎo)洞均采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，噴射混凝土等級(jí)為C25，二次襯砌采用C30模筑混凝土。

珠角拉山隧道進(jìn)口海拔為4 153m，出口海拔為4 258m，隧址區(qū)多年平均最低氣溫達(dá)-23.7～-16.2 ℃，年平均氣溫3～8 ℃，面臨的防凍形勢(shì)十分嚴(yán)峻，因此運(yùn)用FLUENT軟件建立有限元模型，分析排水作用下隧道的滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特征，為隧道的抗防凍設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 滲流-溫度耦合分析有限元模型

(a)主洞

(b)導(dǎo)洞圖1 隧道內(nèi)輪廓及建筑限界(單位:cm)

以珠角拉山隧道為背景建立三維有限元模型，尺寸為80m×50m×5m。模型四周設(shè)置為溫度和水頭的復(fù)合邊界條件，前后表面則為對(duì)稱邊界，隧道內(nèi)部二次襯砌與空氣對(duì)流換熱，換熱系數(shù)取15w/m2·k[8]；通過(guò)設(shè)置壓力出口模擬環(huán)向排水管的排水效應(yīng)，考慮到計(jì)算的復(fù)雜性，模型中忽略了其它排水管道，即主要考慮地下水流向環(huán)向排水管的滲流過(guò)程。有限元模型如圖2所示。圍巖、初期支護(hù)混凝土、二次襯砌混凝土滲透率分別取2.5×10-14/m2、1.0×10-14/m2、2.0×10-17/m2。采用Boussinesq假設(shè)和凝固-融化模型對(duì)溫度變化造成的水份遷移和水份相變進(jìn)行模擬，材料熱物理參數(shù)如表1所示。

(a)整體有限元模型

(b)主洞局部構(gòu)造

根據(jù)工程資料，洞內(nèi)氣溫年變化過(guò)程可取下式：

T=4.1-17.2sin(2πt/365+π/2)

(1)

式中：T為洞內(nèi)氣溫；t為時(shí)間。

表1 材料熱物理參數(shù)表

3 結(jié)果分析

3.1 排水對(duì)隧道溫度場(chǎng)影響特性

假設(shè)模型上表面為自由液面，分析此時(shí)的隧道溫度分布。為了對(duì)比分析排水作用對(duì)于隧道溫度場(chǎng)的影響，分別對(duì)考慮排水與否兩種情況下的隧道溫度場(chǎng)分布進(jìn)行研究。

圖3為考慮排水與否兩種情況下二次襯砌背表面溫度分布，數(shù)據(jù)提取時(shí)間為12月份。從圖3中可以看出，不考慮排水情況下，二次襯砌背表面溫度總體上呈現(xiàn)拱頂?shù)脱龉案叩姆植稼厔?shì)，如主洞拱頂和仰拱部位的溫差達(dá)到了5.3 ℃，這主要是因?yàn)榈撞寇嚨腊逑掠休^厚的填充混凝土，對(duì)熱量傳遞起到了隔絕作用。在考慮排水情況下，襯砌背表面溫度有所升高，特別在排水管所處部位更為明顯，如主洞拱頂部位二次襯砌背表面溫度在排水管附近提高了約3 ℃。

(a)不考慮排水

(b)考慮排水圖3 考慮排水與否兩種情況下二次襯砌背表面溫度分布

圖4考慮排水與否主洞襯砌外表面溫度沿隧道縱向變化曲線，數(shù)據(jù)提取時(shí)間為12月份。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在不考慮排水情況下，襯砌外表面溫度沿隧道縱向基本為一定值，其中拱腳部位溫度最高，為-9.97 ℃，拱腰和仰拱部位溫度最低，為-11.40 ℃；在考慮排水情況下，二襯外表面溫度較不考慮排水時(shí)整體有所升高，且不同部位的二襯外表面最高溫度均出現(xiàn)在排水管處，以拱腰部位為例，考慮排水時(shí)排水管處二襯外表面溫度較不考慮排水時(shí)升高了1.38 ℃。

圖4 考慮排水與否兩種情況下 主洞襯砌表面溫度沿隧道縱向變化

為了進(jìn)一步研究環(huán)向排水管排水效應(yīng)對(duì)隧道溫度場(chǎng)的影響范圍，提取考慮排水情況下主洞拱頂不同埋深處溫度沿隧道縱向的變化曲線，如圖5所示，數(shù)據(jù)提取時(shí)間為12月份。從圖中可以看出，在埋深0～1.5m范圍內(nèi)，襯砌和圍巖溫度在排水管處有明顯升高，超過(guò)此范圍后，襯砌和圍巖溫度沿隧道縱向不再發(fā)生改變。

圖5 排水情況下主洞拱頂 不同埋深處溫度沿隧道縱向變化

3.2 水頭高度對(duì)隧道溫度場(chǎng)影響特性

以上計(jì)算均假設(shè)模型上表面為自由液面，即上表面水頭高度為0m，實(shí)際隧道工程可能面臨復(fù)雜的水文地質(zhì)情況，因而分別對(duì)模型上表面水頭高度為10m、20m、30m、40m時(shí)的隧道溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖6為不同工況下二襯背表面溫度分布，數(shù)據(jù)提取時(shí)間為12月份。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，不同水頭高度下二襯背表面溫度均在排水管處明顯升高；隨著水頭高度升高，圍巖中水流向排水管的滲流速度加快，帶動(dòng)地層深部的熱量更快地向隧道背后進(jìn)行補(bǔ)給，因而水頭高度越高，二襯背表面溫度也就越高。

(a)水頭10m

(b)水頭20m

(c)水頭30m

(d)水頭40m

圖7為不同水頭高度下溫度隨埋深變化曲線，數(shù)據(jù)提取位置為主洞拱頂排水管處，提取時(shí)間為12月份。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，不同水頭高度下溫度在襯砌結(jié)構(gòu)部位隨埋深加深呈線性增長(zhǎng)，且不同水頭高度下的襯砌溫度分布基本相同；在襯砌背后，溫度隨著埋深增加而逐漸升高，而后保持平穩(wěn)；圍巖溫度隨著水頭高度的升高而逐漸升高，且這種變化主要體現(xiàn)在從襯砌背后到埋深10m處的范圍內(nèi)；同時(shí)，溫度低于0 ℃的圍巖凍結(jié)圈范圍隨著水頭高度的升高而逐漸縮小，如水頭高度為0m時(shí)，凍結(jié)圈范圍為1.72m，水頭高度為40m時(shí)，凍結(jié)圈范圍為1.05m。

圖7 不同水頭高度下主洞拱頂溫度沿埋深變化

(a)埋深2m

(b)埋深6m

(c)埋深10m圖8 不同水頭高度下主洞拱頂不同埋深處溫度年變化曲線

圖8為不同水頭高度下主洞拱頂不同埋深處溫度隨月份變化曲線，數(shù)據(jù)提取位置為排水管處。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，隨著埋深增加，溫度隨時(shí)間的變化幅度逐漸減小，在埋深10m處，溫度保持恒定；同時(shí)，由于熱量傳遞的滯后作用以及冰水相變的影響，因而不同埋深處的溫度變化趨勢(shì)不同，如水頭高度為0m時(shí)，埋深2m處溫度在1～4月降低，5～7月升高，之后又降低，而在埋深6m處，溫度在1～6月降低，7～9月升高，之后降低。

對(duì)比不同水頭高度下的溫度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著水頭高度升高，在埋深2m處，不同月份的圍巖溫度均有所升高，且在5月份的升高幅度最大；在埋深6m處，除1月份外，其余月份的圍巖溫度亦有所升高；但在埋深10m處，不同水頭高度下的圍巖溫度差異幾乎為0。

圖9為不同水頭高度下主洞拱頂調(diào)熱圈半徑年變化曲線，調(diào)熱圈為圍巖溫度降低值超過(guò)原始巖溫1 %的區(qū)域，數(shù)據(jù)提取位置為排水管正上方。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)熱圈半徑隨著時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度逐漸變緩，而后保持不變；當(dāng)不考慮排水作用時(shí)，穩(wěn)定后調(diào)熱圈半徑為11.78m，考慮排水后，當(dāng)模型上表面水頭高度為0m時(shí)，穩(wěn)定后調(diào)熱圈半徑為9.70m，較不考慮排水作用時(shí)減小了17.65 %；當(dāng)模型上表面水頭高度為40m時(shí)，穩(wěn)定后調(diào)熱圈半徑為5.5m，較上表面水頭高度為0m時(shí)減小了43.30 %。同時(shí)，隨著水頭高度升高，調(diào)熱圈半徑達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越來(lái)越早，如水頭高度為40m時(shí)，調(diào)熱圈半徑在3月份便達(dá)到初步穩(wěn)定，水頭高度為0m時(shí)，調(diào)熱圈半徑在7月份方達(dá)到初步穩(wěn)定。

圖9 不同水頭高度下主洞拱頂調(diào)熱圈半徑年變化曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

以國(guó)道317線珠角拉山隧道為工程依托，通過(guò)建立考慮排水作用的隧道溫度場(chǎng)有限元分析模型，研究了排水情況下高海拔隧道溫度場(chǎng)特性，得到了以下結(jié)論：

(1)隧道排水對(duì)于溫度場(chǎng)分布有較為顯著的影響，在進(jìn)行高海拔隧道溫度場(chǎng)分析時(shí)應(yīng)予考慮，考慮排水作用后，襯砌溫度整體有所升高，特別在排水管附近升高更加明顯。

(2)隨著隧道上部水頭高度的升高，襯砌溫度逐漸升高；圍巖溫度隨著埋深先提高而后保持穩(wěn)定，且水頭高度越高，圍巖溫度越高，凍結(jié)圈半徑越小。

(3)不同埋深處溫度的年變化曲線不同，隨著埋深增加，圍巖溫度變化幅度逐步減小，在埋深2m和6m處，不同月份圍巖溫度隨著水頭高度的升高均有所升高。

(4)考慮排水作用后，隧道調(diào)熱圈半徑顯著減??；隨著隧道上部水頭高度升高，穩(wěn)定后的調(diào)熱圈半徑逐漸縮小，水頭高度為40m時(shí)較水頭高度為0m時(shí)調(diào)熱圈半徑減小了43.30 %，且調(diào)熱圈半徑穩(wěn)定時(shí)間越來(lái)越早。