季凍性寒區(qū)隧道波紋鋼排水溝性能研究

劉 鶴

(中鐵快運(yùn)股份有限公司 北京 100055)

1 引言

隨著我國隧道建設(shè)飛速發(fā)展，在高寒地區(qū)(陸地占比43.5%)修建隧道已成為了普遍現(xiàn)象[1]。據(jù)研究，寒區(qū)隧道的主要安全隱患是凍害的發(fā)生[2]。排水溝作為隧道的排水結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生凍害，會導(dǎo)致隧道排水通道受阻，嚴(yán)重時會直接造成道床結(jié)冰，進(jìn)而危害隧道的行車安全[3]。因此，寒區(qū)隧道排水溝的研究對寒區(qū)隧道施工具有重要的工程意義。

近年來隨著寒區(qū)隧道排水溝凍害現(xiàn)象發(fā)生愈發(fā)頻繁，國內(nèi)一些學(xué)者也開始進(jìn)行相關(guān)研究。理論和設(shè)計(jì)研究方面，萬建國[4]通過耦合理論從時空分布規(guī)律方面總結(jié)了我國山嶺隧道防凍害技術(shù)；王志杰[5]等通過理論分析并結(jié)合現(xiàn)場測量，對寒區(qū)隧道不同形式的排水溝進(jìn)行了適應(yīng)性分析；錢富林[6]基于組合棧橋?qū)ε潘疁系氖┕みM(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，極大降低了施工成本。施工技術(shù)方面，徐亞峰[7]依托西寧至成都鐵路確立了高寒地區(qū)排水溝的保溫設(shè)計(jì)原則；丁然[8]通過數(shù)值模擬方法對天秀山隧道的排水溝進(jìn)行施工技術(shù)優(yōu)化，保證了高寒地區(qū)隧道排水溝的正常運(yùn)行；魏奎斐[9]等依托阿拉套山隧道，分析了單線鐵路隧道排水溝的施工難點(diǎn)及優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)。上述研究對隧道排水溝多基于設(shè)計(jì)以及布置方面，對于隧道波紋鋼深埋水溝而言，劉天正[10]等人對波紋鋼作為隧道襯砌時的結(jié)構(gòu)受力性能和承載力進(jìn)行了深入研究，得到波紋鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特點(diǎn)；黃明利[11]等人對隧道波紋鋼結(jié)構(gòu)接頭力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，通過背部加強(qiáng)使得波紋鋼抗彎性能得到了極大提升；黃慶春[12]等人對圓形波紋鋼管涵進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了道路荷載作用下管涵的波峰、波谷變形情況。上述學(xué)者雖然對隧道排水溝防凍害技術(shù)及波紋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，但對于寒區(qū)隧道波紋鋼形式的排水溝還尚無相關(guān)研究文獻(xiàn)，本文依托太錫鐵路崇禮隧道，對寒區(qū)隧道的波紋鋼排水溝性能進(jìn)行研究，分析了波紋鋼排水溝的工程適應(yīng)性，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

新建太(太子城)錫(錫林浩特)鐵路太(太子城)崇(崇禮)段位于張家口市崇禮區(qū)境內(nèi)，南起崇禮鐵路太子城站，北迄崇禮區(qū)大夾道溝村崇禮站，大致呈南北走向。項(xiàng)目承建崇禮隧道總長度5 490 m，其中Ⅲ級圍巖2 223 m，Ⅳ級圍巖2 023 m，Ⅴ級圍巖1 244 m。第四系孔隙潛水及基巖裂隙水為地下水的主要賦存形式。隧道拱頂至地表約23 m。地下水位線深度20 m。此項(xiàng)工程為冬奧會配套交通工程，要求2021年底建成通車，工期非常緊張。

崇禮區(qū)地理位置屬于中溫帶亞干旱區(qū)，氣候?yàn)闁|亞大陸性季風(fēng)氣候，特點(diǎn)是春季回溫較早但氣溫波動較大；夏季降雨頻發(fā)，晝夜溫差大；秋冬氣溫下降迅速，冷空氣影響嚴(yán)重，滿足季凍性區(qū)域氣候特點(diǎn)，對鐵路隧道施工影響較大。

3 研究背景及波紋鋼排水溝介紹

3.1 研究背景

崇禮隧道全隧設(shè)置中心深埋水溝，原設(shè)計(jì)水溝采用?700 mm的C40鋼筋混凝土預(yù)制管，單節(jié)長2 m。排水管底部采用C20細(xì)石混凝土鋪底，上部采用C30無砂混凝土回填。隧道中心深埋水溝混凝土管單節(jié)重量約880 kg(節(jié)長2 m)，需利用大型設(shè)備進(jìn)行吊裝。由于單線隧道作業(yè)空間受限，混凝土管現(xiàn)場安裝過程中占用物流通道時間較長，影響掌子面開挖支護(hù)作業(yè)。鋼波紋管單節(jié)重量約156 kg(節(jié)長2 m)，施工方便，人工或者小型設(shè)備即可安裝。為解決鋼筋混凝土預(yù)制管安裝作業(yè)與掌子面施工干擾問題，計(jì)劃采用輕質(zhì)的鋼波紋管替代鋼筋混凝土預(yù)制管。

3.2 鋼波紋管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式

(1)波紋管縱橫截面形狀設(shè)計(jì)

對于波紋管涵直徑D≤1.5 m時，可采用整裝管涵方案，內(nèi)徑700 mm整裝管涵截面見圖1。

圖1 整裝式圓管涵斷面型式(單位:mm)

(2)波紋管結(jié)構(gòu)波形設(shè)計(jì)

小直徑整裝波紋圓管適宜波形見圖2，波形尺寸為125×25×3.5 mm。

圖2 小直徑整裝波紋圓管波形(單位:mm)

(3)波紋管結(jié)構(gòu)連接部位設(shè)計(jì)

小直徑整裝管涵之間，可采用法蘭連接，管涵溝槽范圍內(nèi)采用C25混凝土填筑。

4 波紋鋼排水溝強(qiáng)度性能研究

4.1 計(jì)算假定和模型構(gòu)建

采用ABAQUS進(jìn)行圓形管涵強(qiáng)度計(jì)算分析，計(jì)算模型見圖3。

圖3 波紋鋼排水溝有限元模型

(1)檢算荷載

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，檢算荷載主要考慮以下荷載:

①波紋管結(jié)構(gòu)自重:波紋管結(jié)構(gòu)自重由ABAQUS程序自動計(jì)算。

②圍巖壓力荷載:由荷載－結(jié)構(gòu)法計(jì)算傳遞至仰拱底面的壓應(yīng)力，按照Ⅴ級圍巖進(jìn)行考慮。

③填土荷載:仰拱及填充厚度按照1.5 m考慮。

④列車荷載:后期列車荷載按照中－活載考慮。

(2)本構(gòu)關(guān)系和參數(shù)選取

用線彈性本構(gòu)模型模擬波紋鋼管，用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型模擬填土，具體材料參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系見表1。

表1 數(shù)值模擬本構(gòu)關(guān)系參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果

(1)應(yīng)力結(jié)果

環(huán)向應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，環(huán)向應(yīng)力最大值位于波峰的180°位置，應(yīng)力隨著環(huán)向角度的增大，呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢并進(jìn)行循環(huán)。波谷有著與波峰相同的趨勢，均為先減小再增大并之后進(jìn)行循環(huán)，波谷應(yīng)力最大值位于90°的位置。與波峰不同的是，波谷的循環(huán)周期約為波峰的一半。

圖4 波紋鋼排水溝應(yīng)力環(huán)向分布

(2)水平變形結(jié)果

從填土荷載、自重荷載以及車輛荷載作用下波紋鋼排水溝的水平變形情況可以看出，波紋鋼排水溝的水平變形左右對稱。

繪制變形分布規(guī)律曲線見圖5。由圖5可以看出，波紋鋼管的水平變形隨著環(huán)向角度的增大(頂部為0°)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在90°即波紋鋼管中部；其中管頂和管底并沒有水平變形產(chǎn)生。對于同一環(huán)，波峰和波谷等處的水平變形趨勢相同，且變形值相近。

圖5 波紋鋼水平變形環(huán)向分布曲線

(3)豎直變形結(jié)果

從填土荷載、自重荷載以及車輛荷載作用下波紋鋼管豎直變形情況可以看出，豎直變形呈現(xiàn)左右對稱的規(guī)律。

繪制波紋鋼管豎直變形分布規(guī)律曲線見圖6?？梢钥闯?，波紋鋼管豎向變形的最大值發(fā)生在波紋鋼排水管的上下區(qū)域，變形最大處約為0.6 mm；中部區(qū)域的豎直變形較小，幾乎為零。對于同一環(huán)而言，波峰和波谷等處的變形值相近且變形趨勢一致。

圖6 波紋鋼豎直變形環(huán)向分布曲線

綜上研究可以看出:荷載作用下，波紋鋼排水管的最大應(yīng)力及變形相對較小，可以滿足正常使用要求。

5 波紋鋼排水溝防凍性能研究

5.1 波紋鋼排水溝埋深確定

中心深埋水溝的埋置深度一般取為軌底至水溝底的高度，根據(jù)?鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊?要求:

式中:hx為隧道排水溝埋深；K為凍結(jié)深度系數(shù)；h0為當(dāng)?shù)刈畲髢鼋Y(jié)深度；Tx為最冷月份隧道x處平均氣溫；T為最冷月份平均氣溫。

根據(jù)地勘資料可得，崇禮隧道當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁丶s為－16.3℃，崇禮地區(qū)最大凍結(jié)深度為1.1 m，由上式計(jì)算得到排水溝埋深理論值為1.43～2.2 m。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，設(shè)計(jì)采用2.5 m作為排水溝埋深，并通過數(shù)值計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。

5.2 計(jì)算假定和模型構(gòu)建

為了研究波紋鋼排水溝的防凍性能，采用Fluent進(jìn)行圓形排水溝埋深計(jì)算分析，對設(shè)計(jì)施工工況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究波紋鋼排水溝隨著時間的推移溫度變化情況，進(jìn)而確保波紋鋼排水溝后期運(yùn)營中不會發(fā)生凍害。

模型邊界條件設(shè)置如下:左、右、下均設(shè)為絕緣邊界；上邊界和洞口與外部環(huán)境進(jìn)行溫度交換。崇禮地區(qū)一年中溫度低于零下的4個月份平均溫度為－10℃，年平均溫度約8℃，將－10℃作為模型上邊界和隧道洞內(nèi)的溫度荷載；圍巖的初始溫度設(shè)置與年平均溫度相同，即8℃。波紋鋼排水溝埋深按設(shè)計(jì)的2.5 m進(jìn)行計(jì)算。為了模擬最不利工況，隧道內(nèi)壁和水溝上方不設(shè)置保溫層。計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 波紋鋼排水溝模型網(wǎng)格

5.3 計(jì)算結(jié)果

為了模擬一年當(dāng)中氣溫最低時刻隧道排水溝是否發(fā)生凍害，取大氣溫度函數(shù)作為溫度荷載加載1年，其中重點(diǎn)關(guān)注月平均氣溫低于零度的4個月，通過模擬分析波紋鋼排水溝在設(shè)計(jì)深埋2.5 m時隧道圍巖和水溝的溫度場變化情況，確保隧道波紋鋼排水溝在當(dāng)?shù)刈罾洵h(huán)境下也不發(fā)生凍害。隧道圍巖及波紋鋼排水溝的溫度場隨時間的變化情況如圖8所示。

圖8 波紋鋼排水溝不同月份溫度模擬結(jié)果

由圖8可知，采用最不利工況(隧道內(nèi)壁和水溝上方不設(shè)置保溫層)進(jìn)行模擬后，在月平均氣溫低于零下的四個月內(nèi)，隧道內(nèi)壁溫度隨環(huán)境溫度變化而變化:隨著時間的增加，隧道周圍凍結(jié)范圍逐漸增大，但隧道波紋鋼排水溝頂部溫度四個月內(nèi)分別為4.6℃、3.7℃、1.2℃和0℃，排水溝頂部溫度始終保持在冰點(diǎn)以上，說明在2.5 m埋深下，隧道波紋鋼排水溝不會發(fā)生凍害現(xiàn)象。

6 結(jié)論

本文依托太錫鐵路太崇段崇禮隧道工程，針對寒區(qū)鐵路隧道排水溝防凍技術(shù)，通過數(shù)值模擬對寒區(qū)隧道采用波紋鋼排水溝的可行性及適應(yīng)性進(jìn)行了研究和探討，主要結(jié)論如下:

(1)鋼波紋管排水溝施工方便，可解決鋼筋混凝土預(yù)制管安裝作業(yè)與掌子面施工干擾問題，施工耗時短，適用于工期緊張的隧道工程。

(2)正常運(yùn)營荷載作用下，波紋鋼排水溝強(qiáng)度可以滿足安全要求，變形較小。

(3)寒區(qū)隧道施工中，合理確定深埋水溝的埋深可以有效防止凍害的發(fā)生，崇禮隧道采用2.5 m埋深可以使得波紋鋼排水溝不發(fā)生凍害。