HHP花崗巖高溫隧道溫度場實(shí)測與仿真研究

楊冬，蔣樹屏，黃鋒，胡政，劉星辰

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400074；3. 中國電建集團(tuán) 貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

花崗巖有生熱背景高[1]、地域差異大[2]的特點(diǎn)，隧道穿越花崗巖地層遇到高地溫的案例不斷增多[3]，帶來諸多工程難題[4]，如施工環(huán)境惡劣、通風(fēng)效果不佳等，引起學(xué)者廣泛關(guān)注[5-6]。趙志宏等[7]基于地質(zhì)資料，對川藏鐵路折多山區(qū)域地?zé)徇M(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測了沿線溫度場分布。劉志明[8]以地質(zhì)調(diào)查、鉆探測溫為手段，對擬新建瑞金至梅州鐵路三百山隧道地溫梯度進(jìn)行測試，預(yù)測洞身最高溫度56.5 ℃。ZENG等[9]以高黎貢山鐵路隧道為依托，通過模型試驗(yàn)，研究了高溫隧道圍巖溫度場和環(huán)境溫度分布。王明年等[10]基于川藏鐵路桑珠嶺高溫隧道現(xiàn)場2個試驗(yàn)斷面初期支護(hù)力學(xué)數(shù)據(jù)，對高溫下初期支護(hù)的力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。陳國慶等[11]采用數(shù)值仿真熱-力耦合，揭示了花崗巖深埋隧道脆性破壞的溫度效應(yīng)。王云[12]通過統(tǒng)計(jì)歸納，得到滇東南燕山期花崗巖生熱率范圍在1.22～5.49 μW/m3。張超等[13]對共和盆地干熱巖地?zé)豳Y源成因開展研究，提出巖石放射性生熱率的約束機(jī)制。QU等[14]采用多物理場耦合軟件COMSOL對不同裂縫形態(tài)對地?zé)嵯到y(tǒng)熱采性能的影響進(jìn)行研究，驗(yàn)證了數(shù)值仿真在地?zé)嵯到y(tǒng)研究中的有效性。綜上，關(guān)于高地?zé)釡囟葓龅难芯?，主要基于前期地勘資料，采用數(shù)值模擬或模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，研究內(nèi)容偏重于溫度預(yù)測，缺乏溫度場實(shí)測。本文以我國最高溫尼格隧道為依托，基于現(xiàn)場實(shí)測完整資料，采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開展設(shè)計(jì)使用100 a內(nèi)，HHP(high heat producing granite，高產(chǎn)熱花崗巖)[15]地層初始溫度場分布特征、圍巖溫度場影響范圍和瞬態(tài)變化規(guī)律研究。研究成果可為高溫隧道工程路線走向選擇、縱坡設(shè)計(jì)、開挖方案、通風(fēng)設(shè)計(jì)和溫度場分析提供參考。

1 工程概況

尼格隧道位于云南省紅河哈尼族彝族自治州建水(個舊)至元陽高速公路個舊至元陽段，見圖1。隧道為雙向4車道分離式隧道，起訖里程LK44+300～LK47+666，全長3.3 km，最大埋深640 m，屬深埋特長隧道。隧道穿越中山地貌山體，地表高程959～1 641.6 m，相對高差682.6 m，地形陡峭，斜坡坡度35°～45°。坡面分布第四系松散殘坡積層，植被發(fā)育較好，以灌木為主，基巖局部出露。隧址區(qū)年均氣溫15.9 ℃，年降水量1 080.3 mm，大氣降水形成地表徑流或下滲基巖裂隙。隧道進(jìn)出口端河谷深切，小里程端發(fā)育賈沙河，紅河左岸一級支流，水位高程1 021 m，常年排泄山體地下水。

圖1 尼格隧道地理位置Fig. 1 Geographical location of Nige tunnel

隧道穿越地層巖性有三疊系中統(tǒng)個舊組(T2g)灰?guī)r與燕山期侵入(γ3(a)5)花崗巖，見圖2，其中小里程端750 m段為灰?guī)r，巖溶發(fā)育；剩余段為HHP花崗巖，屬干熱巖，其生熱率10.01 μW/m3是滇東南燕山期花崗巖的1.7～8.2倍。隧道施工中出現(xiàn)高巖溫、高水溫，最高巖溫88.8 ℃，最高水溫63.4 ℃。隧道熱儲埋深2 457 m，熱儲溫度122.47 ℃。尼格隧道為滇東南地質(zhì)構(gòu)造的典型工程。

2 溫度場實(shí)測

2.1 隧道縱向溫度

尼格隧道采用雙洞雙向開挖，開挖過程中，現(xiàn)場實(shí)測了掌子面圍巖(水)溫度和氣溫，結(jié)合地質(zhì)埋深、開挖進(jìn)深繪圖2。整體上，巖溫、氣溫隨埋深增大而升高，巖溫＞氣溫，隧道埋深從12.87 m增至637 m，巖溫從27.5 ℃升至88.8 ℃；受施工通風(fēng)作用，氣溫維持在20.5～43.7 ℃，受洞外相對低溫環(huán)境影響，巖溫在近洞口低于氣溫。

2.2 隧道徑向溫度

對隧道貫通斷面LK45+748徑向8 m測孔，孔內(nèi)測點(diǎn)深度為0.3，0.8，1.5，3和8 m，連續(xù)監(jiān)測155 d，期間第67 d和87 d，隧道施作了聚氨酯隔熱層(5 cm)和二次襯砌(45 cm)，見圖3。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，隧道貫通后，圍巖與洞內(nèi)空氣發(fā)生熱對流，圍巖溫度在臨空面發(fā)生瞬時驟降，降幅和降速由臨空面向深部減小，1.5，0.8和0.3 m測點(diǎn)溫度在貫通后1 d內(nèi)發(fā)生驟降，其中0.3 m測點(diǎn)由80.4 ℃降至60.2 ℃，降速20.2 ℃/d；3 m測點(diǎn)第3 d開始下降，約0.084 ℃/d，降速較緩；8 m測點(diǎn)溫度第11 d開始下降，降速約0.038 ℃/d，降速緩慢。隔熱層和二次襯砌施作阻擋了圍巖與洞內(nèi)空氣熱對流，淺層圍巖溫度由降反升。二次襯砌是熱的不良導(dǎo)體，導(dǎo)熱系數(shù)1.47 W/(m·K)，已有實(shí)測資料數(shù)據(jù)表明，水泥水化熱引起的溫度可高達(dá)70 ℃，持續(xù)時間約70 h[16]，受二次襯砌隔熱和水泥水化熱影響，隔熱層內(nèi)外側(cè)、0.3 m深圍巖溫度一度超過1.5 m深溫度，見圖4，淺層圍巖溫度在二次襯砌施作后第13 d達(dá)到最高溫，其后緩慢下降，圍巖溫度受二次襯砌施作影響總時長達(dá)42 d。隔熱層具有較好的隔熱效果，內(nèi)、外側(cè)溫差5 ℃。

圖3 尼格隧道徑向構(gòu)造Fig. 3 Radial construction of Nige tunnel

圖4 尼格隧道徑向溫度-時間關(guān)系Fig. 4 Temperature-time relationship of Nige Tunnel in the radial direction of the surrounding rock

2.3 隧道洞內(nèi)環(huán)境

尼格隧道縱坡-2.000%(單向坡)，小里程段(左側(cè))為坡頂位置，為向陽側(cè)，大里程端為背陽側(cè)。對洞口氣溫連續(xù)監(jiān)測9～12個月發(fā)現(xiàn)，日均9:00～16:00時，向陽側(cè)洞口氣溫較背陽側(cè)高4.7 ℃，最大6.1 ℃；其他時間兩者氣溫相當(dāng)，見圖5(a)。隧道貫通后，分別在4個時間點(diǎn)，沿隧道走向，對洞內(nèi)氣溫、相對濕度和風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測，見圖5(b)，結(jié)果顯示，自然通風(fēng)條件下，風(fēng)向在坡腳(背陽側(cè))由洞外吹向洞內(nèi)，在坡頂由洞內(nèi)吹向洞外，隧道整體顯現(xiàn)“橫向煙囪”效應(yīng)；洞口風(fēng)速變化較快，洞身風(fēng)速變化減弱，變化范圍在0～2 m/s。氣溫在背陽側(cè)洞外高于洞內(nèi)，向陽側(cè)洞內(nèi)高于洞外，洞身氣溫由坡腳向坡頂升高。相對濕度的表現(xiàn)與溫度相反，受風(fēng)速和溫度影響，背陽側(cè)洞外濕度低于洞內(nèi)，向陽側(cè)洞外濕度高于洞內(nèi)，洞身濕度由坡腳向坡頂降低。

圖5 尼格隧道洞內(nèi)環(huán)境監(jiān)測Fig. 5 Environmental monitoring inside Nige tunnel

3 三維流-熱耦合仿真

3.1 數(shù)學(xué)模型

隧道開挖前：流-熱耦合模型包括溫度場和水流場，分別遵循傅立葉定律和達(dá)西定律，又同時滿足質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。耦合關(guān)系通過流體水的物理性質(zhì)的變化來體現(xiàn)，水的動力黏度、熱熔、密度、導(dǎo)熱系數(shù)是溫度的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)[14]。隧道貫通后：流-熱耦合模型包括溫度場、水流場和空氣湍流場，溫度場和湍流場通過熱接觸耦合，其他同開挖前。

3.2 地質(zhì)模型

通過控制地質(zhì)縱斷面的地表關(guān)鍵點(diǎn)，以多段線繪制地表線，見圖6；灰?guī)r與花崗巖接觸帶簡化為垂線，距小里程洞口750 m；拉伸縱斷面1 000 m形成三維地質(zhì)域；隧道橫斷面沿走向掃掠形成隧道開挖域，最大埋深640 m，通過布爾運(yùn)算與圍巖地質(zhì)域結(jié)合。模型左側(cè)邊坡平均坡度71°，右側(cè)68°；左、右側(cè)邊緣距洞口50 m，右側(cè)洞口(高程較低)距模型底部50 m。以小里程洞口底緣為空間原點(diǎn)，計(jì)算域整體尺寸長3 452 m(長)×732 m(高)×1 000 m(深)。通過現(xiàn)場取樣測得地層熱物性參數(shù)巖石導(dǎo)熱率、比熱容、滲透率、密度和衰變生熱率，見表1；灰?guī)r孔隙率取5%[17]。

圖6 三維地質(zhì)模型Fig. 6 Three-dimensional geological model

表1 巖石熱物性參數(shù)Table 1 Rock thermal physical properties parameters

3.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

模型頂部，地?zé)崤c環(huán)境進(jìn)行外部自然對流，環(huán)境溫度取地區(qū)年均氣溫15.9 ℃，見圖7；模型底部，對隧道實(shí)測最高溫位置，88.8 ℃，進(jìn)行點(diǎn)積分，利用全局方程計(jì)算得到模型底部線溫度，通過插值函數(shù)將其設(shè)置為底部溫度邊界；模型左側(cè)(小里程端)，賈沙河設(shè)置為定水頭邊界，常年水位高程1 021 m，低于小里程洞口底緣5.84 m；灰?guī)r山體頂部為大氣降水入口，設(shè)置為定流量補(bǔ)給邊界，年均降雨量1 080.3 mm，模型灰?guī)r段左側(cè)和底部為地下水出口；隧道開挖后，圍巖與洞內(nèi)空氣強(qiáng)制對流熱交換，風(fēng)速洞內(nèi)環(huán)境均值1 m/s；花崗巖和灰?guī)r衰變生熱；其余邊界為水、熱的零通量邊界。

隧道開挖域通過邊界層加密2層，徑向拉伸因子1.2；模型邊界映射為規(guī)則四邊形網(wǎng)格；其余域設(shè)置為極細(xì)化自由四面體網(wǎng)格，如圖7。網(wǎng)格單元總數(shù)694.4萬。

圖7 計(jì)算域邊界條件及網(wǎng)格劃分Fig. 7 Calculate domain boundary conditions and meshing

3.4 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果，隧址區(qū)初始溫度由最大埋深向地表降低，最大埋深處102 ℃，地表環(huán)境溫度15.9 ℃；地下水流速由淺至深減小，地表入水口最大為1.42×10-8m/s，模型最底部最小為2.54×10-12m/s，見圖8。隧道縱向初始溫度實(shí)測與仿真趨勢一致，最大誤差絕對值12 ℃，相對值23%，如圖9(a)；隧道貫通后，斷面LK45+748徑向8 m測孔1.5，3 m和8 m測點(diǎn)連續(xù)100 d溫度實(shí)測與仿真趨勢一致，相對誤差較小，如圖9(b)，論證了數(shù)值仿真的可靠性。

圖8 地層初始溫度場云圖與水流場流速流線圖Fig. 8 Formation initial temperature field cloud diagram and water flow field flow velocity flow line diagram

圖9 隧道溫度實(shí)測與仿真Fig. 9 Tunnel temperature measurement and simulation

4 雙熱源二維仿真

4.1 工況設(shè)置

HHP花崗巖地層高溫隧道開挖引起圍巖溫度降低，溫度降范圍和隨時間的瞬態(tài)變化規(guī)律是值得探討的工程環(huán)境問題。為探究隧道設(shè)計(jì)使用100 a內(nèi)，地層初始溫度、花崗巖生熱率、埋深對圍巖溫度場影響，在洞內(nèi)28 ℃，地表20 ℃條件下，共設(shè)置工況81種，見表2。為使研究內(nèi)容具有更廣泛的適用性，考慮埋深、溫度場變化范圍，設(shè)置模型尺寸為1 000(寬)×1 000(高)，網(wǎng)格總數(shù)約6萬，平均單元質(zhì)量(偏度)0.987 6，見圖10。熱源為深部熱源(模型底部)和花崗巖衰變熱(全域)雙熱源；由于花崗巖衰變元素半衰期以億年為單位，假定工況設(shè)定后，100 a內(nèi)花崗巖生熱率不變；花崗巖熱物性參數(shù)引用尼格花崗巖；不考慮隧道襯砌和隔熱層的作用。

表2 工況設(shè)置Table 2 Condition settings

圖10 計(jì)算域邊界條件及網(wǎng)格劃分Fig. 10 Calculate domain boundary conditions and meshing

4.2 仿真結(jié)果和討論

4.2.1 100 a圍巖溫度降范圍

以生熱率10 μW/m3-巖層溫度200 ℃-埋深50/300/500 m工況為例，見圖11，其中閉合曲線分別代表溫度降為0.1，1，10和20 ℃。圍巖溫度降在臨空面最大，沿徑向隨深度增加而減小。溫度降范圍形態(tài)主要受隧道埋深控制，埋深小于溫度降范圍時，隧道上部地層發(fā)生大梯度溫度降，如圖11(a)；埋深大于溫度降范圍時，溫度降范圍形態(tài)近于圓形，如圖11(b)和11(c)。

圖11 不同埋深下100 a圍巖溫度降范圍(生熱率10 μW/m3-巖層溫度200 ℃-埋深50/300/500 m工況)Fig. 11 100-year temperature drop range of surrounding rock under different burial depths (10 μW/m3-200 ℃-50/300/500 m)

以0.1 ℃作為圍巖發(fā)生溫度降范圍界限，81種工況的溫度降范圍大小整理為表3。溫度降范圍大小受地層初始溫度控制，隨初始溫度增大而增大，以生熱率10 μW/m3-巖層溫度100/200/300 ℃-埋深500 m工況為例，溫度降范圍半徑由204.1 m增至235.05 m，關(guān)聯(lián)度0.16 m/℃(溫度每升高1 ℃，溫度降范圍增加0.16 m)見圖12；溫度降范圍大小與埋深無明顯關(guān)聯(lián)，以生熱率10 μW/m3-巖層溫度200 ℃-埋深50/300/500 m工況為例，溫度降范圍半徑224.86～228.91 m，未隨埋深增加而明顯變化，如圖11；溫度降范圍與巖層生熱率無直接關(guān)聯(lián)，以生熱率0/10/20 μW/m3-巖層溫度100 ℃-埋深50 m工況為例，溫度降范圍半徑203.31～203.77 m，變化不足0.5 m?；◢弾r衰變生熱在自然界中多為輔助熱源，以生熱率20 μW/m3-巖層溫度100 ℃-埋深300 m工況為例，在隧道位置，花崗巖衰變生熱熱通量0.014 W/m2對初始溫度場總熱通量0.34 W/m2的貢獻(xiàn)率僅為4.1%，見圖13。

表3 隧道圍巖溫度降范圍Table 3 Tunnel surrounding rock temperature drop range

圖12 不同地層初始溫度下100 a圍巖溫度降范圍(生熱率10 μW/m3-巖層溫度100/200/300 ℃-埋深500 m工況)Fig. 12 100-year temperature drop range of surrounding rock under different initial formation temperatures(10 μW/m3-200 ℃-50/300/500 m)

圖13 花崗巖生熱熱通量與初始溫度場總熱通量(生熱率20 μW/m3-巖層溫度100 ℃-埋深300 m工況)Fig. 13 Granite heat flux and total heat flux of the initial temperature field (20 μW/m3-100 ℃-300 m)

4.2.2 100 a圍巖溫度瞬態(tài)變化

以生熱率10 μW/m3-巖層溫度300 ℃-埋深300 m工況為例，見圖14，其中曲線代表圍巖徑向測點(diǎn)的溫度-時間變化，測點(diǎn)深度分別為1.5，3，8，20，50，100和200 m。隧道開挖后，圍巖溫度整體呈下降趨勢，淺層圍巖溫度為變速衰減過程，可分為快速下降、緩慢下降、基本穩(wěn)定3個階段；較深層圍巖溫度變速衰減減弱，分為緩慢下降和基本穩(wěn)定2個階段；深層圍巖溫度近乎直線慢速衰減過程，屬于基本穩(wěn)定階段。對衰減階段做如下量化：年溫度衰減ΔT≥10 ℃為快速下降階段；1 ℃≤ΔT＜10 ℃為緩慢下降階段；ΔT＜1 ℃為基本穩(wěn)定階段。

圖14 100 a圍巖溫度-時間關(guān)系(生熱率10 μW/m3-巖層300 ℃-埋深300 m工況)Fig. 14 100-year temperature-time relationship of surrounding rock (10 μW/m3-300 ℃-300 m)

圍巖8 m深測點(diǎn)溫度-時間關(guān)系統(tǒng)計(jì)見表4，共81種工況。溫度降速度受巖層初始溫度控制，巖層初始溫度越高，快速下降階段和緩慢下降階段越長，達(dá)到基本平衡的時間越久，以生熱率20 μW/m3-巖層溫度100/200/300 ℃-埋深50 m工況為例，溫度快速下降階段分別為無，0～2 a和0～4 a，時間有倍數(shù)級增加；溫度降速度與埋深無明顯關(guān)聯(lián)，以生熱率20 μW/m3-巖層溫度200 ℃-埋深50/300/500 m工況為例，溫度緩慢下降階段分別為3～16 a，4～21 a和4～16 a，變化較小。溫度降范圍與巖層生熱率無明顯關(guān)聯(lián)，以生熱率0/10/20 μW/m3-巖層溫度300 ℃-埋深50 m工況為例，溫度快速下降階段均為0～4 a。

表4 隧道圍巖溫度降速度Table 4 Temperature of the surrounding rock of the tunnel decreases

5 結(jié)論

1) 隧道初始溫度隨埋深增大而升高，巖溫＞氣溫；徑向溫度在臨空面發(fā)生瞬時驟降；隔熱層和二次襯砌阻擋了圍巖與洞內(nèi)空氣熱對流，淺層圍巖溫度由降反升，圍巖溫度受二次襯砌施作影響總時長達(dá)42 d。

2) 根據(jù)4個月的現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測，日均9:00～16:00時，向陽側(cè)洞口氣溫較背陽側(cè)高4.7 ℃，最大6.1 ℃。受隧道縱坡和洞口溫差影響，自然通風(fēng)條件下，隧道洞內(nèi)空氣流動呈現(xiàn)“橫向煙囪”效應(yīng)，空氣由坡腳低溫側(cè)向坡頂高溫側(cè)流動。

3) 合理的三維流-熱耦合模型可再現(xiàn)高溫隧道地質(zhì)環(huán)境，隧道縱向初始溫度、徑向溫度瞬態(tài)變化趨勢與仿真結(jié)果一致，初始溫度最大誤差23%，論證了數(shù)值仿真的可靠性。

4) 圍巖溫度降在臨空面最大，沿徑向隨深度增加而減小。溫度降范圍形態(tài)受隧道埋深控制，埋深小于溫度降范圍時，隧道上部地層發(fā)生大梯度溫度降；溫度降范圍大小受地層初始溫度控制，隨初始溫度增大而增大。根據(jù)圍巖溫度衰減速度，溫度降過程可分為快速下降、緩慢下降、基本穩(wěn)定3個階段。通過81種工況仿真，得到了隧道設(shè)計(jì)使用100 a內(nèi)，不同地層初始溫度、花崗巖生熱率、埋深變量下，圍巖溫度降范圍和溫度降速度規(guī)律。

5) 花崗巖衰變生熱在自然界中多為輔助熱源，以生熱率20 μW/m3-巖層溫度100 ℃-埋深300 m工況為例，在隧道位置，花崗巖衰變生熱熱通量0.014 W/m2對初始溫度場總熱通量0.34 W/m2的貢獻(xiàn)率僅為4.1%。

6) 本文采用現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，得到了高溫隧道的一些重要環(huán)境參數(shù)和圍巖溫度場變化規(guī)律，可為高溫隧道施工降溫、運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。