大相岭泥巴山隧道区域温度场数值模拟研究

李 群 善

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

大相岭泥巴山隧道区域温度场数值模拟研究

李 群 善

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

以大相岭泥巴山深埋特长隧道区域温度场为研究目标，应用数值模拟分析了场区的温度场特征，得出了一些结论，为该隧道及类似的深埋、特长及地质复杂的隧道设计、施工开挖、通风、运营等提供了重要的依据。

隧道，高地温，数值模拟

岩体温度是地下工程设计和施工的重要基础资料之一，开挖过程中岩体温度不但影响施工环境，还与岩体变形、岩爆等有较大关系[1-8]，特别是对深埋、地质复杂的隧道不能忽视岩体温度的影响，岩体温度还与后期运营息息相关。

1 工程概况

大相岭隧道是雅泸高速公路上的控制性工程，长达10余千米，为上、下行分离式双洞单向交通隧道，为我国第三长的双线公路隧道；最大埋深约1 650 m，埋深属于我国第二的深埋隧道。该隧道地处四川盆地西南边缘山区，山势陡峻，槽谷陡直深切，地形陡峭，多陡崖急坡，平均坡度30°～45°，相对高差约2 100 km。隧址区断裂构造发育，规模较大，岩体整体上较为破碎，大相岭隧道存在高地应力、硬围岩岩爆、软围岩或破碎带围岩大变形、高地温等问题，这些和场区温度分布关系密切，所以搞清楚整个场区温度场对工程顺利开展至关重要。

2 模型及参数选取

2.1 数值模型

在温度场有限元建模中，必须充分考虑各种岩性的岩体以及断层等软弱结构面对隧道区域温度场的影响。大相岭隧道区域温度场的计算范围选取为：左边界为里程YK53+733 m，右边界里程为YK63+820 m，上边界取隧道区域的地表线，下边界取至1.5倍隧道最大埋深，以消除边界误差。由于断层对区域温度场的分布存在一定的影响，因此在有限元建模中，对大相岭隧道区的各种断层均进行了准确的模拟，并作为温度场的异常区。二维温度场有限元模型参见图1。

2.2 参数选取

数值计算用的岩土体力学参数及物性参数主要是室内试验所得，同时经过多次模拟值与实测值比较，进行了部分修正。具体值见表1。

表1 岩土体力学及物理参数值

2.3 边界条件

计算边界条件按如下原则施加：

1)左右侧边界取绝热条件；

2)鉴于大相岭北坡和南坡的气候差异较大，总的来说，北部湿润，年平均气温9.3 ℃～11.4 ℃，南部干燥，年平均气温在12.8 ℃～14.0 ℃，根据《雅泸高速公路泥巴山隧道区域内气象资料的初步分析》，上边界条件南北坡分别取多年平均气温，并根据高程进行修正；

3)底部热流值取42(m·W)/m2。

3 计算结果及分析

鉴于本次温度场的有限元模拟主要目的在于地温的预测，故只需考虑稳态温度场，忽略温度场从平衡到不平衡状态、从不平衡到平衡的变化过程。计算所获得的隧道区域温度场等值线参见图2。

从图2中可以看出：1)地形对隧道的区域温度场具有一定的影响，在靠近地表区域，岩温等值线地形的起伏较大，随着埋深的增加，等值线的波动逐渐趋于缓和；2)地质构造对地温场影响较大，由于断层区域的热传导系数较高，地温梯度较低，断层部位的岩温有一定的降低；3)从地温等值线可以看出，在同一埋深处，北坡和南坡的温度存在差异，南坡的隧道围岩的岩温相对较高，一般要高出约2 ℃～3 ℃，这可能是由于南坡属于背风坡，由于焚风效应，因而南坡的气温比北坡高，气候较为干燥。南坡区域的主要气候特点是：冬少严寒，气温比北坡高，气候干燥年平均气温高，围岩的岩温也相对高一些。

4 模拟值与监测值对比

为了确定隧道洞身段的温度场特征，对大相岭隧道深孔SZK2，SZK3，SZK4分别进行井温测试。根据测试结果通过线性回归法，推测隧道轴线温度与数值模拟隧道轴线温度，如图3所示。

从图3中可以看出，通过线性回归公式预测的隧道最大埋深处的岩温为25.10 ℃，而通过数值模拟预测的隧道最大埋深处的岩温值为24.47 ℃，最大岩温值相差1.56 ℃，平均差值0.67 ℃，总体上看数值模拟结果和线性回归一致，但数值模拟考虑了断层和不同岩层的影响，计算结果应更合理。

5 结论及建议

1)地形对隧道的区域温度场具有一定的影响，在靠近地表区域，岩温等值线地形的起伏较大，随着埋深的增加，等值线的波动逐渐趋于缓和；

2)地质构造对地温场影响较大，由于断层区域的热传导系数较高，地温梯度较低，断层部位的岩温有一定的降低对蠕变变形有利，但较硬的流纹岩、安山岩导热系数低、温度和地应力高，聚集的能量较大增加了岩爆的风险；

3)从地温等值线可以看出，在同一埋深处，北坡和南坡的温度存在差异，南坡的隧道围岩的岩温相对较高，一般要高出约2 ℃～3 ℃；

4)从北坡(岭北)K53+773(隧道进口)～K56+000 m的区段内，围岩最高岩温20.0 ℃，最低岩温9.3 ℃，可不采取降温措施；

5)从北坡(岭北)K56+000 m～K58+700 m(最大埋深部位)，以及从最大埋深部位K58+700 m～K62+200 m(南坡/岭南)的区段内，围岩最高岩温25.10 ℃，最低岩温17.5 ℃，考虑到实际施工中，由于人的活动、机器的运转等因素，在K57+500 m～K60+500 m区段隧道内的最大岩温可能达到32 ℃，因此需加强施工通风措施；

6)从南坡(岭南)K62+200 m～K63+780 m(隧道出口)区段内，最高岩温20.00 ℃，最低岩温10.8 ℃，可不采取降温措施。

[1] 肖 琳，杨成奎，胡增辉，等.地铁隧道围岩内温度分布规律的模型试验及其热导率反算研究[J].岩土力学，2010,31(S2):86-91.

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Daxiangling Niba mountain tunnel area numerical simulation of temperature field of study

Li Qunshan

(ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo.,Ltd,Beijing100055,China)

In this paper the Daxiangling Niba mountain tunnel buried depth temperature field as the research object, the application of numerical simulation analysis of the field temperature field characteristics. Some results are achieved, the temperature field of the surrounding rock of the tunnel and the like, deep expertise and complex geology in tunnel design, construction operation, ventilation, provides an important basis.

tunnel, high temperature of the rock, numerical simulation

2015-02-27

李群善(1981- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)13-0175-03

U452

A