排水作用下高海拔隧道温度场特性影响研究

2020-07-21李学智孙永清刘明江

四川建筑 2020年1期

李学智，孙永清，胡川，刘明江，王渊，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点实验室, 四川成都 610031)

近年来，随着国家在基础建设方面投入的不断加大，西部地区的交通设施建设得到了快速发展，在此背景下，处在高海拔山区的交通工程数量猛增，其中便包括诸多铁路和公路隧道，如昆仑山隧道、大阪山隧道、雀儿山隧道、鹧鸪山隧道等。高海拔地区年平均气温较低，因而这些隧道往往面临冻害的困扰，如不能妥善解决，轻则影响隧道正常使用，重则导致隧道报废，甚至引发安全事故。冻害的发生直接与温度相关，因此需对隧道的温度场特性进行分析，探明隧道温度的分布特性，从而为隧道抗防冻设计提供参考。

国内外学者对于高海拔地区隧道温度场分布进行了广泛研究。Bronfenbrener[1]和Mottaghy[2]针对温度变化导致的岩土体内水分相变的模拟问题，提出了三区域模型；Tan[3-4]进一步考虑了渗流的作用，对高海拔隧道温度场的模拟更为精确；何春雄[5]通过有限元计算对大阪山隧道温度场进行了研究；张学富等[6-7]通过建立有限元模型对风火山隧道冻土回冻进行了预测。

目前高海拔隧道温度场研究虽已取得较多成果，但未见有报道考虑隧道排水对温度分布影响，且目前大多数隧道采用“防排结合”的防排水体系，围岩中的地下水不断通过衬砌背后排水管流出，在此过程中势必造成热量流动，并对隧道温度场造成影响。有鉴于此，以国道317线珠角拉山隧道为研究对象，通过建立含排水管的数值模型，分析考虑排水时的高海拔隧道温度场特性，对比研究水头高度对于隧道温度场的影响，从而为高海拔隧道抗防冻设计提供理论依据。

1 工程概况

国道317线(西藏境)珠角拉山隧道位于横断山脉的北端，为单洞双向两车道40km/h二级公路公路隧道，为了满足施工和后续运营需要，在距主洞30m处设有平行导洞，主洞隧道长4 605m，平行导洞长4 636m。隧道洞身最大埋深约540m，洞身段由中-微风化粉砂质泥岩、灰岩和构造破碎带组成，岩体以块(碎)石状结构和层状砌体结构为主。隧址区地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水，隧道防排水设计遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，采用φ100mm环向排水管将岩面渗流水排入φ160mm半边打孔纵向排水管，再通过横向排水管将衬砌背后水引入隧道中心排水管排出洞外。

主洞隧道建筑限界宽9.0m，高5.0m，隧道内轮廓采用三心圆断面，内轮廓净宽9.8m，净高6.95m；导洞限界净宽4.5m，净高5.0m，具体断面尺寸如图1所示。主洞和导洞均采用复合式衬砌结构，初期支护采用锚喷支护，喷射混凝土等级为C25，二次衬砌采用C30模筑混凝土。

珠角拉山隧道进口海拔为4 153m，出口海拔为4 258m，隧址区多年平均最低气温达-23.7～-16.2 ℃，年平均气温3～8 ℃，面临的防冻形势十分严峻，因此运用FLUENT软件建立有限元模型，分析排水作用下隧道的渗流场和温度场特征，为隧道的抗防冻设计提供理论依据。

2 渗流-温度耦合分析有限元模型

(a)主洞

(b)导洞图1 隧道内轮廓及建筑限界(单位:cm)

以珠角拉山隧道为背景建立三维有限元模型，尺寸为80m×50m×5m。模型四周设置为温度和水头的复合边界条件，前后表面则为对称边界，隧道内部二次衬砌与空气对流换热，换热系数取15w/m2·k[8]；通过设置压力出口模拟环向排水管的排水效应，考虑到计算的复杂性，模型中忽略了其它排水管道，即主要考虑地下水流向环向排水管的渗流过程。有限元模型如图2所示。围岩、初期支护混凝土、二次衬砌混凝土渗透率分别取2.5×10-14/m2、1.0×10-14/m2、2.0×10-17/m2。采用Boussinesq假设和凝固-融化模型对温度变化造成的水份迁移和水份相变进行模拟，材料热物理参数如表1所示。

(a)整体有限元模型

(b)主洞局部构造

根据工程资料，洞内气温年变化过程可取下式：

T=4.1-17.2sin(2πt/365+π/2)

(1)

式中：T为洞内气温；t为时间。

表1 材料热物理参数表

3 结果分析

3.1 排水对隧道温度场影响特性

假设模型上表面为自由液面，分析此时的隧道温度分布。为了对比分析排水作用对于隧道温度场的影响，分别对考虑排水与否两种情况下的隧道温度场分布进行研究。

图3为考虑排水与否两种情况下二次衬砌背表面温度分布，数据提取时间为12月份。从图3中可以看出，不考虑排水情况下，二次衬砌背表面温度总体上呈现拱顶低仰拱高的分布趋势，如主洞拱顶和仰拱部位的温差达到了5.3 ℃，这主要是因为底部车道板下有较厚的填充混凝土，对热量传递起到了隔绝作用。在考虑排水情况下，衬砌背表面温度有所升高，特别在排水管所处部位更为明显，如主洞拱顶部位二次衬砌背表面温度在排水管附近提高了约3 ℃。

(a)不考虑排水

(b)考虑排水图3 考虑排水与否两种情况下二次衬砌背表面温度分布

图4考虑排水与否主洞衬砌外表面温度沿隧道纵向变化曲线，数据提取时间为12月份。从图4中可以发现，在不考虑排水情况下，衬砌外表面温度沿隧道纵向基本为一定值，其中拱脚部位温度最高，为-9.97 ℃，拱腰和仰拱部位温度最低，为-11.40 ℃；在考虑排水情况下，二衬外表面温度较不考虑排水时整体有所升高，且不同部位的二衬外表面最高温度均出现在排水管处，以拱腰部位为例，考虑排水时排水管处二衬外表面温度较不考虑排水时升高了1.38 ℃。

图4 考虑排水与否两种情况下主洞衬砌表面温度沿隧道纵向变化

为了进一步研究环向排水管排水效应对隧道温度场的影响范围，提取考虑排水情况下主洞拱顶不同埋深处温度沿隧道纵向的变化曲线，如图5所示，数据提取时间为12月份。从图中可以看出，在埋深0～1.5m范围内，衬砌和围岩温度在排水管处有明显升高，超过此范围后，衬砌和围岩温度沿隧道纵向不再发生改变。

图5 排水情况下主洞拱顶不同埋深处温度沿隧道纵向变化

3.2 水头高度对隧道温度场影响特性

以上计算均假设模型上表面为自由液面，即上表面水头高度为0m，实际隧道工程可能面临复杂的水文地质情况，因而分别对模型上表面水头高度为10m、20m、30m、40m时的隧道温度场进行分析。

图6为不同工况下二衬背表面温度分布，数据提取时间为12月份。从图6中可以发现，不同水头高度下二衬背表面温度均在排水管处明显升高；随着水头高度升高，围岩中水流向排水管的渗流速度加快，带动地层深部的热量更快地向隧道背后进行补给，因而水头高度越高，二衬背表面温度也就越高。

(a)水头10m

(b)水头20m

(c)水头30m

(d)水头40m

图7为不同水头高度下温度随埋深变化曲线，数据提取位置为主洞拱顶排水管处，提取时间为12月份。从图7中可以发现，不同水头高度下温度在衬砌结构部位随埋深加深呈线性增长，且不同水头高度下的衬砌温度分布基本相同；在衬砌背后，温度随着埋深增加而逐渐升高，而后保持平稳；围岩温度随着水头高度的升高而逐渐升高，且这种变化主要体现在从衬砌背后到埋深10m处的范围内；同时，温度低于0 ℃的围岩冻结圈范围随着水头高度的升高而逐渐缩小，如水头高度为0m时，冻结圈范围为1.72m，水头高度为40m时，冻结圈范围为1.05m。

图7 不同水头高度下主洞拱顶温度沿埋深变化

(a)埋深2m

(b)埋深6m

(c)埋深10m图8 不同水头高度下主洞拱顶不同埋深处温度年变化曲线

图8为不同水头高度下主洞拱顶不同埋深处温度随月份变化曲线，数据提取位置为排水管处。从图8中可以发现，随着埋深增加，温度随时间的变化幅度逐渐减小，在埋深10m处，温度保持恒定；同时，由于热量传递的滞后作用以及冰水相变的影响，因而不同埋深处的温度变化趋势不同，如水头高度为0m时，埋深2m处温度在1～4月降低，5～7月升高，之后又降低，而在埋深6m处，温度在1～6月降低，7～9月升高，之后降低。

对比不同水头高度下的温度变化曲线可以发现，随着水头高度升高，在埋深2m处，不同月份的围岩温度均有所升高，且在5月份的升高幅度最大；在埋深6m处，除1月份外，其余月份的围岩温度亦有所升高；但在埋深10m处，不同水头高度下的围岩温度差异几乎为0。

图9为不同水头高度下主洞拱顶调热圈半径年变化曲线，调热圈为围岩温度降低值超过原始岩温1 %的区域，数据提取位置为排水管正上方。从图9中可以发现，调热圈半径随着时间逐渐增长，但增长速度逐渐变缓，而后保持不变；当不考虑排水作用时，稳定后调热圈半径为11.78m，考虑排水后，当模型上表面水头高度为0m时，稳定后调热圈半径为9.70m，较不考虑排水作用时减小了17.65 %；当模型上表面水头高度为40m时，稳定后调热圈半径为5.5m，较上表面水头高度为0m时减小了43.30 %。同时，随着水头高度升高，调热圈半径达到稳定的时间越来越早，如水头高度为40m时，调热圈半径在3月份便达到初步稳定，水头高度为0m时，调热圈半径在7月份方达到初步稳定。