大相嶺泥巴山隧道區(qū)域溫度場數(shù)值模擬研究

李 群 善

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

大相嶺泥巴山隧道區(qū)域溫度場數(shù)值模擬研究

李 群 善

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

以大相嶺泥巴山深埋特長隧道區(qū)域溫度場為研究目標，應用數(shù)值模擬分析了場區(qū)的溫度場特征，得出了一些結(jié)論，為該隧道及類似的深埋、特長及地質(zhì)復雜的隧道設(shè)計、施工開挖、通風、運營等提供了重要的依據(jù)。

隧道，高地溫，數(shù)值模擬

巖體溫度是地下工程設(shè)計和施工的重要基礎(chǔ)資料之一，開挖過程中巖體溫度不但影響施工環(huán)境，還與巖體變形、巖爆等有較大關(guān)系[1-8]，特別是對深埋、地質(zhì)復雜的隧道不能忽視巖體溫度的影響，巖體溫度還與后期運營息息相關(guān)。

1 工程概況

大相嶺隧道是雅瀘高速公路上的控制性工程，長達10余千米，為上、下行分離式雙洞單向交通隧道，為我國第三長的雙線公路隧道；最大埋深約1 650 m，埋深屬于我國第二的深埋隧道。該隧道地處四川盆地西南邊緣山區(qū)，山勢陡峻，槽谷陡直深切，地形陡峭，多陡崖急坡，平均坡度30°～45°，相對高差約2 100 km。隧址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，規(guī)模較大，巖體整體上較為破碎，大相嶺隧道存在高地應力、硬圍巖巖爆、軟圍巖或破碎帶圍巖大變形、高地溫等問題，這些和場區(qū)溫度分布關(guān)系密切，所以搞清楚整個場區(qū)溫度場對工程順利開展至關(guān)重要。

2 模型及參數(shù)選取

2.1 數(shù)值模型

在溫度場有限元建模中，必須充分考慮各種巖性的巖體以及斷層等軟弱結(jié)構(gòu)面對隧道區(qū)域溫度場的影響。大相嶺隧道區(qū)域溫度場的計算范圍選取為：左邊界為里程YK53+733 m，右邊界里程為YK63+820 m，上邊界取隧道區(qū)域的地表線，下邊界取至1.5倍隧道最大埋深，以消除邊界誤差。由于斷層對區(qū)域溫度場的分布存在一定的影響，因此在有限元建模中，對大相嶺隧道區(qū)的各種斷層均進行了準確的模擬，并作為溫度場的異常區(qū)。二維溫度場有限元模型參見圖1。

2.2 參數(shù)選取

數(shù)值計算用的巖土體力學參數(shù)及物性參數(shù)主要是室內(nèi)試驗所得，同時經(jīng)過多次模擬值與實測值比較，進行了部分修正。具體值見表1。

表1 巖土體力學及物理參數(shù)值

2.3 邊界條件

計算邊界條件按如下原則施加：

1)左右側(cè)邊界取絕熱條件；

2)鑒于大相嶺北坡和南坡的氣候差異較大，總的來說，北部濕潤，年平均氣溫9.3 ℃～11.4 ℃，南部干燥，年平均氣溫在12.8 ℃～14.0 ℃，根據(jù)《雅瀘高速公路泥巴山隧道區(qū)域內(nèi)氣象資料的初步分析》，上邊界條件南北坡分別取多年平均氣溫，并根據(jù)高程進行修正；

3)底部熱流值取42(m·W)/m2。

3 計算結(jié)果及分析

鑒于本次溫度場的有限元模擬主要目的在于地溫的預測，故只需考慮穩(wěn)態(tài)溫度場，忽略溫度場從平衡到不平衡狀態(tài)、從不平衡到平衡的變化過程。計算所獲得的隧道區(qū)域溫度場等值線參見圖2。

從圖2中可以看出：1)地形對隧道的區(qū)域溫度場具有一定的影響，在靠近地表區(qū)域，巖溫等值線地形的起伏較大，隨著埋深的增加，等值線的波動逐漸趨于緩和；2)地質(zhì)構(gòu)造對地溫場影響較大，由于斷層區(qū)域的熱傳導系數(shù)較高，地溫梯度較低，斷層部位的巖溫有一定的降低；3)從地溫等值線可以看出，在同一埋深處，北坡和南坡的溫度存在差異，南坡的隧道圍巖的巖溫相對較高，一般要高出約2 ℃～3 ℃，這可能是由于南坡屬于背風坡，由于焚風效應，因而南坡的氣溫比北坡高，氣候較為干燥。南坡區(qū)域的主要氣候特點是：冬少嚴寒，氣溫比北坡高，氣候干燥年平均氣溫高，圍巖的巖溫也相對高一些。

4 模擬值與監(jiān)測值對比

為了確定隧道洞身段的溫度場特征，對大相嶺隧道深孔SZK2，SZK3，SZK4分別進行井溫測試。根據(jù)測試結(jié)果通過線性回歸法，推測隧道軸線溫度與數(shù)值模擬隧道軸線溫度，如圖3所示。

從圖3中可以看出，通過線性回歸公式預測的隧道最大埋深處的巖溫為25.10 ℃，而通過數(shù)值模擬預測的隧道最大埋深處的巖溫值為24.47 ℃，最大巖溫值相差1.56 ℃，平均差值0.67 ℃，總體上看數(shù)值模擬結(jié)果和線性回歸一致，但數(shù)值模擬考慮了斷層和不同巖層的影響，計算結(jié)果應更合理。

5 結(jié)論及建議

1)地形對隧道的區(qū)域溫度場具有一定的影響，在靠近地表區(qū)域，巖溫等值線地形的起伏較大，隨著埋深的增加，等值線的波動逐漸趨于緩和；

2)地質(zhì)構(gòu)造對地溫場影響較大，由于斷層區(qū)域的熱傳導系數(shù)較高，地溫梯度較低，斷層部位的巖溫有一定的降低對蠕變變形有利，但較硬的流紋巖、安山巖導熱系數(shù)低、溫度和地應力高，聚集的能量較大增加了巖爆的風險；

3)從地溫等值線可以看出，在同一埋深處，北坡和南坡的溫度存在差異，南坡的隧道圍巖的巖溫相對較高，一般要高出約2 ℃～3 ℃；

4)從北坡(嶺北)K53+773(隧道進口)～K56+000 m的區(qū)段內(nèi)，圍巖最高巖溫20.0 ℃，最低巖溫9.3 ℃，可不采取降溫措施；

5)從北坡(嶺北)K56+000 m～K58+700 m(最大埋深部位)，以及從最大埋深部位K58+700 m～K62+200 m(南坡/嶺南)的區(qū)段內(nèi)，圍巖最高巖溫25.10 ℃，最低巖溫17.5 ℃，考慮到實際施工中，由于人的活動、機器的運轉(zhuǎn)等因素，在K57+500 m～K60+500 m區(qū)段隧道內(nèi)的最大巖溫可能達到32 ℃，因此需加強施工通風措施；

6)從南坡(嶺南)K62+200 m～K63+780 m(隧道出口)區(qū)段內(nèi)，最高巖溫20.00 ℃，最低巖溫10.8 ℃，可不采取降溫措施。

[1] 肖 琳，楊成奎，胡增輝，等.地鐵隧道圍巖內(nèi)溫度分布規(guī)律的模型試驗及其熱導率反算研究[J].巖土力學，2010,31(S2):86-91.

[2] 萬志軍，趙陽升，董付科，等.高溫及三軸應力下花崗巖體力學特性的實驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008,27(1):72-77.

[3] 邵珠山,喬汝佳，王新宇.高地溫隧道溫度與熱應力場的彈性理論解[J].巖土力學,2013,34(S1):1-8.

[4] 陳國慶.深埋硬巖隧道卸荷熱—力效應及巖爆趨勢分析[J].巖石力學與工程學報，2013，32(8):1554-1563.

[5] 徐長春.高地熱、高地應力條件下的隧道的力學行為及工程措施研究[D].重慶：重慶交通大學，2009.

[6] 張 智，胡元芳.深埋長大隧道施工掌子面溫度預測[J].世界隧道，1998(6)：33-36.

[7] ZHANG L Y，MAO X B，LU A H.Experimental study on the mechanical properties of rocks at high temperature[J].Science in China(Series E):Technological Sciences,2009,52(3):641-646.

[8] LAU J S O,JACKSON R.The effects of temperature and water-saturation on mechanical properties of Lac du Bonnet pink granite[C].The 8th International Congress on Rock Mechanics. okyo,Japan:A.A.Balkema,1995:1167-1172.

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，碩士，工程師

1009-6825(2015)13-0175-03

U452

A