高海拔寒區隧道排水結構溫度場數值分析

陳志杰，任廣麗，閆世豪，李哲

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；2.空間信息應用與防災減災技術交通運輸行業研發中心，北京 100089；3.長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

近年來，我國在高寒地區修建了大量的寒區隧道，通過現場調研發現，由于隧址區域天氣條件惡劣并且隧道排水設施設置不合理，約80%的寒區隧道有不同程度的凍害問題發生，影響隧道的正常運營。七道梁隧道位于甘肅省通往四川省的交通要道上，由于排水溝發生凍結導致隧道襯砌背后圍巖積水，地下水難以排出，隧道襯砌背后圍巖凍脹，隧道襯砌混凝土出現開裂、剝落和滲漏水。另外，東北地區的興安嶺隧道、新疆的玉希莫勒蓋隧道等，由于隧址區域冬季溫度過低，在建成投入運營后，隧道排水結構及隧道襯砌結構均出現一定程度的凍結，不僅增加后期隧道維護及運營成本，而且影響隧道的使用。因此，必須合理地布設隧道排水結構，并采取相應的保溫防凍措施，避免隧道排水結構發生凍結，確保冬季排水通暢。

本文以紅土山隧道為依托，采用ANSYS Fluent模擬了不同排水工況下隧道圍巖的溫度場變化，并提出了具體的排水措施。研究結果為在建及將建的寒區隧道提供了技術支持，有利于減少隧道凍害問題的發生。

一、隧道溫度場有限元模型

（一）初始及邊界條件

紅土山隧道位于內陸高原腹地，海拔高且氣溫低，根據隧址區地表溫度變化，左右邊界設為絕熱邊界。由隧道所處地區的地理位置等條件，通過計算確定其地溫梯度為2℃/100m，圍巖穩定溫度取8℃。隧道洞內施加的溫度荷載為隧道內實測的溫度值，隧道洞內溫度通常用正弦函數進行擬合，擬合公式為：

式中，T為溫度，℃；t為時間，d；Ta為年平均氣溫，℃；A為年氣溫振幅，℃。

則洞口氣溫函數為：

洞內距隧道洞口500m氣溫函數為：

洞內距隧道洞口1500m氣溫函數為：

（二）模型計算參數的選取

本文主要針對隧道下部圍巖溫度場進行分析，在數值計算中要考慮仰拱混凝土和圍巖的熱學性質，由工程地質勘查報告可知，該隧道隧底圍巖以板巖為主，在進行數值模擬計算時，混凝土及圍巖的熱學參數選取如表1所示。

表1.混凝土及圍巖熱學參數

隧道保溫材料選用聚氨酯泡沫板，經過導熱系數的測試試驗，保溫材料的熱學參數如表2所示。

表2.保溫材料熱學參數

（三）模擬工況

由現場測試可知，隧道最大凍結深度約為3m，凍結深度隨進深的增加逐漸減小，在隧道進深580m位置處，隧道下部圍巖凍結深度達到1.5m。因此，初步擬定采用3種排水結構方案進行數值分析：

方案1：設置中心排水溝，且中心排水溝埋設于路面下方2m位置處。暫定中心排水溝保溫措施布設方案如表3所示：

表3.方案1中心排水溝保溫層厚度預設方案

方案2：設置中心排水溝，且中心排水溝埋設于路面下方3m位置處。暫定只需在隧道進出口一定距離處采取保溫措施，保溫方案如表4所示。

表4.方案2中心排水溝保溫層厚度預設方案

方案3：設置防寒泄水洞，在進出口各設置300m防寒泄水洞，隧道其余位置設置中心排水溝，中心排水溝埋設于路面下方2m處，防寒泄水洞埋深預設為4m。

（四）計算模型

根據紅土山隧道的地形地貌條件，為了縮短模型計算時間，確保隧道下部冷凍圍巖的計算結果能夠完整地反映隧道冷凍區域的真實情況。模型尺寸通常選取4～5倍的隧道尺寸，橫斷面尺寸選為50m×60m，平行于隧道軸線上方1000m。

二、數值模擬計算及結果分析

（一）中心排水溝埋深2m時的溫度場分析

結合當地資料可知，地面最大凍結深度約為3m，當中心排水溝(R=50cm)埋設于路面下方2m時，且對中心排水溝采取保溫措施，洞口段0m～200m范圍內設3cm厚保溫材料，200m～500m范圍內設2cm厚保溫材料，驗證其保溫效果，并運用Fluent進行有限元計算分析。

圖1和圖2分別為不同保溫條件下隧道不同進深位置處的溫度分布特征云圖。對不同保溫條件時中心排水溝頂部溫度分布云圖中的計算結果進行數據提取，數據提取范圍為隧道進深0m～500m范圍內，數據間隔25m，則溫度隨隧道進深變化曲線如圖3所示。

圖1.無保溫措施時不同進深位置處溫度分布特征云圖

圖2.方案1保溫條件下不同進深位置處溫度分布特征云圖

圖3.中心排水溝頂部溫度沿隧道進深變化曲線

隧道未采取保溫措施時，隧道洞口處中心排水溝附近溫度值約為-2.1℃，水流溫度為負溫，極易引發凍結，導致隧道凍害問題發生；在距隧道兩端洞口0m～200m范圍內，中心排水溝周圍包裹3cm厚保溫層，在200m～500m范圍內設2cm保溫層，可以有效地改善中心排水溝周圍的溫度場分布特征，將中心排水溝頂端溫度提升至0℃以上，中心排水溝均被正溫包圍，說明保溫層布設方案能夠滿足隧道排水結構的保溫防凍要求。

（二）中心排水溝埋設于路面下方3m時的溫度場分析

當中心排水溝埋設于路面下方3m時，且對中心排水溝采取保溫措施，洞口段0m～200m范圍內設2cm厚保溫材料，200m～500m范圍內設1cm厚保溫材料，驗證其保溫效果。

圖4為隧道不同進深位置處的溫度分布特征云圖。中心排水溝埋設于路面下方3m時，且分段改變保溫厚度，提取數值計算結果，得到水溝頂端位置及保溫層內壁溫度隨隧道進深的變化曲線，如圖5所示。

圖4.方案2保溫條件下不同進深位置處溫度分布特征云圖

圖5.中心深埋水溝周圍溫度隨進深的變化曲線

由圖4及圖5可知，隧道進口斷面處，隧道中心深埋水溝頂端保溫層與溝壁交界處溫度約為2.9℃，保溫層外壁溫度值為0.4℃，溫度值均在0℃以上，且隨著進深的增加，中心排水溝頂部位置處溫度值逐漸升高。中心排水溝埋設于路面下方3m處，距洞口0m～200m范圍內設置2cm厚聚氨酯保溫層、200m～500m范圍內設置1cm厚聚氨酯保溫層，可以使中心排水溝周圍保持正溫分布，中心深埋水溝內水流溫度大于0℃，保證水流不會發生凍結，能順利排出至隧道外，防止出現隧道凍害問題。

（三）設置防寒泄水洞時的溫度場分析

當隧道中心排水溝埋置深度過大時，容易造成隧道上部結構失穩破壞，影響隧道的使用安全，故可以在洞口段設置防寒泄水洞代替中心深埋水溝。根據現場地質條件暫定將防寒泄水洞埋置于隧道路面下方4m處，設置長度為隧道進出口段0m～300m范圍內，隧道其余位置設置中心排水溝，中心排水溝埋設于路面下方2m處，距隧道兩端洞口300m～500m范圍內，中心排水溝鋪設2cm厚聚氨酯保溫材料。

圖6為設置防寒泄水洞時，隧道不同進深斷面處溫度分布特征云圖。提取隧道防寒泄水洞拱頂位置溫度值，可得出不同隧道進深溫度變化曲線，如圖7所示。

圖6.方案3保溫條件下不同進深位置處溫度分布特征云圖

圖7.防寒泄水洞拱頂位置處沿進深溫度變化曲線

由圖6和圖7可知，防寒泄水洞在洞口斷面處拱頂位置處溫度為1.2℃，隨著隧道進深的增加，溫度值逐漸升高，升高幅度逐漸減小。防寒泄水洞周圍溫度保持在0℃以上，說明防寒泄水洞埋設于路面下方4m時均被正溫包圍，泄水洞內水流不會發生凍結，且排水通暢，能夠滿足隧道排水需求。

三、隧道排水結構方案分析

合理的布設隧道排水結構并采取相應的保溫防凍措施是確保隧道冬季排水通暢的關鍵。根據數值模擬計算結果，隧道排水結構布設方案可分為設置中心深埋水溝和洞口段設置防寒泄水洞兩種。

（一）設置中心深埋水溝

根據數值模擬結果可知，隧道中心排水溝埋深為2m并設置聚氨酯保溫材料后，溫度場較之前發生較大變化，洞口斷面處中心排水溝頂端溫度值在1℃附近，隧道洞內其他斷面位置處，中心排水溝周圍均被正溫包圍，說明中心排水溝設置變厚度聚氨酯保溫材料可有效防止溝內水流凍結，起到了良好的保溫防凍效果。中心排水溝全長范圍內的溫度值也均大于0℃，保溫層內外溫度差值約為2.9℃，中心排水溝長期處于正溫區域，水流不會發生結冰，能保證中心排水溝內水流正常排至隧道外。因此，建議中心排水溝具體布設為：

(1) 將中心排水溝埋設于路面下方2m處，對隧道中心排水溝采取保溫措施，考慮到隧道洞口斷面位置處的溫度場分布特征，一定要設置安全溫度范圍，建議不同進深位置處保溫層厚度布設方案如表5及圖8所示。

表5.隧道仰拱或中心排水溝保溫層厚度布設表

圖8.距隧道洞口不同位置處保溫層厚度設置

(2) 將中心排水溝埋設于路面下方3m處，對隧道中心排水溝采取變厚度保溫措施，建議隧道不同位置處中心排水溝保溫層厚度如表6及圖9所示。

表6.不同位置處保溫層厚度

圖9.隧道排水溝不同位置處保溫層厚度設置

（二）設置防寒泄水洞

洞口段設置防寒泄水洞時，防寒泄水洞一直被正溫包圍，水流不會發生凍結，中心排水溝和縱向排水管內的水流經泄水管流入防寒泄水洞內，最終由防寒泄水洞將隧道內水排至隧道外。建議在隧道進出口至隧道進深300m范圍內設置防寒泄水洞，泄水洞埋深為4m，排水坡度設為3%，洞內其他位置設置中心排水溝，中心排水溝埋深為2m，距隧道兩端洞口300m～500m，同時在中心排水溝鋪設2cm厚的聚氨酯保溫材料，布設位置示意圖如圖10所示。

圖10.防寒泄水洞及中心排水溝布設位置圖

四、結語

根據現場測試數據，本文借助數值模擬對不同排水結構下的溫度場進行了分析，得到以下結論：

(1) 隧道中心排水溝埋深2m且未設保溫時，隧道洞口位置處中心排水溝頂端溫度值為-1.9℃，且中心排水溝周圍為負溫分布，溫度較低，排水溝洞口段極易發生凍結，造成中心排水溝堵塞，引起隧道凍害；中心排水溝分段變厚度設置聚氨酯保溫材料后，洞口斷面處中心排水溝頂端溫度值在1℃左右，可以有效避免中心排水溝內水流出現凍結。

(2) 隧道中心排水溝埋深3m且中心排水溝分段變厚度設保溫層時，洞口斷面中心排水溝頂端保溫層內外兩側溫度分別為0.4℃和2.9℃，滿足隧道排水結構的保溫防凍要求。

(3) 在隧道洞口段路面下方4m處設置防寒泄水洞代替中心深埋水溝時，防寒泄水洞均被正溫包圍，其他位置設置中心排水溝，中心排水溝埋深為2m，可以滿足隧道排水要求。