寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律及風(fēng)速風(fēng)溫影響分析

李昊波，孫克國(guó)，孟慶余，陳 宇，張 弛

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031;2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

近年來，順應(yīng)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級(jí)的迫切需要，積極倡導(dǎo)構(gòu)建“橫貫東西、縱貫?zāi)媳薄?nèi)暢外通”的綜合運(yùn)輸大通道。為構(gòu)建西北、西南、東北對(duì)外交通走廊，加快推進(jìn)高速鐵路成網(wǎng)，完善國(guó)家高速公路網(wǎng)絡(luò)，新一輪交通基礎(chǔ)建設(shè)將繼續(xù)向西部或東北地區(qū)延伸[1]。我國(guó)寒區(qū)多分布在中西部的高海拔與北部的高緯度地區(qū)[2]，交通網(wǎng)絡(luò)的不斷延伸使得大量寒區(qū)隧道在建和擬建。國(guó)內(nèi)外大量隧道工程實(shí)踐表明，在高緯度或高海拔的寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，隧道常常會(huì)發(fā)生凍害現(xiàn)象[3-4]，很大程度上弱化了隧道的使用功能，同時(shí)也給運(yùn)營(yíng)行車帶來極大的安全隱患[5-6]。因此，如何在寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)中采取行之有效的措施，避免或減輕隧道凍害的發(fā)生，是關(guān)乎到工程質(zhì)量的重大問題。

寒冷條件下隧道內(nèi)部會(huì)與外界進(jìn)行熱交換，這一交換主要是通過空氣流動(dòng)實(shí)現(xiàn)的[7]。外界冷空氣進(jìn)入隧道洞內(nèi)與圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生熱交換后離開隧道，會(huì)帶走很多熱量從而使隧道溫度場(chǎng)降低[8]。因此，對(duì)寒區(qū)隧道在不同氣溫和風(fēng)速下的溫度場(chǎng)研究是很有必要的。本文依托京沈客專遼寧段的瓦房店隧道建立三維數(shù)值模型，對(duì)寒區(qū)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行研究，并討論氣溫和風(fēng)速對(duì)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的影響。

1 工程概況

瓦房店隧道地處遼寧省凌源市。凌源市地處中緯度溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，干燥寒冷期長(zhǎng)，春秋季風(fēng)大，雨量集中，日照充足，四季分明。當(dāng)?shù)貧v年最冷月的平均氣溫為-9.6 ℃，按對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)，屬寒冷地區(qū)。隧道全長(zhǎng)595 m，西南—東北走向。

隧道位于直線上，隧道內(nèi)縱坡修正后為單面坡，坡度為-0.20 %。

瓦房店隧址氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，最大風(fēng)速為9 m/s，平均風(fēng)速為1.04 m/s。風(fēng)速最高頻率出現(xiàn)在0.5～1 m/s，百分比為23.6 %，其次為0～0.5 m/s、0.5～1 m/s區(qū)間，百分比分別為17.8 %和16.8 %，靜風(fēng)占比為14.5 %。隧址全年最高溫度35.2 ℃，最低溫度-22.1 ℃，日溫度振幅在0～20 ℃。

2 計(jì)算模型說明

本文采用FLUENT建立三維簡(jiǎn)化模型模擬該寒區(qū)隧道，計(jì)算模型如圖1所示。計(jì)算模型高75 m、寬75 m、長(zhǎng)595 m。空氣初始溫度為263.15 K，圍巖初始溫度取為283.15 K，空氣流速取為2 m/s。分析10 d內(nèi)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，采用基于湍流的瞬態(tài)算法，考慮空氣、襯砌和圍巖的換熱過程。隧道穿越地層巖石主要為安山巖和礫巖，對(duì)巖體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)，獲得其熱力學(xué)參數(shù)。空氣、混凝土和圍巖的熱力學(xué)參數(shù)如表1所示，工況設(shè)計(jì)如表2所示。

圖1 三維計(jì)算模型

表1 計(jì)算參數(shù)

表2 工況列表

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律

以工況1為例對(duì)寒區(qū)隧道的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行分析，圖2為工況1在第10 d的溫度云圖。可以看出隨著低溫空氣進(jìn)入隧道，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)明顯降低。取距洞口100 m處截面的拱頂、拱腰及仰拱為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提取計(jì)算時(shí)間10 d中三個(gè)測(cè)點(diǎn)埋深5 m內(nèi)的溫度數(shù)值見圖3。可以看出，在10 d內(nèi)，埋深越淺，距離隧道內(nèi)壁越近的測(cè)點(diǎn)，溫度降低越快，其最終溫度也越低；較淺處的測(cè)點(diǎn)在10 d內(nèi)的溫度變化速度減緩并趨向于恒定，而較深處的測(cè)點(diǎn)尚處于恒速變化階段。埋深3 m處的測(cè)點(diǎn)在10 d內(nèi)的溫度降低小于1 K，故其最終影響深度約為3 m；提取第10 d拱頂、仰拱和拱腰處溫度曲線對(duì)比如圖4 ，可以看出在不同部位同樣埋深的測(cè)點(diǎn)最終溫度基本相同，仰拱處混凝土較厚，混凝土部分溫度相對(duì)較低。

圖2 工況1第10天溫度云圖

3.2 氣溫對(duì)溫度場(chǎng)的影響

空氣溫度對(duì)于寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的影響作用很大，工況1～工況3的空氣溫度分別為263.15 K、258.15 K、253.15 K。100 m斷面處溫度云圖如圖5所示。提取仰拱處數(shù)據(jù)如圖6所示，對(duì)其進(jìn)行分析。可以看出在經(jīng)過10 d與冷空氣的熱交換之后，各工況的溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)基本相同，埋深較淺處降溫幅度較大，埋深較深處降溫幅度較小；對(duì)比工況1～工況3，可以發(fā)現(xiàn)空氣溫度越低，圍巖溫度在降溫后越低。但這能影響到埋深在3 m以內(nèi)的圍巖，在10 d內(nèi)，埋深大于3 m處的圍巖受空氣溫度降低的影響不大，即其最終影響深度為3 m。

(a)拱頂處

(b)仰拱

(c)拱腰處圖3 100m斷面處各測(cè)點(diǎn)溫度曲線

圖4 第10d100m斷面處測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比

圖5 不同工況下隧道橫斷面溫度云圖

圖6 第10 d不同氣溫工況仰拱處溫度對(duì)比

3.3 風(fēng)速對(duì)溫度場(chǎng)的影響

風(fēng)速增大會(huì)提高將更多的洞外冷空氣帶入洞內(nèi)，加劇了洞內(nèi)洞外熱量的交換[9]。導(dǎo)致隧道內(nèi)部溫度的降低。同時(shí)，隨著隧道洞內(nèi)風(fēng)速的增大，襯砌表面的熱交換系數(shù)增大，襯砌和圍巖對(duì)冷空氣的放熱交換更加頻繁。工況1、工況4、工況5的風(fēng)速分別為2 m/s、5 m/s、10 m/s。

圖7 第10 d不同風(fēng)速工況仰拱處溫度對(duì)比

以仰拱處為例，提取各工況的溫度數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示，可以看出當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律不變；隨著風(fēng)速的增加，圍巖溫度場(chǎng)會(huì)降低，但是降低幅度不大，且在10 d內(nèi)的影響深度只能到達(dá)埋深2 m處左右；兩兩對(duì)比工況1、工況4、工況5，工況4相對(duì)工況1風(fēng)速增加3 m/s，圍巖溫度下降明顯，工況5相對(duì)工況4風(fēng)速增加5 m/s，但是圍巖溫度下降相對(duì)較小。可以反映出當(dāng)風(fēng)速高至一定程度時(shí)，隧道內(nèi)外已經(jīng)可以發(fā)生充分的熱量交換，在此情況下風(fēng)速繼續(xù)升高，對(duì)隧道溫度場(chǎng)的影響不大。

4 結(jié)論

本文依托京沈客運(yùn)專線遼寧段的瓦房店隧道，對(duì)寒區(qū)隧道的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并分析了空氣溫度和風(fēng)速對(duì)隧道溫度場(chǎng)的影響。

(1)在10 d內(nèi)的冷空氣作用下，圍巖溫度降低，埋深較淺處降溫速率越來越慢，而較深處的測(cè)點(diǎn)在10 d內(nèi)恒速降溫。

(2)埋深越淺的測(cè)點(diǎn)在第10 d的最終溫度越低，埋深較深的測(cè)點(diǎn)最終溫度較高，而10 d內(nèi)的最終影響深度約為3 m。

(3)空氣溫度越低，圍巖的最終溫度場(chǎng)越低，但分布規(guī)律不變。埋深越淺的測(cè)點(diǎn)受到的影響越大，埋深3 m以上的測(cè)點(diǎn)基本不受影響。

(4)風(fēng)速增加會(huì)使圍巖溫度場(chǎng)降低，但是當(dāng)風(fēng)速高至一定程度時(shí)，圍巖溫度場(chǎng)會(huì)趨于穩(wěn)定，繼續(xù)升高風(fēng)速對(duì)其影響作用不大。