寒區(qū)隧道新型環(huán)向盲溝排水體系及溫度場分析

劉龍衛(wèi) 孫 源

(1.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401123；2.西南交通大學(xué)， 成都 610031)

隧道保溫的主要目的就是在圍巖凍結(jié)和解凍過程中使排水系統(tǒng)盡可能暢通[1]。在寒冷季節(jié)，滲漏水會誘發(fā)各種隧道凍害，威脅安全行車和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[2]。因此，保證隧道襯砌壁后水系統(tǒng)的冬季暢通非常重要。國內(nèi)防止排水系統(tǒng)堵塞主要采用保溫法[3-4]：一是在隧道襯砌的外表面全面設(shè)置保溫層；二是在隧道襯砌壁后全面設(shè)置保溫層。但通過對隧道凍害情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)[5-10]，寒冷地區(qū)隧道在溫度惡劣(大約<15 ℃)的條件下，現(xiàn)有保溫層措施存在因襯砌壁后排水系統(tǒng)凍結(jié)而產(chǎn)生滲漏水凍害的問題。目前，針對隧道防凍措施的研究主要集中在整體保溫方面，很少有保溫和排水相結(jié)合的防凍措施。因此，針對現(xiàn)存隧道防排水問題，本文提出了一種寒區(qū)隧道局部保溫+排水的保溫排水結(jié)構(gòu)——環(huán)向盲溝保溫排水結(jié)構(gòu)體系，分析了該結(jié)構(gòu)體系對圍巖溫度場的影響，并驗(yàn)證了其保溫排水效果。

1 環(huán)向盲溝防排水結(jié)構(gòu)

環(huán)向盲溝保溫排水結(jié)構(gòu)體系是一種局部保溫+排水相結(jié)合的措施，即在保持現(xiàn)有防水保溫的措施下，于隧道襯砌后的圍巖內(nèi)沿環(huán)向設(shè)置排水盲管，盲管由寬幅 1 m的輕質(zhì)保溫混凝土填充的環(huán)向盲溝進(jìn)行保溫，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 環(huán)向保溫盲溝結(jié)構(gòu)示意圖

具體方法是：沿隧道初期支護(hù)以外圍巖內(nèi)設(shè)置環(huán)向盲溝，并采用陶粒輕質(zhì)混凝土進(jìn)行填充，盲溝內(nèi)設(shè)外裹無紡布的排水盲管(如圖2所示)。本環(huán)向保溫盲溝設(shè)施適用于冬季嚴(yán)寒且持續(xù)時(shí)間長、冰凍期長、凍土深地區(qū)的隧道保溫防水。

圖2 盲溝局部示意圖(cm)

2 工程實(shí)例分析

通過對近20座隧道防凍保溫層敷設(shè)形式及設(shè)計(jì)厚度的調(diào)查，保溫隔熱層設(shè)計(jì)厚度基本上可滿足隧道環(huán)境溫度 -15 ℃以上的排水系統(tǒng)防凍保溫要求。反過來講，當(dāng)隧道環(huán)境溫度低于 -15 ℃時(shí)，便可能導(dǎo)致隧道防排水系統(tǒng)凍結(jié)[11]。結(jié)合實(shí)際工程，采用有限元方法分析環(huán)向盲溝對隧道圍巖溫度場的影響，借以探討環(huán)向盲溝結(jié)構(gòu)體系的保溫排水效果。

2.1 工程概況

格庫鐵路阿爾金山隧道全長13 195 m，為全線第一長隧道，也是本線的重點(diǎn)控制性工程[12]。隧址區(qū)全年平均氣溫2.9 ℃，最冷月平均氣溫 -25.1 ℃，最熱月平均氣溫17.5 ℃，極端最高氣溫32 ℃，最低氣溫 -34.3 ℃。為有效疏導(dǎo)隧道地下水，防止襯砌背后積水，最大程度減小襯砌凍脹危害，隧道兩端洞口各 1 500 m范圍內(nèi)設(shè)置環(huán)向保溫盲溝，位置在初期支護(hù)以外距離襯砌內(nèi)緣的1.2 m處，間距6～12 m。

2.2 計(jì)算模型建立及參數(shù)選取

2.2.1物理模型

將隧道襯砌環(huán)向傳熱轉(zhuǎn)化為平面熱傳導(dǎo)問題，建立物理模型[13]如圖3所示。隧道二次襯砌厚度 50 cm，初期支護(hù)厚度25 cm，防水板厚度2 mm，保溫層厚度5 cm。結(jié)合工程實(shí)際，環(huán)向盲溝設(shè)置在初期支護(hù)以外，初步取距離襯砌內(nèi)緣1.2 m，即實(shí)際厚度45 cm，寬1 m。取距襯砌表面10 m處為地層恒溫線，同時(shí)根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于排水管間距的規(guī)定，環(huán)向盲管間距宜為8～12 m，當(dāng)?shù)叵滤l(fā)育時(shí)可適當(dāng)加密至3～5 m。本文結(jié)合工程實(shí)際，選取盲溝縱向間距6 m進(jìn)行研究。

圖3 物理模型圖

采用ANSYS二維實(shí)體單元PLANE55劃分網(wǎng)格，模擬的二維結(jié)構(gòu)區(qū)域共劃分 6 184個(gè)單元，6 256個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2.2計(jì)算參數(shù)

依據(jù)寒區(qū)隧道特性，材料熱物理參數(shù)如表1所示。

表1 材料熱物理參數(shù)[14]

2.2.3邊界條件與初始條件

由于隧道洞口段是凍害最不利地段，故假定隧道襯砌表面溫度與大氣溫度一致，且以年為周期按正弦規(guī)律變化。依托隧道工程地區(qū)年平均氣溫為2.9 ℃，年溫差約為60 ℃，提出模型的左邊界溫度條件為：

Tc=30sin(2πt/T+3π/2)+2.9

(1)

式中：T——作用時(shí)間。

全年的溫度分布如圖4所示。

圖4 襯砌表面溫度隨時(shí)間變化曲線圖

從圖4可以看出，最低作用氣溫約為-26.4 ℃，最高作用氣溫約為 33.6 ℃， 為模擬惡劣的環(huán)境溫度，模擬分析時(shí)，左邊界溫度取1年之中的持續(xù)負(fù)溫段；假定離地表10 m處圍巖溫度保持6 ℃不變，并以此作為右邊界條件；上、下邊界考慮為絕熱條件。初始襯砌溫度與圍巖溫度保持一致?？紤]到圍巖溫度變化相對于環(huán)境溫度有一定的延遲效應(yīng)，故取圖4曲線300 d對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為模擬的起始作用時(shí)間，凍結(jié)降溫期為 300～360 d，凍融升溫期為360～420 d，最終作用時(shí)間考慮為120 d。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1凍結(jié)降溫期

隨著冬季環(huán)境氣溫逐漸降低，從隧道襯砌表面到圍巖深處的整個(gè)區(qū)域溫度都在逐漸降低，隧道沿徑向的負(fù)溫線逐漸加深。從圖3的物理模型可以看出，AB方向上，圍巖左端有保溫盲溝；CD方向上，圍巖左端沒有保溫盲溝。因此，保溫盲溝作用下的圍巖徑向溫度，即為AB方向上的溫度曲線；同理，CD方向即為無保溫盲溝作用下的圍巖徑向溫度。為分析凍結(jié)降溫期環(huán)向盲溝對圍巖溫度的影響，分別提取沿AB方向和CD方向不同時(shí)刻的溫度分布值，得到有無保溫盲溝的圍巖深度曲線，如圖5、圖6所示。其中初始時(shí)間為0 d，即圖4中300 d的位置。

圖5 有環(huán)向盲溝圍巖溫度曲線圖

從圖5可以看出，徑向溫度分布受保溫措施的影響，存在明顯的分層現(xiàn)象。由于襯砌混凝土導(dǎo)熱能力較好，襯砌層溫度受環(huán)境溫度影響變化較快，曲線較為平緩；到保溫層，由于保溫材料隔絕傳熱，兩側(cè)溫度相差較大；初期支護(hù)層曲線平緩，至盲溝填充的保溫混凝土層(徑向深度約在0.8～1.25 m)兩端溫差又變大，直到圍巖層又相對平緩。且在徑向深度約為1.25 m處(即環(huán)向排水管位置)，溫度大約都在2.5 ℃以上，基本保證不會發(fā)生凍結(jié)。

圖6 無保溫盲溝圍巖溫度曲線圖

從圖6可以看出，到90 d襯砌表面溫度(環(huán)境溫度)已經(jīng)下降到 -15 ℃以下，同時(shí)保溫層后的圍巖溫度達(dá)到 -1.94 ℃，此時(shí)環(huán)向排水管不可避免地會出現(xiàn)凍結(jié)的情況，這說明在極端溫度下，保溫層的保溫效果確實(shí)存在達(dá)不到保證排水通暢要求的情況。

對比圖5和圖6可知，受盲溝保溫作用的影響，從整體上來看，有保溫盲溝區(qū)域的近壁面處圍巖溫度受明顯高于未設(shè)保溫盲溝區(qū)域的近壁面處圍巖溫度，設(shè)置保溫盲溝能有效防止排水系統(tǒng)的凍結(jié)問題。

圖7 1.05 m深度處圍巖溫度曲線圖

圖8 120 d無保溫盲溝徑向1.2 m范圍內(nèi)圍巖溫度曲線圖

根據(jù)設(shè)置保溫盲溝時(shí)的圍巖溫度曲線，可得保溫盲溝影響下不同時(shí)間的圍巖凍結(jié)深度，如表2所示。

表2 不同時(shí)間的圍巖凍結(jié)深度表

從表2可以看出，考慮最不利情況，120 d時(shí)的最大凍結(jié)深度為1.05 m，對于徑向深度在1.25 m的環(huán)向排水管，仍有一定的安全距離。反過來講，若環(huán)向排水管設(shè)置在深度1.05 m的位置，也能保證自身排水通暢。那么對于保溫盲溝來講，其設(shè)置厚度應(yīng)做一定調(diào)整，最小厚度可為25 cm，即環(huán)向盲管可位于深度 1.05 m處。考慮最不利條件，以環(huán)向盲管位置深度為1.05 m(盲溝厚度25 cm)進(jìn)行建模分析。

在上述假設(shè)的環(huán)境溫度下，環(huán)向盲溝對防排水起到了良好的效果，但對于更低溫度(最低氣溫低于-26.4 ℃)的環(huán)境條件，仍需驗(yàn)證最小厚度是否能保證排水通暢。保持溫度邊界條件不變，采用 25 cm厚度的環(huán)向盲溝進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果表明，在設(shè)置環(huán)向盲溝后，環(huán)向排水管所在深度(即徑向深度1.05 m)處圍巖溫度有了明顯的變化(如圖7所示)，盲溝處降溫速度更慢。120 d無保溫盲溝徑向1.2 m范圍內(nèi)圍巖溫度曲線如圖8所示。從圖8可以看出，未設(shè)環(huán)向保溫盲溝區(qū)段的凍結(jié)深度已經(jīng)達(dá)到1.2 m?？梢灶A(yù)想，當(dāng)設(shè)有環(huán)向盲溝區(qū)段的環(huán)向盲管開始凍結(jié)時(shí)，無保溫盲溝區(qū)段應(yīng)已形成了一層圍巖凍結(jié)層，此時(shí)反而可阻隔地下水的滲透。

上述結(jié)果表明，盲溝厚度為25 cm時(shí)能保證排水系統(tǒng)的通暢。即使在更惡劣(小于-26.4 ℃)的環(huán)境溫度下，環(huán)向排水管發(fā)生凍結(jié)，但當(dāng)排水管凍結(jié)時(shí)，在隧道未設(shè)保溫盲溝區(qū)段的襯砌壁后圍巖已經(jīng)凍結(jié)，隧道滲漏水也不會發(fā)生。

2.3.2凍融升溫期

隨著冬季過去，環(huán)境氣溫逐漸升高，從隧道襯砌表面到圍巖深處的凍結(jié)區(qū)域，隨溫度升高會發(fā)生凍融。升溫期有、無環(huán)向盲溝情況的圍巖溫度分布曲線如圖9、圖10所示。

圖9 有環(huán)向盲溝圍巖溫度曲線圖

圖10 無保溫盲溝圍巖溫度曲線圖

從圖9和圖10可以看出，在凍融升溫期，設(shè)置環(huán)向盲溝區(qū)域的圍巖溫度比不設(shè)盲溝的區(qū)域升溫慢，解凍開始時(shí)間較不設(shè)盲溝區(qū)域有所推延。

凍融升溫期排水盲管深度處圍巖溫度曲線如 圖11所示。從圖11可以看出，未設(shè)置環(huán)向盲溝區(qū)域(即EF線兩端)，在100 d時(shí)已升溫至0 ℃，而設(shè)有保溫盲溝區(qū)域在120 d時(shí)圍巖溫度才達(dá)至0 ℃，故有保溫盲溝區(qū)域的環(huán)向排水管要比無保溫盲溝區(qū)域的環(huán)向排水管晚解凍20 d左右，即設(shè)有保溫盲溝區(qū)域的環(huán)向排水管要晚20 d開始工作。因此，在這段時(shí)間內(nèi)，圍巖內(nèi)的地下水不能從有保溫盲溝的環(huán)向排水管中有效排出。

圖11 1.05 m深度處圍巖溫度曲線圖

2.4 現(xiàn)場測試分析

在洞口處環(huán)向盲溝布置徑向溫度測點(diǎn)，且在設(shè)置盲溝的縱向范圍內(nèi)也布置測點(diǎn)，現(xiàn)場進(jìn)行溫度測試，得到環(huán)向盲溝段的縱向與徑向溫度分布，如圖12、 圖13所示。

圖12 環(huán)向盲溝段縱向隧道壁面溫度圖

從圖12可以看出，由于設(shè)置環(huán)向盲溝，在最冷的冬季，洞口段溫度基本保持在 -5 ℃以上，此時(shí)隧址大氣溫度約在 -10 ℃～-15 ℃左右，且隨著冬季溫度的下降，洞口段溫度變化幅度很小，只有2 ℃左右。

圖13 環(huán)向盲溝段徑向溫度圖

從圖13可以看出，在整個(gè)冬季，初期支護(hù)以外距離襯砌內(nèi)緣1.2 m處，溫度始終保持在0 ℃以上，不會出現(xiàn)盲溝后排水盲管凍結(jié)的情況。目前來看，在阿爾金山隧道隧址的高寒環(huán)境下，環(huán)向盲溝能有效保證隧道洞口段襯砌排水系統(tǒng)的通暢。

3 結(jié)論與建議

(1)相比于傳統(tǒng)的防寒排水系統(tǒng)，環(huán)向盲溝排水體系在初期支護(hù)以外一定深度的巖層內(nèi)就能起到排水效果，同時(shí)能防止排水盲管的凍結(jié)堵塞。在阿爾金山隧道的應(yīng)用中，環(huán)向盲溝的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了隧道洞口段襯砌排水系統(tǒng)的通暢。

(2)盲溝厚度為25 cm時(shí)能保證排水系統(tǒng)的通暢，即使在更惡劣(小于 -26.4 ℃)的環(huán)境溫度下，環(huán)向排水管會發(fā)生凍結(jié)，但當(dāng)排水管凍結(jié)時(shí)，隧道未設(shè)保溫盲溝區(qū)段襯砌壁后的圍巖已經(jīng)凍結(jié)，不會發(fā)生滲漏水問題。

(3)若環(huán)境溫度特別低(定義為小于 -25 ℃)，在溫度由低逐漸升高的融化期，未設(shè)保溫盲溝區(qū)段的凍結(jié)圍巖會比設(shè)保溫盲溝區(qū)段的圍巖先一步融化，在設(shè)保溫盲溝區(qū)段還未解凍期間將會出現(xiàn)滲漏水的情況。因此，在環(huán)境溫度小于 -25 ℃的地區(qū)，建議除在保溫環(huán)向盲溝后設(shè)置環(huán)向排水管外，還應(yīng)在兩盲溝環(huán)向排水管之間的防水板后增設(shè)環(huán)向排水管，兩者可在凍融期交替發(fā)揮排水作用，無論是降溫凍結(jié)期，還是升溫融化期均可保證排水系統(tǒng)的通暢。