寒區(qū)鐵路隧道溫度場分布規(guī)律研究

李德山

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司 西安市 710000)

0 引言

寒區(qū)隧道工程在后期運(yùn)營過程中極易出現(xiàn)襯砌開裂、滲漏水、掛冰等凍害現(xiàn)象，給列車的運(yùn)營和結(jié)構(gòu)的安全帶來重大的安全隱患。溫度場作為寒區(qū)隧道的研究重點(diǎn)，一直為學(xué)者所重視。

掌握溫度場的分布和影響規(guī)律可為寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)和施工提供重要的參考依據(jù)。目前國內(nèi)外學(xué)者對寒區(qū)隧道溫度場的研究已經(jīng)取得重要成果。如王海龍等[1]對保溫層的影響效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)保溫層能夠減小圍巖的凍結(jié)深度，但在一定年限后其效果有限。高焱等[2]通過控制變量的分析方法研究了自然風(fēng)速和巖溫等因素對圍巖溫度的影響規(guī)律。王仁遠(yuǎn),王開運(yùn)等[3-4]通過正交試驗(yàn)對寒區(qū)隧道溫度場的影響因素進(jìn)行分析，并將其劃分為主要和次要的影響因素。王群等[5]對溫度場進(jìn)行反演計(jì)算分析，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者吻合度較高。張玉偉[6]等通過現(xiàn)場實(shí)測和推導(dǎo)得到了圍巖溫度場時(shí)空分布規(guī)律。王仁遠(yuǎn)等[7]基于數(shù)值計(jì)算對溫度場的分布特征和變化趨勢進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為后期運(yùn)營提供理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。王開運(yùn)等[8]分析了深埋和淺埋兩種情況下圍巖溫度隨保溫層厚度的變化規(guī)律。此外，較多學(xué)者也對溫度場分布規(guī)律的影響因素進(jìn)行了深入的研究[9-10]。

綜上所述，目前對溫度場的研究已經(jīng)較多且一定程度上有效保證了隧道后期運(yùn)營安全。但是目前研究主要集中于溫度場的影響因素和保溫層厚度等方面，鮮有涉及外界環(huán)境溫度對圍巖溫度、凍結(jié)深度以及圍巖與襯砌接觸面溫度分布規(guī)律等多方面的研究。依托某工程，研究得到環(huán)境溫度的影響規(guī)律，可為依托工程及類似工程的建設(shè)提供借鑒和參考。

1 工程概況

牡佳鐵路麻山隧道全長9490m，屬于低山丘陵區(qū)，植被茂盛。隧址區(qū)屬溫帶濕潤～亞濕潤大陸性氣候，冬季寒冷漫長，按對鐵路工程影響的氣候分區(qū)屬嚴(yán)寒地區(qū)。累年極端最低溫度-37.5 ℃，歷年最冷月平均氣溫-16.2 ℃，土壤最大凍結(jié)深度255cm。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

本次數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。采用COMSOL多場耦合數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，模型底部約束豎向位移，兩側(cè)約束水平位移，圍巖初始溫度根據(jù)設(shè)計(jì)資料取為5.5℃，模型的隧道內(nèi)壁為對流邊界，對流換熱系數(shù)取14W/(m2·K)。模型尺寸為120m×120m。數(shù)值計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型圖

表1 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 圍巖溫度場

計(jì)算結(jié)果表明仰拱位置溫度最低，因此選取仰拱位置的徑向溫度進(jìn)行分析。不同環(huán)境溫度下的仰拱圍巖溫度變化規(guī)律如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明隨著圍巖深度的增大，圍巖溫度逐漸表現(xiàn)為增大的變化趨勢并最終在距離隧道邊界10m處趨于圍巖初始溫度。在5m范圍內(nèi)的圍巖溫度變化范圍較大。當(dāng)圍巖溫度由-5℃降低至-25℃時(shí)，圍巖溫度變化規(guī)律相似，但當(dāng)圍巖溫度較低時(shí)圍巖溫度變化的更為強(qiáng)烈。

圖2 圍巖徑向溫度場分布圖

3.2 凍結(jié)深度

不同環(huán)境溫度下隧道拱頂、仰拱和邊墻位置的凍結(jié)深度變化規(guī)律如圖3所示。表明仰拱位置的凍結(jié)深度最大，拱頂次之，邊墻最小。當(dāng)環(huán)境溫度由-5℃降低至-25℃時(shí)，拱頂位置的凍結(jié)深度分別為1.74m、2.20m、2.65m、3.06m，增大79.4%、126.8%、173.2%、215.5%。仰拱位置的凍結(jié)深度分別為1.91m、2.46m、2.94m、3.29m，增大75.2%、125.7%、169.7%、201.8%。邊墻位置的凍結(jié)深度分別為1.71m、2.17m、2.60m、3.04m，增大80.0%、128.4%、173.7%、220.0%。

圖3 圍巖凍結(jié)深度變化圖

不同環(huán)境溫度下的凍結(jié)深度變化擬合曲線及其表達(dá)式如圖4所示。表明拱頂、仰拱和邊墻位置的凍結(jié)深度隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律可用二次多項(xiàng)式擬合，擬合系數(shù)高，表明擬合效果較好，能有效表征凍結(jié)深度隨外界環(huán)境溫度的變化規(guī)律。

圖4 圍巖凍結(jié)深度擬合曲線圖

3.3 隧道周邊溫度

計(jì)算結(jié)果表明仰拱位置的溫度最低，因此選取仰拱位置的圍巖與初期支護(hù)接觸面位置進(jìn)行分析。不同環(huán)境溫度下接觸面溫度隨計(jì)算時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示，表明隨著計(jì)算時(shí)間的增大，溫度逐漸降低并最終趨于穩(wěn)定。隨著環(huán)境溫度的降低，圍巖溫度達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間更長。

圖5 仰拱溫度隨計(jì)算時(shí)間變化圖

不同環(huán)境溫度下圍巖與初期支護(hù)接觸面的圍巖溫度分布如表2所示。表明隧道周邊圍巖溫度分布表現(xiàn)為由拱頂?shù)窖龉爸饾u降低的變化趨勢。當(dāng)圍巖溫度由-5℃降低至-25℃時(shí)，拱頂位置的溫度分別為-6.64℃、-10.87℃、-14.69℃、-18.81℃，降低149.6%、308.6%、452.3%、607.1%。仰拱位置的溫度分別為-7.11℃、-11.30℃、-15.56℃、-19.14℃，降低137.8%、277.9%、420.4%、540.1%。邊墻位置的溫度分別為-5.56℃、-10.56℃、-14.64℃、-18.75℃，降低109.0%、297.0%、450.4%、604.9%。

表2 隧道洞周溫度分布表 ℃

初期支護(hù)與二次襯砌接觸面以及初期支護(hù)與圍巖接觸面間的平均溫度如表3所示。當(dāng)圍巖溫度由-5℃降低至-25℃時(shí)，初期支護(hù)與二次襯砌接觸面位置的平均溫度分別為-7.63℃、-11.89℃、-16.26℃、-20.61℃，降低126.4%、252.8%、382.5%、511.6%。初期支護(hù)與圍巖接觸面位置的平均溫度分別為-6.62℃、-10.55℃、-14.65℃、-18.71℃，降低147.9%、295.1%、448.7%、600.7%。

表3 隧道洞周平均溫度匯總表 ℃

4 結(jié)束語

以牡佳鐵路麻山隧道為例，通過有限元分析，對其徑向圍巖溫度，隧道周邊溫度和凍結(jié)深度受外界環(huán)境溫度的影響進(jìn)行分析。表明圍巖徑向在5m范圍內(nèi)溫度變化較為明顯，溫度變化范圍約為10m。隨著外界環(huán)境溫度降低，凍結(jié)深度逐漸變大，但增長速度變緩，其變化規(guī)律可用二次多項(xiàng)式擬合表現(xiàn)。隧道周邊的圍巖溫度表現(xiàn)為從仰拱到拱頂逐漸增大的分布規(guī)律。