高海拔寒区隧道排水结构温度场数值分析

陈志杰，任广丽，闫世豪，李哲

（1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089；2.空间信息应用与防灾减灾技术交通运输行业研发中心，北京 100089；3.长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

近年来，我国在高寒地区修建了大量的寒区隧道，通过现场调研发现，由于隧址区域天气条件恶劣并且隧道排水设施设置不合理，约80%的寒区隧道有不同程度的冻害问题发生，影响隧道的正常运营。七道梁隧道位于甘肃省通往四川省的交通要道上，由于排水沟发生冻结导致隧道衬砌背后围岩积水，地下水难以排出，隧道衬砌背后围岩冻胀，隧道衬砌混凝土出现开裂、剥落和渗漏水。另外，东北地区的兴安岭隧道、新疆的玉希莫勒盖隧道等，由于隧址区域冬季温度过低，在建成投入运营后，隧道排水结构及隧道衬砌结构均出现一定程度的冻结，不仅增加后期隧道维护及运营成本，而且影响隧道的使用。因此，必须合理地布设隧道排水结构，并采取相应的保温防冻措施，避免隧道排水结构发生冻结，确保冬季排水通畅。

本文以红土山隧道为依托，采用ANSYS Fluent模拟了不同排水工况下隧道围岩的温度场变化，并提出了具体的排水措施。研究结果为在建及将建的寒区隧道提供了技术支持，有利于减少隧道冻害问题的发生。

一、隧道温度场有限元模型

（一）初始及边界条件

红土山隧道位于内陆高原腹地，海拔高且气温低，根据隧址区地表温度变化，左右边界设为绝热边界。由隧道所处地区的地理位置等条件，通过计算确定其地温梯度为2℃/100m，围岩稳定温度取8℃。隧道洞内施加的温度荷载为隧道内实测的温度值，隧道洞内温度通常用正弦函数进行拟合，拟合公式为：

式中，T为温度，℃；t为时间，d；Ta为年平均气温，℃；A为年气温振幅，℃。

则洞口气温函数为：

洞内距隧道洞口500m气温函数为：

洞内距隧道洞口1500m气温函数为：

（二）模型计算参数的选取

本文主要针对隧道下部围岩温度场进行分析，在数值计算中要考虑仰拱混凝土和围岩的热学性质，由工程地质勘查报告可知，该隧道隧底围岩以板岩为主，在进行数值模拟计算时，混凝土及围岩的热学参数选取如表1所示。

表1.混凝土及围岩热学参数

隧道保温材料选用聚氨酯泡沫板，经过导热系数的测试试验，保温材料的热学参数如表2所示。

表2.保温材料热学参数

（三）模拟工况

由现场测试可知，隧道最大冻结深度约为3m，冻结深度随进深的增加逐渐减小，在隧道进深580m位置处，隧道下部围岩冻结深度达到1.5m。因此，初步拟定采用3种排水结构方案进行数值分析：

方案1：设置中心排水沟，且中心排水沟埋设于路面下方2m位置处。暂定中心排水沟保温措施布设方案如表3所示：

表3.方案1中心排水沟保温层厚度预设方案

方案2：设置中心排水沟，且中心排水沟埋设于路面下方3m位置处。暂定只需在隧道进出口一定距离处采取保温措施，保温方案如表4所示。

表4.方案2中心排水沟保温层厚度预设方案

方案3：设置防寒泄水洞，在进出口各设置300m防寒泄水洞，隧道其余位置设置中心排水沟，中心排水沟埋设于路面下方2m处，防寒泄水洞埋深预设为4m。

（四）计算模型

根据红土山隧道的地形地貌条件，为了缩短模型计算时间，确保隧道下部冷冻围岩的计算结果能够完整地反映隧道冷冻区域的真实情况。模型尺寸通常选取4～5倍的隧道尺寸，横断面尺寸选为50m×60m，平行于隧道轴线上方1000m。

二、数值模拟计算及结果分析

（一）中心排水沟埋深2m时的温度场分析

结合当地资料可知，地面最大冻结深度约为3m，当中心排水沟(R=50cm)埋设于路面下方2m时，且对中心排水沟采取保温措施，洞口段0m～200m范围内设3cm厚保温材料，200m～500m范围内设2cm厚保温材料，验证其保温效果，并运用Fluent进行有限元计算分析。

图1和图2分别为不同保温条件下隧道不同进深位置处的温度分布特征云图。对不同保温条件时中心排水沟顶部温度分布云图中的计算结果进行数据提取，数据提取范围为隧道进深0m～500m范围内，数据间隔25m，则温度随隧道进深变化曲线如图3所示。

图1.无保温措施时不同进深位置处温度分布特征云图

图2.方案1保温条件下不同进深位置处温度分布特征云图

图3.中心排水沟顶部温度沿隧道进深变化曲线

隧道未采取保温措施时，隧道洞口处中心排水沟附近温度值约为-2.1℃，水流温度为负温，极易引发冻结，导致隧道冻害问题发生；在距隧道两端洞口0m～200m范围内，中心排水沟周围包裹3cm厚保温层，在200m～500m范围内设2cm保温层，可以有效地改善中心排水沟周围的温度场分布特征，将中心排水沟顶端温度提升至0℃以上，中心排水沟均被正温包围，说明保温层布设方案能够满足隧道排水结构的保温防冻要求。

（二）中心排水沟埋设于路面下方3m时的温度场分析

当中心排水沟埋设于路面下方3m时，且对中心排水沟采取保温措施，洞口段0m～200m范围内设2cm厚保温材料，200m～500m范围内设1cm厚保温材料，验证其保温效果。

图4为隧道不同进深位置处的温度分布特征云图。中心排水沟埋设于路面下方3m时，且分段改变保温厚度，提取数值计算结果，得到水沟顶端位置及保温层内壁温度随隧道进深的变化曲线，如图5所示。

图4.方案2保温条件下不同进深位置处温度分布特征云图

图5.中心深埋水沟周围温度随进深的变化曲线

由图4及图5可知，隧道进口断面处，隧道中心深埋水沟顶端保温层与沟壁交界处温度约为2.9℃，保温层外壁温度值为0.4℃，温度值均在0℃以上，且随着进深的增加，中心排水沟顶部位置处温度值逐渐升高。中心排水沟埋设于路面下方3m处，距洞口0m～200m范围内设置2cm厚聚氨酯保温层、200m～500m范围内设置1cm厚聚氨酯保温层，可以使中心排水沟周围保持正温分布，中心深埋水沟内水流温度大于0℃，保证水流不会发生冻结，能顺利排出至隧道外，防止出现隧道冻害问题。

（三）设置防寒泄水洞时的温度场分析

当隧道中心排水沟埋置深度过大时，容易造成隧道上部结构失稳破坏，影响隧道的使用安全，故可以在洞口段设置防寒泄水洞代替中心深埋水沟。根据现场地质条件暂定将防寒泄水洞埋置于隧道路面下方4m处，设置长度为隧道进出口段0m～300m范围内，隧道其余位置设置中心排水沟，中心排水沟埋设于路面下方2m处，距隧道两端洞口300m～500m范围内，中心排水沟铺设2cm厚聚氨酯保温材料。

图6为设置防寒泄水洞时，隧道不同进深断面处温度分布特征云图。提取隧道防寒泄水洞拱顶位置温度值，可得出不同隧道进深温度变化曲线，如图7所示。

图6.方案3保温条件下不同进深位置处温度分布特征云图

图7.防寒泄水洞拱顶位置处沿进深温度变化曲线

由图6和图7可知，防寒泄水洞在洞口断面处拱顶位置处温度为1.2℃，随着隧道进深的增加，温度值逐渐升高，升高幅度逐渐减小。防寒泄水洞周围温度保持在0℃以上，说明防寒泄水洞埋设于路面下方4m时均被正温包围，泄水洞内水流不会发生冻结，且排水通畅，能够满足隧道排水需求。

三、隧道排水结构方案分析

合理的布设隧道排水结构并采取相应的保温防冻措施是确保隧道冬季排水通畅的关键。根据数值模拟计算结果，隧道排水结构布设方案可分为设置中心深埋水沟和洞口段设置防寒泄水洞两种。

（一）设置中心深埋水沟

根据数值模拟结果可知，隧道中心排水沟埋深为2m并设置聚氨酯保温材料后，温度场较之前发生较大变化，洞口断面处中心排水沟顶端温度值在1℃附近，隧道洞内其他断面位置处，中心排水沟周围均被正温包围，说明中心排水沟设置变厚度聚氨酯保温材料可有效防止沟内水流冻结，起到了良好的保温防冻效果。中心排水沟全长范围内的温度值也均大于0℃，保温层内外温度差值约为2.9℃，中心排水沟长期处于正温区域，水流不会发生结冰，能保证中心排水沟内水流正常排至隧道外。因此，建议中心排水沟具体布设为：

(1) 将中心排水沟埋设于路面下方2m处，对隧道中心排水沟采取保温措施，考虑到隧道洞口断面位置处的温度场分布特征，一定要设置安全温度范围，建议不同进深位置处保温层厚度布设方案如表5及图8所示。

表5.隧道仰拱或中心排水沟保温层厚度布设表

图8.距隧道洞口不同位置处保温层厚度设置

(2) 将中心排水沟埋设于路面下方3m处，对隧道中心排水沟采取变厚度保温措施，建议隧道不同位置处中心排水沟保温层厚度如表6及图9所示。

表6.不同位置处保温层厚度

图9.隧道排水沟不同位置处保温层厚度设置

（二）设置防寒泄水洞

洞口段设置防寒泄水洞时，防寒泄水洞一直被正温包围，水流不会发生冻结，中心排水沟和纵向排水管内的水流经泄水管流入防寒泄水洞内，最终由防寒泄水洞将隧道内水排至隧道外。建议在隧道进出口至隧道进深300m范围内设置防寒泄水洞，泄水洞埋深为4m，排水坡度设为3%，洞内其他位置设置中心排水沟，中心排水沟埋深为2m，距隧道两端洞口300m～500m，同时在中心排水沟铺设2cm厚的聚氨酯保温材料，布设位置示意图如图10所示。

图10.防寒泄水洞及中心排水沟布设位置图

四、结语

根据现场测试数据，本文借助数值模拟对不同排水结构下的温度场进行了分析，得到以下结论：

(1) 隧道中心排水沟埋深2m且未设保温时，隧道洞口位置处中心排水沟顶端温度值为-1.9℃，且中心排水沟周围为负温分布，温度较低，排水沟洞口段极易发生冻结，造成中心排水沟堵塞，引起隧道冻害；中心排水沟分段变厚度设置聚氨酯保温材料后，洞口断面处中心排水沟顶端温度值在1℃左右，可以有效避免中心排水沟内水流出现冻结。

(2) 隧道中心排水沟埋深3m且中心排水沟分段变厚度设保温层时，洞口断面中心排水沟顶端保温层内外两侧温度分别为0.4℃和2.9℃，满足隧道排水结构的保温防冻要求。

(3) 在隧道洞口段路面下方4m处设置防寒泄水洞代替中心深埋水沟时，防寒泄水洞均被正温包围，其他位置设置中心排水沟，中心排水沟埋深为2m，可以满足隧道排水要求。