李昊波,孫克國,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實驗室,四川成都 610031;2.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300142)
近年來,順應(yīng)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級的迫切需要,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、東北對外交通走廊,加快推進(jìn)高速鐵路成網(wǎng),完善國家高速公路網(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。國內(nèi)外大量隧道工程實踐表明,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,同時也給運(yùn)營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、施工及運(yùn)營維護(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)部會與外界進(jìn)行熱交換,這一交換主要是通過空氣流動實現(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,會帶走很多熱量從而使隧道溫度場降低[8]。因此,對寒區(qū)隧道在不同氣溫和風(fēng)速下的溫度場研究是很有必要的。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,對寒區(qū)溫度場分布進(jìn)行研究,并討論氣溫和風(fēng)速對寒區(qū)隧道溫度場的影響。
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,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 ℃,按對鐵路工程影響的氣候分區(qū),屬寒冷地區(qū)。隧道全長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 ℃。
本文采用FLUENT建立三維簡化模型模擬該寒區(qū)隧道,計算模型如圖1所示。計算模型高75 m、寬75 m、長595 m??諝獬跏紲囟葹?63.15 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,對巖體進(jìn)行現(xiàn)場取樣試驗,獲得其熱力學(xué)參數(shù)??諝?、混凝土和圍巖的熱力學(xué)參數(shù)如表1所示,工況設(shè)計如表2所示。
圖1 三維計算模型
表1 計算參數(shù)
表2 工況列表
以工況1為例對寒區(qū)隧道的溫度場分布規(guī)律進(jìn)行分析,圖2為工況1在第10 d的溫度云圖??梢钥闯鲭S著低溫空氣進(jìn)入隧道,圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度場明顯降低。取距洞口100 m處截面的拱頂、拱腰及仰拱為監(jiān)測點,提取計算時間10 d中三個測點埋深5 m內(nèi)的溫度數(shù)值見圖3??梢钥闯?,在10 d內(nèi),埋深越淺,距離隧道內(nèi)壁越近的測點,溫度降低越快,其最終溫度也越低;較淺處的測點在10 d內(nèi)的溫度變化速度減緩并趨向于恒定,而較深處的測點尚處于恒速變化階段。埋深3 m處的測點在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比如圖4 ,可以看出在不同部位同樣埋深的測點最終溫度基本相同,仰拱處混凝土較厚,混凝土部分溫度相對較低。
圖2 工況1第10天溫度云圖
空氣溫度對于寒區(qū)隧道溫度場的影響作用很大,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,對其進(jìn)行分析??梢钥闯鲈诮?jīng)過10 d與冷空氣的熱交換之后,各工況的溫度場分布趨勢基本相同,埋深較淺處降溫幅度較大,埋深較深處降溫幅度較??;對比工況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斷面處各測點溫度曲線
圖4 第10d100m斷面處測點溫度對比
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比
風(fēng)速增大會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,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比
以仰拱處為例,提取各工況的溫度數(shù)據(jù)對比如圖7所示,可以看出當(dāng)風(fēng)速變化時,隧道溫度場分布規(guī)律不變;隨著風(fēng)速的增加,圍巖溫度場會降低,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;兩兩對比工況1、工況4、工況5,工況4相對工況1風(fēng)速增加3 m/s,圍巖溫度下降明顯,工況5相對工況4風(fēng)速增加5 m/s,但是圍巖溫度下降相對較小??梢苑从吵霎?dāng)風(fēng)速高至一定程度時,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,對隧道溫度場的影響不大。
本文依托京沈客運(yùn)專線遼寧段的瓦房店隧道,對寒區(qū)隧道的溫度場分布規(guī)律進(jìn)行了研究,并分析了空氣溫度和風(fēng)速對隧道溫度場的影響。
(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,而較深處的測點在10 d內(nèi)恒速降溫。
(2)埋深越淺的測點在第10 d的最終溫度越低,埋深較深的測點最終溫度較高,而10 d內(nèi)的最終影響深度約為3 m。
(3)空氣溫度越低,圍巖的最終溫度場越低,但分布規(guī)律不變。埋深越淺的測點受到的影響越大,埋深3 m以上的測點基本不受影響。
(4)風(fēng)速增加會使圍巖溫度場降低,但是當(dāng)風(fēng)速高至一定程度時,圍巖溫度場會趨于穩(wěn)定,繼續(xù)升高風(fēng)速對其影響作用不大。