丁然

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 065201）

隨著我國(guó)高速鐵路的迅速發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)延伸到了高緯度高海拔的寒冷地區(qū)。而在寒冷地區(qū)修建隧道，經(jīng)常面臨隧道襯砌開(kāi)裂、剝落、掛冰等凍害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響隧道正常運(yùn)營(yíng)和結(jié)構(gòu)安全［1-4］，故寒冷地區(qū)修建隧道需進(jìn)行防凍保溫設(shè)計(jì)。

目前我國(guó)對(duì)寒冷地區(qū)隧道防凍保溫設(shè)計(jì)研究較多。文獻(xiàn)［5-6］對(duì)大坂山和梯子嶺隧道進(jìn)行了防凍保溫層測(cè)試與研究，發(fā)現(xiàn)4 cm 厚聚氨酯保溫板可以滿足洞身段防凍保溫要求。文獻(xiàn)［7］采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)殺虎口隧道溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)冬季隧道內(nèi)氣溫呈洞口低中間高的分布規(guī)律。文獻(xiàn)［8］基于有限元軟件對(duì)雀兒山隧道進(jìn)行了溫度場(chǎng)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨進(jìn)洞距離增加，年平均氣溫增加，氣溫增幅減小，同時(shí)所需保溫層厚度越薄。

綜上，由于隧道洞口段受洞外氣候影響嚴(yán)重，氣溫更低、風(fēng)速更大，因此對(duì)防凍保溫設(shè)計(jì)要求更高。本文以我國(guó)遼寧天秀山隧道為研究對(duì)象，結(jié)合隧道洞口段已有防排水和防凍保溫設(shè)計(jì)，對(duì)距洞口20 m 的隧道斷面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建立有限元二維瞬態(tài)計(jì)算模型，并根據(jù)隧址區(qū)氣候條件施加氣溫荷載，研究洞口段防凍保溫設(shè)計(jì)的合理性。

1 工程概況

天秀山隧道在遼寧省建平縣境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)9 072 m，最大埋深360 m，地處高緯度寒冷地區(qū)，是京沈高速鐵路支線赤（峰）喀（左）客運(yùn)專線的控制性工程。

1.1 地形地貌

隧址區(qū)主要以低中山為主，地勢(shì)較高，地形復(fù)雜，溝壑發(fā)育，多為U 形谷，局部為山間洼地和山間平原，植被茂密。

1.2 水文地質(zhì)

隧址區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，沿線有河溝，但常年干枯，僅在雨季有地表徑流。隧址區(qū)屬于中低山基巖裸露區(qū)，僅在強(qiáng)降雨后能形成短期地表徑流，沿溝壑流向低凹處。隧址區(qū)地下水儲(chǔ)量一般，主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。

1.3 氣候

隧址區(qū)屬于北溫帶亞干旱季風(fēng)氣候區(qū)，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。建平縣2018 年年平均氣溫9.9 ℃，平均相對(duì)濕度51%，平均降雨量384.5 mm，平均風(fēng)速1.92 m/s，最大積雪厚度23 cm；最冷月平均氣溫-12 ℃，最低溫度-20 ℃。根據(jù)GB 50178—1993《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》［9］，隧址區(qū)屬于嚴(yán)寒地區(qū)。

2 隧道防凍保溫設(shè)計(jì)

2.1 防排水總體設(shè)計(jì)原則

隧道的防排水設(shè)計(jì)遵循“防、排、堵、截結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則。阻斷地下水通道可能影響生態(tài)環(huán)境或居民生活用水時(shí)，則遵循“以堵為主，限量排放”的原則，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到堵水有效、防水可靠、經(jīng)濟(jì)合理的目的。

2.2 隧道防排水及保溫設(shè)計(jì)

天秀山隧道排水系統(tǒng)主要由保溫側(cè)溝、中心深埋水溝、保溫中心水溝、邊墻碎石盲溝、環(huán)向盲管、橫向排水管、縱向排水管等組成。

保溫側(cè)溝沿隧道全長(zhǎng)布設(shè)，位于隧道兩側(cè)邊墻墻腳，采用雙層蓋板形式，雙層蓋板間填充保溫材料。隧道襯砌背部設(shè)有環(huán)向透水盲管，縱向每隔6～8 m 設(shè)置1 道；隧道邊墻墻腳外側(cè)設(shè)有縱向排水管；環(huán)向、縱向盲管經(jīng)過(guò)橫向排水管引入中心水溝，橫向排水管置于隧底20 cm（寬）×20 cm（高）的碎石盲溝中。環(huán)向透水盲管采用“EVA 防水板+聚氨酯保溫板+EVA 防水板+土工布”的防水保溫措施。

洞口段1 km 范圍內(nèi)設(shè)置中心深埋水溝和邊墻碎石盲溝。中心深埋水溝設(shè)置于仰拱中心底部，水溝底部距軌面4 m，采用C20 混凝土基座，回填級(jí)配碎石至排水管頂部以上30 cm 處，再使用C20 保溫混凝土澆筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高。水溝頂部鋪設(shè)5 cm 厚聚氨酯保溫板，并使用EVA 防水板包裹密封。邊墻碎石盲溝設(shè)置于隧道初期支護(hù)背后，每隔15 m 設(shè)置1 道，采用級(jí)配碎石填充密實(shí)，盲溝與初期支護(hù)之間設(shè)有雙層EVA 防水板夾5 cm 厚聚氨酯保溫板。隧道洞口段防排水設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 隧道洞口段防排水設(shè)計(jì)

隧道其他地段設(shè)置保溫中心水溝，即中心排水管放置于保溫槽內(nèi)，保溫槽凈寬1 m，側(cè)壁厚20 cm，底板厚10 cm。保溫槽外壁與仰拱之間鋪設(shè)5 cm 厚聚氨酯保溫板，并使用EVA防水板包裹密封。

2.3 設(shè)計(jì)缺陷

目前，中心深埋水溝埋設(shè)深度一般根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥雷畲髢鼋Y(jié)深度進(jìn)行設(shè)計(jì)，而保溫板設(shè)計(jì)厚度一般通過(guò)工程類比法確定，無(wú)法根據(jù)隧址區(qū)氣候條件做到精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，徹底解決凍害問(wèn)題。

3 隧道數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

假定：①隧道內(nèi)空氣不可壓縮，氣壓不變，空氣密度及其相關(guān)參數(shù)不發(fā)生變化；②隧道襯砌表面溫度與氣溫一致，以年為周期按正弦函數(shù)規(guī)律變化；③圍巖、混凝土和保溫材料為各向同性均勻連續(xù)的介質(zhì)，無(wú)孔隙與裂隙存在，其相關(guān)材料參數(shù)不發(fā)生變化；④忽略防水層和保溫板耐久性對(duì)模擬計(jì)算的影響。

根據(jù)隧道橫斷面設(shè)計(jì)圖（距洞口20 m 斷面），建立1∶1 的二維數(shù)值模型。該斷面對(duì)應(yīng)埋深為14 m，對(duì)地表土層施加氣溫荷載；其他邊界距隧道中心50 m，設(shè)為恒溫邊界，恒溫邊界與模型初始溫度場(chǎng)的溫度均設(shè)為5 ℃。模型采用plane 55二維單元。

3.2 單元參數(shù)的確定

根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)物理參數(shù)的推薦值［10］，以及聚氨酯保溫板的物理參數(shù)實(shí)測(cè)值，對(duì)模型中各材料進(jìn)行賦值，見(jiàn)表1和表2。

表1 材料熱物理參數(shù)

3.3 氣溫荷載的確定和施加

根據(jù)隧址區(qū)2018 年氣象資料，計(jì)算得到2018 年各月平均氣溫，見(jiàn)表3。

表3 隧址區(qū)2018年月平均氣溫

隧址區(qū)最冷月（1 月）平均氣溫為-12 ℃，最熱月（7 月）平均氣溫為24 ℃。氣溫由3 月中下旬回升至0 ℃以上，10月下旬氣溫降低至0 ℃以下。

對(duì)氣溫T進(jìn)行擬合得到

式中：t為時(shí)間，月。

將擬合函數(shù)作為荷載施加在襯砌表面和地表，荷載施加時(shí)長(zhǎng)為5年，步長(zhǎng)為0.5個(gè)月。

4 模擬結(jié)果與分析

選取通車運(yùn)營(yíng)第 4 年 12 月、1 月、2 月和 3 月溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。為方便觀察隧道負(fù)溫區(qū)分布，以下僅顯示-10～0 ℃的溫度場(chǎng)。

4.1 地層溫度場(chǎng)

冬季地層溫度場(chǎng)見(jiàn)圖2。可知：地層溫度隨深度增加而升高；隨著進(jìn)入冬季時(shí)間增加，凍結(jié)深度逐漸增加。1 月地層溫度梯度最大，等溫線最密集；2 月地表溫度開(kāi)始回升，溫度梯度逐漸降低，此時(shí)凍結(jié)深度為1.8 m；3 月地表溫度明顯回升，溫度梯度最小，但凍結(jié)深度仍在增加，這是由于升高的氣溫與淺層土發(fā)生熱交換，使淺層土溫度回升，溫度梯度降低，而深層土負(fù)溫帶仍在向深處延伸。

圖2 冬季地層溫度場(chǎng)（單位：℃）

當(dāng)隧道埋深小于最大凍結(jié)深度時(shí)，需考慮地表氣溫對(duì)隧道的影響。因此，當(dāng)該隧道上覆土厚度小于2 m 時(shí)，需對(duì)地表土施作防凍保溫和加固措施，同時(shí)須做好隧道防排水措施，保證春融期地表積雪融化后，水能夠經(jīng)隧道防排水系統(tǒng)排出。

4.2 隧道溫度場(chǎng)

冬季隧道溫度場(chǎng)見(jiàn)圖3?？芍喝攵笏淼纼?nèi)凍結(jié)圈逐漸擴(kuò)大，2月達(dá)到最大；1月凍結(jié)圈內(nèi)溫度最低，溫度梯度最大，變化速率最快；3月負(fù)溫帶溫度明顯回升，達(dá)到-3 ℃以上，且溫度梯度最小，變化速率最慢。隧道襯砌、仰拱、初期支護(hù)邊墻部分均處于0 ℃以下，而中心深埋水溝、邊墻碎石盲溝、初期支護(hù)拱頂和拱腰部分、圍巖始終未出現(xiàn)負(fù)溫。

圖3 冬季隧道溫度場(chǎng)（單位：℃）

隧道中心深埋水溝與邊墻碎石盲溝始終未受負(fù)溫影響，這是因?yàn)橹醒肷盥袼疁享敳颗c邊墻碎石盲溝外側(cè)均設(shè)置有5 cm 厚聚氨酯保溫板。由此可知，在仰拱底部中心設(shè)置聚氨酯保溫板，可以防止負(fù)溫影響到中心深埋水溝；在邊墻處設(shè)置雙層保溫板，可以防止負(fù)溫影響到邊墻碎石盲溝。該隧道中心深埋水溝與邊墻碎石盲溝的防凍保溫設(shè)計(jì)滿足正常工作要求。

仰拱部分受負(fù)溫影響嚴(yán)重，且負(fù)溫帶通過(guò)仰拱延伸到初期支護(hù)邊墻部分，覆蓋了環(huán)向透水盲管和橫向排水管，在冬季易發(fā)生凍結(jié)。因此，目前仰拱防凍保溫措施不能保證排水系統(tǒng)冬季正常工作，即防凍保溫設(shè)計(jì)不足。

由于保溫板鋪設(shè)于二次襯砌與初期支護(hù)之間，二次襯砌受負(fù)溫影響嚴(yán)重，因此，做好襯砌背后防排水工作保證水不滲入襯砌，是防止隧道發(fā)生凍害的重要條件之一。

4.3 隧道徑向溫度

在隧道拱頂、邊墻及仰拱各布置1 條徑向溫度測(cè)線，其冬季各月溫度曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可知：①隨距襯砌表面徑向距離增加，襯砌內(nèi)溫度緩慢增長(zhǎng)，但經(jīng)過(guò)保溫板時(shí)溫度急劇增加，隨后溫度繼續(xù)緩慢增長(zhǎng)，可見(jiàn)保溫板保溫效果顯著。②拱頂部位保溫板背后始終未出現(xiàn)負(fù)溫，這說(shuō)明5 cm 厚聚氨酯保溫板基本可以滿足防凍保溫要求。③1 月—3月邊墻部位初期支護(hù)溫度在-2～0 ℃。環(huán)向透水盲管位于初期支護(hù)表面，冬季易發(fā)生凍結(jié)。邊墻碎石盲溝溫度保持在0 ℃以上，滿足正常工作要求。④仰拱部位保溫板背后始終未出現(xiàn)負(fù)溫，說(shuō)明中心深埋水溝滿足冬季正常工作要求。但仰拱混凝土內(nèi)存在負(fù)溫，而橫向排水管位于仰拱混凝土內(nèi)，冬季受負(fù)溫影響，易發(fā)生凍結(jié)。

圖4 冬季各月溫度變化曲線

綜上所述，在采用月平均氣溫?cái)M合函數(shù)作為荷載的前提下，5 cm 厚聚氨酯保溫板能夠滿足防凍保溫要求，但由于仰拱混凝土無(wú)法隔絕負(fù)溫，使橫向排水管、環(huán)向透水盲管、縱向排水管等排水系統(tǒng)冬季受負(fù)溫影響，易發(fā)生凍結(jié)。

5 防凍保溫設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于洞口段原防凍保溫設(shè)計(jì)不能滿足實(shí)際需要，故對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。由于模擬計(jì)算時(shí)采用月平均氣溫?cái)M合函數(shù)作為荷載，而實(shí)際氣溫更低，且每年最冷月氣溫并非一成不變，故將襯砌背部的聚氨酯保溫板厚度增至8 cm，并使用保溫材料和防水板覆蓋橫向排水管，即全環(huán)設(shè)置保溫板，以保證環(huán)向透水盲管和橫向排水管在冬季不發(fā)生凍結(jié)。

優(yōu)化后的冬季隧道溫度場(chǎng)見(jiàn)圖5?？芍簝?yōu)化后仰拱底部不再出現(xiàn)負(fù)溫帶，負(fù)溫?zé)o法通過(guò)仰拱影響到邊墻初期支護(hù)。優(yōu)化后的防凍保溫設(shè)計(jì)可以滿足橫向排水管和環(huán)向透水盲管的正常工作要求。

圖5 優(yōu)化后的冬季隧道溫度場(chǎng)（單位：℃）

優(yōu)化后隧道最冷月徑向溫度變化曲線見(jiàn)圖6?？芍簝?yōu)化后初期支護(hù)溫度基本保持在0 ℃以上，滿足環(huán)向透水盲管冬季正常工作要求；仰拱底部溫度保持在0 ℃以上，滿足橫向排水管冬季正常工作要求。

圖6 優(yōu)化后最冷月徑向溫度變化曲線

優(yōu)化后全環(huán)設(shè)置8 cm 厚聚氨酯保溫板，可以保證隧道排水系統(tǒng)在冬季正常工作。相比于原設(shè)計(jì)，縮小了負(fù)溫帶，降低了凍脹的發(fā)生概率。

6 結(jié)論

1）通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到冬季地表凍結(jié)深度在2 m左右，因此，當(dāng)上覆土厚度小于2 m時(shí)，需考慮地表氣溫對(duì)拱頂襯砌的影響，須做好隧道防排水措施。

2）對(duì)寒冷地區(qū)隧道設(shè)置保溫板可以有效降低負(fù)溫的影響。由于鐵路隧道保溫板鋪設(shè)于二次襯砌與初期支護(hù)之間，二次襯砌處于負(fù)溫環(huán)境易產(chǎn)生開(kāi)裂和剝落。因此，需加強(qiáng)二次襯砌設(shè)計(jì)強(qiáng)度，做好襯砌背后防排水工作。

3）在中心深埋水溝頂部設(shè)置聚氨酯保溫板，可以防止負(fù)溫影響到中心深埋水溝；在邊墻處設(shè)置雙層保溫板，可以防止負(fù)溫影響到邊墻碎石盲溝。

4）仰拱混凝土并未有效隔絕負(fù)溫，負(fù)溫通過(guò)仰拱延伸到初期支護(hù)邊墻部分，使得環(huán)向透水盲管和橫向排水管在冬季易發(fā)生凍結(jié)。因此，建議對(duì)橫向排水管包裹防凍保溫層，即改為全環(huán)設(shè)置保溫板，并將保溫板厚度增至8 cm。優(yōu)化后，環(huán)向透水盲管和橫向排水管不再出現(xiàn)負(fù)溫，滿足該氣候條件下正常工作要求。