趙希望,馬勤國,姜海強,藍(lán)天立

(1.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室,廣州 511440； 2.中鐵隧道局集團有限公司勘察設(shè)計研究院,廣州 511440； 3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510641)

引言

隨著“一帶一路”倡議的持續(xù)推進(jìn)和進(jìn)一步實施，我國東北和西北高緯度、高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道工程及其他交通設(shè)施的修建不斷增加。例如，哈大高鐵九里莊隧道、京沈高鐵梨花頂隧道、吐庫二線中天山隧道、敦格鐵路當(dāng)金山隧道、蘭新二線祁連山隧道等。與其他地區(qū)的隧道不同，在高緯度、高海拔嚴(yán)寒地區(qū)修建隧道常常會出現(xiàn)嚴(yán)重的凍害現(xiàn)象，如拱頂?shù)醣⑦厜雒涢_裂、排水管凍結(jié)堵塞等[1-3]。這些凍害問題很大程度上弱化了隧道的使用功能，給鐵路的正常運營帶來極大的安全隱患。迄今為止，由于凍害問題，我國西北和東北地區(qū)的很多嚴(yán)寒地區(qū)隧道常年有8～9個月不能使用，甚至有些隧道在凍脹力作用下襯砌裂縫達(dá)5 cm，滲漏水問題相當(dāng)嚴(yán)重[4]。因此，開展嚴(yán)寒地區(qū)隧道防凍保溫措施的研究顯得異常迫切。

嚴(yán)寒地區(qū)隧道出現(xiàn)凍害的根本原因是圍巖或圍巖-襯砌之間積聚的水分在負(fù)溫環(huán)境下發(fā)生凍結(jié)。嚴(yán)寒地區(qū)隧道修筑后，打破了圍巖的原始熱平衡，寒季圍巖因其中的水分凍結(jié)成冰而體積增大，對襯砌產(chǎn)生凍脹力，使襯砌和圍巖發(fā)生相對位移；在暖季，圍巖中凍結(jié)的冰融化成水，凍結(jié)時產(chǎn)生的位移因不能完全恢復(fù)而在圍巖及襯砌-圍巖之間留下空隙，這些空隙會增加圍巖中水分的聚集，使來年的凍脹更加嚴(yán)重。這種襯砌背后圍巖的凍融反復(fù)作用會使襯砌防水層發(fā)生破損，甚至襯砌開裂。因此，分析隧道圍巖溫度的分布規(guī)律對研究嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍脹產(chǎn)生機制和解決隧道凍害問題具有重要意義。

近年來，學(xué)者們對嚴(yán)寒地區(qū)隧道圍巖溫度場分布規(guī)律進(jìn)行了大量研究并取得了一定成果。在理論方面，馮強等[5]采用Laplace積分變換的方法求解傳熱模型，得到寒區(qū)隧道溫度場的解析分析方法。在室內(nèi)試驗方面，黃繼輝等[6]得到了寒區(qū)公路隧道凍脹力的分布形式和計算方法。在現(xiàn)場監(jiān)測方面，鄭波等[7]對隧道冬季洞口段襯砌開裂、春融期滲漏水的發(fā)生機理進(jìn)行了研究，并提出了整治措施；陳建勛[8]通過對嚴(yán)寒地區(qū)隧道進(jìn)行現(xiàn)場測試，揭示了隧道溫度場的變化規(guī)律；羅彥斌[9]以典型隧道現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以圍巖溫度場分布為依據(jù)，對寒區(qū)隧道凍害等級進(jìn)行了劃分。在數(shù)值計算方面，李彬嘉等[10]建立了寒區(qū)隧道有限元模型，研究寒區(qū)隧道在內(nèi)部氣溫變化作用下的冰-水相變發(fā)展過程；高焱等[11]采用數(shù)值分析研究不同列車運行速度和運行間隔工況下，寒區(qū)隧道溫度場的分布規(guī)律；LI等[12]和MA等[13]建立了考慮凍結(jié)過程中水分相變和水分遷移的水-熱耦合傳熱方程，對寒區(qū)隧道溫度場分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并提出了保溫層參數(shù)(厚度和導(dǎo)熱系數(shù))的確定方法。以上研究均在隧道襯砌壁面溫度確定的情況下進(jìn)行。但是當(dāng)隧道貫通之后，由于隧道進(jìn)口和出口存在壓力差，寒區(qū)隧道洞外的空氣在壓力差的作用下會進(jìn)入隧道，進(jìn)而改變隧道壁面的溫度。特別在寒季，隧道圍巖溫度因山體內(nèi)部熱能的影響相對外界環(huán)境溫度要高很多，于是進(jìn)入隧道內(nèi)的冷空氣和圍巖襯砌壁面會發(fā)生強烈的熱交換，從而改變圍巖的溫度場。因此，要想準(zhǔn)確分析隧道內(nèi)圍巖和襯砌的溫度分布規(guī)律和確定恰當(dāng)?shù)姆纼霰卮胧?，就需要對自然風(fēng)條件下隧道圍巖-襯砌溫度分布規(guī)律進(jìn)行深入研究。而目前考慮自然風(fēng)情況下，空氣與隧道襯砌壁面熱交換和襯砌-圍巖熱傳導(dǎo)的研究相對較少。

鑒于此，根據(jù)傳熱學(xué)、流體動力學(xué)、凍土學(xué)的基本原理和方法，以吉圖琿高速鐵路榆樹川隧道為依托，建立自然風(fēng)條件下考慮圍巖冰-水相變的寒區(qū)隧道空氣與襯砌熱交換和襯砌-圍巖熱傳導(dǎo)的熱流固耦合模型。運用該模型對榆樹川隧道在自然風(fēng)條件下空氣與隧道襯砌熱交換和圍巖熱傳導(dǎo)耦合問題進(jìn)行研究，分析隧道圍巖溫度的分布規(guī)律，并探討了隧道凍結(jié)長度與風(fēng)速的關(guān)系。

1 工程概況

1.1 隧道概況

榆樹川隧道位于延吉市安圖縣境內(nèi)，是新建吉圖琿高速鐵路的控制性工程，隧道洞口如圖1所示。隧道全長2 210 m，最大埋深約160 m，全隧位于直線段上，內(nèi)縱坡設(shè)計為單面坡，坡度5‰，隧道斷面尺寸如圖2所示。在榆樹川隧道進(jìn)口段安設(shè)氣象站，對隧址2018年12月至2019年12月的氣溫、風(fēng)向和風(fēng)速進(jìn)行了監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，每年自10月中旬至次年4月中旬為凍結(jié)期，最低氣溫出現(xiàn)在1月份，全年最高氣溫和最低氣溫分別為37.62 ℃和-21.92 ℃。隧道進(jìn)口處平均風(fēng)速為2.08 m/s，最大風(fēng)速為5.44 m/s，風(fēng)向與隧道走向大體一致，即風(fēng)從隧道進(jìn)口吹入，從出口吹出。隧道進(jìn)口處空氣日平均溫度如圖3所示。

圖1 榆樹川隧道洞口

圖2 榆樹川隧道斷面尺寸(單位：cm)

圖3 隧道外大氣溫度

1.2 隧道凍害現(xiàn)狀

吉圖琿高速鐵路已通車5年，榆樹川隧道在運營過程中發(fā)生明顯的凍害，具體表現(xiàn)為：2017年12月18日，隧道K352+601(距離隧道進(jìn)口594 m)處，距起拱線以上高約3.5 m處出現(xiàn)施工縫半月形(直徑約0.15 m)裂紋成線狀滴水，順施工縫以下邊墻周圍伴隨有小部分結(jié)冰，見圖4(a)。2018年1月9日，隧道K352+695(距離隧道進(jìn)口696 m)和K352+699(距離隧道進(jìn)口700 m)處，拱腰兩側(cè)(照明線上1.5 m高處)均掛冰數(shù)根，環(huán)向排列，長5～20 cm。2018年1月21日，隧道K352+912(距離隧道進(jìn)口905 m)處正拱頂注漿孔掛冰，且成線狀滴水，見圖4(c)。

圖4 榆樹川隧道凍害

針對榆樹川隧道出現(xiàn)的不同情況凍害，采取了不同的防凍措施，如針對邊墻滲水凍結(jié)，采取“安設(shè)鋼邊止水帶流水槽、邊墻打孔泄壓”引排滲水的方式，見圖5(a)；針對拱腰兩側(cè)滴水掛冰，采用在邊墻打泄水孔，鋪設(shè)“PVC管+電伴熱+鍍鋅鐵管+玻璃絲棉卷氈”的措施，見圖5(b)。

圖5 榆樹川隧道凍害防治措施

由現(xiàn)場隧道凍害發(fā)展情況和發(fā)生位置可以看出，隧道凍害的發(fā)展是逐步出現(xiàn)的，先出現(xiàn)在距離隧道進(jìn)口較近處，后出現(xiàn)在距隧道進(jìn)口遠(yuǎn)的位置，至2018年1月21日，隧道凍害已經(jīng)擴展到距隧道進(jìn)口900 m處。因此，隧道凍害的發(fā)展與冬季自然風(fēng)作用密切相關(guān)，需對自然風(fēng)條件下隧道圍巖-襯砌溫度分布規(guī)律進(jìn)行分析，進(jìn)而確定隧道的凍結(jié)長度。

1.3 隧道溫度監(jiān)測

為得到襯砌和圍巖溫度場分布規(guī)律、隧道縱向溫度分布規(guī)律，在隧道中選取典型斷面和典型位置進(jìn)行溫度監(jiān)測，具體方案如下。

(1)洞內(nèi)縱向溫度場監(jiān)測方案

從隧道進(jìn)口開始，在隧道拱腰位置布設(shè)溫度監(jiān)測點，共布設(shè)11個點。具體位置為Z 1號(隧道進(jìn)口處)、Z 2號(距進(jìn)口50 m)、Z3號(距進(jìn)口150 m)、Z4號(距進(jìn)口350 m)、Z5號(距進(jìn)口650 m)、Z6號(距進(jìn)口1 103 m)、Z7號(距進(jìn)口1 557 m)、Z8號(距進(jìn)口1 857 m)、Z9號(距進(jìn)口2 057 m)、Z10號(距進(jìn)口2 157 m)、Z11號(隧道出口處)，見圖6。

圖6 隧道溫度監(jiān)測斷面示意

(2)圍巖及襯砌溫度監(jiān)測方案

從隧道進(jìn)口到出口，在隧道拱腰位置共布設(shè)11個溫度監(jiān)測點，每個監(jiān)測點布設(shè)3個溫度傳感器，見圖2，分別在1號(二次襯砌表面)、2號(二次襯砌與防水板之間)、3號(初期支護外表面)。

圖7為監(jiān)測最冷月榆樹川隧道不同進(jìn)尺及深度處平均溫度分布。由圖7可以看出，隧道二次襯砌表面、二次襯砌與防水板之間和初期支護外表面的溫度均呈“兩頭低，中間高”的分布規(guī)律。因隧道發(fā)生凍害的原因主要是水分發(fā)生凍結(jié)和膨脹，所以二次襯砌背后低于0 ℃的長度定義為凍結(jié)長度。由現(xiàn)場監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)可知，榆樹川隧道進(jìn)口段凍結(jié)長度為1 443 m，出口段凍結(jié)長度為29 m。隧道進(jìn)出口段凍結(jié)長度相差較大的原因是隧址處自然風(fēng)風(fēng)向與隧道走向大體一致，風(fēng)從隧道進(jìn)口吹入，從出口吹出，對進(jìn)口有顯著的影響。

圖7 最冷月隧道不同進(jìn)尺、不同深度處平均溫度

2 嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場計算模型

2.1 隧道內(nèi)空氣傳熱方程

根據(jù)前人的研究成果[14-16]，隧道內(nèi)空氣的流動和傳熱過程做出以下假設(shè)：(1)隧道內(nèi)空氣為不可壓縮流體；(2)空氣密度為常數(shù)；(3)空氣溫度的變化對空氣的流動無影響；(4)空氣在隧道內(nèi)的流動為層流。隧道內(nèi)空氣層流熱交換的控制方程如下[17]。

2.1.1 連續(xù)性方程

?·(u)=0

(1)

式中，u為空氣流動速度，m·s-1。

2.1.2 動量方程

(2)

式中，p為空氣有效壓力，Pa；μ為空氣動力黏度，Pa·s；ρa為空氣密度，kg·m-3；t為時間，s。

2.1.3 能量方程

(3)

式中，Ta為空氣溫度，K；λa和ca分別為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，單位分別為W·m-1·K-1和J·kg-1·K-1。

2.2 隧道圍巖傳熱方程

圍巖在凍結(jié)時水蒸氣蒸發(fā)耗熱很少，同時水分遷移帶動的熱量遷移也很小[18]，故在計算中忽略了對流、質(zhì)量遷移等其他作用，只考慮巖土體骨架和孔隙水的熱傳導(dǎo)及冰-水相變作用，隧道圍巖傳熱控制方程如下[18-20]

(4)

(5)

(6)

式中，Cf和Cu分別為隧道圍巖在凍結(jié)狀態(tài)和融化狀態(tài)時的體積比熱容，J·m-3·K-1；λf和λu分別為隧道圍巖在凍結(jié)狀態(tài)和融化狀態(tài)時的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；L為單位體積圍巖相變潛熱，J·m-3。

邊界條件如下。

(1)流體邊界條件為

u|A1=u0

(7)

如果邊界為固體

u|A2=0

(8)

(2)溫度邊界條件為

(9)

式中，Ai表示邊界；T0為已知的確定溫度，K；u0為已知的確定風(fēng)速，m·s-1；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；n為各邊界的法向矢量；q為熱流密度，W·m-2；α為對流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Ta為空氣溫度，K。

如果為流-固耦合界面，定義固體界面對于黏性流體為無滑移邊界，考慮到流體溫度與固體溫度連續(xù)，則有

T|A4+=T|A4-

(10)

初始條件如下。

(1)流場初始條件

(11)

(2)溫度初始條件

(12)

式(1)～式(12)組成了自然風(fēng)條件下考慮圍巖冰-水相變的寒區(qū)隧道空氣與襯砌熱交換和襯砌-圍巖熱傳導(dǎo)的熱流固耦合模型，以及邊界條件和初始條件。將節(jié)點溫度T、空氣壓力p和空氣流動速度u作為基本未知量，運用隱式歐拉向后差分法(BDF法)對控制方程中的時間項進(jìn)行離散，采用非線性迭代修正阻尼牛頓法求解方程。利用有限差分時間步長的方法，對該微分方程進(jìn)行時間差分，并通過連續(xù)線性循環(huán)解法求解。

2.2.1 計算模型

考慮隧道貫通后，進(jìn)入隧道內(nèi)的冷空氣和隧道襯砌壁面會發(fā)生強烈的熱交換，從而改變圍巖的溫度場。因此，必須考慮隧道所在的整個山體內(nèi)部熱能影響下的溫度分布，在此基礎(chǔ)上，計算和分析自然風(fēng)條件下隧道圍巖的溫度分布規(guī)律。以榆樹川隧道上覆整個山體以及隧道下部80 m范圍內(nèi)的巖體作為研究對象，具體模型如圖8所示。

圖8 計算模型

2.2.2 計算參數(shù)與邊界條件

采用TPS2200熱物性分析儀對隧道圍巖和襯砌的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容進(jìn)行測量，如圖9所示。為精確得到不同溫度時巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，測定實驗在恒溫箱中進(jìn)行。無論是測量凍結(jié)狀態(tài)還是融化狀態(tài)圍巖的熱物理參數(shù)，測試開始前均將樣品置于恒溫箱中達(dá)到足夠的溫度恒定(3～5h)后，方能進(jìn)行測定。測定的榆樹川隧道圍巖和襯砌的熱物理參數(shù)如表1所示。

圖9 隧道圍巖和襯砌熱物理參數(shù)測試裝置示意

表1 圍巖和襯砌熱力學(xué)參數(shù)

空氣的密度ρa為1.293 kg·m-3，導(dǎo)熱系數(shù)λa和比熱容ca分別為0.023 W·m-1·K-1和1.004 kJ·kg-1·K-1，空氣動力黏度μ為1.75×10-5Pa·s。

整個計算模型(圖8)中，兩側(cè)邊界為絕熱邊界；模型底部的熱流密度為0.06 W·m-2；空氣與山頂?shù)膶α鲹Q熱系數(shù)為15.0 W·m-2·K-1。隧道貫通后，隧道進(jìn)口處空氣速度為年平均風(fēng)速，空氣溫度為大氣溫度。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 模型驗證

在榆樹川隧道進(jìn)口處，對自地表至深度10 m范圍內(nèi)天然地層的地溫進(jìn)行了監(jiān)測。為驗證建立模型的正確性，將地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10所示。通過對比2019年4月15日和2019年10月15日的地溫實測值和計算值，可以看出：地溫計算值與實測值沿深度變化規(guī)律一致。除地表至深度為-5 m范圍內(nèi)地溫計算值與實測值有偏差外，其他位置溫度計算值與實測值基本相同。地溫計算值與實測值偏差較大處位于深度-2～-3 m處，最大溫度差為0.8 ℃。造成地溫計算值與實測值存在偏差的原因是淺層地表地溫易受到外界環(huán)境的影響，而數(shù)值計算時采用溫度邊界條件忽略了環(huán)境條件變化的偶然性。通過比較地溫的計算值和實測值，說明建立的傳熱模型能夠反映隧道圍巖的溫度分布。

圖10 地溫實測值與計算結(jié)果對比

3.2 隧道貫通前山體溫度場

隧道貫通前，以隧址整個山體為計算模型，模型底部施加熱流密度0.06 W·m-2，空氣與山體表面以對流換熱方式傳熱，對流換熱系數(shù)為15.0 W·m-2·K-1，模擬計算500年的傳熱過程。待山體溫度達(dá)到穩(wěn)定，以此作為隧道貫通前的隧址山體溫度場。因隧址最低氣溫出現(xiàn)在1月份，最高氣溫出現(xiàn)在7月份，故分別以隧址山體1月、7月的溫度分布來分析不同季節(jié)隧址山體溫度場，如圖11所示。由圖11可以看出，隧道貫通前，隧址山體表層巖土體溫度隨季節(jié)波動，1月份表層巖土體發(fā)生凍結(jié)，最大凍結(jié)深度為1.6 m，7月份表層巖土體已經(jīng)完全融化。除表層很小范圍內(nèi)的巖土體溫度隨季節(jié)波動外，山體大部分巖土體處于正溫狀態(tài)，溫度不隨季節(jié)的變化而變化，且大致在6～8 ℃內(nèi)。進(jìn)口段沿隧道縱向進(jìn)深不超過70 m范圍內(nèi)圍巖溫度處于6 ℃以下，其余位置的巖溫大于6 ℃。因上覆巖土體厚度不同，圍巖溫度略有差異。埋深分別為100 m和140 m處，隧道所在位置圍巖溫度分別為6.5 ℃和7.6 ℃。

圖11 不同季節(jié)隧址山體溫度場分布(單位：℃)

3.3 自然風(fēng)條件下隧道溫度場

隧道貫通后，由于隧道進(jìn)口和出口存在氣壓差，洞外的空氣進(jìn)入隧道內(nèi)部，并與襯砌壁面發(fā)生熱交換。風(fēng)速越大，進(jìn)入隧道內(nèi)的空氣越多，對隧道圍巖溫度場的影響也越大。以上節(jié)計算得到的隧道貫通前的山體溫度場為初始溫度場，在隧道進(jìn)口處施加自然風(fēng)速度和空氣溫度，以此計算隧道貫通后襯砌和圍巖的溫度分布。

考慮到隧道進(jìn)口處平均風(fēng)速為2.08 m/s，最大風(fēng)速為5.44 m/s，分別對不同風(fēng)速條件下(2.0，4.0，6.0 m/s)，最冷月(1月份)隧道圍巖的溫度場進(jìn)行分析。由于隧道較長，為便于比較不同風(fēng)速條件下隧道圍巖溫度場的分布規(guī)律，現(xiàn)截取計算結(jié)果中隧道進(jìn)出口段一定范圍內(nèi)圍巖和空氣溫度分布進(jìn)行分析，如圖12、圖13所示。

圖12 榆樹川隧道進(jìn)口段1月份溫度分布(單位：℃)

圖13 榆樹川隧道出口段1月份溫度分布(單位：℃)

隧道貫通后，進(jìn)入隧道的空氣對圍巖溫度的影響顯著，距離隧道襯砌很近的巖溫已經(jīng)明顯降低。以巖溫6 ℃等溫線為例，隧道尚未貫通時，1月份進(jìn)口段圍巖溫度不超過6 ℃的區(qū)域距離隧道進(jìn)口約70 m(圖11(a))；隧道貫通后，隧道進(jìn)口段巖溫小于6 ℃的區(qū)域擴大，當(dāng)風(fēng)速為2.0 m/s時，進(jìn)口段該區(qū)域長度為203 m；當(dāng)風(fēng)速為4.0 m/s時，區(qū)域長度為242 m；而當(dāng)風(fēng)速增大到6.0 m/s時，區(qū)域長度增大到315 m(圖12)。同樣地，隧道貫通后，隧道出口段距離襯砌很近的圍巖也已處于凍結(jié)狀態(tài)，同時出口段巖溫小于6 ℃的區(qū)域也擴大，當(dāng)風(fēng)速為2.0 m/s時，該區(qū)域長度為49 m，當(dāng)風(fēng)速為4.0 m/s時，區(qū)域長度為67 m；而當(dāng)風(fēng)速增大到6.0 m/s時，區(qū)域長度增大到76 m(圖13)。綜合不同風(fēng)速作用下隧道進(jìn)出口段的圍巖溫度分布可以得到：隧道貫通后，進(jìn)入隧道空氣的溫度對圍巖的溫度分布影響很大，在洞外空氣溫度最冷月(1月份)，隧道進(jìn)出口段靠近襯砌的圍巖均發(fā)生了凍結(jié)，這意味著隧道進(jìn)出口段需施作相應(yīng)的防凍保溫措施。

3.4 隧道凍結(jié)長度

隧道貫通后，不同風(fēng)速條件下(2.0，4.0，6.0 m/s)，洞外空氣溫度最冷月(1月份)襯砌溫度沿隧道縱向分布曲線如圖14所示。由圖14可以看出，當(dāng)隧道進(jìn)口段風(fēng)速為0 m/s時，空氣溫度對隧道的影響非常有限，進(jìn)口段凍結(jié)長度為6.14 m。隨著風(fēng)速增大，進(jìn)入隧道的冷空氣增多，凍結(jié)長度也不斷增大。當(dāng)風(fēng)速分別為2.0，4.0，6.0 m/s時，進(jìn)口段凍結(jié)長度分別為707，1 037，1 527 m。同時，進(jìn)口段風(fēng)速的增加對隧道出口段襯砌溫度的影響較小，出口段凍結(jié)長度在27～36 m內(nèi)，且隧道進(jìn)口段的凍結(jié)長度遠(yuǎn)大于出口段，這與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果(進(jìn)出口段凍結(jié)長度分別為1 443 m和29 m)非常相似，這也說明自然風(fēng)對隧道進(jìn)出口段凍結(jié)長度的影響不相同。

圖14 不同風(fēng)速作用下襯砌溫度沿隧道縱向分布曲線

通過以上分析可以看出，隧道洞外風(fēng)速對隧道溫度場的分布影響顯著，為確定不同風(fēng)速作用下隧道的凍結(jié)長度，現(xiàn)計算得到了隧道進(jìn)出口段最大凍結(jié)長度隨風(fēng)速的變化，如圖15所示。分別將不同風(fēng)速作用下的進(jìn)出口段的凍結(jié)長度計算值進(jìn)行擬合，得到了隧道兩端凍結(jié)長度與風(fēng)速的關(guān)系，隧道兩端凍結(jié)長度均隨著風(fēng)速的增大呈線性增大趨勢，寒區(qū)隧道凍結(jié)長度應(yīng)考慮進(jìn)口段風(fēng)速的大小，盲目地采取隧道全長范圍內(nèi)施作防凍保溫措施是不經(jīng)濟的。當(dāng)風(fēng)速為0 m/s時，隧道進(jìn)口段凍結(jié)長度計算值與擬合值偏差較大(計算值為6.14 m，擬合值為83.6 m)，而當(dāng)風(fēng)速變大后，凍結(jié)長度計算值與擬合值相差不大(風(fēng)速為1 m/s時，計算值和擬合值分別為296.6，318.3 m)。這是由于風(fēng)速較小時，隧道內(nèi)空氣熱傳導(dǎo)以自然對流為主，當(dāng)風(fēng)速較大時，熱傳導(dǎo)方式以強迫對流為主，而擬合得到的風(fēng)速與凍結(jié)長度的關(guān)系多是基于強迫對流的結(jié)果。但是，風(fēng)速較小時凍結(jié)長度的擬合值比計算值大，這在工程上對防止隧道圍巖發(fā)生凍結(jié)是有利的。這說明擬合得到的風(fēng)速與隧道進(jìn)、出口段凍結(jié)長度的關(guān)系可以對寒區(qū)隧道防凍提供有益指導(dǎo)。同時，由圖15也可以看出，風(fēng)速對隧道進(jìn)出口段的影響不同，相同風(fēng)速條件下，隧道進(jìn)口段的凍結(jié)長度比出口段凍結(jié)長度大得多，這意味著考慮經(jīng)濟性的情況下，隧道進(jìn)出口段施作防凍保溫措施應(yīng)有所不同。

圖15 不同風(fēng)速下隧道進(jìn)口段和出口段凍結(jié)長度

4 結(jié)論

根據(jù)吉圖琿高速鐵路榆樹川隧道的氣溫、風(fēng)向和風(fēng)速，建立了自然風(fēng)條件下考慮圍巖冰-水相變的榆樹川隧道空氣與襯砌熱交換和襯砌-圍巖熱傳導(dǎo)的熱流固耦合模型，得出以下結(jié)論。

(1)榆樹川隧道貫通前，除進(jìn)口段和出口段沿隧道縱向進(jìn)深1.6 m范圍內(nèi)的圍巖溫度受環(huán)境影響波動較大(寒區(qū)凍結(jié)，暖季融化)，其余絕大部分隧道位置處的圍巖溫度處在6～8 ℃內(nèi)。

(2)榆樹川隧道貫通后，冷空氣進(jìn)入隧道后與襯砌發(fā)生強烈的熱交換，影響圍巖溫度場的分布，進(jìn)出口段巖溫明顯降低，距離襯砌很近處圍巖發(fā)生凍結(jié)。隨著風(fēng)速的增大，隧道進(jìn)口段凍結(jié)長度不斷增大，隧道進(jìn)出口段需施作相應(yīng)的防凍保溫措施。

(3)隨著進(jìn)口段風(fēng)速的增加，進(jìn)入隧道的冷空氣增多，空氣溫度對隧道溫度場的影響也愈加顯著。隧道進(jìn)出口段凍結(jié)長度均隨著風(fēng)速的增大呈線性增大趨勢，當(dāng)自然風(fēng)從隧道進(jìn)口吹入，從出口吹出，風(fēng)速對進(jìn)口段凍結(jié)長度的影響程度遠(yuǎn)大于出口段。隧道凍結(jié)長度應(yīng)根據(jù)隧址氣溫和風(fēng)速進(jìn)行確定，在考慮經(jīng)濟性的情況下，隧道進(jìn)口段與出口段施作防凍保溫措施應(yīng)有所不同。