劉 鶴

(中鐵快運(yùn)股份有限公司 北京 100055)

1 引言

隨著我國(guó)隧道建設(shè)飛速發(fā)展，在高寒地區(qū)(陸地占比43.5%)修建隧道已成為了普遍現(xiàn)象[1]。據(jù)研究，寒區(qū)隧道的主要安全隱患是凍害的發(fā)生[2]。排水溝作為隧道的排水結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生凍害，會(huì)導(dǎo)致隧道排水通道受阻，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接造成道床結(jié)冰，進(jìn)而危害隧道的行車(chē)安全[3]。因此，寒區(qū)隧道排水溝的研究對(duì)寒區(qū)隧道施工具有重要的工程意義。

近年來(lái)隨著寒區(qū)隧道排水溝凍害現(xiàn)象發(fā)生愈發(fā)頻繁，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)研究。理論和設(shè)計(jì)研究方面，萬(wàn)建國(guó)[4]通過(guò)耦合理論從時(shí)空分布規(guī)律方面總結(jié)了我國(guó)山嶺隧道防凍害技術(shù)；王志杰[5]等通過(guò)理論分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，對(duì)寒區(qū)隧道不同形式的排水溝進(jìn)行了適應(yīng)性分析；錢(qián)富林[6]基于組合棧橋?qū)ε潘疁系氖┕みM(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，極大降低了施工成本。施工技術(shù)方面，徐亞峰[7]依托西寧至成都鐵路確立了高寒地區(qū)排水溝的保溫設(shè)計(jì)原則；丁然[8]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)天秀山隧道的排水溝進(jìn)行施工技術(shù)優(yōu)化，保證了高寒地區(qū)隧道排水溝的正常運(yùn)行；魏奎斐[9]等依托阿拉套山隧道，分析了單線鐵路隧道排水溝的施工難點(diǎn)及優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)。上述研究對(duì)隧道排水溝多基于設(shè)計(jì)以及布置方面，對(duì)于隧道波紋鋼深埋水溝而言，劉天正[10]等人對(duì)波紋鋼作為隧道襯砌時(shí)的結(jié)構(gòu)受力性能和承載力進(jìn)行了深入研究，得到波紋鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特點(diǎn)；黃明利[11]等人對(duì)隧道波紋鋼結(jié)構(gòu)接頭力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)背部加強(qiáng)使得波紋鋼抗彎性能得到了極大提升；黃慶春[12]等人對(duì)圓形波紋鋼管涵進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了道路荷載作用下管涵的波峰、波谷變形情況。上述學(xué)者雖然對(duì)隧道排水溝防凍害技術(shù)及波紋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，但對(duì)于寒區(qū)隧道波紋鋼形式的排水溝還尚無(wú)相關(guān)研究文獻(xiàn)，本文依托太錫鐵路崇禮隧道，對(duì)寒區(qū)隧道的波紋鋼排水溝性能進(jìn)行研究，分析了波紋鋼排水溝的工程適應(yīng)性，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

新建太(太子城)錫(錫林浩特)鐵路太(太子城)崇(崇禮)段位于張家口市崇禮區(qū)境內(nèi)，南起崇禮鐵路太子城站，北迄崇禮區(qū)大夾道溝村崇禮站，大致呈南北走向。項(xiàng)目承建崇禮隧道總長(zhǎng)度5 490 m，其中Ⅲ級(jí)圍巖2 223 m，Ⅳ級(jí)圍巖2 023 m，Ⅴ級(jí)圍巖1 244 m。第四系孔隙潛水及基巖裂隙水為地下水的主要賦存形式。隧道拱頂至地表約23 m。地下水位線深度20 m。此項(xiàng)工程為冬奧會(huì)配套交通工程，要求2021年底建成通車(chē)，工期非常緊張。

崇禮區(qū)地理位置屬于中溫帶亞干旱區(qū)，氣候?yàn)闁|亞大陸性季風(fēng)氣候，特點(diǎn)是春季回溫較早但氣溫波動(dòng)較大；夏季降雨頻發(fā)，晝夜溫差大；秋冬氣溫下降迅速，冷空氣影響嚴(yán)重，滿足季凍性區(qū)域氣候特點(diǎn)，對(duì)鐵路隧道施工影響較大。

3 研究背景及波紋鋼排水溝介紹

3.1 研究背景

崇禮隧道全隧設(shè)置中心深埋水溝，原設(shè)計(jì)水溝采用?700 mm的C40鋼筋混凝土預(yù)制管，單節(jié)長(zhǎng)2 m。排水管底部采用C20細(xì)石混凝土鋪底，上部采用C30無(wú)砂混凝土回填。隧道中心深埋水溝混凝土管單節(jié)重量約880 kg(節(jié)長(zhǎng)2 m)，需利用大型設(shè)備進(jìn)行吊裝。由于單線隧道作業(yè)空間受限，混凝土管現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中占用物流通道時(shí)間較長(zhǎng)，影響掌子面開(kāi)挖支護(hù)作業(yè)。鋼波紋管單節(jié)重量約156 kg(節(jié)長(zhǎng)2 m)，施工方便，人工或者小型設(shè)備即可安裝。為解決鋼筋混凝土預(yù)制管安裝作業(yè)與掌子面施工干擾問(wèn)題，計(jì)劃采用輕質(zhì)的鋼波紋管替代鋼筋混凝土預(yù)制管。

3.2 鋼波紋管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式

(1)波紋管縱橫截面形狀設(shè)計(jì)

對(duì)于波紋管涵直徑D≤1.5 m時(shí)，可采用整裝管涵方案，內(nèi)徑700 mm整裝管涵截面見(jiàn)圖1。

圖1 整裝式圓管涵斷面型式(單位:mm)

(2)波紋管結(jié)構(gòu)波形設(shè)計(jì)

小直徑整裝波紋圓管適宜波形見(jiàn)圖2，波形尺寸為125×25×3.5 mm。

圖2 小直徑整裝波紋圓管波形(單位:mm)

(3)波紋管結(jié)構(gòu)連接部位設(shè)計(jì)

小直徑整裝管涵之間，可采用法蘭連接，管涵溝槽范圍內(nèi)采用C25混凝土填筑。

4 波紋鋼排水溝強(qiáng)度性能研究

4.1 計(jì)算假定和模型構(gòu)建

采用ABAQUS進(jìn)行圓形管涵強(qiáng)度計(jì)算分析，計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 波紋鋼排水溝有限元模型

(1)檢算荷載

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，檢算荷載主要考慮以下荷載:

①波紋管結(jié)構(gòu)自重:波紋管結(jié)構(gòu)自重由ABAQUS程序自動(dòng)計(jì)算。

②圍巖壓力荷載:由荷載－結(jié)構(gòu)法計(jì)算傳遞至仰拱底面的壓應(yīng)力，按照Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)行考慮。

③填土荷載:仰拱及填充厚度按照1.5 m考慮。

④列車(chē)荷載:后期列車(chē)荷載按照中－活載考慮。

(2)本構(gòu)關(guān)系和參數(shù)選取

用線彈性本構(gòu)模型模擬波紋鋼管，用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型模擬填土，具體材料參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬本構(gòu)關(guān)系參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果

(1)應(yīng)力結(jié)果

環(huán)向應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，環(huán)向應(yīng)力最大值位于波峰的180°位置，應(yīng)力隨著環(huán)向角度的增大，呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)并進(jìn)行循環(huán)。波谷有著與波峰相同的趨勢(shì)，均為先減小再增大并之后進(jìn)行循環(huán)，波谷應(yīng)力最大值位于90°的位置。與波峰不同的是，波谷的循環(huán)周期約為波峰的一半。

圖4 波紋鋼排水溝應(yīng)力環(huán)向分布

(2)水平變形結(jié)果

從填土荷載、自重荷載以及車(chē)輛荷載作用下波紋鋼排水溝的水平變形情況可以看出，波紋鋼排水溝的水平變形左右對(duì)稱。

繪制變形分布規(guī)律曲線見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，波紋鋼管的水平變形隨著環(huán)向角度的增大(頂部為0°)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在90°即波紋鋼管中部；其中管頂和管底并沒(méi)有水平變形產(chǎn)生。對(duì)于同一環(huán)，波峰和波谷等處的水平變形趨勢(shì)相同，且變形值相近。

圖5 波紋鋼水平變形環(huán)向分布曲線

(3)豎直變形結(jié)果

從填土荷載、自重荷載以及車(chē)輛荷載作用下波紋鋼管豎直變形情況可以看出，豎直變形呈現(xiàn)左右對(duì)稱的規(guī)律。

繪制波紋鋼管豎直變形分布規(guī)律曲線見(jiàn)圖6。可以看出，波紋鋼管豎向變形的最大值發(fā)生在波紋鋼排水管的上下區(qū)域，變形最大處約為0.6 mm；中部區(qū)域的豎直變形較小，幾乎為零。對(duì)于同一環(huán)而言，波峰和波谷等處的變形值相近且變形趨勢(shì)一致。

圖6 波紋鋼豎直變形環(huán)向分布曲線

綜上研究可以看出:荷載作用下，波紋鋼排水管的最大應(yīng)力及變形相對(duì)較小，可以滿足正常使用要求。

5 波紋鋼排水溝防凍性能研究

5.1 波紋鋼排水溝埋深確定

中心深埋水溝的埋置深度一般取為軌底至水溝底的高度，根據(jù)?鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)?要求:

式中:hx為隧道排水溝埋深；K為凍結(jié)深度系數(shù)；h0為當(dāng)?shù)刈畲髢鼋Y(jié)深度；Tx為最冷月份隧道x處平均氣溫；T為最冷月份平均氣溫。

根據(jù)地勘資料可得，崇禮隧道當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁丶s為－16.3℃，崇禮地區(qū)最大凍結(jié)深度為1.1 m，由上式計(jì)算得到排水溝埋深理論值為1.43～2.2 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，設(shè)計(jì)采用2.5 m作為排水溝埋深，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。

5.2 計(jì)算假定和模型構(gòu)建

為了研究波紋鋼排水溝的防凍性能，采用Fluent進(jìn)行圓形排水溝埋深計(jì)算分析，對(duì)設(shè)計(jì)施工工況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究波紋鋼排水溝隨著時(shí)間的推移溫度變化情況，進(jìn)而確保波紋鋼排水溝后期運(yùn)營(yíng)中不會(huì)發(fā)生凍害。

模型邊界條件設(shè)置如下:左、右、下均設(shè)為絕緣邊界；上邊界和洞口與外部環(huán)境進(jìn)行溫度交換。崇禮地區(qū)一年中溫度低于零下的4個(gè)月份平均溫度為－10℃，年平均溫度約8℃，將－10℃作為模型上邊界和隧道洞內(nèi)的溫度荷載；圍巖的初始溫度設(shè)置與年平均溫度相同，即8℃。波紋鋼排水溝埋深按設(shè)計(jì)的2.5 m進(jìn)行計(jì)算。為了模擬最不利工況，隧道內(nèi)壁和水溝上方不設(shè)置保溫層。計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 波紋鋼排水溝模型網(wǎng)格

5.3 計(jì)算結(jié)果

為了模擬一年當(dāng)中氣溫最低時(shí)刻隧道排水溝是否發(fā)生凍害，取大氣溫度函數(shù)作為溫度荷載加載1年，其中重點(diǎn)關(guān)注月平均氣溫低于零度的4個(gè)月，通過(guò)模擬分析波紋鋼排水溝在設(shè)計(jì)深埋2.5 m時(shí)隧道圍巖和水溝的溫度場(chǎng)變化情況，確保隧道波紋鋼排水溝在當(dāng)?shù)刈罾洵h(huán)境下也不發(fā)生凍害。隧道圍巖及波紋鋼排水溝的溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況如圖8所示。

圖8 波紋鋼排水溝不同月份溫度模擬結(jié)果

由圖8可知，采用最不利工況(隧道內(nèi)壁和水溝上方不設(shè)置保溫層)進(jìn)行模擬后，在月平均氣溫低于零下的四個(gè)月內(nèi)，隧道內(nèi)壁溫度隨環(huán)境溫度變化而變化:隨著時(shí)間的增加，隧道周?chē)鷥鼋Y(jié)范圍逐漸增大，但隧道波紋鋼排水溝頂部溫度四個(gè)月內(nèi)分別為4.6℃、3.7℃、1.2℃和0℃，排水溝頂部溫度始終保持在冰點(diǎn)以上，說(shuō)明在2.5 m埋深下，隧道波紋鋼排水溝不會(huì)發(fā)生凍害現(xiàn)象。

6 結(jié)論

本文依托太錫鐵路太崇段崇禮隧道工程，針對(duì)寒區(qū)鐵路隧道排水溝防凍技術(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)寒區(qū)隧道采用波紋鋼排水溝的可行性及適應(yīng)性進(jìn)行了研究和探討，主要結(jié)論如下:

(1)鋼波紋管排水溝施工方便，可解決鋼筋混凝土預(yù)制管安裝作業(yè)與掌子面施工干擾問(wèn)題，施工耗時(shí)短，適用于工期緊張的隧道工程。

(2)正常運(yùn)營(yíng)荷載作用下，波紋鋼排水溝強(qiáng)度可以滿足安全要求，變形較小。

(3)寒區(qū)隧道施工中，合理確定深埋水溝的埋深可以有效防止凍害的發(fā)生，崇禮隧道采用2.5 m埋深可以使得波紋鋼排水溝不發(fā)生凍害。