寒区长大隧道温度实测与仿真
高焱1, 朱永全2, 辛浩2
1.西南交通大学 土木工程学院,成都 610031
2.石家庄铁道大学 土木工程学院,石家庄 050043

第一作者:高焱(1984—),男,安徽合肥人,博士生.研究方向为寒区隧道保温排水技术.email:gao9941@163.com

摘要

基于现场实测数据对寒区长大隧道内温度的变化规律进行了分析,基于数值仿真分析对不同环境气温、围岩原始地温、自然风速、列车运行速度和频率条件下隧道洞内温度场和冻结深度的变化规律及保温层的适用范围进行了研究.研究结果表明:若环境气温或围岩原始地温低,自然风速大,或列车运行速度大和运行频率高,则洞内可能出现负温分布,所以寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段;保温层法不能完全解决寒区长大隧道洞口保温问题,当环境气温低于15 ℃,持续冻结时间超过45 d时,需要采取主动保温措施.

关键词: 铁路隧道; 长大隧道; 寒冷地区; 温度场; 冻结深度; 保温技术
中图分类号:U456 文献标志码:A
Temperature measurement and simulation of long tunnel in cold region
GAO Yan1, ZHU Yongquan2, XIN Hao2
1.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China
2.School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043,China
Abstract

The change rules of temperature field of long tunnel in cold region is analyzed based on measured data, and the change rules of temperature field, frozen depth of tunnel and the application scope of thermal insulation layer under different ambient temperatures, original ground temperatures of surrounding, natural wind speeds, train running speeds and train running frequencies are studied based on numerical analysis. The results show that the tunnel may appear negative temperature distribution in cases that the ambient temperature or the original ground temperature of surrounding rock is low, the natural wind speed, the train running speed or the train running frequency is high, therefore, the cold-proof measures of long tunnels in cold regions should not be used only in the entrance. And thermal insulation layers have been unable to meet cold-proof requirements of long tunnels in cold regions when the ambient temperature is less than 15 ℃ and the duration of freezing is more than 45 d, in this case, it is necessary to take active heat preservation measures.

Keyword: railway tunnel; long tunnel; cold region; temperature field; frozen depth; thermal insulation technology

在寒冷的自然条件下, 既有铁路隧道中衬砌冻胀开裂、内壁渗水挂冰及水沟冻结等病害问题一直是世界各国铁路在建设和运营中面临的难题[1, 2, 3].黑松驿隧道[4]由于洞外出水口处结冰封冻, 造成洞内排水沟冻结范围达到270 m; 南山隧道[5]由于进口段主导风的影响, 进口段冻结长度达到1 100 m, 出口段冻结长度达到200 m, 在进口段300 m范围内隧道底部围岩冻胀导致无砟道床抬起, 轨道变形严重; 奎先隧道[6]由于洞口出水口处保温措施不当, 出水口冻结, 冻害逐步向沟内延伸, 最后平行导洞冻结长度达到1 250 m, 正洞冻结长度达到2 870 m, 道床积冰达到0.33 m厚, 隧道冻害现象严重.

由此可见, 要想从根本上解决寒区隧道冻害问题, 首先需要掌握寒区隧道温度场的变化规律.刘志春等[7]对青藏线上的风火山隧道和昆仑山隧道洞内外气温进行了长期监测, 采取通风供暖和洞口保温门等综合措施成功地保证了洞内施工环境温度; 谢红强[8]对鹧鸪山隧道洞内外进行了一年的气温监测, 发现隧道贯通后, 由于洞内外空气的对流作用, 隧道内平均气温下降3~4 ℃; 卢炜[9]对全长为2 440 m的哈大高铁隧道内部进行气温监测, 发现列车高速运行产生的列车风使隧道中部平均气温下降3~5 ℃, 隧道中部温度达到0 ℃以下, 列车运行速度越快, 隧道内外温差越小; 赖远明等[10]对大阪山隧道洞内外气温进行了长期监测, 发现合理的开关防寒保温门的保温效果要比防雪保温棚的保温效果好; 张广龙[11]对全长为1 935 m的东南里右线隧道内部温度进行实测, 发现冬季风由隧道出口吹向进口, 隧道出口处大气温度在全年范围内都比隧道进口处的温度低, 两处最大平均气温差值达到4 ℃; 乜风鸣[12]通过对已投入运营的西罗奇2号隧道、杜草隧道及奎先隧道等隧道内气温和隧道外的气温观测与对比研究, 指出开挖前处于融化状态的围岩在隧道开通运营后有可能形成多年冻土; 张先军[13]对昆仑山隧道气温及地温进行观测, 分析了隧道洞内气温、地温及保温层温度分布特征; 赖金星等[14]对青沙山公路隧道地温进行现场实测与分析, 得到了洞内气温的变化规律.上述有温度实测数据的寒区隧道长度基本在3 000 m以下, 对于长度在3 000 m以上长大隧道而言缺少实测数据支持.

针对以上不足, 本文作者采用寒区长大隧道现场温度数据分析及仿真研究的方法, 探讨了寒区长大隧道温度场变化规律、影响因素及保温层的适应范围, 为解决寒区隧道冻害问题提供参考.

1 寒区长大隧道洞内温度实测与分析
1.1 寒区长大隧道洞内温度实测

在建牡丹江至绥芬口的绥阳隧道长6 710 m, 埋深380~500 m, 围岩的原始地温7 ℃, 主导风由隧道进口吹向出口, 洞口风速3 m/s.于2015年1月16日至1月18日每日6:00进行洞内温度实测, 每隔500 m设置一个测点, 得到绥阳隧道内部温度曲线如图1所示.

图1 绥阳隧道内部温度曲线Fig.1 Internal temperature curves of Suiyang tunnel

由图1知, 实测期间绥阳隧道内部温度曲线总体呈倒“ V” 字形分布, 隧道进、出口温度低, 中部温度高, 洞口最低温度为-18 ℃, 洞内最高温度为-2 ℃; 由于受主导风的影响, 洞内温度曲线向出口处偏移.根据现行《铁路隧道设计规范》[15]规定, -5 ℃以下气温需要设置保温措施, 绥阳隧道设防长度大于3 000 m.

在建牡丹江至绥芬口的红房子隧道长6 473 m, 埋深470~580 m, 围岩的原始地温为10 ℃, 主导风由隧道进口吹向出口, 洞口风速为3 m/s.于2015年1月17日至1月19日每日6:00进行洞内温度实测, 每隔500 m设置一个测点, 得到红房子隧道内部温度曲线如图2所示.

图2 红房子隧道内部温度曲线Fig.2 Internal temperature curves of Hongfangzi tunnel

由图2知, 实测期间红房子隧道内部温度曲线总体呈倒“ V” 字形分布, 隧道进、出口温度低, 洞口最低温度为-18 ℃, 洞内最高温度为5 ℃, 仅洞内部区段出现正温, 红房子隧道设防长度大于2 000 m.由于受到主导风的影响, 洞内温度曲线向出口处偏移.

兴安岭上行隧道全长3 077.2 m, 埋深58 m, 围岩原始地温约2 ℃, 每天平均运营列车70对.于2015年2月10日至2月12日每日18:30进行洞内温度实测, 得到隧道洞内温度曲线如图3所示.

图3 兴安岭上行隧道内部温度曲线Fig.3 Internal temperature curves of Xing’ anling uplink tunnel

由图3知, 实测期间兴安岭上行隧道洞内温度曲线总体呈抛物线形分布, 在列车风的影响下, 洞口最低温度为-18 ℃, 洞内最高温度为-7 ℃, 因此兴安岭上行隧道需要全隧道设防.

兴安岭下行隧道全长3 100 m, 埋深58 m, 围岩原始地温约2 ℃, 每天运营列车60对.于2015年2月10日至2月12日每日18:30进行洞内温度实测, 得到隧道洞内温度曲线如图4所示.

图4 兴安岭下行隧道内部温度曲线Fig.4 Internal temperature curves of Xing’ anling downlink tunnel

由图4知, 实测期间兴安岭下行隧道洞内温度曲线总体呈抛物线形分布, 在列车风的影响下, 洞口最低温度为-20 ℃, 洞内最高温度为-4 ℃, 因此兴安岭下行隧道需要全隧道设防.

1.2 寒区长大隧道温度场影响因素分析

绥阳隧道、红房子隧道和兴安岭上、下行隧道温度实测数据表明:

1)以上隧道温度场主要影响因素为环境气温、围岩原始地温、自然风和列车风.

2)受风向和风速影响, 在一定风速(3 m/s)作用下, 进风口温度随隧道进入长度升高, 约每km升高3 ℃, 出风口影响显著长度约为0.5 km, 如绥阳隧道.

3)长大隧道风速较低(洞口风速低于3 m/s)时, 主要受围岩原始地温控制, 除洞口段受空气对流影响, 洞内气温比较稳定; 长大隧道围岩原始地温在10 ℃以上(埋深500 m以上), 洞内才可能会出现正温, 如红房子隧道.

4)上述4座隧道长度在3~7 km之间, 是长大隧道, 其结构防寒不应仅在洞口段, 需要防寒的区段均在2 km以上.若围岩原始地温低、列车运行速度大或每日运行列车对数多, 长大隧道需要全隧道防寒.

2 不同影响因素下围岩温度场变化
2.1 不同原始地温条件下洞内温度

采用大型有限元软件ANSYS进行数值分析, 以在建的绥阳隧道为计算对象, 数值模拟将绥阳隧道2015年1月15日到1月20日每日6:00平均气温实测值-15℃作为隧道内壁面的边界条件, 计算分析了不同围岩地温条件下, 6 d后隧道洞内温度的变化规律.计算模型长100 m, 宽100 m, 进深6 500 m, 初支为30 cm, 二衬为50 cm, 网格模型共划分196 640个单元和207 440个节点.网格模型如图5所示, 热力学计算参数如表1所示.

图5 网格模型Fig.5 Mesh models

表1 热力学计算参数 Tab.1 Thermodynamic calculation parameters

围岩的原始地温T分别取2 ℃、3 ℃和5 ℃, 洞内风速为3 m/s, 模型前、后、左、右及上边界采取绝热边界条件, 下边界定义热流密度0.06 W/m2.不同原始地温时, 6 d后隧道洞内沿进深方向气温变化曲线如图6所示, 冻结深度变化曲线如图7所示.

图6 不同围岩原始地温时隧道内部气温变化曲线Fig.6 Internal temperature curves under different original ground temperatures of surrounding rock

图7 不同围岩原始地温时冻结深度变化曲线Fig.7 Frozen depth curves under different original ground temperatures of surrounding rock

由图6知, 受洞内自然风影响, 隧道洞内气温沿进深方向呈倒“ V” 字形分布, 隧道进、出口温度低, 中部温度高, 洞内温度为负温, 温度曲线偏向出风口处.由图7知, 围岩的原始地温越低, 围岩冻结范围越大; 当环境气温为-15 ℃, 围岩地温小于5 ℃时, 6 d后6 500 m隧道中间出现负温度分布.

2.2 不同自然风速条件下洞内温度

利用流体计算软件Fluent中的分离式求解器进行数值模拟, 不考虑重力的影响, 湍流模型采用Realiable k-e两方程模型, 应用SIMPLE算法求解离散方程.利用结构化网格对流动区域进行离散, 而对贴近壁面的传热和流动特性的模拟则采用边界层网格对壁面处进行加密, 并在求解过程中选用非平衡壁面函数.

洞内的自然风速f分别取1 m/s、2 m/s、3 m/s和4 m/s, 围岩原始地温取7 ℃.不同自然风速条件下, 6 d后隧道洞内沿进深方向气温变化曲线如图8所示, 冻结深度变化曲线如图9所示.

图8 不同自然风速时隧道内部气温变化曲线Fig.8 Internal temperature curves under different natural wind speeds

图9 不同自然风速时冻结深度变化曲线Fig.9 Frozen depth curves under different natural wind speeds

由图8知, 当自然风速为1 m/s时, 洞内温度分布曲线呈抛物线形; 当风速大于1 m/s时, 温度曲线开始向出风口处偏移, 自然风速越大, 偏移量越大.由图9知, 自然风速越大, 冻结范围越大; 当环境气温为-15 ℃, 洞内风速大于1 m/s时, 6 d后6 500 m隧道中间出现负温度分布.

2.3 不同列车运行速度和频率条件下洞内温度

为了研究不同列车运行速度和频率条件下洞内温度的变化规律, 利用流体计算软件Fluent进行分析, 通过向隧道内通风来模拟列车风的活塞作用, 将列车运行时产生的列车风视为恒定值, 通风风速取最大列车风峰值的1/3, 通风时间取列车通过隧道的时间, 隧道模型长度为3 000 m, 不同列车运行速度和频率时, 5 d后洞内气温变化曲线如表2表3所示.由表2表3知, 列车运行速度越快, 运行频率越高, 隧道洞内气温越低; 当环境气温为-20 ℃, 列车速度为100 km/h, 运行频率为53对/d时, 5 d后3 000 m隧道中间出现负温度分布.

表2 不同列车运行速度时隧道内部气温值 Tab.2 Internal temperatures under different train running speeds
表3 不同列车运行频率时隧道内部气温值 Tab.3 Internal temperatures under different train running frequencies
3 极端气温条件下保温层适用范围

由于5 cm厚硬质聚氨酯泡沫只能起到保温隔热的作用, 而不能主动产生热量, 在极端气温条件下, 保温层会失去保温效果.隧道洞口气温分别取-20 ℃、-30 ℃和-40 ℃, 硬质聚氨酯泡沫密度56 kg· m-3, 热传导系数0.029 W· m-1· ℃-1, 比热1.852 kJ· kg-1· ℃-1, 分别取计算隧道长度为3 000 m, 15 d、30 d和45 d后, 沿隧道径向拱顶和仰拱处温度的变化.初支为30 cm, 二衬为50 cm.

1)洞口气温为-20 ℃时, 拱顶和仰拱处的温度如图10和图11所示.

图10 洞口气温为-20 ℃时拱顶处的温度Fig.10 Temperatures of tunnel vault under tunnel entrance temperature of -20 ℃

图11 洞口气温为-20 ℃时仰拱处的温度Fig.11 Temperatures of inverted arch under tunnel entrance temperature of -20 ℃

由图10和图11可知, 当气温持续15 d后, 拱顶和仰拱处保温层后为负温, 此时二衬表面开始冻结; 当气温持续30 d后, 二衬后出现负温, 此时初支表面开始冻结; 当气温持续45 d后, 初支后出现负温, 此时围岩开始冻结.可见, 当气温为-20 ℃, 持续45 d时, 围岩开始冻结, 需采取相关的保温措施.

2)洞口气温为-30 ℃时, 拱顶和仰拱处的温度如图12和图13所示.

图12 洞口气温为-30 ℃时拱顶处的温度Fig.12 Temperatures of tunnel vault under tunnel entrance temperature of -30 ℃

图13 洞口气温为-30 ℃时仰拱处的温度Fig.13 Temperatures of inverted arch under tunnel entrance temperature of -30 ℃

由图12和图13知, 当气温持续15 d后, 拱顶和仰拱处二衬后为负温, 此时初支表面开始冻结; 当气温持续30 d后, 初支后开始出现负温, 此时围岩开始冻结.由此可知, 当气温为-30 ℃持续45 d时, 围岩开始冻结, 需要采取相关的保温措施.

3)洞口气温为-40 ℃时, 拱顶和仰拱处的温度如图14和图15所示.

图14 洞口气温为-40 ℃时拱顶处的温度Fig.14 Temperatures of tunnel vault under tunnel entrance temperature of -40 ℃

图15 洞口气温为-40 ℃时仰拱处的温度Fig.15 Temperatures of inverted arch under tunnel entrance temperature of -40 ℃

可见, 当气温为-40 ℃持续18 d时, 围岩开始冻结, 需要采取相关的保温措施.极端气温条件下, 隧道各部位出现负温的时间如表4所示.

表4 隧道各部位出现负温的时间 Tab.4 Negative temperature appearance time of each part of the tunnel
4 结论

1)当环境气温为-15 ℃, 围岩地温小于5 ℃时, 6 d后6 500 m隧道中间出现负温度分布; 当环境气温为-15 ℃, 洞内的风速大于1 m/s时, 6 d后6 500 m隧道中间出现负温度分布; 当环境气温为-20 ℃, 列车运行速度为100 km/h, 运行频率为53对/d时, 5 d后3 000 m隧道中间出现负温度分布.

2)寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段, 若环境气温低、围岩原始地温低、列车运行速度大或每日运行列车对数多, 长大隧道需要全隧道防寒.

3)保温层法不能完全解决寒区长大隧道洞口段保温问题.当洞口气温低于-20 ℃, 持续冻结时间超过45 d时; 或当洞口气温低于-30 ℃, 持续冻结时间超过30 d时; 或当洞口气温低于-40 ℃, 持续冻结时间超过18 d时; 5 cm厚的厚硬质聚氨酯泡沫已经不能满足3 000 m隧道的防寒抗冻要求, 需要采取主动保温措施.

The authors have declared that no competing interests exist.

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