摘要：寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)不暢時易導致隧道凍害，威脅隧道的安全運營。依托G0615線久治至馬爾康高速公路海子山1號隧道，建立高海拔寒區(qū)隧道不同排水形式下的瞬態(tài)熱傳導模型，對比了雙側(cè)保溫水溝、中心保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞的排水效果。研究結(jié)果表明：寒區(qū)隧道不同排水溝形式對低溫的適應能力不同。在抗凍能力上：雙側(cè)保溫水溝<中心保溫水溝<中心深埋水溝<防寒泄水洞，同時給出了不同排水溝形式的適宜溫度范圍。寒區(qū)隧道的排水設(shè)施應根據(jù)隧址區(qū)氣候條件、地下水發(fā)育程度等因素慎重選擇，確保隧道排水通暢。研究結(jié)果可為高海拔寒區(qū)隧道排水設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：寒區(qū)隧道； 排水溝； 圍巖溫度場； 熱傳導

中圖分類號：U453.6文獻標志碼：A

0引言

隨著我國交通運輸事業(yè)的高速發(fā)展，越來越多的隧道工程修建于高海拔寒區(qū)［1］。高海拔地區(qū)一般是指海拔高度在3 000 m以上的地區(qū)，氣候環(huán)境上普遍具有低氣溫的特點［2］。工程實踐表明，寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)不暢時，常常出現(xiàn)凍害，威脅隧道的安全運營［3］。目前我國寒區(qū)公路隧道主要采用雙側(cè)保溫水溝、中心保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞等排水溝形式［4-5］。為了保證寒區(qū)隧道在最冷月仍能排水通暢，在寒區(qū)隧道的保溫排水設(shè)計中需要考慮不同排水溝形式的影響。

近年來眾多學者開展了大量的研究工作，取得了系列研究成果。劉鶴［6］研究了季凍性寒區(qū)隧道波紋鋼排水溝的適應性，通過數(shù)值計算分析了波紋鋼排水溝防凍害性能。馬志富等［7-9］提出了不同分區(qū)的寒區(qū)隧道保溫排水措施建議長度。宋捷等［10］針對隧址區(qū)氣象環(huán)境、流速流量和保溫措施等影響因素，研究了掩埋式排水溝及端墻式排水溝出口的防凍措施有效性。劉路路等［11］分析了寒區(qū)隧道工程發(fā)生滲漏水的原因。

本文為進一步研究寒區(qū)隧道不同排水溝的適用性，依托G0615線久治至馬爾康高速公路海子山1號隧道，模擬不同排水溝形式（雙側(cè)保溫水溝、中心保溫水溝、中心深埋水溝、防寒泄水洞）下圍巖溫度場變化和排水性能差異，為高海拔寒區(qū)隧道排水設(shè)計提供參考。

1工程概況

海子山1號隧道屬于久馬高速公路，位于四川省阿壩藏族羌族自治州阿壩縣查理鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道左線起訖樁號（ZK102+900～ZK106+032），右線起訖樁號（K102+855～K106+000），線路平均海拔3 600 m。隧址區(qū)屬于高原低高山-丘原地貌的過渡帶，進口段地形切割較大，地形較陡，中部到出口段地形平緩，山頂多呈“饅頭狀”；圍巖主要為變質(zhì)石英砂巖、砂質(zhì)板巖和板巖。隧道穿越擠壓性斷層破碎帶及向斜核部富水區(qū)域。隧道進口端圍巖級別主要以V級圍巖為主，左線長5 316 m，其中V級圍巖占隧道總長的66.9%，IV級圍巖占隧道總長的33.1%；右線長5 319 m，其中V級圍巖占隧道總長的65.8%，IV級圍巖占隧道總長的34.2%。支護結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

場地平均海拔在3 600 m以上，屬高原寒溫帶半濕潤季風氣候，冬季寒冷，據(jù)阿壩局提供的氣象資料顯示，測區(qū)極端最低溫達-29.3 ℃，1月溫度最低，月平均溫度為-6.8 ℃，測得最大凍土深度為0.89 m（1982年），但根據(jù)JTG 3363-2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》附錄H中國季節(jié)性凍土標準凍深線圖，凍土標準凍結(jié)深度為1.0 m。為保證寒區(qū)隧道排水溝冬季排水通暢，需要對隧道各類型排水溝的有效性進行分析。

2寒區(qū)隧道排水溝數(shù)值模型

2.1空氣與圍巖熱交換

對流換熱系數(shù)h表征流體與固體表面接觸發(fā)生的對流換熱作用，這個過程既包含輻射傳熱也包含對流傳熱。對流換熱系數(shù)從宏觀上描述了流體與固體表面之間換熱能力的強弱。牛頓換熱公式見式（1）。

q=h（Tw－TSymboleB@）（1）

式中：q為單位時間內(nèi)單位面積固體表面與流體交換的熱量，（W/m2）；Tw為固體初始溫度；T∞為流體初始溫度。

對流換熱系數(shù)的影響因素有很多，壁面函數(shù)法提供了一種求解流換熱系數(shù)的便捷方法，具體表達式為式（2）。

h=ρcpC1/4μk1/2wT+（2）

式中：T+為無因次溫度；cp為定壓比熱。

T+=Pry+（y+

式中：y+=dρC1/4μk1/2μ；y+1=10Pr1/3；y+2=103/2β－1/2；β=Prt/κ。

參考已有研究資料和規(guī)范，本文總換熱系數(shù)h取12W/（m2·℃）。

2.2數(shù)值模型建立

根據(jù)設(shè)計文件，海子山1號隧道洞口保溫設(shè)防段設(shè)置大尺寸深埋中央排水管（埋于仰拱下方），保證管內(nèi)水面低于最大凍深線，深埋水溝設(shè)置于洞口段350 m范圍，小于1 km隧道全長設(shè)置，管內(nèi)水通過保溫出水口排泄至洞外沖溝內(nèi)或路基中央水溝。深埋水溝出洞位置設(shè)置保溫出水口，以防止中央水溝在洞口由于溫度低而凍結(jié)從而堵塞排水通道。當無法設(shè)置深埋水溝時，采用淺埋保溫中央水溝。中央水溝設(shè)置兩層蓋板，在蓋板之間設(shè)蛭石混凝土，防止地表溫度傳至水溝。

為了探究不同形式排水溝對圍巖溫度場的影響，為海子山1號隧道工程排水系統(tǒng)優(yōu)化提供指導，本節(jié)分別建立了四種排水溝模型，見圖2。

雙側(cè)保溫水溝埋深較淺，位于隧道兩側(cè)，四周設(shè)置5 cm聚酚醛樹脂保溫板。中心保溫水溝位于仰拱填充層中，內(nèi)部設(shè)雙層5 cm聚酚醛樹脂保溫板保溫。數(shù)值模型中中心保溫水溝位于仰拱上20 cm處。中心深埋水溝是利用隧道圍巖地溫來防止排水溝內(nèi)水被凍結(jié)的。根據(jù)海子山1號隧道地質(zhì)勘察資料，凍土標準設(shè)計凍結(jié)深度為1.0 m。數(shù)值模型中中心深埋水溝埋置深度取0.5 m。防寒泄水洞是在隧道主洞下方修建一個帶孔小隧道。參考現(xiàn)有的寒區(qū)隧道（G317鷓鴣山隧道、鵲兒山隧道等），數(shù)值模型中將防寒泄水洞尺寸為2.0 m×2.0 m置于路面以下5 m處。

將隧道襯砌環(huán)向傳熱轉(zhuǎn)化為平面熱傳導問題，建立數(shù)值仿真模型。模型四周邊界距離隧道中心50 m。二襯外部設(shè)置5 cm厚保溫層，保溫材料以聚酚醛樹脂為主要成分，敷設(shè)方式為貼壁式，敷設(shè)范圍為邊墻及以上。

2.3材料參數(shù)及邊界條件

數(shù)值模型中，隧道圍巖溫度取8 ℃，地溫梯度取2 ℃/100 m，模型上邊界為7.0 ℃，模型下邊界為9.0 ℃，模型左右邊界設(shè)置為絕熱邊界。隧道內(nèi)防寒保溫層外邊界與隧道內(nèi)空氣接觸。防寒隔熱層表面溫度為隧道內(nèi)環(huán)境溫度-8 ℃，連續(xù)將隧道暴露在此環(huán)境下90 d。數(shù)值分析中以0 ℃為凍結(jié)參考溫度。材料熱力學參數(shù)見表1。

3結(jié)果分析

不同排水溝模型圍巖溫度場分別見圖3～圖6。由圖3可知，當最冷月平均氣溫為-5 ℃時，雙側(cè)保溫排水溝最高溫度位于溝底為2.71 ℃，最低溫度位于溝頂為-1.11 ℃，隧道仰拱較大區(qū)域為正溫，表明此時采用雙側(cè)保溫水溝可以保證排水的有效性。當最冷月平均氣溫為-10 ℃時，排水溝最高溫度位于溝底為0.64 ℃，最低溫度位于溝頂為-4.08 ℃，保溫水溝左側(cè)和底面一大部分區(qū)域處于正溫。在這種情況下，若排水溝水量較多，水位較高時，溝內(nèi)水面可能會發(fā)生凍結(jié)，但排水溝的功能仍然能夠發(fā)揮。工程上可以考慮增厚雙側(cè)保溫水溝的保溫層，也可保證排水溝的正常使用。因此，當最冷月平均氣溫為-10 ℃時，采用雙側(cè)保溫水溝可以保證排水的有效性。

當最冷月平均氣溫為-15 ℃時，排水溝最高溫度位于溝底為-1.99 ℃，最低溫度位于溝頂為-8.15 ℃，保溫水溝全部位于負溫度區(qū)域內(nèi)。表明此時采用雙側(cè)保溫水溝已經(jīng)無法保證排水的有效性。當最冷月平均氣溫低于-15 ℃以后，排水溝將全部處于負溫。尤其當最冷月平均氣溫為-20 ℃時，保溫水溝全部邊界溫度都低于-4.29 ℃，水溝內(nèi)的水會發(fā)生凍結(jié)，排水溝完全失去功能。所以當最冷月平均氣溫低于-15 ℃時，不推薦寒區(qū)隧道采用雙側(cè)保溫水溝排水。

由圖4可知，當最冷月平均氣溫為-10 ℃時，排水溝最高溫度位于溝底為5.34 ℃，最低溫度位于溝頂為-2.63 ℃，整個排水溝邊界基本為正溫，隧道仰拱較大區(qū)域為正溫，表明此時采用中心保溫水溝可以保證排水的有效性。當最冷月平均氣溫為-15 ℃時，排水溝最高溫度位于溝底為0.99 ℃，最低溫度位于溝頂為-8.13 ℃，保溫水溝兩側(cè)和底面較大區(qū)域為正溫，只有上邊界小部分區(qū)域溫度低于0 ℃。在這種情況下，若排水溝水量較多，水位較高時，溝內(nèi)水面可能會發(fā)生凍結(jié)，但排水溝的功能仍然能夠發(fā)揮。工程上可以考慮增厚雙側(cè)保溫水溝的保溫層，也可保證排水溝的正常使用。因此，當最冷月平均氣溫為-15 ℃時，采用中心保溫水溝可以保證排水的有效性。

當最冷月平均氣溫為-20 ℃時，排水溝最高溫度位于溝底為-0.73 ℃，最低溫度位于溝頂為-11.65 ℃，考慮到通常地下水中含有一定量的鹽離子，導致實際中水溝內(nèi)水的凍結(jié)溫度往往低于0 ℃，表明此時采用中心保溫水溝可以保證排水的有效性。當最冷月平均氣溫為-25 ℃時，排水溝底部最高溫度為-2.26 ℃，整個排水溝邊界都處于負溫，此時地下水會發(fā)生凍結(jié)造成排水不暢。表明最冷月平均氣溫為-25 ℃及低于-25 ℃條件下中心保溫水溝無法保證排水的有效性。

由圖5可知，當最冷月平均氣溫為-15 ℃時，排水溝最高溫度為4.82 ℃，最低溫度為2.71 ℃，整個排水溝邊界均為正溫，隧道仰拱較大區(qū)域為正溫，表明此時采用中心深埋水溝可以保證排水的有效性。當最冷月平均氣溫為-20 ℃時，排水溝頂部溫度為1.54 ℃，底部溫度為4.01 ℃，整個排水溝邊界均為正溫，隧道仰拱較大區(qū)域為正溫，表明此時采用中心深埋水溝可以保證排水的有效性。

當最冷月平均氣溫為-25 ℃時，排水溝最高溫度為1.29 ℃，排水溝最低溫度為-0.59 ℃?？紤]到通常地下水中含有一定量的鹽離子，導致實際中水溝內(nèi)水的凍結(jié)溫度往往低于0 ℃，表明此時采用中心保溫水溝可以保證排水的有效性。當外界最冷月平均氣溫為-30 ℃時，整個排水溝邊界溫度均低于0 ℃。整個排水溝邊界都處于負溫，此時地下水會發(fā)生凍結(jié)造成排水不暢。表明最冷月平均氣溫為-25 ℃及低于-25 ℃條件下中心保溫水溝無法保證排水的有效性。

由圖6可知，當防寒泄水洞的有效深度為5 m時，當寒區(qū)隧道最冷月平均氣溫分別為-20 ℃、-25 ℃、30 ℃、-35 ℃、-40 ℃時，防寒泄水洞邊界溫度都處于正溫度區(qū)域。由于防寒泄水洞相對于中心深埋水溝的埋深更深，其周邊溫度受圍巖地溫的影響大于隧道環(huán)境溫度的影響，所以在極寒的氣溫情況下，也能起到較好的排水效果。

將雙側(cè)保溫水溝、中心保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞的作用效果進行對比，得出寒區(qū)隧道不同排水溝適用性。雙側(cè)保溫水溝適宜在最冷月氣溫-15～-5 ℃時采用；中心保溫水溝適宜在最冷月氣溫-20～-10 ℃時采用；中心深埋水溝適宜在最冷月氣溫-25～-15 ℃時采用；防寒泄水洞適宜在最冷月氣溫低于-25 ℃時采用。

4結(jié)論

本文建立了G0615線久治至馬爾康高速公路海子山1號隧道的瞬態(tài)熱傳導模型，分析了襯砌保溫層的效果，對比了雙側(cè)保溫水溝、中心保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞的排水效果。得出主要結(jié)論：

（1）寒區(qū)隧道不同排水溝形式對低溫的適應能力不同。在抗凍能力上：雙側(cè)保溫水溝小于中心保溫水溝小于中心深埋水溝小于防寒泄水洞。雙側(cè)保溫水溝適宜在最冷月氣溫-15～-5 ℃時采用；中心保溫水溝適宜在最冷月氣溫-20～-10 ℃時采用；中心深埋水溝適宜在最冷月氣溫-25～-15 ℃時采用；防寒泄水洞適宜在最冷月氣溫低于-25 ℃時采用。

（2）寒區(qū)隧道的排水設(shè)施應根據(jù)隧址區(qū)氣候條件、地下水發(fā)育程度等因素慎重選擇，確保隧道排水通暢。

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［作者簡介］譚書平（1974—），男，本科，高級工程師，從事高速公路路基路面、橋梁、隧道工程施工與管理工作。