季凍性寒區隧道波紋鋼排水溝性能研究

劉 鶴

(中鐵快運股份有限公司 北京 100055)

1 引言

隨著我國隧道建設飛速發展，在高寒地區(陸地占比43.5%)修建隧道已成為了普遍現象[1]。據研究，寒區隧道的主要安全隱患是凍害的發生[2]。排水溝作為隧道的排水結構，一旦發生凍害，會導致隧道排水通道受阻，嚴重時會直接造成道床結冰，進而危害隧道的行車安全[3]。因此，寒區隧道排水溝的研究對寒區隧道施工具有重要的工程意義。

近年來隨著寒區隧道排水溝凍害現象發生愈發頻繁，國內一些學者也開始進行相關研究。理論和設計研究方面，萬建國[4]通過耦合理論從時空分布規律方面總結了我國山嶺隧道防凍害技術；王志杰[5]等通過理論分析并結合現場測量，對寒區隧道不同形式的排水溝進行了適應性分析；錢富林[6]基于組合棧橋對排水溝的施工進行設計優化，極大降低了施工成本。施工技術方面，徐亞峰[7]依托西寧至成都鐵路確立了高寒地區排水溝的保溫設計原則；丁然[8]通過數值模擬方法對天秀山隧道的排水溝進行施工技術優化，保證了高寒地區隧道排水溝的正常運行；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及優化關鍵技術。上述研究對隧道排水溝多基于設計以及布置方面，對于隧道波紋鋼深埋水溝而言，劉天正[10]等人對波紋鋼作為隧道襯砌時的結構受力性能和承載力進行了深入研究，得到波紋鋼結構的應力分布特點；黃明利[11]等人對隧道波紋鋼結構接頭力學性能進行試驗，通過背部加強使得波紋鋼抗彎性能得到了極大提升；黃慶春[12]等人對圓形波紋鋼管涵進行模擬計算，分析了道路荷載作用下管涵的波峰、波谷變形情況。上述學者雖然對隧道排水溝防凍害技術及波紋鋼結構進行了相關研究，但對于寒區隧道波紋鋼形式的排水溝還尚無相關研究文獻，本文依托太錫鐵路崇禮隧道，對寒區隧道的波紋鋼排水溝性能進行研究，分析了波紋鋼排水溝的工程適應性，可為類似工程設計提供參考。

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境內，南起崇禮鐵路太子城站，北迄崇禮區大夾道溝村崇禮站，大致呈南北走向。項目承建崇禮隧道總長度5 490 m，其中Ⅲ級圍巖2 223 m，Ⅳ級圍巖2 023 m，Ⅴ級圍巖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。此項工程為冬奧會配套交通工程，要求2021年底建成通車，工期非常緊張。

崇禮區地理位置屬于中溫帶亞干旱區，氣候為東亞大陸性季風氣候，特點是春季回溫較早但氣溫波動較大；夏季降雨頻發，晝夜溫差大；秋冬氣溫下降迅速，冷空氣影響嚴重，滿足季凍性區域氣候特點，對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

崇禮隧道全隧設置中心深埋水溝，原設計水溝采用?700 mm的C40鋼筋混凝土預制管，單節長2 m。排水管底部采用C20細石混凝土鋪底，上部采用C30無砂混凝土回填。隧道中心深埋水溝混凝土管單節重量約880 kg(節長2 m)，需利用大型設備進行吊裝。由于單線隧道作業空間受限，混凝土管現場安裝過程中占用物流通道時間較長，影響掌子面開挖支護作業。鋼波紋管單節重量約156 kg(節長2 m)，施工方便，人工或者小型設備即可安裝。為解決鋼筋混凝土預制管安裝作業與掌子面施工干擾問題，計劃采用輕質的鋼波紋管替代鋼筋混凝土預制管。

3.2 鋼波紋管結構設計形式

(1)波紋管縱橫截面形狀設計

對于波紋管涵直徑D≤1.5 m時，可采用整裝管涵方案，內徑700 mm整裝管涵截面見圖1。

圖1 整裝式圓管涵斷面型式(單位:mm)

(2)波紋管結構波形設計

小直徑整裝波紋圓管適宜波形見圖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)波紋管結構連接部位設計

小直徑整裝管涵之間，可采用法蘭連接，管涵溝槽范圍內采用C25混凝土填筑。

4 波紋鋼排水溝強度性能研究

4.1 計算假定和模型構建

采用ABAQUS進行圓形管涵強度計算分析，計算模型見圖3。

圖3 波紋鋼排水溝有限元模型

(1)檢算荷載

依據相關規范，檢算荷載主要考慮以下荷載:

①波紋管結構自重:波紋管結構自重由ABAQUS程序自動計算。

②圍巖壓力荷載:由荷載－結構法計算傳遞至仰拱底面的壓應力，按照Ⅴ級圍巖進行考慮。

③填土荷載:仰拱及填充厚度按照1.5 m考慮。

④列車荷載:后期列車荷載按照中－活載考慮。

(2)本構關系和參數選取

用線彈性本構模型模擬波紋鋼管，用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型模擬填土，具體材料參數及本構關系見表1。

表1 數值模擬本構關系參數

4.2 計算結果

(1)應力結果

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

圖4 波紋鋼排水溝應力環向分布

(2)水平變形結果

從填土荷載、自重荷載以及車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稱。

繪制變形分布規律曲線見圖5。由圖5可以看出，波紋鋼管的水平變形隨著環向角度的增大(頂部為0°)呈現出先增大后減小的趨勢，最大值出現在90°即波紋鋼管中部；其中管頂和管底并沒有水平變形產生。對于同一環，波峰和波谷等處的水平變形趨勢相同，且變形值相近。

圖5 波紋鋼水平變形環向分布曲線

(3)豎直變形結果

從填土荷載、自重荷載以及車輛荷載作用下波紋鋼管豎直變形情況可以看出，豎直變形呈現左右對稱的規律。

繪制波紋鋼管豎直變形分布規律曲線見圖6。可以看出，波紋鋼管豎向變形的最大值發生在波紋鋼排水管的上下區域，變形最大處約為0.6 mm；中部區域的豎直變形較小，幾乎為零。對于同一環而言，波峰和波谷等處的變形值相近且變形趨勢一致。

圖6 波紋鋼豎直變形環向分布曲線

綜上研究可以看出:荷載作用下，波紋鋼排水管的最大應力及變形相對較小，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?鐵路工程設計技術手冊?要求:

式中:hx為隧道排水溝埋深；K為凍結深度系數；h0為當地最大凍結深度；Tx為最冷月份隧道x處平均氣溫；T為最冷月份平均氣溫。

根據地勘資料可得，崇禮隧道當地最冷月平均氣溫約為－16.3℃，崇禮地區最大凍結深度為1.1 m，由上式計算得到排水溝埋深理論值為1.43～2.2 m。根據現場施工情況，設計采用2.5 m作為排水溝埋深，并通過數值計算進行驗證。

5.2 計算假定和模型構建

為了研究波紋鋼排水溝的防凍性能，采用Fluent進行圓形排水溝埋深計算分析，對設計施工工況進行數值模擬，研究波紋鋼排水溝隨著時間的推移溫度變化情況，進而確保波紋鋼排水溝后期運營中不會發生凍害。

模型邊界條件設置如下:左、右、下均設為絕緣邊界；上邊界和洞口與外部環境進行溫度交換。崇禮地區一年中溫度低于零下的4個月份平均溫度為－10℃，年平均溫度約8℃，將－10℃作為模型上邊界和隧道洞內的溫度荷載；圍巖的初始溫度設置與年平均溫度相同，即8℃。波紋鋼排水溝埋深按設計的2.5 m進行計算。為了模擬最不利工況，隧道內壁和水溝上方不設置保溫層。計算模型如圖7所示。

圖7 波紋鋼排水溝模型網格

5.3 計算結果

為了模擬一年當中氣溫最低時刻隧道排水溝是否發生凍害，取大氣溫度函數作為溫度荷載加載1年，其中重點關注月平均氣溫低于零度的4個月，通過模擬分析波紋鋼排水溝在設計深埋2.5 m時隧道圍巖和水溝的溫度場變化情況，確保隧道波紋鋼排水溝在當地最冷環境下也不發生凍害。隧道圍巖及波紋鋼排水溝的溫度場隨時間的變化情況如圖8所示。

圖8 波紋鋼排水溝不同月份溫度模擬結果

由圖8可知，采用最不利工況(隧道內壁和水溝上方不設置保溫層)進行模擬后，在月平均氣溫低于零下的四個月內，隧道內壁溫度隨環境溫度變化而變化:隨著時間的增加，隧道周圍凍結范圍逐漸增大，但隧道波紋鋼排水溝頂部溫度四個月內分別為4.6℃、3.7℃、1.2℃和0℃，排水溝頂部溫度始終保持在冰點以上，說明在2.5 m埋深下，隧道波紋鋼排水溝不會發生凍害現象。

6 結論

本文依托太錫鐵路太崇段崇禮隧道工程，針對寒區鐵路隧道排水溝防凍技術，通過數值模擬對寒區隧道采用波紋鋼排水溝的可行性及適應性進行了研究和探討，主要結論如下:

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

(2)正常運營荷載作用下，波紋鋼排水溝強度可以滿足安全要求，變形較小。

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