HHP花崗巖高溫隧道溫度場實測與仿真研究

楊冬，蔣樹屏，黃鋒，胡政，劉星辰

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400074；3. 中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

花崗巖有生熱背景高[1]、地域差異大[2]的特點，隧道穿越花崗巖地層遇到高地溫的案例不斷增多[3]，帶來諸多工程難題[4]，如施工環境惡劣、通風效果不佳等，引起學者廣泛關注[5-6]。趙志宏等[7]基于地質資料，對川藏鐵路折多山區域地熱進行數值模擬，預測了沿線溫度場分布。劉志明[8]以地質調查、鉆探測溫為手段，對擬新建瑞金至梅州鐵路三百山隧道地溫梯度進行測試，預測洞身最高溫度56.5 ℃。ZENG等[9]以高黎貢山鐵路隧道為依托，通過模型試驗，研究了高溫隧道圍巖溫度場和環境溫度分布。王明年等[10]基于川藏鐵路桑珠嶺高溫隧道現場2個試驗斷面初期支護力學數據，對高溫下初期支護的力學特性進行了數值模擬。陳國慶等[11]采用數值仿真熱-力耦合，揭示了花崗巖深埋隧道脆性破壞的溫度效應。王云[12]通過統計歸納，得到滇東南燕山期花崗巖生熱率范圍在1.22～5.49 μW/m3。張超等[13]對共和盆地干熱巖地熱資源成因開展研究，提出巖石放射性生熱率的約束機制。QU等[14]采用多物理場耦合軟件COMSOL對不同裂縫形態對地熱系統熱采性能的影響進行研究，驗證了數值仿真在地熱系統研究中的有效性。綜上，關于高地熱溫度場的研究，主要基于前期地勘資料，采用數值模擬或模型試驗的方法進行研究，研究內容偏重于溫度預測，缺乏溫度場實測。本文以我國最高溫尼格隧道為依托，基于現場實測完整資料，采用現場實測和數值模擬相結合的方法，開展設計使用100 a內，HHP(high heat producing granite，高產熱花崗巖)[15]地層初始溫度場分布特征、圍巖溫度場影響范圍和瞬態變化規律研究。研究成果可為高溫隧道工程路線走向選擇、縱坡設計、開挖方案、通風設計和溫度場分析提供參考。

1 工程概況

尼格隧道位于云南省紅河哈尼族彝族自治州建水(個舊)至元陽高速公路個舊至元陽段，見圖1。隧道為雙向4車道分離式隧道，起訖里程LK44+300～LK47+666，全長3.3 km，最大埋深640 m，屬深埋特長隧道。隧道穿越中山地貌山體，地表高程959～1 641.6 m，相對高差682.6 m，地形陡峭，斜坡坡度35°～45°。坡面分布第四系松散殘坡積層，植被發育較好，以灌木為主，基巖局部出露。隧址區年均氣溫15.9 ℃，年降水量1 080.3 mm，大氣降水形成地表徑流或下滲基巖裂隙。隧道進出口端河谷深切，小里程端發育賈沙河，紅河左岸一級支流，水位高程1 021 m，常年排泄山體地下水。

圖1 尼格隧道地理位置Fig. 1 Geographical location of Nige tunnel

隧道穿越地層巖性有三疊系中統個舊組(T2g)灰巖與燕山期侵入(γ3(a)5)花崗巖，見圖2，其中小里程端750 m段為灰巖，巖溶發育；剩余段為HHP花崗巖，屬干熱巖，其生熱率10.01 μW/m3是滇東南燕山期花崗巖的1.7～8.2倍。隧道施工中出現高巖溫、高水溫，最高巖溫88.8 ℃，最高水溫63.4 ℃。隧道熱儲埋深2 457 m，熱儲溫度122.47 ℃。尼格隧道為滇東南地質構造的典型工程。

2 溫度場實測

2.1 隧道縱向溫度

尼格隧道采用雙洞雙向開挖，開挖過程中，現場實測了掌子面圍巖(水)溫度和氣溫，結合地質埋深、開挖進深繪圖2。整體上，巖溫、氣溫隨埋深增大而升高，巖溫＞氣溫，隧道埋深從12.87 m增至637 m，巖溫從27.5 ℃升至88.8 ℃；受施工通風作用，氣溫維持在20.5～43.7 ℃，受洞外相對低溫環境影響，巖溫在近洞口低于氣溫。

2.2 隧道徑向溫度

對隧道貫通斷面LK45+748徑向8 m測孔，孔內測點深度為0.3，0.8，1.5，3和8 m，連續監測155 d，期間第67 d和87 d，隧道施作了聚氨酯隔熱層(5 cm)和二次襯砌(45 cm)，見圖3。根據監測結果，隧道貫通后，圍巖與洞內空氣發生熱對流，圍巖溫度在臨空面發生瞬時驟降，降幅和降速由臨空面向深部減小，1.5，0.8和0.3 m測點溫度在貫通后1 d內發生驟降，其中0.3 m測點由80.4 ℃降至60.2 ℃，降速20.2 ℃/d；3 m測點第3 d開始下降，約0.084 ℃/d，降速較緩；8 m測點溫度第11 d開始下降，降速約0.038 ℃/d，降速緩慢。隔熱層和二次襯砌施作阻擋了圍巖與洞內空氣熱對流，淺層圍巖溫度由降反升。二次襯砌是熱的不良導體，導熱系數1.47 W/(m·K)，已有實測資料數據表明，水泥水化熱引起的溫度可高達70 ℃，持續時間約70 h[16]，受二次襯砌隔熱和水泥水化熱影響，隔熱層內外側、0.3 m深圍巖溫度一度超過1.5 m深溫度，見圖4，淺層圍巖溫度在二次襯砌施作后第13 d達到最高溫，其后緩慢下降，圍巖溫度受二次襯砌施作影響總時長達42 d。隔熱層具有較好的隔熱效果，內、外側溫差5 ℃。

圖3 尼格隧道徑向構造Fig. 3 Radial construction of Nige tunnel

圖4 尼格隧道徑向溫度-時間關系Fig. 4 Temperature-time relationship of Nige Tunnel in the radial direction of the surrounding rock

2.3 隧道洞內環境

尼格隧道縱坡-2.000%(單向坡)，小里程段(左側)為坡頂位置，為向陽側，大里程端為背陽側。對洞口氣溫連續監測9～12個月發現，日均9:00～16:00時，向陽側洞口氣溫較背陽側高4.7 ℃，最大6.1 ℃；其他時間兩者氣溫相當，見圖5(a)。隧道貫通后，分別在4個時間點，沿隧道走向，對洞內氣溫、相對濕度和風速進行監測，見圖5(b)，結果顯示，自然通風條件下，風向在坡腳(背陽側)由洞外吹向洞內，在坡頂由洞內吹向洞外，隧道整體顯現“橫向煙囪”效應；洞口風速變化較快，洞身風速變化減弱，變化范圍在0～2 m/s。氣溫在背陽側洞外高于洞內，向陽側洞內高于洞外，洞身氣溫由坡腳向坡頂升高。相對濕度的表現與溫度相反，受風速和溫度影響，背陽側洞外濕度低于洞內，向陽側洞外濕度高于洞內，洞身濕度由坡腳向坡頂降低。

圖5 尼格隧道洞內環境監測Fig. 5 Environmental monitoring inside Nige tunnel

3 三維流-熱耦合仿真

3.1 數學模型

隧道開挖前：流-熱耦合模型包括溫度場和水流場，分別遵循傅立葉定律和達西定律，又同時滿足質量守恒定律和能量守恒定律。耦合關系通過流體水的物理性質的變化來體現，水的動力黏度、熱熔、密度、導熱系數是溫度的經驗函數[14]。隧道貫通后：流-熱耦合模型包括溫度場、水流場和空氣湍流場，溫度場和湍流場通過熱接觸耦合，其他同開挖前。

3.2 地質模型

通過控制地質縱斷面的地表關鍵點，以多段線繪制地表線，見圖6；灰巖與花崗巖接觸帶簡化為垂線，距小里程洞口750 m；拉伸縱斷面1 000 m形成三維地質域；隧道橫斷面沿走向掃掠形成隧道開挖域，最大埋深640 m，通過布爾運算與圍巖地質域結合。模型左側邊坡平均坡度71°，右側68°；左、右側邊緣距洞口50 m，右側洞口(高程較低)距模型底部50 m。以小里程洞口底緣為空間原點，計算域整體尺寸長3 452 m(長)×732 m(高)×1 000 m(深)。通過現場取樣測得地層熱物性參數巖石導熱率、比熱容、滲透率、密度和衰變生熱率，見表1；灰巖孔隙率取5%[17]。

圖6 三維地質模型Fig. 6 Three-dimensional geological model

表1 巖石熱物性參數Table 1 Rock thermal physical properties parameters

3.3 邊界條件及網格劃分

模型頂部，地熱與環境進行外部自然對流，環境溫度取地區年均氣溫15.9 ℃，見圖7；模型底部，對隧道實測最高溫位置，88.8 ℃，進行點積分，利用全局方程計算得到模型底部線溫度，通過插值函數將其設置為底部溫度邊界；模型左側(小里程端)，賈沙河設置為定水頭邊界，常年水位高程1 021 m，低于小里程洞口底緣5.84 m；灰巖山體頂部為大氣降水入口，設置為定流量補給邊界，年均降雨量1 080.3 mm，模型灰巖段左側和底部為地下水出口；隧道開挖后，圍巖與洞內空氣強制對流熱交換，風速洞內環境均值1 m/s；花崗巖和灰巖衰變生熱；其余邊界為水、熱的零通量邊界。

隧道開挖域通過邊界層加密2層，徑向拉伸因子1.2；模型邊界映射為規則四邊形網格；其余域設置為極細化自由四面體網格，如圖7。網格單元總數694.4萬。

圖7 計算域邊界條件及網格劃分Fig. 7 Calculate domain boundary conditions and meshing

3.4 仿真結果

根據仿真結果，隧址區初始溫度由最大埋深向地表降低，最大埋深處102 ℃，地表環境溫度15.9 ℃；地下水流速由淺至深減小，地表入水口最大為1.42×10-8m/s，模型最底部最小為2.54×10-12m/s，見圖8。隧道縱向初始溫度實測與仿真趨勢一致，最大誤差絕對值12 ℃，相對值23%，如圖9(a)；隧道貫通后，斷面LK45+748徑向8 m測孔1.5，3 m和8 m測點連續100 d溫度實測與仿真趨勢一致，相對誤差較小，如圖9(b)，論證了數值仿真的可靠性。

圖8 地層初始溫度場云圖與水流場流速流線圖Fig. 8 Formation initial temperature field cloud diagram and water flow field flow velocity flow line diagram

圖9 隧道溫度實測與仿真Fig. 9 Tunnel temperature measurement and simulation

4 雙熱源二維仿真

4.1 工況設置

HHP花崗巖地層高溫隧道開挖引起圍巖溫度降低，溫度降范圍和隨時間的瞬態變化規律是值得探討的工程環境問題。為探究隧道設計使用100 a內，地層初始溫度、花崗巖生熱率、埋深對圍巖溫度場影響，在洞內28 ℃，地表20 ℃條件下，共設置工況81種，見表2。為使研究內容具有更廣泛的適用性，考慮埋深、溫度場變化范圍，設置模型尺寸為1 000(寬)×1 000(高)，網格總數約6萬，平均單元質量(偏度)0.987 6，見圖10。熱源為深部熱源(模型底部)和花崗巖衰變熱(全域)雙熱源；由于花崗巖衰變元素半衰期以億年為單位，假定工況設定后，100 a內花崗巖生熱率不變；花崗巖熱物性參數引用尼格花崗巖；不考慮隧道襯砌和隔熱層的作用。

表2 工況設置Table 2 Condition settings

圖10 計算域邊界條件及網格劃分Fig. 10 Calculate domain boundary conditions and meshing

4.2 仿真結果和討論

4.2.1 100 a圍巖溫度降范圍

以生熱率10 μW/m3-巖層溫度200 ℃-埋深50/300/500 m工況為例，見圖11，其中閉合曲線分別代表溫度降為0.1，1，10和20 ℃。圍巖溫度降在臨空面最大，沿徑向隨深度增加而減小。溫度降范圍形態主要受隧道埋深控制，埋深小于溫度降范圍時，隧道上部地層發生大梯度溫度降，如圖11(a)；埋深大于溫度降范圍時，溫度降范圍形態近于圓形，如圖11(b)和11(c)。

圖11 不同埋深下100 a圍巖溫度降范圍(生熱率10 μW/m3-巖層溫度200 ℃-埋深50/300/500 m工況)Fig. 11 100-year temperature drop range of surrounding rock under different burial depths (10 μW/m3-200 ℃-50/300/500 m)

以0.1 ℃作為圍巖發生溫度降范圍界限，81種工況的溫度降范圍大小整理為表3。溫度降范圍大小受地層初始溫度控制，隨初始溫度增大而增大，以生熱率10 μW/m3-巖層溫度100/200/300 ℃-埋深500 m工況為例，溫度降范圍半徑由204.1 m增至235.05 m，關聯度0.16 m/℃(溫度每升高1 ℃，溫度降范圍增加0.16 m)見圖12；溫度降范圍大小與埋深無明顯關聯，以生熱率10 μW/m3-巖層溫度200 ℃-埋深50/300/500 m工況為例，溫度降范圍半徑224.86～228.91 m，未隨埋深增加而明顯變化，如圖11；溫度降范圍與巖層生熱率無直接關聯，以生熱率0/10/20 μW/m3-巖層溫度100 ℃-埋深50 m工況為例，溫度降范圍半徑203.31～203.77 m，變化不足0.5 m。花崗巖衰變生熱在自然界中多為輔助熱源，以生熱率20 μW/m3-巖層溫度100 ℃-埋深300 m工況為例，在隧道位置，花崗巖衰變生熱熱通量0.014 W/m2對初始溫度場總熱通量0.34 W/m2的貢獻率僅為4.1%，見圖13。

表3 隧道圍巖溫度降范圍Table 3 Tunnel surrounding rock temperature drop range

圖12 不同地層初始溫度下100 a圍巖溫度降范圍(生熱率10 μW/m3-巖層溫度100/200/300 ℃-埋深500 m工況)Fig. 12 100-year temperature drop range of surrounding rock under different initial formation temperatures(10 μW/m3-200 ℃-50/300/500 m)

圖13 花崗巖生熱熱通量與初始溫度場總熱通量(生熱率20 μW/m3-巖層溫度100 ℃-埋深300 m工況)Fig. 13 Granite heat flux and total heat flux of the initial temperature field (20 μW/m3-100 ℃-300 m)

4.2.2 100 a圍巖溫度瞬態變化

以生熱率10 μW/m3-巖層溫度300 ℃-埋深300 m工況為例，見圖14，其中曲線代表圍巖徑向測點的溫度-時間變化，測點深度分別為1.5，3，8，20，50，100和200 m。隧道開挖后，圍巖溫度整體呈下降趨勢，淺層圍巖溫度為變速衰減過程，可分為快速下降、緩慢下降、基本穩定3個階段；較深層圍巖溫度變速衰減減弱，分為緩慢下降和基本穩定2個階段；深層圍巖溫度近乎直線慢速衰減過程，屬于基本穩定階段。對衰減階段做如下量化：年溫度衰減ΔT≥10 ℃為快速下降階段；1 ℃≤ΔT＜10 ℃為緩慢下降階段；ΔT＜1 ℃為基本穩定階段。

圖14 100 a圍巖溫度-時間關系(生熱率10 μW/m3-巖層300 ℃-埋深300 m工況)Fig. 14 100-year temperature-time relationship of surrounding rock (10 μW/m3-300 ℃-300 m)

圍巖8 m深測點溫度-時間關系統計見表4，共81種工況。溫度降速度受巖層初始溫度控制，巖層初始溫度越高，快速下降階段和緩慢下降階段越長，達到基本平衡的時間越久，以生熱率20 μW/m3-巖層溫度100/200/300 ℃-埋深50 m工況為例，溫度快速下降階段分別為無，0～2 a和0～4 a，時間有倍數級增加；溫度降速度與埋深無明顯關聯，以生熱率20 μW/m3-巖層溫度200 ℃-埋深50/300/500 m工況為例，溫度緩慢下降階段分別為3～16 a，4～21 a和4～16 a，變化較小。溫度降范圍與巖層生熱率無明顯關聯，以生熱率0/10/20 μW/m3-巖層溫度300 ℃-埋深50 m工況為例，溫度快速下降階段均為0～4 a。

表4 隧道圍巖溫度降速度Table 4 Temperature of the surrounding rock of the tunnel decreases

5 結論

1) 隧道初始溫度隨埋深增大而升高，巖溫＞氣溫；徑向溫度在臨空面發生瞬時驟降；隔熱層和二次襯砌阻擋了圍巖與洞內空氣熱對流，淺層圍巖溫度由降反升，圍巖溫度受二次襯砌施作影響總時長達42 d。

2) 根據4個月的現場連續監測，日均9:00～16:00時，向陽側洞口氣溫較背陽側高4.7 ℃，最大6.1 ℃。受隧道縱坡和洞口溫差影響，自然通風條件下，隧道洞內空氣流動呈現“橫向煙囪”效應，空氣由坡腳低溫側向坡頂高溫側流動。

3) 合理的三維流-熱耦合模型可再現高溫隧道地質環境，隧道縱向初始溫度、徑向溫度瞬態變化趨勢與仿真結果一致，初始溫度最大誤差23%，論證了數值仿真的可靠性。

4) 圍巖溫度降在臨空面最大，沿徑向隨深度增加而減小。溫度降范圍形態受隧道埋深控制，埋深小于溫度降范圍時，隧道上部地層發生大梯度溫度降；溫度降范圍大小受地層初始溫度控制，隨初始溫度增大而增大。根據圍巖溫度衰減速度，溫度降過程可分為快速下降、緩慢下降、基本穩定3個階段。通過81種工況仿真，得到了隧道設計使用100 a內，不同地層初始溫度、花崗巖生熱率、埋深變量下，圍巖溫度降范圍和溫度降速度規律。

5) 花崗巖衰變生熱在自然界中多為輔助熱源，以生熱率20 μW/m3-巖層溫度100 ℃-埋深300 m工況為例，在隧道位置，花崗巖衰變生熱熱通量0.014 W/m2對初始溫度場總熱通量0.34 W/m2的貢獻率僅為4.1%。

6) 本文采用現場實測與數值仿真相結合的方法，得到了高溫隧道的一些重要環境參數和圍巖溫度場變化規律，可為高溫隧道施工降溫、運營通風設計提供參考。