高寒公路隧道溫度場分布規律

劉瑞全 李 云

（重慶交通大學 土木建筑學院，中國 重慶 400074）

0 引言

季節性凍土區和一般地區隧道道溫度場的變化規律國內目前已經開展了大量的研究[1-4]。陳建勛對秦青公路上的梯子嶺隧道進行了溫度場的現場測試和分析，得出了隧道洞內外溫度隨徑深，時間的變化規律，以及最大凍結深度的分布規律。何川在線鷓鴣山隧道進行了溫度場進行了測試和分析，得出了隧道洞內外溫度的年變化規律。吳紫汪對青海大坂山公路隧道進口段進行了溫度場的現場測試和研究，得出了隧道洞內和隧道襯砌的溫度變化規律。但是以上文獻關于青藏和高原永久凍土區的隧道溫度場特性提及不多。

1 溫度場測試內容

1.1 測試時間和頻率

結合隧址所在地區氣象資料，隧址區歷年年平均氣溫≧-4.2℃的時間段為4月2日至11月2日，日最低氣溫普遍出現在6-8時，日最高氣溫普遍出現在13時。按以上氣象數據制定監測頻率：4至11月每月監測4次，12月至次年三月每月監測8次，每天監測時間：1：00、8：00、13：00、20：00，如果偶遇特殊天氣，可以適當加測。

1.2 監測斷面布設

溫度測試過程當中集中將主洞進口k329+710-k330+280 范圍內的隧道結構體和圍巖圈以及洞外環境作為溫度監測段；進設置7 個溫度監測斷面如下圖1 所示：

圖1 溫度監測斷面布置圖

1.3 測點埋設

1.3.1 二襯鋼筋施工完成后，將溫度計綁扎在二襯鋼筋上，等待二襯混凝土澆筑完成，完成測點的埋設；二襯表面的溫度將測溫元件用粘膠布粘貼在脫模的混凝土表面。

1.3.2 2、4、11、13 號斷面用來檢測仰拱不同深度的混凝土溫度，必須抓住仰拱施做鋼筋的時段，將測溫元件綁扎于仰拱鋼筋的不同部位，混凝土澆筑完成，完成測點埋設。

1.3.3 圍巖中測溫元器件的埋設，必須先用電鉆打孔，孔深1500mm、孔徑45mm，清孔后澆筑滿水泥砂漿，最后整理好測線。

2 溫度場分布規律

2.1 洞內外氣溫的相互關系

通過2012年4月至2013年4月一年時間內，姜路嶺隧道進口外界和洞內實測氣溫數據分析，溫度的變化具有明顯的規律性和周期性。

本文采用氣象學中常用的數理統計方法——正弦函數回歸法對該隧址區洞外氣溫和隧道內氣溫年變化曲線進行擬合，該擬合方程形式如下：

上式中：

T(Φ)——日平均氣溫；

Φ——天數；

Φ0——日相位；

t——年平均溫度；

A——年氣溫振幅；

由于姜路嶺隧道目前尚未貫通，現只擬合貫通前進口的掘進縱深，隧道內以及隧道外不同位置的氣溫的擬合參數：

表1 姜路嶺隧道進口段外界氣溫及洞內氣溫擬合參數

圖2 給出了姜路嶺隧道進不同開挖掌子面樁號處外界氣溫和隧道內氣溫的擬合曲線。由擬合曲線可以看出：隧址區的外界環境溫度在每年12月初至次年4月初為負溫時間段，2月的月平均氣溫達到了最小值。隧道的凍害情況也相應的發生在本月，在本月也是溫度監控量測的關鍵月份。

圖2 進口外界氣溫及洞內氣溫日變化曲線

2.2 隧道內圍巖及襯砌結構溫度的環向分布規律

要切合實際的選擇隧道的保溫材料之前，必須充分的認識該保溫材料所應用的環境溫度、圍巖和襯砌結構的環向溫度分布規律和材料本身的性能。我們通過安裝在姜路嶺隧道進口的7 個溫度監測斷面的測溫元件，經過為期一年的觀測記錄，得到了如下的溫度分布曲線：

圖3 進口2月份圍巖及襯砌溫度環向變化曲線

圖4 進口8月份圍巖及襯砌溫度環向變化曲線

從上面的曲線圖中可以發現：

①沿隧道環向，從襯砌表面到圍巖，由淺到深，深處的溫度變化總是滯后于同一樁號處淺處的溫度，最終與襯砌表面溫度達到統一；

②圍巖及襯砌結構溫度在徑深約3m 處變化幅度較大，說明環境溫度對圍巖及襯砌結構在環向方向上的影響具有一定的范圍，該范圍之內的圍巖及襯砌結構的溫度將隨著環境溫度的變化而變化，在該范圍之外的圍巖溫度趨于穩定；

③進口目前已開挖區段范圍之內二襯甚至圍巖在環向方向上都呈現負溫度，而且隨著環境溫度的降低，負溫區相對應的凍結區也逐漸增大；離洞口越近，凍結區越大，離掌子面越近，凍結區越小；

④隨著距隧道洞口距離的增加，溫度的變化幅度逐漸減小，在任意樁號環向方向上也呈現此變化規律。

2.3 隧道內圍巖及襯砌結構溫度的縱向分布規律

圖5 進口2月份圍巖及襯砌溫度縱向變化曲線

圖6 進口8月份圍巖及襯砌溫度縱向變化曲線

從上面的曲線圖中可以發現：

①在2月份，從洞口到掌子面方向，隨著距洞口距離的增大，襯砌表面溫度遞增，但是最大值小于0°；8月份，從洞口到掌子面方向，隨著距洞口距離的增大，襯砌表面溫度遞減，最小值大于0°；

②隨著距隧道洞口距離的增加，溫度的變化幅度逐漸減小，在任意樁號環向方向上也呈現此變化規律；

③2月由于洞內施工車輛等排放熱量，洞內實際氣溫比洞口和外界高；8月由于原巖溫度較低，洞內實際氣溫比洞口和外界溫度低；

④隧道洞口及洞外環境溫度對洞內圍巖、襯砌溫度的環向影響具有一定的范圍，沿著縱向方向，在距離洞口350m 范圍之外，圍巖、襯砌溫度受洞口及洞外環境溫度影響較小。

3 結語

通過對依托工程溫度場的現場監控量測，得到了詳實的數據資料，接著采用正弦函數回歸法對該隧址區外界氣溫和隧道內氣溫年變化曲線進行擬合，得到了：（1）青藏高原高海拔地區公路隧道洞內外氣溫的相互關系；（2）隧道內圍巖及襯砌結構溫度的環向變化規律；（3）隧道內圍巖及襯砌結構溫度的縱向變化規律；為我國在青藏高寒高海拔地區的公路隧道建設當中保溫層和防寒泄水洞的設置提供的可靠的基礎資料。

［1］何川，謝紅強.多場耦合分析在隧道工程中的應用[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

Hechuan XieHongqiang.Application of multiaspect coupling-analysis in tunnel construction[M].Chengdu：The Southeast Traffic University Press.

［2］陳建勛，羅彥斌.寒冷地區隧道溫度場的變化規律[J].交通運輸工程學報，2008，8(2)：44-48.

ChenJianxun，LuoYanbin.The variety regular pattern of temperature field in cold regions[J].The Traffic Engineering Journal，2008，8(2)：44-48.

［3］賴遠明，劉松玉，吳紫汪.寒區擋土墻溫度場、滲流場和應力場耦合問題的非線性分析[J].土木工程學報，2003，36(6)：88-95.

Lai Yuanming，Liu Songyu，Wu Ziwang.Nonlinear analyses for retaining walls in frigid zone-a coupled problem of temperature，seepage，and stress fields [J].China Civil Engineering Journal，2003，36(6)：88-95.

［4］吳紫汪，賴遠明，臧思穆，等.寒區隧道工程[M].北京：海洋出版社，2003.

Wu Ziwang，Lai Yuanming，Zang Simu.Tunnel engineering in cold regions[M].BeiJing：The Ocean Press，2003.