寒區特長公路隧道溫度場測試與分析

鐘小春

(中鐵五局集團第一工程有限責任公司， 湖南長沙 410117)

高緯度或高海拔寒冷地區的隧道，特別是多年凍土地區的隧道，常存在特殊的凍害問題，如隧道襯砌因凍脹而開裂、酥碎、剝落；隧道頂部、邊墻掛冰，底部積冰；隧道洞門墻開裂等[1]。凍害一旦發生，不僅會使隧道襯砌遭到不同程度的破壞，而且隧道襯砌掛(積)冰、凍脹還會侵入隧道的建筑限界危及行車安全。

掌握隧道溫度場分布對于凍害問題的處理具有重要意義。對此，姚偉等[2]根據寒區隧道的研究現狀，對寒區隧道凍害種類、影響因素、形成機理等進行了詳細闡述；李昊波等[3]通過數值模擬手段研究了寒區隧道溫度場的分布規律，并討論了風速風溫對溫度分布影響；鄒一川等[4]借助實際隧道工程，對隧道洞內氣溫及不同部位、不同深度的圍巖溫度進行了監測分析，研究了其分布規律；鄭余朝等[5]通過現場實測和數值仿真研究了隧道溫度場及其影響因素；宋鶴等[6]對實際寒區隧道工程展開溫度測試，分析了襯砌圍巖溫度分布規律、洞內縱向溫度分布規律；李思等[7]借助現場實測、數值仿真和理論推導研究了寒區隧道溫度場分布規律。

本文依托位于青海省的某公路隧道工程，該隧道位于高海拔高寒地區，極端低溫使其受凍害問題困擾。通過對該隧道的氣溫、地溫及襯砌溫度展開監測，對實測數據進行分析，希望為同類工程的防凍設計提供參考和建議。

1 工程概況

該隧道位于青海省天峻縣西南，平面總體呈舒緩的“S”型，見圖1。起于關角山北側布哈河右岸階地與斜坡交接部位，呈近北向南走向穿越山脊后，止于關角山南側斜坡上。凈高5 m，凈寬11 m ，計算行車速度100 km/h，行車荷載公路—Ⅰ級。左線于公路測設里程ZK207+577-ZK211+215段，全長3 590 m，屬特長隧道；右線于公路測設里程K207+570-K211+160段，全長3638 m，屬特長隧道。

圖1 隧道位置

凍害問題的產生與隧址氣象、水文及圍巖條件息息相關，對該工程實際情況分述如下。

1.1 氣象條件

隧址所在區縣屬大陸性高原氣候，寒長暑短，四季不分明，無霜期短，日溫差大，多風少雨，蒸發量大等特點。其縣內平均氣溫在攝氏零度以下，為-1.1 ℃，各地區氣溫的分布，主要受地勢影響，海拔愈高氣溫愈低。極端最高氣溫28 ℃，極端最低氣溫-35.8 ℃，無霜期32天。大風日數較多，砂塵暴日數5.4天，全年平均大風日數為70天，平均風速為3.6 m/s，最大風速為24 m/s。

1.2 水文條件

隧址位于布哈河水系，其發源于疏勒南山，流經縣境南半部，在江河火車站出境，注入青海湖，是內陸地河流，全長218 km，(包括上游段的陽康河)。流域面積13 523.43 km2，占全縣面積的52.59%，發源地海拔4 350 m，出境處3 260 m，總落差1 090 m，平均比降1/200。

1.3 圍巖條件

隧址區域主要分布有角礫巖、砂巖及白云巖，綜合各因素及隧道圍巖主要工程地質特征，圍巖級別劃分結果為：Ⅴ級圍巖場1 235 m，占全隧道長度的32.8%，Ⅳ級圍巖段長度1 905 m，占全隧道長度的50.6%，Ⅲ級圍巖段長625 m，占全隧道長度的16.6%。

2 現場監測

2.1 氣象測試

目前寒區隧道工程設計中，多依據當地市縣一級氣象部門提供的區域氣象資料。這些氣象資料往往來自于鄰近城市及平原地區，而山嶺隧道多處于氣候更為惡劣、位置更為偏遠的山區，數值預報模式對于山區預測誤差較大。因此，有必要對隧址區域局部氣象條件進行監測。

采用PC-4型便攜式自動氣象站對隧址氣象進行測量。在隧道進口端距離隧道洞口50 m左右、地勢較高、人為影響小而又能代表隧道洞外氣溫的位置安放PC-4氣象站，見圖2，監測測點處每日的風向、風速、溫度、濕度、氣壓等氣象要素的變化情況。

圖2 氣象站布置

2.2 圍巖溫度監測

掌握隧道的地溫分布，分析其分布規律，可預測隧道易發生凍害或凍脹破壞的區域，及時調整設計施工方案，保障隧道的施工運營安全。因此，在距離隧道進口500 m處安裝地溫測試設備，如圖3所示。

圖3 溫度測試儀現場布置

對圍巖向內1 m、2 m、3 m、3.5 m、初期支護內部溫度與隧道內氣溫進行了長期監測，測溫孔位置見圖4。

圖4 測溫孔位置

2.3 襯砌表面溫度測試

隧道襯砌表面溫度測量儀器選用RC-5溫度U盤。襯砌表面溫度監測斷面同地溫監測斷面，在其拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻處共布置7個溫度U盤。

測點位置及溫度U盤布置情況見圖5。

圖5 襯砌表面溫度測試部位與現場布設

3 監測結果分析

3.1 洞口氣溫數據分析

通過PC-4小型氣象站對隧址區氣候信息進行長時間數據采集，獲得隧道進口日平均氣溫及地表以下1 m、0.5 m處土壤平均溫度的變化情況，如圖6所示。

圖6 隧道進口端洞外日平均氣溫與地表以下1m、0.5m處土壤平均溫度對比

對圖6所示的洞外日平均氣溫與地表以下1 m、0.5 m處土壤日平均溫度變化情況對比分析，由三者的整體趨勢可知，土壤溫度的整體變化幅度較外界氣溫的整體變化幅度較小，且埋深越深，波動幅度越小；土壤溫度的變化較外界氣溫變化有一定的相位差。

由圖7可知，三者月平均氣溫均表現出三角函數型變化趨勢。對比地表以下1 m與0.5 m處的土壤月平均溫度可知，1 m處的土壤月平均溫度變化幅度相對0.5 m處的較小，且二者溫度相比外界氣溫皆略高，尤其在春季以后，溫度相比于外界氣溫而言有了較為明顯的提升。

圖7 進口月平均氣溫與地表下1m、0.5m土壤溫度

3.2 圍巖溫度數據分析

根據長時間的監測數據，獲得距離進口500 m處，圍巖日平均溫度變化情況，如圖8所示。

圖8 距隧道進口500m處日平均地溫

由圖8可知，圍巖內3.5 m處的日平均溫度略高于圍巖內3 m處的日平均溫度，均為未受到外界太多干擾的初始地溫。圍巖內2 m處的日平均溫度高于3.5 m處與3 m處，此處的圍巖溫度已開始受到外界溫度的干擾。圍巖內1 m處的日平均氣溫與初期支護內部溫度已較為接近。由于此斷面在地溫測試階段處于未施作二襯及防水板的狀態，因此原定置于初期支護與防水板間、二襯與防水板間以及二襯內部的測點暫時置于外部空氣中，所測溫度為測試斷面的氣溫，從變化規律來看，三者較為吻合，稍有偏差應與儀器本身誤差有關。此外，隨徑向深度的增加，日平均溫度的變化幅度越來越小，即圍巖溫度受隧道內氣流溫度的影響逐漸減小。

以初支外側面原點，沿隧道徑向向內為正，向外為負，對圍巖內3.5 m、3 m、2 m、1 m及初支內5個測點的平均溫度值與測點的徑向深度關系進行非線性曲線擬合，見圖9。

圖9 測點平均溫度曲線函數擬合

得到擬合函數y=-0.09729x-3+0.77375x-2+0.42182x-1+4.90662，擬合殘差R2為0.996 75，由該擬合函數圖像發展趨勢在x=7處趨于平穩可預測進口500 m斷面施工期間對圍巖溫度的影響深度約為7 m，該處平均溫度值約為4.95 ℃。該點徑向再深處受外界溫度的影響極小。

3.3 襯砌表面溫度數據分析

測試斷面各位置處二襯表面溫度平均溫度對比情況如圖10所示。

圖10 進口500m處各位置二襯表面平均溫度對比

由圖10可知，隧道內各斷面各位置二襯表面溫度與洞外氣溫變化規律較為一致，隨著縱向深度的增加，隧道內溫度的變化受洞外氣溫的影響越來越小，變化幅度也逐漸減小。沿隧道橫向各位置的平均溫度大小為拱頂溫度>拱腰溫度>拱腳溫度>邊墻溫度，符合熱空氣在上，冷空氣在下的變化規律。由于左線右側為行人及行車主要方向，受人為因素干擾大，且左線左側設有通風管道，管道某些部位破損向外噴射冷空氣，隧道左側各部位二襯表面平均溫度略低于隧道右側相同位置。

4 結論

通過對現場監測數據的對比分析，可以得到結論：

(1)隧道進口處地表土壤溫度的整體變化幅度較外界氣溫的整體變化幅度較小，且埋深越深，波動幅度越小；洞口月平均氣溫呈現三角函數型變化趨勢。

(2)隨徑向深度的增加，圍巖日平均溫度的變化幅度越來越小，即圍巖溫度受隧道內氣流溫度的影響逐漸減小。經預測，該斷面圍巖溫度受影響深度約為7 m。

(3)隧道橫斷面各位置襯砌表面溫度分布規律為：拱頂溫度>拱腰溫度>拱腳溫度>邊墻溫度，符合熱空氣在上，冷空氣在下的變化規律。