晉北地區氣溫的降尺度特征及其對隧道防凍的影響

王保生，張慶寧，伍毅敏

（1.大同公路分局，山西 大同 037006；2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075）

0 引言

凍害防治問題是高緯度或高海拔嚴寒地區隧道建設和運營必須面對的重要難題。長期以來，國內外對隧道防凍理論、技術和材料進行了大量研究，形成了目前以保溫隔熱防凍為主、結構加強和防排水優化為輔的較為完善的防凍技術體系[1-5]。然而，采取上述措施后，不少隧道在運營幾年后出現大面積的隧道凍害，有的甚至經過處治后又出現嚴重凍害[6-10]。在采取全方位防凍措施后仍不能取得令人滿意的效果，表明寒區隧道凍害防治的基本理論可能存在不完善之處。目前我國公路和鐵路隧道設計規范對寒區隧道的主要設防依據有月平均最低氣溫、巖土最大凍深和凍結指數等[11-12]，這些指標反映的是隧址區氣溫的平均或累計特征，因而不能體現凍害的漸進發展過程，不能很好地解釋隧道凍害在運營幾年后逐步顯現的問題。為此，本文將觀測尺度縮小，試圖從氣溫微觀動態波動的角度闡釋隧道凍害發展的問題。

1 常規尺度下晉北地區的氣溫特征

晉北指位于山西最北部的大同、朔州等地區。該地區屬溫帶大陸性季風氣候，溫度和降水時空分布變差大，四季分明，各季長短和氣候差異較大，冬季寒冷干燥，夏季溫熱多雨，日照長，降水集中。為了研究該地區寒區隧道的防凍設防問題，筆者向中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室下屬中國氣象科學數據共享服務網申請調取了中國地面氣候資料國際交換站大同站（編號：53487，東經113.20°，北緯40.06°，海拔1 067.2 m）1955—2011年共57年的觀測數據，并按照常規方法對年平均和月平均特征值進行了分析。

1.1 晉北地區長年氣溫特征

通過對大同站1955—2011年共57年氣象數據的分析，獲得了本地區的氣溫特征（年平均氣溫、年平均最低氣溫、年平均最高氣溫、年極端最低氣溫和年極端最高氣溫）。逐年變化數據分別如圖1所示。上述指標的57年均值、極大和極小值見表1。

圖1 大同站1955—2011年逐年氣溫指標

表1 晉北地區（大同站）1955—2011年主要氣象指標分析表

通過上述圖表以及搜集到的數據可以看出，從年變化尺度看，晉北地區溫度變化具有如下特征：

a）多年來年平均氣溫比較穩定。無論是年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年極端最低氣溫和年極端最高氣溫，有記錄的57年間，變化幅度都很小。

b）對氣溫產生的影響的風速和降水方面，年平均風速保持穩定，偶然大風現象逐年減少，多年來年降水量保持穩定。

1.2 月尺度下晉北地區氣溫特征

1.2.1 月尺度下的氣溫季節性變化

圖2是1971年、1991年和2011年3年的月平均氣溫變化曲線以及1955—2011年共57年來的月平均氣溫變化曲線。圖3是1971年、1991年和2011年3年的月平均溫差變化曲線以及1955—2011年共57年來的月平均溫差變化曲線。從圖中可以看出：

a）月平均氣溫隨季節變化的規律性較強、離散性較小，低溫季節（12月、1月、2月和3月）和高溫季節（6月、7月和8月）離散性大于其他月份。

b）月平均溫差隨季節變化的規律性較差，離散性較大。

圖2 代表性年份的月平均氣溫變化曲線及其離散性

圖3 代表性年份的月平均溫差變化曲線及其離散性

1.2.2 月尺度下的氣溫年份變化特征

圖 4、圖 5分別是 1955—2011年共 57年來1月份和2月份的月平均氣溫、月平均最低氣溫、月平均最高氣溫和月平均溫差曲線。從圖中可以看出：

a）不同年份的同一個月份，月平均氣溫、月平均最低氣溫和月平均最高氣溫存在一定的波動性，其波動幅度又因月份不同而不同，如1月份的波動不如凍融期2月份的波動大。

b）同一月份的月平均溫差隨年度變化較小，與具體月份的關系也不大。

圖4 1955—2011年1月溫度特征變化曲線

圖5 1955—2011年2月溫度特征變化曲線

2 降尺度下晉北地區的氣溫特征

2.1 日變化尺度下晉北地區歷史氣溫特征

圖6是在月尺度下2011年的月平均氣溫、月平均最低氣溫、月平均最高氣溫和月平均溫差曲線。將上述變化曲線與歷史多年的平均變化曲線相比較，可以看出，在月尺度下，月平均氣溫、月平均溫差與歷史多年的平均變化非常接近，因此，用歷史多年數據來描述某一年的月尺度特征可行。

圖6 晉北地區（大同站）月尺度下2011年溫度變化曲線

圖7是日尺度下2011年的溫度變化曲線。單從中即可以看出，無論是日平均溫度還是溫度日較差，其隨機性都非常明顯，將圖6與圖7相比，可以看出，月尺度上相對穩定的氣溫在尺度增大后具有強烈的波動性。

天氣變化的隨機性是造成日尺度下溫度隨機變化的主要原因，包括晴雨情況、風速、濕度、云量等。如果天氣不變，氣溫雖然會發生晝夜變化，但日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫和日較溫差等都應該是比較穩定的。雖然從月尺度上看仍是比較穩定的，但是天氣變化則使得時變尺度上的氣溫指標產生極大的波動性。

圖7 晉北地區（大同站）2011年日溫度變化曲線

2.2 小時變化尺度下晉北地區

從筆者在廣靈至渾源高速公路鴻福隧道2011年（貫通前）全部13個有效監測斷面的襯表溫度實時（每小時記錄1次）變化曲線中可以看出，溫度均值隨時間變化近似于以年度為周期的正弦或余弦函數，但由于洞外空氣溫度的實際變化不僅與季節有關，又與具體天氣和晝夜交替有關，實際波動是隨機。

將時間尺度從日變化擴展到從實時（小時）變化尺度看，雖然襯表溫度總的變化趨勢與洞外氣候變化趨勢相同，接近正弦或余弦函數分布，但具體時刻的溫度波動幅度與日變化相比隨機性變得更大，洞內溫度的波動幅度小于相應時間洞外的波動幅度。

3 氣溫降尺度變化特征對隧道防凍的影響

3.1 降尺度下的多頻次短周期凍融循環現象

通過上述不同尺度的氣溫特征對比可以看出，隨著時間尺度的縮小，溫度變化的隨機性變強。當高寒地區晝夜溫差較大時，氣溫的短周期波動往往可以形成凍融循環，從而造成一個年度周期內出現大量的短周期凍融循環。以大同站為例，日最高氣溫大于0℃、最低氣溫低于0℃的情況，平均每年（1955—2011年）可出現104.3次。而如果采取常規宏觀尺度，每年僅出現1次正溫向負溫的變化（凍結）和1次負溫向正溫的變化（消融）。觀測尺度不同，氣溫凍融交替次數具有天壤之別。

隧道洞內由于圍巖的恒溫作用，襯砌溫度的波動幅度隨著進洞深度的增大而減小，其經歷的正負溫交替次數會大大減少，但其次數仍非常多。以鴻福隧道為例，2012—2013年凍融期不同進深處觀測到的襯表正負溫交替次數也多達20～57次。

盡管不是所有正負溫交替都可能引起有效凍融循環，但上述短周期的正負溫交替次數仍足以對隧道防凍產生重要影響。

3.2 多頻次短周期凍融對混凝土材料損傷

凍融循環對混凝土結構的損傷首先體現在混凝土材料方面。混凝土材料是由水泥石、粗細骨料和各種孔隙組成的多相復合材料。冰凍現象可使混凝土孔隙內的水分凍結成冰發生體積膨脹，使孔隙和微裂隙進一步擴展。凍融循環使得“凍結成冰—裂隙擴展—消融成水—水分補充”的過程反復進行，使混凝土材料快速劣化。根據相關研究資料，混凝土材料經歷100次左右的充分凍融循環，其強度可下降35%左右[13]，對結構承載產生重要影響。

在寒區隧道中，如果所有短周期凍融循環都是充分的，并且襯砌混凝土都是飽水的，一年所經歷的凍融循環就可以使襯砌混凝土失效。襯砌混凝土之所以沒有在第一個凍結期破壞，一方面是由于襯砌混凝土多數不是飽水狀態（如果滲漏嚴重也可能呈現飽水狀態），另一方面并非所有的正負溫交替都可能引起充分凍融循環。但是，即便是非飽水狀態和不充分凍融，仍可能逐步累積而造成損傷。而且，這種累積損傷似乎與寒區隧道在運營數年后出現大量凍害的現象十分吻合。因此，下一步亟需對混凝土材料在非飽水狀態和不充分凍融條件下的損傷進程開展研究。

3.3 多頻次短周期凍脹力對襯砌結構的影響

除了混凝土材料性能的凍融損傷之外，多頻次短周期正負溫度交替還可能引起凍脹力的反復作用。目前對寒區隧道凍脹力的形成機制和量值大小仍有很大爭議。一些文獻計算所得凍脹力大到足以直接使襯砌結構破壞，這一結論與多少隧道凍害的發展進程是不相符的。如果凍脹力的靜力效應直接可以使襯砌結構破壞，那么隧道凍害將大多出現在隧道建成后的一兩年。因為無論按照何種理論，相同條件下的凍脹力大量都是相同的，在任何一個凍結期都會形成。

多頻次短周期正負溫交替為解釋襯砌結構的漸進破壞提供了新的途徑。由于反復凍融循環作用，襯砌結構將受到凍脹力的反復作用，雖然凍脹力不足以直接破壞襯砌結構，反復累積起來，仍可能使襯砌結構發生漸進的破壞。值得指出的是，凍脹力的反復作用盡管次數很多（每年數十次），但又沒有達到疲勞問題研究的范疇（次數超過萬次、十萬甚至更多），也是需要進一步研究的課題。

4 結語

寒區隧道凍害防治是高寒地區隧道建設的一個重大難題，現有理論還不能很好解釋工程實踐中的一些問題。本文將溫度變化的觀測尺度縮短到小時，對晉北地區的氣溫波動特征進行了分析，發現了寒區隧道在年度周期內經歷多頻次短周期凍融循環的現象，探討了其對隧道防凍的影響，以期為下一步研究提供參考。