晋北地区气温的降尺度特征及其对隧道防冻的影响

王保生，张庆宁，伍毅敏

（1.大同公路分局，山西 大同 037006；2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075）

0 引言

冻害防治问题是高纬度或高海拔严寒地区隧道建设和运营必须面对的重要难题。长期以来，国内外对隧道防冻理论、技术和材料进行了大量研究，形成了目前以保温隔热防冻为主、结构加强和防排水优化为辅的较为完善的防冻技术体系[1-5]。然而，采取上述措施后，不少隧道在运营几年后出现大面积的隧道冻害，有的甚至经过处治后又出现严重冻害[6-10]。在采取全方位防冻措施后仍不能取得令人满意的效果，表明寒区隧道冻害防治的基本理论可能存在不完善之处。目前我国公路和铁路隧道设计规范对寒区隧道的主要设防依据有月平均最低气温、岩土最大冻深和冻结指数等[11-12]，这些指标反映的是隧址区气温的平均或累计特征，因而不能体现冻害的渐进发展过程，不能很好地解释隧道冻害在运营几年后逐步显现的问题。为此，本文将观测尺度缩小，试图从气温微观动态波动的角度阐释隧道冻害发展的问题。

1 常规尺度下晋北地区的气温特征

晋北指位于山西最北部的大同、朔州等地区。该地区属温带大陆性季风气候，温度和降水时空分布变差大，四季分明，各季长短和气候差异较大，冬季寒冷干燥，夏季温热多雨，日照长，降水集中。为了研究该地区寒区隧道的防冻设防问题，笔者向中国气象局国家气象信息中心气象资料室下属中国气象科学数据共享服务网申请调取了中国地面气候资料国际交换站大同站（编号：53487，东经113.20°，北纬40.06°，海拔1 067.2 m）1955—2011年共57年的观测数据，并按照常规方法对年平均和月平均特征值进行了分析。

1.1 晋北地区长年气温特征

通过对大同站1955—2011年共57年气象数据的分析，获得了本地区的气温特征（年平均气温、年平均最低气温、年平均最高气温、年极端最低气温和年极端最高气温）。逐年变化数据分别如图1所示。上述指标的57年均值、极大和极小值见表1。

图1 大同站1955—2011年逐年气温指标

表1 晋北地区（大同站）1955—2011年主要气象指标分析表

通过上述图表以及搜集到的数据可以看出，从年变化尺度看，晋北地区温度变化具有如下特征：

a）多年来年平均气温比较稳定。无论是年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年极端最低气温和年极端最高气温，有记录的57年间，变化幅度都很小。

b）对气温产生的影响的风速和降水方面，年平均风速保持稳定，偶然大风现象逐年减少，多年来年降水量保持稳定。

1.2 月尺度下晋北地区气温特征

1.2.1 月尺度下的气温季节性变化

图2是1971年、1991年和2011年3年的月平均气温变化曲线以及1955—2011年共57年来的月平均气温变化曲线。图3是1971年、1991年和2011年3年的月平均温差变化曲线以及1955—2011年共57年来的月平均温差变化曲线。从图中可以看出：

a）月平均气温随季节变化的规律性较强、离散性较小，低温季节（12月、1月、2月和3月）和高温季节（6月、7月和8月）离散性大于其他月份。

b）月平均温差随季节变化的规律性较差，离散性较大。

图2 代表性年份的月平均气温变化曲线及其离散性

图3 代表性年份的月平均温差变化曲线及其离散性

1.2.2 月尺度下的气温年份变化特征

图 4、图 5分别是 1955—2011年共 57年来1月份和2月份的月平均气温、月平均最低气温、月平均最高气温和月平均温差曲线。从图中可以看出：

a）不同年份的同一个月份，月平均气温、月平均最低气温和月平均最高气温存在一定的波动性，其波动幅度又因月份不同而不同，如1月份的波动不如冻融期2月份的波动大。

b）同一月份的月平均温差随年度变化较小，与具体月份的关系也不大。

图4 1955—2011年1月温度特征变化曲线

图5 1955—2011年2月温度特征变化曲线

2 降尺度下晋北地区的气温特征

2.1 日变化尺度下晋北地区历史气温特征

图6是在月尺度下2011年的月平均气温、月平均最低气温、月平均最高气温和月平均温差曲线。将上述变化曲线与历史多年的平均变化曲线相比较，可以看出，在月尺度下，月平均气温、月平均温差与历史多年的平均变化非常接近，因此，用历史多年数据来描述某一年的月尺度特征可行。

图6 晋北地区（大同站）月尺度下2011年温度变化曲线

图7是日尺度下2011年的温度变化曲线。单从中即可以看出，无论是日平均温度还是温度日较差，其随机性都非常明显，将图6与图7相比，可以看出，月尺度上相对稳定的气温在尺度增大后具有强烈的波动性。

天气变化的随机性是造成日尺度下温度随机变化的主要原因，包括晴雨情况、风速、湿度、云量等。如果天气不变，气温虽然会发生昼夜变化，但日平均气温、日最低气温、日最高气温和日较温差等都应该是比较稳定的。虽然从月尺度上看仍是比较稳定的，但是天气变化则使得时变尺度上的气温指标产生极大的波动性。

图7 晋北地区（大同站）2011年日温度变化曲线

2.2 小时变化尺度下晋北地区

从笔者在广灵至浑源高速公路鸿福隧道2011年（贯通前）全部13个有效监测断面的衬表温度实时（每小时记录1次）变化曲线中可以看出，温度均值随时间变化近似于以年度为周期的正弦或余弦函数，但由于洞外空气温度的实际变化不仅与季节有关，又与具体天气和昼夜交替有关，实际波动是随机。

将时间尺度从日变化扩展到从实时（小时）变化尺度看，虽然衬表温度总的变化趋势与洞外气候变化趋势相同，接近正弦或余弦函数分布，但具体时刻的温度波动幅度与日变化相比随机性变得更大，洞内温度的波动幅度小于相应时间洞外的波动幅度。

3 气温降尺度变化特征对隧道防冻的影响

3.1 降尺度下的多频次短周期冻融循环现象

通过上述不同尺度的气温特征对比可以看出，随着时间尺度的缩小，温度变化的随机性变强。当高寒地区昼夜温差较大时，气温的短周期波动往往可以形成冻融循环，从而造成一个年度周期内出现大量的短周期冻融循环。以大同站为例，日最高气温大于0℃、最低气温低于0℃的情况，平均每年（1955—2011年）可出现104.3次。而如果采取常规宏观尺度，每年仅出现1次正温向负温的变化（冻结）和1次负温向正温的变化（消融）。观测尺度不同，气温冻融交替次数具有天壤之别。

隧道洞内由于围岩的恒温作用，衬砌温度的波动幅度随着进洞深度的增大而减小，其经历的正负温交替次数会大大减少，但其次数仍非常多。以鸿福隧道为例，2012—2013年冻融期不同进深处观测到的衬表正负温交替次数也多达20～57次。

尽管不是所有正负温交替都可能引起有效冻融循环，但上述短周期的正负温交替次数仍足以对隧道防冻产生重要影响。

3.2 多频次短周期冻融对混凝土材料损伤

冻融循环对混凝土结构的损伤首先体现在混凝土材料方面。混凝土材料是由水泥石、粗细骨料和各种孔隙组成的多相复合材料。冰冻现象可使混凝土孔隙内的水分冻结成冰发生体积膨胀，使孔隙和微裂隙进一步扩展。冻融循环使得“冻结成冰—裂隙扩展—消融成水—水分补充”的过程反复进行，使混凝土材料快速劣化。根据相关研究资料，混凝土材料经历100次左右的充分冻融循环，其强度可下降35%左右[13]，对结构承载产生重要影响。

在寒区隧道中，如果所有短周期冻融循环都是充分的，并且衬砌混凝土都是饱水的，一年所经历的冻融循环就可以使衬砌混凝土失效。衬砌混凝土之所以没有在第一个冻结期破坏，一方面是由于衬砌混凝土多数不是饱水状态（如果渗漏严重也可能呈现饱水状态），另一方面并非所有的正负温交替都可能引起充分冻融循环。但是，即便是非饱水状态和不充分冻融，仍可能逐步累积而造成损伤。而且，这种累积损伤似乎与寒区隧道在运营数年后出现大量冻害的现象十分吻合。因此，下一步亟需对混凝土材料在非饱水状态和不充分冻融条件下的损伤进程开展研究。

3.3 多频次短周期冻胀力对衬砌结构的影响

除了混凝土材料性能的冻融损伤之外，多频次短周期正负温度交替还可能引起冻胀力的反复作用。目前对寒区隧道冻胀力的形成机制和量值大小仍有很大争议。一些文献计算所得冻胀力大到足以直接使衬砌结构破坏，这一结论与多少隧道冻害的发展进程是不相符的。如果冻胀力的静力效应直接可以使衬砌结构破坏，那么隧道冻害将大多出现在隧道建成后的一两年。因为无论按照何种理论，相同条件下的冻胀力大量都是相同的，在任何一个冻结期都会形成。

多频次短周期正负温交替为解释衬砌结构的渐进破坏提供了新的途径。由于反复冻融循环作用，衬砌结构将受到冻胀力的反复作用，虽然冻胀力不足以直接破坏衬砌结构，反复累积起来，仍可能使衬砌结构发生渐进的破坏。值得指出的是，冻胀力的反复作用尽管次数很多（每年数十次），但又没有达到疲劳问题研究的范畴（次数超过万次、十万甚至更多），也是需要进一步研究的课题。

4 结语

寒区隧道冻害防治是高寒地区隧道建设的一个重大难题，现有理论还不能很好解释工程实践中的一些问题。本文将温度变化的观测尺度缩短到小时，对晋北地区的气温波动特征进行了分析，发现了寒区隧道在年度周期内经历多频次短周期冻融循环的现象，探讨了其对隧道防冻的影响，以期为下一步研究提供参考。