吉图珲客运专线后安山隧道温度场分布规律测试及分析

宋 鹤，叶朝良，米俊峰，徐治中

(1.石家庄铁道大学土木工程学院， 石家庄 050043； 2.中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710038；3.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

吉图珲客运专线后安山隧道温度场分布规律测试及分析

宋 鹤1，叶朝良1，米俊峰2，徐治中3

(1.石家庄铁道大学土木工程学院， 石家庄 050043； 2.中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710038；3.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

以寒区后安山隧道工程为依托，通过对试验段温度场的测试，分析衬砌围岩温度分布规律、洞内纵向温度分布规律，并在此基础上，对保温板的保温效果进行探讨，分析结果表明：(1)边墙、拱腰、拱顶部位各测点随时间的变化规律成正弦函数，并和外界气温同步变化；距离衬砌表面60 cm内温度变化最为剧烈；在径向3 m范围内，围岩内温度呈线性变化趋势；围岩径向存在一个比较稳定的温度边界条件；隧道贯通后，各测点的温度下降3 ℃左右。(2)隧道纵向温度场沿路线呈抛物线分布，寒季为开口向下的抛物线，暖季则相反；进入隧道500 m后洞内气温受洞外气温的影响逐渐减弱，温度分布也逐渐均匀。(3)保温板内外两侧温度差最大9.21 ℃，证明其具有良好的保温效果；建议在隧道防寒保温段采取非等厚保温板的铺设方法更为经济合理。

铁路隧道；寒区隧道；温度场；保温板；现场测试

目前，由于对隧道温度场分布规律认识不足和对防冻措施的合理采用缺乏经验，导致寒区隧道工程遇到很多冻害问题，如：衬砌因冻胀产生大面积裂缝、衬砌背部出现融解漏水、隧道拱部出现冰柱等，严重威胁着隧道工程的安全稳定。数十年来，国内外学者针对冻害问题，通过现场测试[1-4]、室内试验[5-8]、数值模拟[9-12]等手段对隧道内温度场的分布规律、保温板保温效果、防冻措施等方面开展了大量的研究。

在现有的研究成果中，关于温度场的分布规律和保温板的效果研究已有很多，但由于隧道所处地理位置、工程地质条件、复杂环境以及施工技术水平的影响，仍然存在很多问题值得进一步研究。因此，以后安山隧道为依托，对衬砌围岩、洞内温度进行长达1年多的测试，分析了衬砌围岩温度分布规律、洞内纵向温度分布规律，在此基础上，对保温板的隔热效果进行了探讨。

1 工程概况

后安山隧道位于吉林省图们市东嘎呀河东岸，起讫里程GDK306+029～GDK312+580，为双线隧道，全长6551 m，隧道净空面积92 m2，是吉图珲客运专线第二长大隧道之一。隧道地处低山丘陵区，地势起伏较大，地面高程100～460 m，相对高差约360 m。隧道进口处地形陡峻，自然坡度大于45°，出口地形较为缓和，自然坡度小于15°。隧址区植被发育，树林茂密，植被覆盖率约80%。隧道穿越的主要地层为二叠系柯岛组(P1k)，表层为残破积的粗角砾土，下伏强-弱风化凝灰质砂岩，岩质坚硬，具变质性，节理、裂隙发育。隧址区地处北纬43°，年平均气温为5.9 ℃，极端最高气温为37.7 ℃，极端最低气温为-42.5 ℃，最冷月1月份平均气温-10.3～-23.4 ℃。土壤最大冻结深度达192 cm，施工期间隧道极易产生冻害。在隧道里程GDK312+580～GDK311+859段，在初次衬砌和二次衬砌间铺设两层防水板内夹一层5 cm厚聚氨酯保温板。

2 温度场监测方案

为了得到衬砌围岩温度场分布规律、隧道纵向温度分布规律，验证保温板的隔热效果，在隧道中选取典型断面进行测试，具体方案如下。

(1)围岩及衬砌温度监测方案

在保温段中选取断面DK312+095，对围岩及衬砌温度进行监测。围岩及衬砌温度测试采用JMT-36B型温度传感器。在断面DK312+095上对称布设4条测线，测试传感器见图1，分别位于左边墙、左拱腰、右拱腰、右边墙。每条测线上布设温度测点7个，分别在1号(二次衬砌中心)、2号(二次衬砌与防水板之间)、3号(防水板与初期支护之间)、4号(初期支护外50 cm)、5号(初期支护外100 cm)、6号(初期支护外200 cm)、7号(初期支护外300 cm)。拱顶布设1条测线，布设温度测点3个，分别为1号(二次衬砌中心)、2号(二次衬砌与防水板之间)、3号(防水板与初期支护之间)。5条测线从左边墙开始按顺时针编号，分别为测线D1、D2、D3、D4、D5，侧线上的测点从隧道向围岩以数字1、2、3等编号。如D4-3表示右拱腰上防水板与初期支护之间的测点。

图1 隧道断面传感器布置示意

(2)洞内纵向温度场监测方案

从洞门开始布设悬挂式温度湿度计，共计布设18个点，布置于墙腰下便于读数。布置位置为Z1号(出口洞门)、Z2号(距洞门25 m)、Z3号(距洞门50 m)、Z4号(距洞门100 m)、Z5号(距洞门200 m)、Z6号(距洞门500 m)、Z7号(距洞门1 000 m)、Z8号(距洞门2 000 m)、Z9号(距洞门3 000 m)，详见图2。

图2 隧道洞内温度湿度计布置示意(单位：m)

3 温度场测试结果分析

3.1 衬砌围岩温度场分布规律

通过长达1年零1个月(2013年3月至2014年4月)的测试，其中隧道在2013年11月贯通，得到衬砌围岩体内不同测线、不同深度处的温度分布时程曲线，如图3所示。

图3 各测点时程曲线

由图3可以看出：各个测点随时间的变化规律基本相同，呈正弦函数分布，从3月份开始各测点的温度先升高到降低再升高。到2014年3、4月份又呈现出和2013年3、4月份相同的规律。各测点随时间的变化规律基本和外界气温同步变化，即都在外界环境温度最高的7月和8月时达到最大值，在外界环境温度最低的11月、12月和1月时达到最低值。同一测线上7个测点的相同月份月平均温度呈下降趋势，即距离隧道越远，温度越低，说明各测点受施工影响越来越小，受地温影响越来越大。

隧道在2013年11月贯通后，各测点随时间的变化规律与贯通前相同，但是由于空气对流的影响，各测点的温度有下降的趋势，下降3 ℃左右。

为了比较同一测线上围岩沿径向的温度分布规律，从测试时间中选取5月、7月、9月、11月、1月、3月这6个月，将同一测线上的测点随时间的变化规律绘制在一张图上，如图4所示。

图4 各测点沿径向温度分布规律

从图4可以得出：不同月份时，D1测线沿着径向的温度变化规律相同，并和季节是同步变化的。距衬砌表面60 cm范围内受洞内温度影响最大，温度变化最为剧烈，相对于围岩中的测点，温度值也是最高的。围岩内温度变化相对平缓，在径向3 m范围内，沿深度的变化基本呈线性变化趋势。D1-2和D1-3两个测点之间有双层防水板夹保温板，两者温度相差较大，呈现出直线下降的趋势。D1-3后各点温度变化不明显，且有逐渐趋于稳定的趋势，说明随着径向深度的增加，洞内气温对隧道周边围岩的影响逐渐减弱。所以可以得出隧道径向存在一个比较稳定的温度边界条件。

D2、D3、D4、D5测线呈现出和D1测线相同的规律。

3.2 后安山隧道纵向温度场分布规律

课题组对后安山隧道各断面处的气温进行了长达1年零2个月的详细监测，监测频率为开始时1 d/次逐渐变为5 d/次。

隧道各断面处的温度变化时程曲线见图5。

图5 各断面温度变化时程曲线

从图5可以看出，从2013年1月份到5月份，出口洞门温度最低，且随着月份的增加温度逐渐回升。对于相同月份，距离洞门越远，各断面温度越高，且都随着月份的增加温度逐渐回升。6～10月份呈现出和1～5月份完全不同的规律，出口洞门温度最高，且在外界环境温度最高的7、8月份时达到极值。其他测点距离洞门越远，温度越低。测点Z1～Z9相邻断面的温度降低和温度回升都比前一个断面滞后或提前半个月左右。2013年11月份隧道贯通后又呈现出和1～5月份相同的规律。Z6、Z7、Z8、Z9测点的温度分布比较集中，几乎可以用一条曲线代替，说明进入隧道500 m后洞内气温受洞外气温的影响逐渐减弱，气温分布也逐渐均匀。

为了得到隧道沿纵向的温度分布规律，将隧道内各点的月平均温度沿纵向连接起来。从测试时间中选取寒季12月、1月和暖季7月、8月绘制温度沿纵向分布图(图6)。

图6 温度沿纵向温度场分布

图6表明：隧道纵向温度场沿路线呈抛物线分布。寒季为开口向下的抛物线，洞口端温度最低，中间温度较高，这说明隧道内气温高于外界大气温度。在2013年7月和8月，距洞门500、1 000、2 000、3 000 m的Z6、Z7、Z8、Z9测点处未进行施工，无测试数据。在隧道贯通后，2014年7月时对隧道内温度进行加测，如图6(e)所示。从图6(e)可以看出：暖季时为开口向上的抛物线，两洞口端温度高，中间温度相对较低。

3.3 保温板隔热效果分析

从图3可以看出，除了保温板两侧的测点Dx-2和Dx-3，其中x表示某一测线，其他相邻测点温差0.5～1 ℃。但是保温板两侧的测点温差较大，其中，D1测线上D1-2和D1-3之间最大温差为4.93 ℃；D2测线上D2-2和D2-3之间最大温差5.72 ℃；D3测线上D3-2和D3-3之间最大温差6.7 ℃；D4测线中D4-7处测温仪器损坏，但是并不影响各个测点随着时间的变化规律，D4-2和D4-3之间最大温差6.66 ℃；D5测线上D5-2和D5-3之间最大温差9.21 ℃。说明双层防水板夹保温板的防寒措施可以使其两侧温度相差最大9.21 ℃，可以起到很好的保温效果。

另外，从图5可以得出，2013年时隧道出口洞门的负温天数长达3个月，最低温度在-16.17 ℃；距洞门25、50 m处，负温天数均为2个月，最低温度分别为-12.02 ℃和-7.54 ℃；距洞门100 m处的负温天数只有1个月，最低温度在-3.02 ℃；而在距洞门200 m处的温度全部高于0 ℃，由此得出，隧道在距洞门200 m范围内铺设5 cm厚的保温板仍有可能产生冻害。另外，根据测试数据知，从洞门向内温度迅速增加，温度差较大，采用统一厚度的保温板极不合理。对于寒区长大隧道，建议在隧道防寒保温段范围内采取非等厚保温板的铺设方法会使防冻效果更好，更为科学、经济合理。

4 结语

通过对后安山隧道温度场的现场监控量测，可得出以下结论。

(1)边墙、拱腰、拱顶部位各测点随时间的变化规律成正弦函数变化，并和外界气温同步变化；距离衬砌表面60 cm内温度变化最为剧烈；在径向3 m范围内，围岩内温度呈线性变化趋势；围岩径向存在一个比较稳定的温度边界条件；隧道贯通后，各测点的温度下降3 ℃左右。

(2)进入隧道500 m后洞内气温受洞外气温的影响逐渐减弱，气温分布也逐渐均匀；隧道纵向温度场沿路线呈抛物线分布，寒季为开口向下的抛物线，洞口端温度最低，中间温度较高，暖季则相反。

(3)保温板两侧温度相差最大9.21 ℃，说明其可以起到很好的保温效果。建议在隧道防寒保温段采取非等厚保温板的铺设方法更为经济合理。

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The Test and Analysis of Temperature Field Distribution in Houanshan Tunnel of Jilin-Tumen-Hunchun Passenger Delicated Railway Line

SONG He1， YE Chao-liang1， MI Jun-feng2， XU Zhi-zhong3

(1.College of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， 050043， China; 2.First Engineering Limited Company of China Railway 12thBureau， Xi’an 710038 China; 3.China Railway Engineering Design & Consultant Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

With reference to Houanshan tunnel engineering in cold region， the temperature distribution of lining， surrounding rock and the vertical temperature distribution are analyzed with the test of temperature field in the test section and the effect of thermal insulation board is addressed. The results show that: (1) the changes of side wall， arch waist， crown point at each site tend to be a sine function over the time and go synchronously with the outside air temperature; temperature changes dramatically within 60cm from the lining surface; within 3 m radial range， the temperature of surrounding rock changes linearly; relatively stable temperature boundary condition exists in the radial surrounding rock; after tunnel holing-through， the temperature of each test point drops by 3 ℃; (2) the longitudinal temperature field along the route is distributed in the pattern of a parabola， which is a downward opening in cold season and just the opposite in warm season; the temperature at 500 m inside the tunnel drops gradually on account of the influence of outside air temperature and the temperature distribution becomes uniform gradually; (3) the maximum temperature difference between internal side and external side of the insulation board is 9.21 ℃， indicating good insulation effect of the board. Insulation boards of different thickness are proved cost-effective for use in tunnel insulation section．

Railway tunnel; Tunnel in cold region; Temperature field; Insulation board; Site test

2014-09-28；

2014-10-19

铁道部科技研究开发计划项目(2012G0061-F)

宋鹤(1989—)，女，硕士研究生，E-mail：1010061336@qq.com。

1004-2954(2015)07-0119-05

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.027