季节性冻土区运营铁路隧道实测温度场分布规律研究

张端阳（神华准池铁路有限责任公司，山西朔州036002）



季节性冻土区运营铁路隧道实测温度场分布规律研究

张端阳
（神华准池铁路有限责任公司，山西朔州036002）

摘 要：季节性冻土的冻融变化是隧道产生冻害的主要原因，隧道温度场分布规律研究是季节性冻土区隧道冻害研究的技术基础。以运营的准池铁路杀虎口隧道为工程背景，通过隧道温度的自动监测，研究了隧道洞内外环境温度随时间的变化规律及洞内温度沿隧道纵向的分布规律。研究结果表明：隧道洞内气温受洞口气温影响显著；冬季洞内气温呈洞口低、中间高分布，夏季呈洞口高、中间低分布；冬季洞内气温0℃位置受外界气温、风向风速及列车运行影响波动较大。

关键词：季节性冻土区；隧道；温度场；分布规律

季节性冻土区是指受季节性影响显著，地层冬季冻结、春季融化的地区。我国季节性冻土区面积约为513．7万km2，占国土面积的53．3%［1］。季节性冻土的冻胀性、融沉性对隧道工程影响显著，洞口地段围岩和衬砌在反复冻融过程中产生冻害，影响到隧道正常运营安全。隧道温度场随季节变化及沿隧道纵向分布规律研究是隧道冻害研究的技术基础。针对围岩温度场分布规律，国内外学者采用数值方法开展了大量研究工作［2－5］，而系统的现场实测数据较少，尤其是运营隧道，因受正常行车、测试安全及测试成本等多方面影响而实测数据更少。

本研究以已通车运营的准池铁路杀虎口隧道为工程背景，通过现场测试隧道洞内外环境温度，分析运营铁路隧道温度场分布规律。

1　工程概况及测试方案

杀虎口隧道是准池铁路的重点工程之一，隧道全长2 950m，设计为双线隧道。隧道穿越地层主要以砂岩、泥岩互层软弱围岩为主，最大埋深约95 m。该隧道为富水隧道，地下水主要为基岩裂隙水。隧道轴线基本为南北方向，进口位于北端，出口位于南端。隧道纵断面如图1所示。

图1　杀虎口隧道纵断面及测试断面布置

准池铁路为重载货运铁路，于2014年11月试运营，每日运行2～3对列车，列车速度60～80km／h。

为掌握隧道温度场分布规律，于2015年1月份开始对洞内外环境温度测试。沿隧道纵向共布置23个测试断面，分别位于距进、出口0m、5m、15 m、30m、50m、100m、200m、300m、400m、500m 共20个断面，隧道中心距进口1 297m、1 397m、1 497 m共3个断面。测试断面布置如图1所示。

采用TESTO 174自动温度记录仪测试温度，TESTO 174温度记录仪采用NTC内置传感器，量程－30～70℃，精度±0．5℃，分辨率0．1℃，测量频率1min～24h。设置温度自动采集频率0．5h／次。

2　历史气候条件

2．1降水量

杀虎口地区平均年降水量为423mm，雨季主要集中在每年6～9月份（约占全年总降水量的70%），尤其是7～8月份（约占全年总降水量的50%）。历史最大年降水量为806．7mm（1964年），最小年降雨量为193mm（1965年）。

2．2风向、风速

年平均风速2．4～4．2m／s，年均7～8级的大风日数有14．3～44．5d，主要集中在3～4月份。最大风力达9级，最高风速22m／s。全年风力等级以3～4级为主，占43．5%。

全年以西北风为主、占33．6%，其次为南风、北风和西南风，分别占15．9%、14．0%、13．3%。1～5月份、10～12月份均以西北风为主，其中3、4、11、12月份西北风均占该月份风向的50%左右；6～9月份以南风为主，其中8月份南风占该月份风向的45%。

2．3冰冻

一般年份11月封冻，3月解冻，封冻期为152d左右。最大冻土深度105～139cm，平均122cm。

2．4气温

年平均气温一般为3．6～7．3℃左右。1月份最冷，平均气温为－14．9～－9．4℃，极端最低气温－40．4℃（1971年1月21日）。7月份为最热，平均气温为19．4～22．3℃，最高气温可达38．3℃（1961 年6月10日）。

统计2011年1月1日～2015年6月30日当地气温详细变化情况如图2所示。统计期间极端最低气温为－34℃（2013年1月2日）。

图2杀虎口地区历史气温变化曲线（2011．1．1～2015．6．30）

3　实测洞口气温分布规律

测试期间进、出口最高气温分别为24．5℃（2015－5－15 18：00）、38．6℃（2015－4－29 16：00），最低气温分别为－23．9℃（2015－1－31 7：00）、－22．0℃（2015－2－8 8：00）。图3为测试期间进、出口最高气温与当地最高气温对比，图4为与当地最低气温对比，图5为2015年1月31日进、出口气温随时间的变化曲线。

图3　隧道进、出口最高气温与当地最高气温对比

由图3～图5可知，出口侧受南侧日照影响显著，最高气温明显高于进口侧。进、出口最低气温相差不大。隧道洞口最高及最低气温与当地气温有一定差距，因当地气温是在避免日照、气流影响的百叶窗中取得，洞口气温是在自然条件下取得所致。隧道进口迎风、背阴，故最高气温低于当地最高气温，而出口背风、向阳，故最高气温高于当地最高气温。进出口最低气温一般高于当地最低气温。隧道进、出口气温每天呈规律性变化，一般早晨6：00～8：00取得最低值，下午14：00～16：00取得最高值；白天气温波动较大，夜晚气温波动较小；出口受日照影响，气温波动幅度较大。

图4　隧道进、出口最低气温与当地最低气温对比

图5 2015年1月31日进、出口气温随时间的变化曲线

4　实测洞内环境温度分布规律

4．1洞内环境温度随时间的变化规律

隧道进、出口段各10个断面及中心3个断面洞内环境平均温度随时间的变化曲线如图6～图8所示。

图6　进口段测点洞内平均温度时间曲线

图7　出口段测点洞内平均温度时间曲线

图8　中心区段测点洞内平均温度时间曲线

由图6～图8可知，洞内平均温度受洞外气温影响呈季节变化；出口段受日照影响洞口位置测点平均温度较高；进口段1～3月较冷月洞内温度受测点位置影响显著，即洞口温度低、洞内温度高，而4 ～5月份较热月洞内温度受测点位置影响不显著，不同位置测点的洞内温度基本相等；出口段受日照影响无论1～3月还是4～5月份，洞内平均气温均受测点位置影响显著；隧道中心区段测点受位置影响不明显，即隧道中心处洞内平均温度基本相等。

4．2洞内环境温度沿隧道纵向分布规律

取某日同一时刻洞内测点温度绘制温度沿隧道纵向分布曲线，图9、图10分别为典型日期每日7：00、15：00时刻洞内环境温度沿隧道纵向分布曲线。图11为洞内环境平均温度沿隧道纵向分布曲线。

图9 7：00时刻洞内环境温度沿隧道纵向分布曲线

图10 15：00时刻洞内环境温度沿隧道纵向分布曲线

图11　洞内环境平均温度沿隧道纵向分布曲线

由图9～图11可知，1～3月份洞内环境温度呈洞口低、中间高分布规律，而4～5月份洞内环境温度呈洞口高、中间低的分布规律，即隧道洞内“冬暖夏凉”。7：00时刻全天温度最低，15：00时刻全天温度最高，洞口区段受每日气温变化影响较大，隧道中间区段受每日气温变化影响较小。

4．3不同日期不同时刻的洞内温度为0℃的位置统计

4～5月份各测点温度一般在0℃以上，1～3月份洞口段测点0℃以下，隧道中间测点0℃以上或以下，不同日期不同时刻的0℃以下的范围不同，0℃以下的测点距洞口距离统计如表1所示。

由表1，不同日期不同时刻的隧道洞内0℃位置波动较大；每天不同时刻的0℃位置在7：00时刻距洞口距离较远，而15：00的0℃位置距洞口距离较近；1．29～3．11期间最低温度曲线沿隧道纵向分布的0℃位置一般距洞口1 000m以上，3／12～4／20期间0℃位置逐渐减小，4／20以后全洞均处于0℃以上。不同日期不同时刻0℃位置的波动受外界气温影响最大，其次为风速和列车运行的影响。

5　结论

表1　典型日期不同时刻0℃位置统计表

通过对季节性冻土区运营铁路隧道温度场测试结果的分析，得出如下主要结论：

（1）洞口气温随季节呈规律性变化；受测试条件影响，洞口气温与当地气温有一定差距；洞口气温每日6：00～8：00取得最低值，14：00～16：00取得最高值；白天气温比夜晚波动大；出口受背风、向阳影响，最高气温明显高于进口及当地最高气温。

（2）洞内气温受洞外气温影响呈季节变化；洞口段受测点位置及季节变化影响显著，隧道中心段影响不明显；较冷月洞内气温受测点位置影响显著，较热月影响不明显。

（3）较冷月洞内环境呈洞口低、中间高分布规律，较热月呈洞口高、中间低的分布规律，即隧道洞内“冬暖夏凉”；洞口段受每日气温变化影响较大，隧道中间段影响较小。

（4）不同日期不同时刻隧道洞内0℃位置波动较大；较冷月隧道洞内0℃位置一般距洞口1 000 m以上；0℃位置波动主要受外界气温的季节变化影响最大，其次为日气温变化，再其次为风向风速及列车运行。

参考文献

［1］周幼吾，郭东信，邱国庆，等．中国冻土［M］．北京：科学出版社，2000

［2］丁浩，刘瑞全，胡居义，等．姜路岭隧道温度场特性分析［J］．现代隧道技术，2015，52（1）：76－81

［3］赖远明，喻文兵，吴紫汪，等．寒区圆形截面隧道温度场的解析解［J］．冰川冻土，2001，23（2）：126－130

［4］陈建勋，罗彦斌．寒冷地区隧道温度场的变化规律［J］．交通运输工程学报，2008，8（2）：44－48

［5］吕康成，吉哲，马超超，等．寒冷地区隧道温度、渗流规律与冻害预防［J］．现代隧道技术，2012，49（1）：33－38

Research on the Distribution of the Temperature Field of an Operation Railway Tunnel in Seasonally－Frozen Regions

Zhang Duanyang
（Zhunchi Railway Co．Ltd．of the Shenhua Group，Shuozhou 036002，China）

Abstract：Tunnel frost damage usually results from the freezing and thawing change in a seasonally－frozen region．The study of the distribution law of the temperature field of a tunnel is the technical basis for the study of the frost damage．With the Shahukou Tunnel in operation of the Zhunchi Railway as the engineering background，the law of the environmental temperature change with the change in time both inside and outside a tunnel is studied by means of automatically monitoring the tunnel temperature，with the longitudinal distribution law of the tunnel temperature obtained．The results show that the influence of the air temperature at the entrance is remarkable on the tunnel temperature．In winter the tunnel temperature near the entrance is low and the temperature of the intermediate section of the tunnel is high；in summer the tunnel temperature near the entrance is high and the temperature of the intermediate section of the tunnel is low．The freezing point location is fluctuated obviously with the impact of the outside air temperature，wind direction and wind speed，and the operation of the train．

Key words：seasonally－frozen region；tunnel；temperature field；distribution laws

作者简介：张端阳（1989—），男，助理工程师，主要从事交通运输工程管理工作 601509467＠qq．com

收稿日期：2015－11－09

中图分类号：U452．1；U456

文献标识码：A

文章编号：1672－3953（2016）01－0006－06

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．002