季冻区隧道洞口段施工温度测试及分析

蒲炳荣 王佳

【摘 要】 随着我国越来越多的隧道施工建设项目进入寒区或季冻区，对隧道施工期间温度分布及传播规律的研究极有意义。文章以季冻区白马隧道为背景，采用温度采集仪、记录仪以及电阻式温度计对隧道洞口段内外气温、热源以及围岩温度进行现场监测和数据采集。基于现场测试结果，分析隧道洞口段施工期间洞外、洞内气温变化规律和围岩内温度分布和传播规律，并对季冻区隧道防寒保温措施进行了探讨。结果表明：（1）季冻区隧道内外气温均存在正负温交替现象，洞外气温变化一般呈正态分布，且洞内气温会随隧道外气温的变化而变化;（2）隧道内断面距洞口越远、围岩距洞身越远，围岩受到洞内外气温的影响越小，进行施工通风后，越靠近洞身的围岩温度越低，二衬施做能使围岩温度骤升，并在一段时间后趋于平稳;（3）洞口段围岩温度分布存在明显的温度梯度，且径向深度达到3 m后，除二衬浇筑放热外围岩温度几乎不受影响;（4）在隧道掘进的过程中，围岩内部温度传播速率的变缓点越来越接近洞身，建议隧道保温层铺设于隧道表面，并采用不同的铺设厚度。

【关键词】隧道工程; 洞口段温度; 现场温度测试; 施工期; 季冻区; 保温层

1 季冻区隧道施工期温度测试

随着我国隧道建设越来越多地进入寒冷地区，许多学者在现场温度监测的基础上对寒区或季冻区隧道的温度分布及传播进行了研究。杨俊东等[1]以垭口山隧道为背景，对洞口400 m范围内的温度场进行监测，经分析得到：隧道内温度与断面距洞口距离成正比关系，并且每100 m温度变化率发生变化，在300 m后趋于稳定;宋鹤等[2]对后安山隧道试验段温度场进行现场测试，并分析了洞内纵向及围岩内温度变化规律;孙克国、徐雨平等[3]以隧道冻害问题入手，深入研究了隧道纵断面和横断面的温度分布规律，认为围岩初始地温越高、导热系数越小，越有利于负温气流影响下的寒区隧道抗防冻工作;叶朝良等[4]对深季节冻土区的涵洞温度场进行了现场检测，对涵洞外侧、顶部、外壁及洞内的温度变化规律进行了详细阐述，为深季节冻土区涵洞的设计与施工提供参考。随着室内试验技术和计算机的发展，对季冻区隧道温度场的研究也趋向多元化。馮强等[5]在现场温度测试的基础上，进行室内试验测定了衬砌的导热系数，为后续的温度场数值模拟确定了参数;严浩[6]利用有限元软件FLUENT模拟了杀虎口隧道洞内温度场，并得到了隧道进出口围岩的冻结范围和深度，为隧道保温层的设计提供了参考;高焱等[7]采用数值分析的方法，对不同气温、围岩地温以及有无保温层等情况下寒区隧道温度场分布规律进行了研究，并对隧道防寒保温提出了建议。

虽然对温度场的研究由现场测试扩展到了室内试验和数值模拟，但现场温度测试是进行后续工作的基础，并且不同地区的隧道存在不同规律的温度场，因此，现场温度测试仍然是不可或缺的一环。而在上述现场温度测试的诸多研究中，大多建立在既有运营隧道的基础上，对寒区或季冻区隧道施工期间温度测试的研究较少。目前，在大量季冻区隧道施工的背景下，非常有必要对季冻区隧道施工期间温度分布及传播规律进行深入研究分析。本文以绵阳至九寨沟高速公路白马隧道为依托，在隧道进行洞口段施工时，通过隧道内、外气温及围岩温度的现场监测，对季冻区隧道洞口段施工温度变化及传播规律进行了分析总结，并以此为依据提出了保温防冻建议。

2 现场测试方案

在建绵-九高速白马隧道长约13 km，为左、右线分离式隧道，隧址区地形起伏大，隧道最大埋深为1 092 m，平均设计海拔约为2 245 m。白马隧道属于亚热带山地湿润季风气候，进口段位于九寨沟县，年平均气温7.3 ℃，极端最低温-3.7 ℃;进口段位于平武县，年平均气温14.7 ℃，极端最低温-7 ℃[8]。并且，工程区内大约从10月到4月初存在季节性结冰现象，持续时间长。因此，白马隧道是典型的季冻区隧道，在冬季施工时，为保证施工安全和施工进度，应加强对隧道内、外以及围岩内温度变化的监测，并对隧道的抗防冻措施提出建议。

本次施工现场温度监测在2016年10月～2017年1月之间，历时3个月，正处于白马隧道冬季洞口施工期，并且测试期间经历了隧道未通风、通风、施做初支及二衬四个阶段。如图1所示，隧道掘进至180 m后、第一个车行横通道前采用压入式通风[9]，由于外界温度变化对隧道影响存在一定范围内，因此选取距洞口50 m、100 m和150 m的断面A-A、断面B-B和断面C-C作为测试断面，同时在洞外放置温度记录仪测试洞外温度。本次测试项目包括：①隧道洞内、外大气温度;②隧道内热源产生的温度;③隧道围岩及衬砌温度。具体测试方案如下。

2.1 洞外大气温度

采用5个RC-4温度记录仪（图2）放置于洞外不同位置处，每隔1 h自动记录温度，最终由5个温度记录仪的平均读数，得到洞外温度随时间变化规律。

2.2 洞内大气温度

考虑洞外大气温度对洞内温度影响范围的限制，在隧道内选取断面A-A、断面B-B和断面C-C进行洞内空气温度的测试，采用RC-4温度记录仪每隔1 h自动记录温度，得到洞内温度随时间变化规律。

2.3 热源温度

隧道内施工过程中挖掘机、空压机、现浇衬砌和爆破等均会产生热量，从而影响隧道内的温度。采用便携式温度采集仪（图2）对这些热源的温度进行采集。

2.4 围岩及衬砌温度

采用3k电阻式温度计（图2）分别在断面A-A、断面B-B和断面C-C处对隧道围岩和衬砌温度进行监测。安装及测试方法如下：在断面初支并喷射混凝土后，在距地面1 m高处沿径向钻一个3 m深的孔，如图3所示，将6个温度传感器按相应间距绑在钢筋上并插入孔中，将电线集中在衬砌外以方便记录数据。

3 测试结果及分析

3.1 洞内外温度变化规律

根据隧道内外自动记录的气温数据，得到2016年10月至2017年1月间的洞内外温度变化曲线，如图4所示，对比四条曲线，可以得出以下规律：

（1）隧道內外温度总体呈现降低趋势，在2016年12月至2017年1月温度略有回升;洞外最高、最低温度分别为21.2 ℃、-7.2 ℃，洞内最高、最低温度分别为14.5 ℃、-4.8 ℃。

（2）当隧道外日均气温趋于稳定时，由于昼夜温差大的原因，隧道外温度变化大致呈现正弦分布状态，而在隧道内没有这种规律;当隧道外日均气温不趋于稳定时，如在2016年10月21日～28日、2016年11月5～9日、2016年11月21日～25日和2016年12月13日～17日，隧道外温度出现骤降，昼夜温差减小而不出现正弦分布状态，此时，隧道内温度变化趋势与隧道外相一致，说明在一段时间内，隧道内气温会随隧道外气温的变化而变化。

（3）洞外温度变化幅度在10～20 ℃之间，远大于洞内5～10 ℃的变化幅度，这是由于隧道内缺乏太阳的直射作用以及围岩本身的热量的作用，使得洞内昼夜温差小于洞外。

（4）测试时施工现场采用压入式通风，由实际断面位置及图4中三个断面温度变化曲线可知，距离风管出口越近的断面，温度变化越大。

3.2 围岩温度变化规律

围岩温度变化监测可分为三个阶段：施工通风开始前、施工通风开始后二次衬砌施做前和二次衬砌施做后。横断面围岩温度变化曲线如图5所示，三个断面温度变化规律大致相同，现分析如下：

（1）未进行施工通风时，受到洞内外空气对流及活塞风的影响，洞内空气温度变化与洞外呈现一致的降低趋势，并且越靠近洞身的测点温度降低的幅度越大;在空气流动与洞内热源发热对洞内温度的共同影响下，各种机械、爆破放热占主导地位，因此越靠近洞身的测点温度越高;对比三个断面在此阶段的温度变化，越远离洞口的断面受到洞外温度影响就越小，并且测点1～4温度变化越趋于一致，而测点5、6由于插入围岩内一定深度，其变化几乎不受外界温度影响。

（2）在隧道掘进至180 m后，进行施工通风，由于外界冷空气的引入，围岩温度会进一步降低，并且越靠近洞身温度降低幅度越大，一段时间后，洞外温差减小及风管摩擦生热作用，围岩温度达到稳定，此时越靠近洞身围岩温度越低;对比三个断面在此阶段的温度变化，越远离洞口的断面各测点的温度梯度越不明显，这说明在远离洞口的过程中，围岩温度影响深度在降低。

（3）在施做二衬后，由于混凝土内部的化学反应放热，极大地增高了围岩的温度，且越靠近洞身温度上升越快;在拆模后，随着混凝土内部反应结束和通风的作用，二衬及围岩温度降低并趋于稳定，并且越靠近洞口温度降低幅度越大，围岩温度梯度也越大。

（4）除了二衬施工放热期间，测点6温度几乎不发生变化，说明在洞口段施工时，外界温度变化对围岩影响深度约为3 m。

4 抗防冻措施

目前隧道防冻措施主要有以下3种：供热法、防寒门法和敷设隔热保温层法[10]。陈建勋等[11]对隧道温度测试数据进行了详细分析，认为隧道保温层对减轻隧道冻害是有利的;刘立军[12]以隧道衬砌冻融危害为出发点，通过对隧道现场温度的监测与分析，对隧道保温层的设置提出了建议;袁金秀等[13]采用“围岩-衬砌-保温层-空气”气固耦合计算模型对寒区隧道保温层进行研究，经分析得保温层最优厚度为5 cm，最优铺挂方式为衬砌内表面铺设。

为了在上述学者提出的抗防冻措施的基础上对白马隧道保温抗冻措施提供建议，本文对围岩内部温度传播速率的特点进行了探讨。在进行施工通风前，对同一时间三个断面各测点绘制温度曲线，如图6所示，横坐标为测点与洞身的距离。

可以看出，在断面A-A和断面B-B处，围岩温度传播速率在测点4即距洞身0.99 m处变缓，而断面C-C处围岩温度传播速率在测点3即距洞身0.66 m处变缓，并且围岩绝大部分温度变化均发生在围岩温度传播速率变缓点之前。可以推测，在隧道向前掘进的过程中，围岩温度传播速率变缓点会越来越靠近洞身，因此，隧道保温措施应靠近隧道内壁，为施工方便，建议保温层铺设于隧道表面，并应以现场实测数据为参考采取不同的铺设厚度。

在现场实际测试中，发现白马隧道除在隧道表面铺设保温层材料进行保温外，还采用防寒门法配合供热法进行保温。在洞口用专门特制的保温卷帘门封闭隧道，使得隧道内温度不低于5 ℃，在门帘上设置0.5 m×0.5 m的排烟口用以排烟，同时在保温门内设火炉进行辅助升温，确保隧道内温度维持在一定范围内。

5 结论与建议

在季冻区白马隧道冬季洞口段施工期间，对隧道内外的空气温度、热源温度以及围岩内部温度进行历时3个月的监测和数据采集，对季冻区隧道温度的分布及传播规律进行了分析和总结，并得到以下结论与建议：

（1）季冻区隧道内外气温均存在正负温交替现象，除降温期间，季冻区隧道外气温大致呈正弦分布，隧道内气温会随隧道外气温的变化而变化，且距离风管越近的断面气温变化幅度越大。

（2）洞口段围岩温度变化规律不仅和通风断面距洞口距离、围岩距洞身距离有关，也和施工通风、二衬施做有关。距洞口、洞身越远，围岩受到洞内外气温的影响越小;进行施工通风后，洞内气温进一步降低，并且越靠近洞身温度越低;二衬施做能使围岩温度骤升，在一段时间后趋于平稳。

（3）离洞身越近的断面，围岩呈现的温度梯度越明显;在洞口段施工时，除了二衬施工放热期间，测点6温度几乎不发生，说明外界温度变化对围岩影响深度约为3 m。

（4）在隧道掘进的过程中，围岩内部温度传播速率的变缓点越来越接近洞身，因此建议隧道保温层铺设于隧道表面，并采用不同的铺设厚度。

参考文献

[1] 宋鹤，叶朝良，米俊峰，等.吉图珲客运专线后安山隧道温度场分布规律测试及分析[J].铁道标准设计，2015，59（7）：119-123.

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[3] 叶朝良，张梓鸿，王月.深季节冻土区涵洞温度场分布规律测试分析[J].铁道标准设计，2017，61（8）：16-20+26.

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