拉日铁路沿线气温轨温观测研究

管新武

中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西省铁道及地下交通工程重点实验室，西安 710043

拉萨—日喀则铁路（以下简称拉日铁路）地处青藏高原西南部的“一江两河”（雅鲁藏布江及其两大支流拉萨河、年楚河）腹地，沿线海拔3 700～4 000 m。

钢轨温度（轨温）作为无缝线路应用的一个重要参数，一般取当地有史以来的极端气温作为无缝线路设计和管理的基本依据。最高轨温取当地最高气温加20 ℃，最低轨温取当地最低气温［1-2］。这一规定是我国无缝线路铺设应用经验的总结，适用于我国广大地区的无缝线路设计和运营管理，并经过长期应用实践证明是科学合理的。

拉日铁路通过地区属高原温带亚干旱气候区，具有长冬无夏、春秋相连、空气相对湿度小、昼夜气温差异明显、天气变化剧烈、日照强烈（向阳面与背阴处温度差异大）的特点［3］。特殊的高原气候特征和日照条件对无缝线路的设计、铺设以及养护维修都带来了不同于内地的新问题。

为掌握拉日铁路沿线环境温度和钢轨温度的变化及关系，在拉日铁路建设过程中，沿线建立了3个气温轨温观测站，进行气温、轨温的观测，研究气温轨温变化规律及关系。

1 观测站选址及观测方法

1.1 观测站选址

拉日铁路基本走向为东西向，沿线气温基本不受纬度效应影响。在青藏高原，高度每升高100 m，温度降低约 0.55～0.7 ℃［4］，地形条件对局部气温的影响较大，地形条件和垂直气候对沿线气温的影响较为明显。根据拉日铁路沿线地形地貌特点，按地貌单元类别选择有代表性位置建立观测站。

拉萨至雅江峡谷区出口（拉萨河、雅江宽谷区）段线路起伏不大，海拔高度3 590～3 660 m。选择在拉萨河特大桥曲水端桥头建立曲水气温轨温监测站。

大竹卡至日喀则（雅江、年楚河宽谷区）线路海拔高度在3 810～3 990 m，本段以吉琼垭口为界，以东为雅江宽谷区，以西为年楚河宽谷区。雅江、年楚河宽谷区地形条件相似，线路高程接近，但河谷区主导风向不同。因此在两条河谷区分别建立观测站。选择在圣殿山隧道出口附近（铁路施工项目部旁边的变电站）建立气温轨温监测站，代表雅江宽谷区气候环境。在联卓2 号特大桥附近（铁路施工项目部综合拌和站内）建立气温轨温监测站，代表年楚河宽谷区气候环境。

曲水、大竹卡和日喀则三个气温轨温观测站于2012年2月21日建成，同时进行数据观测记录。

1.2 观测及数据采集方法

采取气温、轨温同步观测记录方法，观测期为一年。

轨温观测：设置模拟碎石道床轨道结构，为抵消日照直射影响，在钢轨腰部阴阳面各粘贴一个轨温传感器进行轨温监测（取二者平均值）。轨温观测见图1。

图1 轨温观测装置

气温观测：按小型气象站气温观测要求设置离地面高度不小于1.2 m 的百叶箱，箱内悬挂气温传感器进行气温观测。气温观测装置见图2。

图2 气温观测装置

数据采集：采用多通道数据纪录仪，每间隔30 min同步采集钢轨腰部阴阳面温度和百叶箱内气温。

2 数据分析及气温轨温变化特点

2.1 观测期极值温度特点

通过筛选各测站观测期最高、最低气温轨温，最大日气温差、轨温差，最大年气温差、轨温差、气温轨温差等极值特征数据，得到观测期各测站极端温度见表1。观测数据与沿线气象资料（表2）基本吻合。局部地形地貌差别对小气候影响是观测数据与气象资料有少许差别的主要原因。

由表1、表2可以看出：

表1 观测期温度及温差极值 ℃

表2 拉日铁路沿线气象资料 ℃

1）观测期内拉日铁路沿线年最大气温差未超过50 ℃，年最大轨温差不超过70 ℃，表现出典型的“冬无严寒，夏无酷暑”的低纬度、高海拔气候特征，无缝线路锁定轨温设计相对自由。

2）日气温变化高出内地（一般不超过15 ℃，最大不超过20 ℃）气温变化范围。拉日铁路沿线昼夜气温变化剧烈，气温陡升陡降，表现出低纬度、高海拔，辐射强烈的特点，主要原因是日照辐射强烈、植被稀少。

3）日轨温变化超出内地（最大不超过40 ℃）范围。青藏线格拉段气温轨温试验中也监测到了40 ℃以上的日轨温差［4］，说明在青藏高原强烈的日照条件下，日轨温差超过40 ℃具有一定的普遍性。

4）最大气温轨温差一般不超过20 ℃。观测期仅在曲水站7～12月时段观测到超过20 ℃的日气温轨温差，其余测站均未观测到。曲水站观测到的最大气温轨温差为27.5 ℃（气温、轨温不同步达峰），当日最高轨温和最高气温差最大为23.9 ℃。青藏线格拉段气温轨温监测中也出现了19 d 气温轨温差超出20 ℃的数据［5-6］。

曲水观测站位于拉日铁路施工项目部院内，距离围墙和硬化地坪均不小于5 m，避免了围墙遮挡和硬化地坪辐射影响，但通风条件较差。而大竹卡观测站模拟轨道设置在配电房顶，日喀则观测站模拟轨道设置在混凝土柱顶，通风条件良好。通风不良可能是造成曲水站出现超过20 ℃气温轨温差的原因。

5）观测期模拟轨道钢轨腰部阴阳面同一时刻温差可达4～6 ℃，最大达到8.2 ℃。说明青藏高原太阳辐射强烈，测量钢轨温度时应考虑日照直射影响，以往单点监测的钢轨温度存在较大偏差。

2.2日极值温度特点

通过筛选各观测站日最高、最低气温轨温及其出现时间，同一时刻气温轨温差，日最大气温、轨温差等日极值特征数据。日极值温度变化以春夏季较为剧烈，秋冬季相对缓和。截取春夏季观测期内各测站日极端气温、轨温及其温差变化曲线见图3。

图3 极端气温、轨温及其温差变化曲线

由图3可以看出：

1）各观测站日最高气温、轨温均出现在下午至日落前，日最高轨温、气温达峰时间不同步，最高轨温峰值一般出现在最高气温峰值前。

2）日气温变化7～10月份相对缓和，其余时间日气温差超过15 ℃非常普遍（曲水站76%，大竹卡站68%，日喀则站69%）。日气温差超过20 ℃的观测数据一般在11月至次年3月时段出现（曲水站30 d，大竹卡站22 d，日喀则站22 d）。

3）日轨温变化11月至次年3月相对剧烈，日轨温差超过25 ℃非常普遍（曲水站92%，大竹卡站67%，日喀则站61%），超过30 ℃基本达到1/3 以上（曲水站73%，大竹卡站31%，日喀则站34%）。日轨温差超过40 ℃的在曲水站观测到26 d，在日喀则站观测到2 d，大竹卡站未观测到，具有一定的普遍性。

4）观测期各测站24 h 观测记录中，基本上每天都会出现一段轨温低于气温的时段（以下简称“负温区”）。负温区温差一般为1～3 ℃，最大不超过5 ℃，负温区温差波动较小。负温区现象在哈尔滨铁路局［7］、青藏线格拉段气温轨温监测［5］中均得到验证。

5）日最高气温、轨温和最低气温、轨温随季节变化趋势明显。日最大轨温差与季节变化关系不明显；日最大气温差在冬、春季较大，在夏、秋季较小；日最大气温轨温差在冬、春季较小，在夏、秋季较大。

6）日极端气温、轨温存在一定的相关性。日最高气温与最高轨温具有一定相关性，但离散性较大，主要因日轨温气温达峰时间不同步所致。日最低气温与最低轨温同步性好，相关性非常高，见表3。

表3日最高、最低气温轨温相关性系数

7）日最大轨温差和气温差、气轨温差存在一定的相关性，但离散性较大，主要与短期天气变化剧烈程度有关，见表4。

表4日最大气温差、轨温差、气温轨温差相关性系数

2.3月均值变化趋势

为了消除短期天气变化影响，分析一定时期内气温轨温变化规律，按月进行24 h 均值统计，选出具有代表性的月份变化曲线，如图4所示。

图4 曲水站、大竹卡站、日喀则站年气温轨温（月均值）变化曲线

由图4可以看出：

1）最低轨温、气温同步性非常高，一般出现在日出前1～2 h。负温区气温轨温差冬季大，夏季小。

2）最高轨温、气温峰值明显，未出现高温平台，轨温、气温出现峰值时间不同步，一般最高轨温峰值出现在最高气温峰值前。

3）相比于冬季，夏季高温峰较宽，与日照时间呈正相关性。

4）春、秋季轨温上升速率大于下降速率，气温上升速率低于下降速率。夏季轨温、气温升降速率基本相当。曲水站、大竹卡站冬季轨温上升、下降速率基本相当，气温上升速率慢于下降速率；日喀则站轨温、气温上升速率均慢于下降速率。

5）各观测站日最高气温、轨温峰值均出现在下午至日落前1 h，出现时段见表5。轨温峰值出现时间提前在春秋季较显著，提前可达2.5 h至3.0 h；而在冬夏季提前较短，约为0.5～1.5 h；夏季在晴朗天气条件下基本同步。最低轨温、气温同步性非常高，一般出现在日出前1～2 h。

表5日最高气温、轨温峰值出现时段

3 青藏高原地区无缝线路设计注意事项

根据对拉日铁路沿线气温、轨温观测数据的研究分析，结合国内无缝线路设计应用经验，总结青藏高原地区无缝线路设计的相关注意事项如下。

1）青藏高原地区气温轨温的关系超出了现行规范规定，在设计过程中应予以充分考虑，确保无缝线路安全、可靠。

无缝线路设计规范中规定最低轨温取最低气温，最高轨温为最高气温加20 ℃。根据实际观测结果，青藏高原地区最低轨温比最低气温低0～5 ℃，且最低轨温与最低气温峰值同步性较好，因此，最低轨温的应取最低气温减5 ℃；最高气温轨温峰值的不同步，且最高轨温一般不会超出最高气温20 ℃，一般地段可按现行规范设计，但在日照充分、通风不良的路堑地段，应按最高气温加25 ℃进行无缝线路稳定性检算。

2）高原地区年极端温差较小，检算可满足铺设跨区间无缝线路的要求，但应慎重铺设跨区间无缝线路。

高原地区年极端温差较小，按照常规的无缝线路检算完全可以满足铺设跨区间无缝线路的要求。但沿线日气温差高出内地（一般不超过15 ℃，最大不超过20 ℃），日轨温变化超出内地（最大不超过40 ℃），剧烈的轨温变化导致无缝线路温度应力交变速度快、频率高，可能导致缓冲区接头松动，在道岔可伸缩部位产生较大幅度的循环伸缩，导致道岔转换受阻等安全隐患。因此，高原地区应慎重铺设跨区间无缝线路，应重点关注缓冲区、道岔可动部位连接部件的可靠性［8］。

基于此，拉日铁路全线采用有缝道岔，铺设区间无缝线路，在缓冲区第一接头采用施必牢螺栓螺母确保接头可靠性，保证了无缝线路安全性。

3）青藏高原地区太阳辐射强烈，可在钢轨腰部阴阳面产生较大温差。应注意道岔尖轨等缺乏横向约束的钢轨日照侧弯问题，有条件时道岔应安装密贴检查器。

4）根据拉日铁路沿线气温、轨温变化特点，每年9月下旬至10月底每天有较长时段在锁定轨温上下10 ℃范围内浮动，有利于安排无缝线路进行起拨道、清筛换枕等维修作业。作业后经过冬春季的温度下降，有利于长钢轨温度应力均匀化。

4 结论

本文基于拉日铁路建设，针对高原地区昼夜气温差异明显、天气变化剧烈、日照强烈的特点，为合理设计无缝线路开展了气温轨温观测研究，有效指导了拉日铁路无缝线路的设计。拉日铁路开通运营七年来，无缝线路服役状态良好，验证了相关研究结果的可靠性，对高原地区无缝线路设计与应用具有重要的借鉴意义，得出的主要结论如下。

1）拉日铁路沿线年气温轨温条件较青藏线格拉段缓和，呈现低纬度、高海拔气候特征，有利于铺设无缝线路，锁定轨温设计相对自由。

2）青藏高原地区气温轨温的关系超出了现行规范规定，最低轨温应取最低气温减5 ℃，最高轨温一般地段可按现行规范设计，但在日照充分、通风不良的路堑地段，应取最高气温加25 ℃。

3）高原地区年极端温差较小，检算可满足铺设跨区间无缝线路的要求，但应慎重铺设跨区间无缝线路。