寒区特长公路隧道温度场测试与分析

钟小春

(中铁五局集团第一工程有限责任公司， 湖南长沙 410117)

高纬度或高海拔寒冷地区的隧道，特别是多年冻土地区的隧道，常存在特殊的冻害问题，如隧道衬砌因冻胀而开裂、酥碎、剥落；隧道顶部、边墙挂冰，底部积冰；隧道洞门墙开裂等[1]。冻害一旦发生，不仅会使隧道衬砌遭到不同程度的破坏，而且隧道衬砌挂(积)冰、冻胀还会侵入隧道的建筑限界危及行车安全。

掌握隧道温度场分布对于冻害问题的处理具有重要意义。对此，姚伟等[2]根据寒区隧道的研究现状，对寒区隧道冻害种类、影响因素、形成机理等进行了详细阐述；李昊波等[3]通过数值模拟手段研究了寒区隧道温度场的分布规律，并讨论了风速风温对温度分布影响；邹一川等[4]借助实际隧道工程，对隧道洞内气温及不同部位、不同深度的围岩温度进行了监测分析，研究了其分布规律；郑余朝等[5]通过现场实测和数值仿真研究了隧道温度场及其影响因素；宋鹤等[6]对实际寒区隧道工程展开温度测试，分析了衬砌围岩温度分布规律、洞内纵向温度分布规律；李思等[7]借助现场实测、数值仿真和理论推导研究了寒区隧道温度场分布规律。

本文依托位于青海省的某公路隧道工程，该隧道位于高海拔高寒地区，极端低温使其受冻害问题困扰。通过对该隧道的气温、地温及衬砌温度展开监测，对实测数据进行分析，希望为同类工程的防冻设计提供参考和建议。

1 工程概况

该隧道位于青海省天峻县西南，平面总体呈舒缓的“S”型，见图1。起于关角山北侧布哈河右岸阶地与斜坡交接部位，呈近北向南走向穿越山脊后，止于关角山南侧斜坡上。净高5 m，净宽11 m ，计算行车速度100 km/h，行车荷载公路—Ⅰ级。左线于公路测设里程ZK207+577-ZK211+215段，全长3 590 m，属特长隧道；右线于公路测设里程K207+570-K211+160段，全长3638 m，属特长隧道。

图1 隧道位置

冻害问题的产生与隧址气象、水文及围岩条件息息相关，对该工程实际情况分述如下。

1.1 气象条件

隧址所在区县属大陆性高原气候，寒长暑短，四季不分明，无霜期短，日温差大，多风少雨，蒸发量大等特点。其县内平均气温在摄氏零度以下，为-1.1 ℃，各地区气温的分布，主要受地势影响，海拔愈高气温愈低。极端最高气温28 ℃，极端最低气温-35.8 ℃，无霜期32天。大风日数较多，砂尘暴日数5.4天，全年平均大风日数为70天，平均风速为3.6 m/s，最大风速为24 m/s。

1.2 水文条件

隧址位于布哈河水系，其发源于疏勒南山，流经县境南半部，在江河火车站出境，注入青海湖，是内陆地河流，全长218 km，(包括上游段的阳康河)。流域面积13 523.43 km2，占全县面积的52.59%，发源地海拔4 350 m，出境处3 260 m，总落差1 090 m，平均比降1/200。

1.3 围岩条件

隧址区域主要分布有角砾岩、砂岩及白云岩，综合各因素及隧道围岩主要工程地质特征，围岩级别划分结果为：Ⅴ级围岩场1 235 m，占全隧道长度的32.8%，Ⅳ级围岩段长度1 905 m，占全隧道长度的50.6%，Ⅲ级围岩段长625 m，占全隧道长度的16.6%。

2 现场监测

2.1 气象测试

目前寒区隧道工程设计中，多依据当地市县一级气象部门提供的区域气象资料。这些气象资料往往来自于邻近城市及平原地区，而山岭隧道多处于气候更为恶劣、位置更为偏远的山区，数值预报模式对于山区预测误差较大。因此，有必要对隧址区域局部气象条件进行监测。

采用PC-4型便携式自动气象站对隧址气象进行测量。在隧道进口端距离隧道洞口50 m左右、地势较高、人为影响小而又能代表隧道洞外气温的位置安放PC-4气象站，见图2，监测测点处每日的风向、风速、温度、湿度、气压等气象要素的变化情况。

图2 气象站布置

2.2 围岩温度监测

掌握隧道的地温分布，分析其分布规律，可预测隧道易发生冻害或冻胀破坏的区域，及时调整设计施工方案，保障隧道的施工运营安全。因此，在距离隧道进口500 m处安装地温测试设备，如图3所示。

图3 温度测试仪现场布置

对围岩向内1 m、2 m、3 m、3.5 m、初期支护内部温度与隧道内气温进行了长期监测，测温孔位置见图4。

图4 测温孔位置

2.3 衬砌表面温度测试

隧道衬砌表面温度测量仪器选用RC-5温度U盘。衬砌表面温度监测断面同地温监测断面，在其拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右边墙处共布置7个温度U盘。

测点位置及温度U盘布置情况见图5。

图5 衬砌表面温度测试部位与现场布设

3 监测结果分析

3.1 洞口气温数据分析

通过PC-4小型气象站对隧址区气候信息进行长时间数据采集，获得隧道进口日平均气温及地表以下1 m、0.5 m处土壤平均温度的变化情况，如图6所示。

图6 隧道进口端洞外日平均气温与地表以下1m、0.5m处土壤平均温度对比

对图6所示的洞外日平均气温与地表以下1 m、0.5 m处土壤日平均温度变化情况对比分析，由三者的整体趋势可知，土壤温度的整体变化幅度较外界气温的整体变化幅度较小，且埋深越深，波动幅度越小；土壤温度的变化较外界气温变化有一定的相位差。

由图7可知，三者月平均气温均表现出三角函数型变化趋势。对比地表以下1 m与0.5 m处的土壤月平均温度可知，1 m处的土壤月平均温度变化幅度相对0.5 m处的较小，且二者温度相比外界气温皆略高，尤其在春季以后，温度相比于外界气温而言有了较为明显的提升。

图7 进口月平均气温与地表下1m、0.5m土壤温度

3.2 围岩温度数据分析

根据长时间的监测数据，获得距离进口500 m处，围岩日平均温度变化情况，如图8所示。

图8 距隧道进口500m处日平均地温

由图8可知，围岩内3.5 m处的日平均温度略高于围岩内3 m处的日平均温度，均为未受到外界太多干扰的初始地温。围岩内2 m处的日平均温度高于3.5 m处与3 m处，此处的围岩温度已开始受到外界温度的干扰。围岩内1 m处的日平均气温与初期支护内部温度已较为接近。由于此断面在地温测试阶段处于未施作二衬及防水板的状态，因此原定置于初期支护与防水板间、二衬与防水板间以及二衬内部的测点暂时置于外部空气中，所测温度为测试断面的气温，从变化规律来看，三者较为吻合，稍有偏差应与仪器本身误差有关。此外，随径向深度的增加，日平均温度的变化幅度越来越小，即围岩温度受隧道内气流温度的影响逐渐减小。

以初支外侧面原点，沿隧道径向向内为正，向外为负，对围岩内3.5 m、3 m、2 m、1 m及初支内5个测点的平均温度值与测点的径向深度关系进行非线性曲线拟合，见图9。

图9 测点平均温度曲线函数拟合

得到拟合函数y=-0.09729x-3+0.77375x-2+0.42182x-1+4.90662，拟合残差R2为0.996 75，由该拟合函数图像发展趋势在x=7处趋于平稳可预测进口500 m断面施工期间对围岩温度的影响深度约为7 m，该处平均温度值约为4.95 ℃。该点径向再深处受外界温度的影响极小。

3.3 衬砌表面温度数据分析

测试断面各位置处二衬表面温度平均温度对比情况如图10所示。

图10 进口500m处各位置二衬表面平均温度对比

由图10可知，隧道内各断面各位置二衬表面温度与洞外气温变化规律较为一致，随着纵向深度的增加，隧道内温度的变化受洞外气温的影响越来越小，变化幅度也逐渐减小。沿隧道横向各位置的平均温度大小为拱顶温度>拱腰温度>拱脚温度>边墙温度，符合热空气在上，冷空气在下的变化规律。由于左线右侧为行人及行车主要方向，受人为因素干扰大，且左线左侧设有通风管道，管道某些部位破损向外喷射冷空气，隧道左侧各部位二衬表面平均温度略低于隧道右侧相同位置。

4 结论

通过对现场监测数据的对比分析，可以得到结论：

(1)隧道进口处地表土壤温度的整体变化幅度较外界气温的整体变化幅度较小，且埋深越深，波动幅度越小；洞口月平均气温呈现三角函数型变化趋势。

(2)随径向深度的增加，围岩日平均温度的变化幅度越来越小，即围岩温度受隧道内气流温度的影响逐渐减小。经预测，该断面围岩温度受影响深度约为7 m。

(3)隧道横断面各位置衬砌表面温度分布规律为：拱顶温度>拱腰温度>拱脚温度>边墙温度，符合热空气在上，冷空气在下的变化规律。