高寒公路隧道溫度場分布規(guī)律

劉瑞全 李 云

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，中國 重慶 400074）

0 引言

季節(jié)性凍土區(qū)和一般地區(qū)隧道道溫度場的變化規(guī)律國內(nèi)目前已經(jīng)開展了大量的研究[1-4]。陳建勛對秦青公路上的梯子嶺隧道進行了溫度場的現(xiàn)場測試和分析，得出了隧道洞內(nèi)外溫度隨徑深，時間的變化規(guī)律，以及最大凍結(jié)深度的分布規(guī)律。何川在線鷓鴣山隧道進行了溫度場進行了測試和分析，得出了隧道洞內(nèi)外溫度的年變化規(guī)律。吳紫汪對青海大坂山公路隧道進口段進行了溫度場的現(xiàn)場測試和研究，得出了隧道洞內(nèi)和隧道襯砌的溫度變化規(guī)律。但是以上文獻關(guān)于青藏和高原永久凍土區(qū)的隧道溫度場特性提及不多。

1 溫度場測試內(nèi)容

1.1 測試時間和頻率

結(jié)合隧址所在地區(qū)氣象資料，隧址區(qū)歷年年平均氣溫≧-4.2℃的時間段為4月2日至11月2日，日最低氣溫普遍出現(xiàn)在6-8時，日最高氣溫普遍出現(xiàn)在13時。按以上氣象數(shù)據(jù)制定監(jiān)測頻率：4至11月每月監(jiān)測4次，12月至次年三月每月監(jiān)測8次，每天監(jiān)測時間：1：00、8：00、13：00、20：00，如果偶遇特殊天氣，可以適當加測。

1.2 監(jiān)測斷面布設(shè)

溫度測試過程當中集中將主洞進口k329+710-k330+280 范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)體和圍巖圈以及洞外環(huán)境作為溫度監(jiān)測段；進設(shè)置7 個溫度監(jiān)測斷面如下圖1 所示：

圖1 溫度監(jiān)測斷面布置圖

1.3 測點埋設(shè)

1.3.1 二襯鋼筋施工完成后，將溫度計綁扎在二襯鋼筋上，等待二襯混凝土澆筑完成，完成測點的埋設(shè)；二襯表面的溫度將測溫元件用粘膠布粘貼在脫模的混凝土表面。

1.3.2 2、4、11、13 號斷面用來檢測仰拱不同深度的混凝土溫度，必須抓住仰拱施做鋼筋的時段，將測溫元件綁扎于仰拱鋼筋的不同部位，混凝土澆筑完成，完成測點埋設(shè)。

1.3.3 圍巖中測溫元器件的埋設(shè)，必須先用電鉆打孔，孔深1500mm、孔徑45mm，清孔后澆筑滿水泥砂漿，最后整理好測線。

2 溫度場分布規(guī)律

2.1 洞內(nèi)外氣溫的相互關(guān)系

通過2012年4月至2013年4月一年時間內(nèi)，姜路嶺隧道進口外界和洞內(nèi)實測氣溫數(shù)據(jù)分析，溫度的變化具有明顯的規(guī)律性和周期性。

本文采用氣象學(xué)中常用的數(shù)理統(tǒng)計方法——正弦函數(shù)回歸法對該隧址區(qū)洞外氣溫和隧道內(nèi)氣溫年變化曲線進行擬合，該擬合方程形式如下：

上式中：

T(Φ)——日平均氣溫；

Φ——天數(shù)；

Φ0——日相位；

t——年平均溫度；

A——年氣溫振幅；

由于姜路嶺隧道目前尚未貫通，現(xiàn)只擬合貫通前進口的掘進縱深，隧道內(nèi)以及隧道外不同位置的氣溫的擬合參數(shù)：

表1 姜路嶺隧道進口段外界氣溫及洞內(nèi)氣溫擬合參數(shù)

圖2 給出了姜路嶺隧道進不同開挖掌子面樁號處外界氣溫和隧道內(nèi)氣溫的擬合曲線。由擬合曲線可以看出：隧址區(qū)的外界環(huán)境溫度在每年12月初至次年4月初為負溫時間段，2月的月平均氣溫達到了最小值。隧道的凍害情況也相應(yīng)的發(fā)生在本月，在本月也是溫度監(jiān)控量測的關(guān)鍵月份。

圖2 進口外界氣溫及洞內(nèi)氣溫日變化曲線

2.2 隧道內(nèi)圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)溫度的環(huán)向分布規(guī)律

要切合實際的選擇隧道的保溫材料之前，必須充分的認識該保溫材料所應(yīng)用的環(huán)境溫度、圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的環(huán)向溫度分布規(guī)律和材料本身的性能。我們通過安裝在姜路嶺隧道進口的7 個溫度監(jiān)測斷面的測溫元件，經(jīng)過為期一年的觀測記錄，得到了如下的溫度分布曲線：

圖3 進口2月份圍巖及襯砌溫度環(huán)向變化曲線

圖4 進口8月份圍巖及襯砌溫度環(huán)向變化曲線

從上面的曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)：

①沿隧道環(huán)向，從襯砌表面到圍巖，由淺到深，深處的溫度變化總是滯后于同一樁號處淺處的溫度，最終與襯砌表面溫度達到統(tǒng)一；

②圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)溫度在徑深約3m 處變化幅度較大，說明環(huán)境溫度對圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)在環(huán)向方向上的影響具有一定的范圍，該范圍之內(nèi)的圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的溫度將隨著環(huán)境溫度的變化而變化，在該范圍之外的圍巖溫度趨于穩(wěn)定；

③進口目前已開挖區(qū)段范圍之內(nèi)二襯甚至圍巖在環(huán)向方向上都呈現(xiàn)負溫度，而且隨著環(huán)境溫度的降低，負溫區(qū)相對應(yīng)的凍結(jié)區(qū)也逐漸增大；離洞口越近，凍結(jié)區(qū)越大，離掌子面越近，凍結(jié)區(qū)越??；

④隨著距隧道洞口距離的增加，溫度的變化幅度逐漸減小，在任意樁號環(huán)向方向上也呈現(xiàn)此變化規(guī)律。

2.3 隧道內(nèi)圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)溫度的縱向分布規(guī)律

圖5 進口2月份圍巖及襯砌溫度縱向變化曲線

圖6 進口8月份圍巖及襯砌溫度縱向變化曲線

從上面的曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)：

①在2月份，從洞口到掌子面方向，隨著距洞口距離的增大，襯砌表面溫度遞增，但是最大值小于0°；8月份，從洞口到掌子面方向，隨著距洞口距離的增大，襯砌表面溫度遞減，最小值大于0°；

②隨著距隧道洞口距離的增加，溫度的變化幅度逐漸減小，在任意樁號環(huán)向方向上也呈現(xiàn)此變化規(guī)律；

③2月由于洞內(nèi)施工車輛等排放熱量，洞內(nèi)實際氣溫比洞口和外界高；8月由于原巖溫度較低，洞內(nèi)實際氣溫比洞口和外界溫度低；

④隧道洞口及洞外環(huán)境溫度對洞內(nèi)圍巖、襯砌溫度的環(huán)向影響具有一定的范圍，沿著縱向方向，在距離洞口350m 范圍之外，圍巖、襯砌溫度受洞口及洞外環(huán)境溫度影響較小。

3 結(jié)語

通過對依托工程溫度場的現(xiàn)場監(jiān)控量測，得到了詳實的數(shù)據(jù)資料，接著采用正弦函數(shù)回歸法對該隧址區(qū)外界氣溫和隧道內(nèi)氣溫年變化曲線進行擬合，得到了：（1）青藏高原高海拔地區(qū)公路隧道洞內(nèi)外氣溫的相互關(guān)系；（2）隧道內(nèi)圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)溫度的環(huán)向變化規(guī)律；（3）隧道內(nèi)圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)溫度的縱向變化規(guī)律；為我國在青藏高寒高海拔地區(qū)的公路隧道建設(shè)當中保溫層和防寒泄水洞的設(shè)置提供的可靠的基礎(chǔ)資料。

［1］何川，謝紅強.多場耦合分析在隧道工程中的應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

Hechuan XieHongqiang.Application of multiaspect coupling-analysis in tunnel construction[M].Chengdu：The Southeast Traffic University Press.

［2］陳建勛，羅彥斌.寒冷地區(qū)隧道溫度場的變化規(guī)律[J].交通運輸工程學(xué)報，2008，8(2)：44-48.

ChenJianxun，LuoYanbin.The variety regular pattern of temperature field in cold regions[J].The Traffic Engineering Journal，2008，8(2)：44-48.

［3］賴遠明，劉松玉，吳紫汪.寒區(qū)擋土墻溫度場、滲流場和應(yīng)力場耦合問題的非線性分析[J].土木工程學(xué)報，2003，36(6)：88-95.

Lai Yuanming，Liu Songyu，Wu Ziwang.Nonlinear analyses for retaining walls in frigid zone-a coupled problem of temperature，seepage，and stress fields [J].China Civil Engineering Journal，2003，36(6)：88-95.

［4］吳紫汪，賴遠明，臧思穆，等.寒區(qū)隧道工程[M].北京：海洋出版社，2003.

Wu Ziwang，Lai Yuanming，Zang Simu.Tunnel engineering in cold regions[M].BeiJing：The Ocean Press，2003.