吉圖琿客運(yùn)專線后安山隧道溫度場分布規(guī)律測試及分析

宋 鶴，葉朝良，米俊峰，徐治中

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院， 石家莊 050043； 2.中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，西安 710038；3.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

吉圖琿客運(yùn)專線后安山隧道溫度場分布規(guī)律測試及分析

宋 鶴1，葉朝良1，米俊峰2，徐治中3

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院， 石家莊 050043； 2.中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，西安 710038；3.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

以寒區(qū)后安山隧道工程為依托，通過對試驗(yàn)段溫度場的測試，分析襯砌圍巖溫度分布規(guī)律、洞內(nèi)縱向溫度分布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，對保溫板的保溫效果進(jìn)行探討，分析結(jié)果表明：(1)邊墻、拱腰、拱頂部位各測點(diǎn)隨時(shí)間的變化規(guī)律成正弦函數(shù)，并和外界氣溫同步變化；距離襯砌表面60 cm內(nèi)溫度變化最為劇烈；在徑向3 m范圍內(nèi)，圍巖內(nèi)溫度呈線性變化趨勢；圍巖徑向存在一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度邊界條件；隧道貫通后，各測點(diǎn)的溫度下降3 ℃左右。(2)隧道縱向溫度場沿路線呈拋物線分布，寒季為開口向下的拋物線，暖季則相反；進(jìn)入隧道500 m后洞內(nèi)氣溫受洞外氣溫的影響逐漸減弱，溫度分布也逐漸均勻。(3)保溫板內(nèi)外兩側(cè)溫度差最大9.21 ℃，證明其具有良好的保溫效果；建議在隧道防寒保溫段采取非等厚保溫板的鋪設(shè)方法更為經(jīng)濟(jì)合理。

鐵路隧道；寒區(qū)隧道；溫度場；保溫板；現(xiàn)場測試

目前，由于對隧道溫度場分布規(guī)律認(rèn)識不足和對防凍措施的合理采用缺乏經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致寒區(qū)隧道工程遇到很多凍害問題，如：襯砌因凍脹產(chǎn)生大面積裂縫、襯砌背部出現(xiàn)融解漏水、隧道拱部出現(xiàn)冰柱等，嚴(yán)重威脅著隧道工程的安全穩(wěn)定。數(shù)十年來，國內(nèi)外學(xué)者針對凍害問題，通過現(xiàn)場測試[1-4]、室內(nèi)試驗(yàn)[5-8]、數(shù)值模擬[9-12]等手段對隧道內(nèi)溫度場的分布規(guī)律、保溫板保溫效果、防凍措施等方面開展了大量的研究。

在現(xiàn)有的研究成果中，關(guān)于溫度場的分布規(guī)律和保溫板的效果研究已有很多，但由于隧道所處地理位置、工程地質(zhì)條件、復(fù)雜環(huán)境以及施工技術(shù)水平的影響，仍然存在很多問題值得進(jìn)一步研究。因此，以后安山隧道為依托，對襯砌圍巖、洞內(nèi)溫度進(jìn)行長達(dá)1年多的測試，分析了襯砌圍巖溫度分布規(guī)律、洞內(nèi)縱向溫度分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，對保溫板的隔熱效果進(jìn)行了探討。

1 工程概況

后安山隧道位于吉林省圖們市東嘎呀河?xùn)|岸，起訖里程GDK306+029～GDK312+580，為雙線隧道，全長6551 m，隧道凈空面積92 m2，是吉圖琿客運(yùn)專線第二長大隧道之一。隧道地處低山丘陵區(qū)，地勢起伏較大，地面高程100～460 m，相對高差約360 m。隧道進(jìn)口處地形陡峻，自然坡度大于45°，出口地形較為緩和，自然坡度小于15°。隧址區(qū)植被發(fā)育，樹林茂密，植被覆蓋率約80%。隧道穿越的主要地層為二疊系柯島組(P1k)，表層為殘破積的粗角礫土，下伏強(qiáng)-弱風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，具變質(zhì)性，節(jié)理、裂隙發(fā)育。隧址區(qū)地處北緯43°，年平均氣溫為5.9 ℃，極端最高氣溫為37.7 ℃，極端最低氣溫為-42.5 ℃，最冷月1月份平均氣溫-10.3～-23.4 ℃。土壤最大凍結(jié)深度達(dá)192 cm，施工期間隧道極易產(chǎn)生凍害。在隧道里程GDK312+580～GDK311+859段，在初次襯砌和二次襯砌間鋪設(shè)兩層防水板內(nèi)夾一層5 cm厚聚氨酯保溫板。

2 溫度場監(jiān)測方案

為了得到襯砌圍巖溫度場分布規(guī)律、隧道縱向溫度分布規(guī)律，驗(yàn)證保溫板的隔熱效果，在隧道中選取典型斷面進(jìn)行測試，具體方案如下。

(1)圍巖及襯砌溫度監(jiān)測方案

在保溫段中選取斷面DK312+095，對圍巖及襯砌溫度進(jìn)行監(jiān)測。圍巖及襯砌溫度測試采用JMT-36B型溫度傳感器。在斷面DK312+095上對稱布設(shè)4條測線，測試傳感器見圖1，分別位于左邊墻、左拱腰、右拱腰、右邊墻。每條測線上布設(shè)溫度測點(diǎn)7個(gè)，分別在1號(二次襯砌中心)、2號(二次襯砌與防水板之間)、3號(防水板與初期支護(hù)之間)、4號(初期支護(hù)外50 cm)、5號(初期支護(hù)外100 cm)、6號(初期支護(hù)外200 cm)、7號(初期支護(hù)外300 cm)。拱頂布設(shè)1條測線，布設(shè)溫度測點(diǎn)3個(gè)，分別為1號(二次襯砌中心)、2號(二次襯砌與防水板之間)、3號(防水板與初期支護(hù)之間)。5條測線從左邊墻開始按順時(shí)針編號，分別為測線D1、D2、D3、D4、D5，側(cè)線上的測點(diǎn)從隧道向圍巖以數(shù)字1、2、3等編號。如D4-3表示右拱腰上防水板與初期支護(hù)之間的測點(diǎn)。

圖1 隧道斷面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽?/p>

(2)洞內(nèi)縱向溫度場監(jiān)測方案

從洞門開始布設(shè)懸掛式溫度濕度計(jì)，共計(jì)布設(shè)18個(gè)點(diǎn)，布置于墻腰下便于讀數(shù)。布置位置為Z1號(出口洞門)、Z2號(距洞門25 m)、Z3號(距洞門50 m)、Z4號(距洞門100 m)、Z5號(距洞門200 m)、Z6號(距洞門500 m)、Z7號(距洞門1 000 m)、Z8號(距洞門2 000 m)、Z9號(距洞門3 000 m)，詳見圖2。

圖2 隧道洞內(nèi)溫度濕度計(jì)布置示意(單位：m)

3 溫度場測試結(jié)果分析

3.1 襯砌圍巖溫度場分布規(guī)律

通過長達(dá)1年零1個(gè)月(2013年3月至2014年4月)的測試，其中隧道在2013年11月貫通，得到襯砌圍巖體內(nèi)不同測線、不同深度處的溫度分布時(shí)程曲線，如圖3所示。

圖3 各測點(diǎn)時(shí)程曲線

由圖3可以看出：各個(gè)測點(diǎn)隨時(shí)間的變化規(guī)律基本相同，呈正弦函數(shù)分布，從3月份開始各測點(diǎn)的溫度先升高到降低再升高。到2014年3、4月份又呈現(xiàn)出和2013年3、4月份相同的規(guī)律。各測點(diǎn)隨時(shí)間的變化規(guī)律基本和外界氣溫同步變化，即都在外界環(huán)境溫度最高的7月和8月時(shí)達(dá)到最大值，在外界環(huán)境溫度最低的11月、12月和1月時(shí)達(dá)到最低值。同一測線上7個(gè)測點(diǎn)的相同月份月平均溫度呈下降趨勢，即距離隧道越遠(yuǎn)，溫度越低，說明各測點(diǎn)受施工影響越來越小，受地溫影響越來越大。

隧道在2013年11月貫通后，各測點(diǎn)隨時(shí)間的變化規(guī)律與貫通前相同，但是由于空氣對流的影響，各測點(diǎn)的溫度有下降的趨勢，下降3 ℃左右。

為了比較同一測線上圍巖沿徑向的溫度分布規(guī)律，從測試時(shí)間中選取5月、7月、9月、11月、1月、3月這6個(gè)月，將同一測線上的測點(diǎn)隨時(shí)間的變化規(guī)律繪制在一張圖上，如圖4所示。

圖4 各測點(diǎn)沿徑向溫度分布規(guī)律

從圖4可以得出：不同月份時(shí)，D1測線沿著徑向的溫度變化規(guī)律相同，并和季節(jié)是同步變化的。距襯砌表面60 cm范圍內(nèi)受洞內(nèi)溫度影響最大，溫度變化最為劇烈，相對于圍巖中的測點(diǎn)，溫度值也是最高的。圍巖內(nèi)溫度變化相對平緩，在徑向3 m范圍內(nèi)，沿深度的變化基本呈線性變化趨勢。D1-2和D1-3兩個(gè)測點(diǎn)之間有雙層防水板夾保溫板，兩者溫度相差較大，呈現(xiàn)出直線下降的趨勢。D1-3后各點(diǎn)溫度變化不明顯，且有逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，說明隨著徑向深度的增加，洞內(nèi)氣溫對隧道周邊圍巖的影響逐漸減弱。所以可以得出隧道徑向存在一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度邊界條件。

D2、D3、D4、D5測線呈現(xiàn)出和D1測線相同的規(guī)律。

3.2 后安山隧道縱向溫度場分布規(guī)律

課題組對后安山隧道各斷面處的氣溫進(jìn)行了長達(dá)1年零2個(gè)月的詳細(xì)監(jiān)測，監(jiān)測頻率為開始時(shí)1 d/次逐漸變?yōu)? d/次。

隧道各斷面處的溫度變化時(shí)程曲線見圖5。

圖5 各斷面溫度變化時(shí)程曲線

從圖5可以看出，從2013年1月份到5月份，出口洞門溫度最低，且隨著月份的增加溫度逐漸回升。對于相同月份，距離洞門越遠(yuǎn)，各斷面溫度越高，且都隨著月份的增加溫度逐漸回升。6～10月份呈現(xiàn)出和1～5月份完全不同的規(guī)律，出口洞門溫度最高，且在外界環(huán)境溫度最高的7、8月份時(shí)達(dá)到極值。其他測點(diǎn)距離洞門越遠(yuǎn)，溫度越低。測點(diǎn)Z1～Z9相鄰斷面的溫度降低和溫度回升都比前一個(gè)斷面滯后或提前半個(gè)月左右。2013年11月份隧道貫通后又呈現(xiàn)出和1～5月份相同的規(guī)律。Z6、Z7、Z8、Z9測點(diǎn)的溫度分布比較集中，幾乎可以用一條曲線代替，說明進(jìn)入隧道500 m后洞內(nèi)氣溫受洞外氣溫的影響逐漸減弱，氣溫分布也逐漸均勻。

為了得到隧道沿縱向的溫度分布規(guī)律，將隧道內(nèi)各點(diǎn)的月平均溫度沿縱向連接起來。從測試時(shí)間中選取寒季12月、1月和暖季7月、8月繪制溫度沿縱向分布圖(圖6)。

圖6 溫度沿縱向溫度場分布

圖6表明：隧道縱向溫度場沿路線呈拋物線分布。寒季為開口向下的拋物線，洞口端溫度最低，中間溫度較高，這說明隧道內(nèi)氣溫高于外界大氣溫度。在2013年7月和8月，距洞門500、1 000、2 000、3 000 m的Z6、Z7、Z8、Z9測點(diǎn)處未進(jìn)行施工，無測試數(shù)據(jù)。在隧道貫通后，2014年7月時(shí)對隧道內(nèi)溫度進(jìn)行加測，如圖6(e)所示。從圖6(e)可以看出：暖季時(shí)為開口向上的拋物線，兩洞口端溫度高，中間溫度相對較低。

3.3 保溫板隔熱效果分析

從圖3可以看出，除了保溫板兩側(cè)的測點(diǎn)Dx-2和Dx-3，其中x表示某一測線，其他相鄰測點(diǎn)溫差0.5～1 ℃。但是保溫板兩側(cè)的測點(diǎn)溫差較大，其中，D1測線上D1-2和D1-3之間最大溫差為4.93 ℃；D2測線上D2-2和D2-3之間最大溫差5.72 ℃；D3測線上D3-2和D3-3之間最大溫差6.7 ℃；D4測線中D4-7處測溫儀器損壞，但是并不影響各個(gè)測點(diǎn)隨著時(shí)間的變化規(guī)律，D4-2和D4-3之間最大溫差6.66 ℃；D5測線上D5-2和D5-3之間最大溫差9.21 ℃。說明雙層防水板夾保溫板的防寒措施可以使其兩側(cè)溫度相差最大9.21 ℃，可以起到很好的保溫效果。

另外，從圖5可以得出，2013年時(shí)隧道出口洞門的負(fù)溫天數(shù)長達(dá)3個(gè)月，最低溫度在-16.17 ℃；距洞門25、50 m處，負(fù)溫天數(shù)均為2個(gè)月，最低溫度分別為-12.02 ℃和-7.54 ℃；距洞門100 m處的負(fù)溫天數(shù)只有1個(gè)月，最低溫度在-3.02 ℃；而在距洞門200 m處的溫度全部高于0 ℃，由此得出，隧道在距洞門200 m范圍內(nèi)鋪設(shè)5 cm厚的保溫板仍有可能產(chǎn)生凍害。另外，根據(jù)測試數(shù)據(jù)知，從洞門向內(nèi)溫度迅速增加，溫度差較大，采用統(tǒng)一厚度的保溫板極不合理。對于寒區(qū)長大隧道，建議在隧道防寒保溫段范圍內(nèi)采取非等厚保溫板的鋪設(shè)方法會(huì)使防凍效果更好，更為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)合理。

4 結(jié)語

通過對后安山隧道溫度場的現(xiàn)場監(jiān)控量測，可得出以下結(jié)論。

(1)邊墻、拱腰、拱頂部位各測點(diǎn)隨時(shí)間的變化規(guī)律成正弦函數(shù)變化，并和外界氣溫同步變化；距離襯砌表面60 cm內(nèi)溫度變化最為劇烈；在徑向3 m范圍內(nèi)，圍巖內(nèi)溫度呈線性變化趨勢；圍巖徑向存在一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度邊界條件；隧道貫通后，各測點(diǎn)的溫度下降3 ℃左右。

(2)進(jìn)入隧道500 m后洞內(nèi)氣溫受洞外氣溫的影響逐漸減弱，氣溫分布也逐漸均勻；隧道縱向溫度場沿路線呈拋物線分布，寒季為開口向下的拋物線，洞口端溫度最低，中間溫度較高，暖季則相反。

(3)保溫板兩側(cè)溫度相差最大9.21 ℃，說明其可以起到很好的保溫效果。建議在隧道防寒保溫段采取非等厚保溫板的鋪設(shè)方法更為經(jīng)濟(jì)合理。

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The Test and Analysis of Temperature Field Distribution in Houanshan Tunnel of Jilin-Tumen-Hunchun Passenger Delicated Railway Line

SONG He1， YE Chao-liang1， MI Jun-feng2， XU Zhi-zhong3

(1.College of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， 050043， China; 2.First Engineering Limited Company of China Railway 12thBureau， Xi’an 710038 China; 3.China Railway Engineering Design & Consultant Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

With reference to Houanshan tunnel engineering in cold region， the temperature distribution of lining， surrounding rock and the vertical temperature distribution are analyzed with the test of temperature field in the test section and the effect of thermal insulation board is addressed. The results show that: (1) the changes of side wall， arch waist， crown point at each site tend to be a sine function over the time and go synchronously with the outside air temperature; temperature changes dramatically within 60cm from the lining surface; within 3 m radial range， the temperature of surrounding rock changes linearly; relatively stable temperature boundary condition exists in the radial surrounding rock; after tunnel holing-through， the temperature of each test point drops by 3 ℃; (2) the longitudinal temperature field along the route is distributed in the pattern of a parabola， which is a downward opening in cold season and just the opposite in warm season; the temperature at 500 m inside the tunnel drops gradually on account of the influence of outside air temperature and the temperature distribution becomes uniform gradually; (3) the maximum temperature difference between internal side and external side of the insulation board is 9.21 ℃， indicating good insulation effect of the board. Insulation boards of different thickness are proved cost-effective for use in tunnel insulation section．

Railway tunnel; Tunnel in cold region; Temperature field; Insulation board; Site test

2014-09-28；

2014-10-19

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012G0061-F)

宋鶴(1989—)，女，碩士研究生，E-mail：1010061336@qq.com。

1004-2954(2015)07-0119-05

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.027