寒區(qū)特長公路隧道溫度場(chǎng)測(cè)試與分析

鐘小春

(中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410117)

高緯度或高海拔寒冷地區(qū)的隧道，特別是多年凍土地區(qū)的隧道，常存在特殊的凍害問題，如隧道襯砌因凍脹而開裂、酥碎、剝落；隧道頂部、邊墻掛冰，底部積冰；隧道洞門墻開裂等[1]。凍害一旦發(fā)生，不僅會(huì)使隧道襯砌遭到不同程度的破壞，而且隧道襯砌掛(積)冰、凍脹還會(huì)侵入隧道的建筑限界危及行車安全。

掌握隧道溫度場(chǎng)分布對(duì)于凍害問題的處理具有重要意義。對(duì)此，姚偉等[2]根據(jù)寒區(qū)隧道的研究現(xiàn)狀，對(duì)寒區(qū)隧道凍害種類、影響因素、形成機(jī)理等進(jìn)行了詳細(xì)闡述；李昊波等[3]通過數(shù)值模擬手段研究了寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，并討論了風(fēng)速風(fēng)溫對(duì)溫度分布影響；鄒一川等[4]借助實(shí)際隧道工程，對(duì)隧道洞內(nèi)氣溫及不同部位、不同深度的圍巖溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，研究了其分布規(guī)律；鄭余朝等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值仿真研究了隧道溫度場(chǎng)及其影響因素；宋鶴等[6]對(duì)實(shí)際寒區(qū)隧道工程展開溫度測(cè)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；李思等[7]借助現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值仿真和理論推導(dǎo)研究了寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律。

本文依托位于青海省的某公路隧道工程，該隧道位于高海拔高寒地區(qū)，極端低溫使其受凍害問題困擾。通過對(duì)該隧道的氣溫、地溫及襯砌溫度展開監(jiān)測(cè)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，希望為同類工程的防凍設(shè)計(jì)提供參考和建議。

1 工程概況

該隧道位于青海省天峻縣西南，平面總體呈舒緩的“S”型，見圖1。起于關(guān)角山北側(cè)布哈河右岸階地與斜坡交接部位，呈近北向南走向穿越山脊后，止于關(guān)角山南側(cè)斜坡上。凈高5 m，凈寬11 m ，計(jì)算行車速度100 km/h，行車荷載公路—Ⅰ級(jí)。左線于公路測(cè)設(shè)里程ZK207+577-ZK211+215段，全長3 590 m，屬特長隧道；右線于公路測(cè)設(shè)里程K207+570-K211+160段，全長3638 m，屬特長隧道。

圖1 隧道位置

凍害問題的產(chǎn)生與隧址氣象、水文及圍巖條件息息相關(guān)，對(duì)該工程實(shí)際情況分述如下。

1.1 氣象條件

隧址所在區(qū)縣屬大陸性高原氣候，寒長暑短，四季不分明，無霜期短，日溫差大，多風(fēng)少雨，蒸發(fā)量大等特點(diǎn)。其縣內(nèi)平均氣溫在攝氏零度以下，為-1.1 ℃，各地區(qū)氣溫的分布，主要受地勢(shì)影響，海拔愈高氣溫愈低。極端最高氣溫28 ℃，極端最低氣溫-35.8 ℃，無霜期32天。大風(fēng)日數(shù)較多，砂塵暴日數(shù)5.4天，全年平均大風(fēng)日數(shù)為70天，平均風(fēng)速為3.6 m/s，最大風(fēng)速為24 m/s。

1.2 水文條件

隧址位于布哈河水系，其發(fā)源于疏勒南山，流經(jīng)縣境南半部，在江河火車站出境，注入青海湖，是內(nèi)陸地河流，全長218 km，(包括上游段的陽康河)。流域面積13 523.43 km2，占全縣面積的52.59%，發(fā)源地海拔4 350 m，出境處3 260 m，總落差1 090 m，平均比降1/200。

1.3 圍巖條件

隧址區(qū)域主要分布有角礫巖、砂巖及白云巖，綜合各因素及隧道圍巖主要工程地質(zhì)特征，圍巖級(jí)別劃分結(jié)果為：Ⅴ級(jí)圍巖場(chǎng)1 235 m，占全隧道長度的32.8%，Ⅳ級(jí)圍巖段長度1 905 m，占全隧道長度的50.6%，Ⅲ級(jí)圍巖段長625 m，占全隧道長度的16.6%。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 氣象測(cè)試

目前寒區(qū)隧道工程設(shè)計(jì)中，多依據(jù)當(dāng)?shù)厥锌h一級(jí)氣象部門提供的區(qū)域氣象資料。這些氣象資料往往來自于鄰近城市及平原地區(qū)，而山嶺隧道多處于氣候更為惡劣、位置更為偏遠(yuǎn)的山區(qū)，數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)于山區(qū)預(yù)測(cè)誤差較大。因此，有必要對(duì)隧址區(qū)域局部氣象條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

采用PC-4型便攜式自動(dòng)氣象站對(duì)隧址氣象進(jìn)行測(cè)量。在隧道進(jìn)口端距離隧道洞口50 m左右、地勢(shì)較高、人為影響小而又能代表隧道洞外氣溫的位置安放PC-4氣象站，見圖2，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)處每日的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓等氣象要素的變化情況。

圖2 氣象站布置

2.2 圍巖溫度監(jiān)測(cè)

掌握隧道的地溫分布，分析其分布規(guī)律，可預(yù)測(cè)隧道易發(fā)生凍害或凍脹破壞的區(qū)域，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)施工方案，保障隧道的施工運(yùn)營安全。因此，在距離隧道進(jìn)口500 m處安裝地溫測(cè)試設(shè)備，如圖3所示。

圖3 溫度測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)布置

對(duì)圍巖向內(nèi)1 m、2 m、3 m、3.5 m、初期支護(hù)內(nèi)部溫度與隧道內(nèi)氣溫進(jìn)行了長期監(jiān)測(cè)，測(cè)溫孔位置見圖4。

圖4 測(cè)溫孔位置

2.3 襯砌表面溫度測(cè)試

隧道襯砌表面溫度測(cè)量儀器選用RC-5溫度U盤。襯砌表面溫度監(jiān)測(cè)斷面同地溫監(jiān)測(cè)斷面，在其拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻處共布置7個(gè)溫度U盤。

測(cè)點(diǎn)位置及溫度U盤布置情況見圖5。

圖5 襯砌表面溫度測(cè)試部位與現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 洞口氣溫?cái)?shù)據(jù)分析

通過PC-4小型氣象站對(duì)隧址區(qū)氣候信息進(jìn)行長時(shí)間數(shù)據(jù)采集，獲得隧道進(jìn)口日平均氣溫及地表以下1 m、0.5 m處土壤平均溫度的變化情況，如圖6所示。

圖6 隧道進(jìn)口端洞外日平均氣溫與地表以下1m、0.5m處土壤平均溫度對(duì)比

對(duì)圖6所示的洞外日平均氣溫與地表以下1 m、0.5 m處土壤日平均溫度變化情況對(duì)比分析，由三者的整體趨勢(shì)可知，土壤溫度的整體變化幅度較外界氣溫的整體變化幅度較小，且埋深越深，波動(dòng)幅度越?。煌寥罍囟鹊淖兓^外界氣溫變化有一定的相位差。

由圖7可知，三者月平均氣溫均表現(xiàn)出三角函數(shù)型變化趨勢(shì)。對(duì)比地表以下1 m與0.5 m處的土壤月平均溫度可知，1 m處的土壤月平均溫度變化幅度相對(duì)0.5 m處的較小，且二者溫度相比外界氣溫皆略高，尤其在春季以后，溫度相比于外界氣溫而言有了較為明顯的提升。

圖7 進(jìn)口月平均氣溫與地表下1m、0.5m土壤溫度

3.2 圍巖溫度數(shù)據(jù)分析

根據(jù)長時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得距離進(jìn)口500 m處，圍巖日平均溫度變化情況，如圖8所示。

圖8 距隧道進(jìn)口500m處日平均地溫

由圖8可知，圍巖內(nèi)3.5 m處的日平均溫度略高于圍巖內(nèi)3 m處的日平均溫度，均為未受到外界太多干擾的初始地溫。圍巖內(nèi)2 m處的日平均溫度高于3.5 m處與3 m處，此處的圍巖溫度已開始受到外界溫度的干擾。圍巖內(nèi)1 m處的日平均氣溫與初期支護(hù)內(nèi)部溫度已較為接近。由于此斷面在地溫測(cè)試階段處于未施作二襯及防水板的狀態(tài)，因此原定置于初期支護(hù)與防水板間、二襯與防水板間以及二襯內(nèi)部的測(cè)點(diǎn)暫時(shí)置于外部空氣中，所測(cè)溫度為測(cè)試斷面的氣溫，從變化規(guī)律來看，三者較為吻合，稍有偏差應(yīng)與儀器本身誤差有關(guān)。此外，隨徑向深度的增加，日平均溫度的變化幅度越來越小，即圍巖溫度受隧道內(nèi)氣流溫度的影響逐漸減小。

以初支外側(cè)面原點(diǎn)，沿隧道徑向向內(nèi)為正，向外為負(fù)，對(duì)圍巖內(nèi)3.5 m、3 m、2 m、1 m及初支內(nèi)5個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度值與測(cè)點(diǎn)的徑向深度關(guān)系進(jìn)行非線性曲線擬合，見圖9。

圖9 測(cè)點(diǎn)平均溫度曲線函數(shù)擬合

得到擬合函數(shù)y=-0.09729x-3+0.77375x-2+0.42182x-1+4.90662，擬合殘差R2為0.996 75，由該擬合函數(shù)圖像發(fā)展趨勢(shì)在x=7處趨于平穩(wěn)可預(yù)測(cè)進(jìn)口500 m斷面施工期間對(duì)圍巖溫度的影響深度約為7 m，該處平均溫度值約為4.95 ℃。該點(diǎn)徑向再深處受外界溫度的影響極小。

3.3 襯砌表面溫度數(shù)據(jù)分析

測(cè)試斷面各位置處二襯表面溫度平均溫度對(duì)比情況如圖10所示。

圖10 進(jìn)口500m處各位置二襯表面平均溫度對(duì)比

由圖10可知，隧道內(nèi)各斷面各位置二襯表面溫度與洞外氣溫變化規(guī)律較為一致，隨著縱向深度的增加，隧道內(nèi)溫度的變化受洞外氣溫的影響越來越小，變化幅度也逐漸減小。沿隧道橫向各位置的平均溫度大小為拱頂溫度>拱腰溫度>拱腳溫度>邊墻溫度，符合熱空氣在上，冷空氣在下的變化規(guī)律。由于左線右側(cè)為行人及行車主要方向，受人為因素干擾大，且左線左側(cè)設(shè)有通風(fēng)管道，管道某些部位破損向外噴射冷空氣，隧道左側(cè)各部位二襯表面平均溫度略低于隧道右側(cè)相同位置。

4 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得到結(jié)論：

(1)隧道進(jìn)口處地表土壤溫度的整體變化幅度較外界氣溫的整體變化幅度較小，且埋深越深，波動(dòng)幅度越??；洞口月平均氣溫呈現(xiàn)三角函數(shù)型變化趨勢(shì)。

(2)隨徑向深度的增加，圍巖日平均溫度的變化幅度越來越小，即圍巖溫度受隧道內(nèi)氣流溫度的影響逐漸減小。經(jīng)預(yù)測(cè)，該斷面圍巖溫度受影響深度約為7 m。

(3)隧道橫斷面各位置襯砌表面溫度分布規(guī)律為：拱頂溫度>拱腰溫度>拱腳溫度>邊墻溫度，符合熱空氣在上，冷空氣在下的變化規(guī)律。