寒區(qū)隧道洞內(nèi)溫度場分布規(guī)律及防寒設(shè)計(jì)探討

田四明,王 偉,呂 剛,劉建友,張礦三,高 焱,丁云飛，俞 濤

(1.中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；3.淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院,江蘇淮安 223003； 4.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200071)

引言

隨著我國鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在嚴(yán)寒地區(qū)修建鐵路隧道的數(shù)量不斷增多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前在建和即將開工建設(shè)的嚴(yán)寒地區(qū)隧道長度超過1 000 km[1]。由于這些地區(qū)冬天氣溫低，部分隧道地下水豐富，施工條件差，工程管理難度大，如果防寒工程措施設(shè)計(jì)或施工不到位，極易形成凍害。并且一旦形成隧道凍害，整治難度大、整治費(fèi)用高，部分隧道甚至因嚴(yán)重凍害而導(dǎo)致隧道報(bào)廢[2-3]。

20世紀(jì)80年代初建成的新疆天山2號(hào)隧道，由于隧道滲漏極為嚴(yán)重，在冬季形成掛冰和凍結(jié)，對(duì)隧道運(yùn)營產(chǎn)生嚴(yán)重影響；青藏鐵路西寧—格爾木段的關(guān)角隧道，出現(xiàn)了道床冬季上鼓、夏季翻漿冒泥和下沉，襯砌縱、橫、斜向裂縫以及滲水掛冰等凍害[4]；雞鳴驛隧道由于冬季氣候寒冷，排水溝凍結(jié)而使隧道排水不暢，造成隧道襯砌背后產(chǎn)生凍脹、路面結(jié)冰等病害[5]。隧道凍害問題嚴(yán)重影響行車安全，威脅隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，降低隧道的使用年限以及增加隧道的維護(hù)費(fèi)用等。

目前，寒區(qū)隧道研究主要圍繞隧道溫度場理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)測等3個(gè)方面。數(shù)值與理論解析方面，賴遠(yuǎn)明等[6]基于傳熱學(xué)和滲流理論，采用伽遼金法推導(dǎo)出寒區(qū)隧道溫度場和滲流場的有限元解析解；張國柱等[7]基于疊加原理和貝塞爾特征函數(shù)得出寒區(qū)隧道縱向和徑向溫度分布解析解，為寒區(qū)隧道的設(shè)防長度提供一種簡便的計(jì)算方法；周小涵[8]采用有限差分計(jì)算模型，綜合考慮寒區(qū)隧道圍巖、襯砌和空氣氣流間的對(duì)流換熱影響，基于非穩(wěn)定傳熱微分方程編制出一套用于計(jì)算隧道溫度場的軟件(TTCS)；于建游等[9]以金家莊特長螺旋隧道為依托，采用現(xiàn)場實(shí)測、理論分析和COMSOL數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，確定了圍巖初始溫度與保溫層設(shè)置厚度之間的數(shù)學(xué)計(jì)算表達(dá)式；高焱等[10]基于疊加原理、分離變量法和貝塞爾特征函數(shù)，求解出列車活塞風(fēng)對(duì)寒區(qū)隧道溫度場的解析解，并通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)列車時(shí)速和頻率對(duì)溫度場的影響較大?，F(xiàn)場實(shí)測方面，葉朝良等[11]以國內(nèi)35座寒區(qū)隧道實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了寒區(qū)隧道防寒保溫段的設(shè)防長度計(jì)算方法；王仁遠(yuǎn)等[12]以正盤山隧道實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用有限元軟件研究分析隧道溫度場的分布規(guī)律，為隧道后期防寒工作提供理論數(shù)據(jù)支持；宋冶等[13]通過對(duì)青藏鐵路昆侖山隧道和風(fēng)火山隧道從施工、竣工到運(yùn)行等3個(gè)階段歷時(shí)5年的洞內(nèi)氣溫和圍巖溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高原季風(fēng)嚴(yán)重影響隧道熱穩(wěn)定性狀態(tài)；王群等[14]以青藏鐵路風(fēng)火山隧道為研究對(duì)象，結(jié)合長期現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)利用有限元軟件對(duì)其溫度場進(jìn)行反演；呼梟[15]以殺虎口隧道為研究對(duì)象，建立隧道溫度及凍害監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)隧道凍害以襯砌滲漏水、開裂為主；鄭波等[16]基于10座典型川西高原隧道實(shí)測數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬及綜合分析等方法系統(tǒng)研究了川西高原隧道洞內(nèi)溫度場時(shí)空分布規(guī)律；高焱等[17]調(diào)研分析了156座寒區(qū)隧道，發(fā)現(xiàn)早期修建的隧道因排水系統(tǒng)不完善造成滲水，而導(dǎo)致隧道襯砌開裂、掛冰等病害；趙希望等[18]以榆樹川隧道為例，結(jié)合現(xiàn)場溫度、風(fēng)速和風(fēng)向?qū)崪y數(shù)據(jù)，研究了隧道溫度場分布規(guī)律及隧道設(shè)防長度。

大量工程實(shí)踐表明，隧道凍害主要是防排水和防凍問題。以吉圖琿高鐵沿線10余座寒區(qū)隧道現(xiàn)場長期實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探究寒區(qū)隧道溫度場變化規(guī)律及其防寒措施，以期為寒區(qū)隧道防凍害研究及設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 吉圖琿高鐵隧道溫度場現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

1.1 吉圖琿高鐵概況

吉圖琿高鐵起點(diǎn)位于吉林省吉林市，終點(diǎn)位于地處中俄朝三國交界的暉春市，途經(jīng)吉林市、蛟河市、敦化市、安圖縣、延吉市、圖們市、暉春市7個(gè)縣市區(qū)，全線設(shè)9座車站，新建正線360.6 km，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km。工程于2011年開工建設(shè)，其中，隧道86座，總長156 km，占線路總長度的44 %，最長隧道為拉法山隧道，長10 028 m，建成后與長吉城際鐵路共同構(gòu)成長春至?xí)煷嚎焖倏瓦\(yùn)通道。

吉圖琿高鐵經(jīng)過地區(qū)屬于北亞溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫1.0～6.8 ℃，1月份平均氣溫-10.3～-23.4 ℃，7月份平均氣溫20.5～23.9 ℃；極端最高氣溫36.3～37.7 ℃，極端最低氣溫-29.2～-42.5 ℃，年降水量528～670 mm，主要集中于6～8月；年平均蒸發(fā)量948.9～1 445.6 mm；平均相對(duì)濕度64%～76%；全年平均風(fēng)速2.2～3.1 m/s，最大風(fēng)速18～20 m/s。該區(qū)處于嚴(yán)寒地區(qū)，為重度季節(jié)凍土區(qū)，沿線凍結(jié)深度為1.67～1.92 m，每年從10月開始凍結(jié)，翌年4月開始融化。冬季寒冷多雪，偏西南、西北風(fēng)，山地及背風(fēng)背陰處整個(gè)冬季積雪不化。

根據(jù)吉圖琿高鐵隧道所處地區(qū)的氣候特征，主要面臨的凍害問題有以下幾個(gè)方面。

(1)受季節(jié)性凍融、凍脹作用影響，造成結(jié)構(gòu)破壞。

(2)地下水較發(fā)育時(shí)，隧道因滲漏水造成冬季洞頂和側(cè)壁掛冰，夏季滲水，直接威脅運(yùn)營安全，給養(yǎng)護(hù)維修帶來極大困難，并會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

(3)由于冬季氣候寒冷，排水溝凍結(jié)而使隧道排水不暢，出現(xiàn)隧底冬季上鼓、夏季翻漿冒泥和下沉，嚴(yán)重影響正常行車。

(4)洞外出水口及檢查井冬季凍結(jié)，造成水溝內(nèi)水無法流動(dòng)，凍結(jié)逐步向洞內(nèi)蔓延，凍結(jié)長度不斷延伸，最后導(dǎo)致排水失效。

隧道凍害產(chǎn)生的原因很多，但究其根本主要是溫度、水、圍巖和設(shè)計(jì)施工4個(gè)方面因素。寒區(qū)隧道圍巖富含地下水，當(dāng)溫度降到圍巖凍結(jié)溫度以下時(shí)，圍巖中的水凍結(jié)，引起體積膨脹，使得抗壓強(qiáng)度小、結(jié)構(gòu)不密實(shí)、含水量大的圍巖產(chǎn)生凍脹，從而造成破壞；此外，寒區(qū)隧道在設(shè)計(jì)、施工時(shí)采取的工程措施不當(dāng)同樣是導(dǎo)致隧道發(fā)生凍害的主要因素。

綜上分析，有必要結(jié)合本線隧道的氣候特征、地質(zhì)和水文條件，在隧道凍害整治中采取行之有效的措施，以避免或減輕凍害的發(fā)生。

1.2 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

為進(jìn)一步探究隧道凍害問題，開展隧道溫度場現(xiàn)場試驗(yàn)。測試元件安裝斷面如圖1所示。

圖1 測試元件斷面安裝示意(單位：cm)

隧道溫度場測試采用數(shù)字式溫度傳感器和自動(dòng)化儀表對(duì)吉圖琿鐵路沿線10座中長隧道洞內(nèi)溫度進(jìn)行長期監(jiān)測。隧道測試區(qū)域包含隧道全線，每隔250 m襯砌壁面安裝1臺(tái)溫度傳感器用于監(jiān)測隧道溫度變化情況。

溫度場測試傳感器采用總線型數(shù)字傳感器DS18B20，測溫范圍-50～125 ℃，精度0.1 ℃，制作成總線型測溫電纜使用(內(nèi)部采用鋼絲加強(qiáng)，外部采取屏蔽、阻燃、防水、耐低溫處理)。封裝后的測溫電纜如圖2所示。

圖2 測溫電纜

1.3 現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)吉圖琿高鐵沿線密江鄉(xiāng)1號(hào)隧道(1 908 m)、民興隧道(2 137 m)、北屯3號(hào)隧道(2 156 m)、日光山隧道(2 188 m)、榆樹川隧道(2 211 m)、富寧隧道(2 219 m)、永昌隧道(2 170 m)、哈爾巴嶺2號(hào)隧道(2 601 m)、五峰山隧道(3 690 m)和高臺(tái)隧道(3 706 m)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示年最低氣溫均處于12月份，因此，選取12月份日最低氣溫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。吉圖琿高鐵沿線隧道實(shí)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 吉圖琿高鐵沿線隧道實(shí)測數(shù)據(jù)

如圖3所示，吉圖琿高鐵沿線10座隧道縱向溫度分布曲線表現(xiàn)為隧道“兩端洞口低，中部高”的拋物線，相同時(shí)間內(nèi)距離洞口處越遠(yuǎn)溫度越高，隧道洞口處向隧道內(nèi)平均每增加100 m溫度上升1.14 ℃，溫度增長梯度在隧道洞口處最大，隨著進(jìn)深距離增大，溫度增長梯度逐漸減小。

2 隧道洞內(nèi)空氣溫度場分布規(guī)律

2.1 隧道洞內(nèi)空氣溫度計(jì)算方法

在寒區(qū)隧道防寒設(shè)計(jì)方面，目前大多采取工程類比法、經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值計(jì)算確定隧道保溫層的鋪設(shè)長度。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)如何確定設(shè)防長度進(jìn)行了大量研究，日本黑川希范[19]提出近似計(jì)算保溫段長度和洞口氣溫之間的計(jì)算公式；吳劍等[20]在黑川希范公式的基礎(chǔ)上引入海拔系數(shù)，提出了適用于高海拔寒區(qū)隧道設(shè)防長度的修正經(jīng)驗(yàn)公式；王秒等[21]以《鐵路工程技術(shù)手冊(隧道)》中保溫水溝設(shè)防長度為參數(shù)，提出保溫段設(shè)防長度與海拔高度和一月份平均氣溫之間的關(guān)系表。

目前，寒區(qū)隧道設(shè)防長度的確定主要以負(fù)溫分界線為主，忽略隧道進(jìn)出口高差或隧道內(nèi)單向氣流對(duì)隧道溫度場的影響?，F(xiàn)場溫度場實(shí)測是研究設(shè)防長度最直接有效的手段，但因其存在滯后性及監(jiān)測費(fèi)用高等缺點(diǎn)，并不具有普適性，為解決隧道缺乏溫度場實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，闡明隧道溫度場的變化規(guī)律，提出一種可根據(jù)隧道長度、洞口計(jì)算基準(zhǔn)溫度、隧道內(nèi)平均風(fēng)速明確隧道洞內(nèi)空氣溫度場變化規(guī)律的計(jì)算方法。

隧道全線溫度變化規(guī)律擬合公式為

Tx=ax2+bx+T0

(1)

(2)

將式(2)代入式(1)可得隧道溫度場分布曲線，即

(3)

隧道縱向溫度增長梯度K為

(4)

隧道洞口的溫度增長梯度為

(5)

當(dāng)隧道進(jìn)出口高差較大或隧道內(nèi)存在明顯的單向氣流，隧道內(nèi)縱向溫度分布可按式(6)計(jì)算。

(6)

式中，T0為洞口計(jì)算基準(zhǔn)溫度，取洞口環(huán)境5日平均溫度；x為距離隧道洞口長度，m；b為隧道洞口溫度增長梯度；Tmid為隧道內(nèi)中部溫度，取隧道中部5日平均溫度；a為洞口溫度增長梯度與隧道長度比值，℃/m2；L為隧道長度，m；u為隧道內(nèi)平均風(fēng)速，m/s；s為風(fēng)速調(diào)整系數(shù)，取0.001。

2.2 隧道洞內(nèi)空氣溫度計(jì)算方法的工程驗(yàn)證

為驗(yàn)證隧道內(nèi)縱向溫度分布計(jì)算公式的擬合效果，將式(6)縱向溫度分布計(jì)算公式應(yīng)用于吉圖琿高鐵沿線10座中長隧道全線實(shí)測數(shù)據(jù)中，實(shí)測數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 吉圖琿高鐵沿線10座隧道縱向溫度分布曲線

由圖4可知，吉圖琿高鐵沿線10座隧道的擬合度為67%～97%，平均擬合度為87%，擬合效果良好。擬合結(jié)果表明，吉琿高鐵沿線10座隧道洞口的溫度梯度為0.01～0.027 ℃/m，平均值0.018 4 ℃/m，90%的包絡(luò)值為0.011 4 ℃/m，即洞口處向隧道內(nèi)每100 m溫度上升1.14 ℃。

因此，寒區(qū)隧道縱向溫度分布曲線可根據(jù)隧道長度、洞口計(jì)算基準(zhǔn)溫度、隧道內(nèi)平均風(fēng)速和風(fēng)速調(diào)整系數(shù)等參數(shù)采用式(6)進(jìn)行計(jì)算。

3 隧道洞內(nèi)圍巖溫度場分布規(guī)律

根據(jù)吉圖琿沿線隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較大的參數(shù)是隧道洞內(nèi)5日平均溫度，隧道洞內(nèi)短時(shí)最低氣溫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)防寒影響不大。為進(jìn)一步探究寒區(qū)隧道溫度場，以10座隧道實(shí)際工況及實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬的方法探究洞內(nèi)氣溫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)防寒的影響。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

以吉圖琿沿線10座隧道實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸構(gòu)建襯砌-圍巖溫度場等比例有限元計(jì)算模型。為簡化計(jì)算模型，作出如下假設(shè)：(1)假設(shè)隧道襯砌、圍巖等材料均為均質(zhì)、各項(xiàng)同性；(2)假設(shè)圍巖地溫為常數(shù)；(3)假設(shè)邊界條件涉及的熱力學(xué)參數(shù)為常數(shù)。模型中材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

ANSYS中對(duì)于寒區(qū)隧道溫度場的模擬采用Soild70實(shí)體單元，建立1∶1比例橫斷面及縱向長度，不同隧道的結(jié)構(gòu)模型、劃分單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)均各不相同。以榆樹川隧道為例，建立進(jìn)深為2 211 m長等比例模型，其網(wǎng)格劃分單元204 800格，節(jié)點(diǎn)215 703個(gè)，榆樹川隧道網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。

圖5 榆樹川隧道網(wǎng)格劃分

3.2 圍巖溫度場分布規(guī)律

考慮吉圖琿地區(qū)實(shí)際氣候情況及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析，寒區(qū)隧道溫度場計(jì)算中溫度邊界條件設(shè)置為最冷月隧道洞內(nèi)5日平均溫度的最低值，計(jì)算時(shí)長為年最長凍結(jié)期210 d，模擬10座隧道極端情況下溫度場的變化情況；同時(shí)考慮有保溫層和無保溫層兩種條件下溫度場的變化情況。以榆樹川隧道為例，有保溫層和無保溫層條件下，210 d隧道洞口處溫度場如圖6所示。

圖6 榆樹川隧道洞口處溫度場

由圖6可以看出，榆樹川隧道鋪設(shè)保溫層后洞內(nèi)溫度影響范圍明顯減少，圍巖負(fù)溫段長度也逐漸減少。有保溫層情況下，洞口處隧道壁面、二襯-初襯接觸面分別為-13.80 ℃、-4.16 ℃，兩處溫差相差-9.67 ℃；無保溫層情況下，洞口處隧道壁面、二襯-初襯接觸面分別為-13.66 ℃、-11.34 ℃，兩處溫差相差-2.21 ℃。由此可見，不設(shè)置保溫層情況下隧道襯砌將遭受嚴(yán)重的凍害，鋪設(shè)保溫層是當(dāng)前常規(guī)的防寒保溫措施，但鋪設(shè)保溫層情況下外界溫度過低隧道襯砌依舊有遭受凍害的風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合榆樹川隧道2018年12月—2019年10月洞口處日最低溫度、二襯-初襯接觸面溫度及5日平均溫度實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，榆樹川隧道洞口襯砌表面與二襯-初襯接觸面測試溫度差最大為9.58 ℃，與數(shù)值模擬結(jié)果接近。榆樹川隧道實(shí)測溫度分布曲線如圖7所示。

圖7 榆樹川隧道溫度分布曲線

由圖6、圖7可知，相較于隧道壁面溫度，在有無保溫層作用下二襯-初襯接觸面均有所上升。這主要是由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)具有較好的保溫隔熱效果，隧道二襯-初襯接觸面的溫度分布曲線與隧道襯砌表面5日平均溫度曲線走向基本一致，表明隧道襯砌表面溫度波動(dòng)較大，但隧道襯砌結(jié)構(gòu)具有較好的短波濾波特性，能夠很好地過濾掉襯砌表面日溫度的波動(dòng)變化，使隧道襯砌背后溫度與襯砌表面5日平均溫度曲線一致。因此，可根據(jù)隧道洞內(nèi)5日平均溫度的最低值預(yù)測隧道二襯-初襯接觸面的最低溫度，從而判斷隧道襯砌背后是否結(jié)冰以及是否需設(shè)置鋼筋混凝土襯砌。

為進(jìn)一步驗(yàn)證隧道洞內(nèi)5日平均溫度的最低值下，隧道二襯-初襯接觸面與襯砌表面溫度差值，以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算吉圖琿高鐵沿線，剩余9座隧道的洞口溫度場變化情況。因寒區(qū)隧道進(jìn)口斷面受外界氣溫影響較大，依舊以隧道洞口作為研究對(duì)象，同時(shí)為保證斷面結(jié)果具有普適性，選取有保溫層和無保溫層作用下隧道斷面拱頂、仰拱、拱腰和邊墻處4條路徑提取溫度差，有保溫層和無保溫層工況下，襯砌表面與二襯-初襯接觸面溫度差結(jié)果如表2、表3所示。

表2 有保溫層作用下溫度差 ℃

表3 無保溫層作用下溫度差 ℃

由表2、表3可知，有、無保溫層情況下，隧道拱處、仰拱、拱腰和邊墻處部位溫度均有所差異，同一隧道斷面邊墻處溫度最低、仰拱處溫度最高。有保溫層情況下，隧道壁面與二襯-初襯接觸面極端氣候條件下溫差平均值為10 ℃；當(dāng)隧道內(nèi)二襯壁面溫度低于-10 ℃時(shí)，保溫層的保溫效果會(huì)失效，此時(shí)需與其他主動(dòng)保溫措施相結(jié)合；無保溫層情況下，隧道壁面與二襯-初襯接觸面極端氣候條件下溫差平均值為2.2 ℃；當(dāng)隧道內(nèi)二襯壁面溫度低于-2.2 ℃時(shí)，需設(shè)置保溫層。

根據(jù)吉圖琿地區(qū)環(huán)境溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，該地區(qū)5日平均溫度最低值約為-20 ℃，將該溫度設(shè)置為各隧道洞口的基準(zhǔn)溫度，由式(6)計(jì)算各隧道縱向溫度場分布情況。隧道縱向溫度分布如圖8所示。

圖8 吉圖琿高鐵隧道縱向溫度分布

由圖8可知各隧道距離洞口450～700 m后洞內(nèi)溫度將超過-10 ℃，因此，洞口段鋼筋混凝土襯砌的設(shè)置長度宜為450～700 m。

4 隧道防寒設(shè)計(jì)

(1)洞口段結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防長度

寒區(qū)隧道洞口段設(shè)置鋼筋混凝土襯砌是為防止襯砌背后圍巖結(jié)冰凍脹引起的荷載增大而導(dǎo)致襯砌破壞。因此，鋼筋混凝土襯砌的設(shè)置長度應(yīng)根據(jù)襯砌背后是否結(jié)冰來確定。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在設(shè)置保溫層情況下，隧道二襯壁面與二襯背后溫差平均值為10 ℃；無保溫層情況下，隧道二襯壁面與二襯背后溫差平均值為2.2 ℃。因此，當(dāng)隧道設(shè)置保溫層情況下，洞壁溫度低于-10 ℃時(shí)應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土襯砌，當(dāng)隧道無保溫層情況下，洞壁溫度低于-2.2 ℃時(shí)應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土襯砌。

(2)隧道保溫層設(shè)置長度

隧道保溫層的設(shè)置是為提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，防止隧道襯砌背后圍巖結(jié)冰。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，隧道二襯壁面與二襯背后溫差平均值為2.2 ℃，即當(dāng)隧道內(nèi)二襯壁面溫度低于-2.2 ℃時(shí)，應(yīng)設(shè)置保溫層。

(3)隧道中心深埋水溝的設(shè)置長度

隧道中心溝目前通常采用預(yù)制管溝，預(yù)制管溝上覆混凝土層厚度40～45 cm，與隧道二襯厚度接近。考慮到管溝上覆混凝土層的隔溫效果，可按洞內(nèi)溫度低于-2.2 ℃時(shí)，設(shè)置中心深埋水溝，即將中心水溝埋設(shè)在仰拱以下。

根據(jù)目前運(yùn)營隧道的調(diào)研，中心水溝凍結(jié)往往是由于檢查井的冷橋效應(yīng)導(dǎo)致檢查井首先出現(xiàn)凍結(jié)。因此，在吉圖琿高鐵隧道設(shè)計(jì)過程中，研制開發(fā)了雙層保溫蓋板，徹底隔離了檢查井的冷橋效應(yīng)，取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

針對(duì)寒區(qū)隧道洞內(nèi)溫度場分布規(guī)律與防寒設(shè)計(jì)問題，對(duì)吉圖琿高鐵沿線10座寒區(qū)隧道溫度場開展長期溫度測試，在實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并結(jié)合數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道徑向溫度場展開研究，得出以下結(jié)論。

(1)隧道洞內(nèi)空氣溫度場呈現(xiàn)洞口低、中間高的拋物線分布特征，可采用二次拋物線來擬合和計(jì)算隧道洞內(nèi)空氣溫度，其主要控制參數(shù)包括隧道長度、隧道洞口基準(zhǔn)溫度、隧道洞口溫度增長梯度和隧道洞內(nèi)平均風(fēng)速。

(2)隧道襯砌表面溫度波動(dòng)較大，但隧道襯砌結(jié)構(gòu)具有較好的短波濾波特性，能夠很好地過濾掉襯砌表面日溫度的波動(dòng)變化，使隧道襯砌背后溫度與襯砌表面5日平均溫度曲線基本一致。因此，可根據(jù)隧道洞內(nèi)5日平均溫度的最低值預(yù)測隧道二襯-初襯接觸面的最低溫度，從而判斷隧道襯砌背后是否結(jié)冰以及是否需設(shè)置鋼筋混凝土襯砌。

(3)無保溫層情況下，隧道內(nèi)二襯壁面溫度與二襯-初襯接觸面溫度的平均溫差為2.2 ℃；當(dāng)隧道內(nèi)二襯壁面溫度低于-2.2 ℃時(shí)，此時(shí)需設(shè)置保溫層。

(4)有保溫層情況下，隧道壁面與二襯-初襯接觸面極端氣候條件下平均溫差為10 ℃；當(dāng)隧道內(nèi)二襯壁面溫度低于-10 ℃時(shí)，保溫層的保溫效果將難以滿足隧道防寒的要求，此時(shí)需與其他保溫抗凍措施相結(jié)合。