高寒公路隧道温度场分布规律

刘瑞全 李 云

（重庆交通大学 土木建筑学院，中国 重庆 400074）

0 引言

季节性冻土区和一般地区隧道道温度场的变化规律国内目前已经开展了大量的研究[1-4]。陈建勋对秦青公路上的梯子岭隧道进行了温度场的现场测试和分析，得出了隧道洞内外温度随径深，时间的变化规律，以及最大冻结深度的分布规律。何川在线鹧鸪山隧道进行了温度场进行了测试和分析，得出了隧道洞内外温度的年变化规律。吴紫汪对青海大坂山公路隧道进口段进行了温度场的现场测试和研究，得出了隧道洞内和隧道衬砌的温度变化规律。但是以上文献关于青藏和高原永久冻土区的隧道温度场特性提及不多。

1 温度场测试内容

1.1 测试时间和频率

结合隧址所在地区气象资料，隧址区历年年平均气温≧-4.2℃的时间段为4月2日至11月2日，日最低气温普遍出现在6-8时，日最高气温普遍出现在13时。按以上气象数据制定监测频率：4至11月每月监测4次，12月至次年三月每月监测8次，每天监测时间：1：00、8：00、13：00、20：00，如果偶遇特殊天气，可以适当加测。

1.2 监测断面布设

温度测试过程当中集中将主洞进口k329+710-k330+280 范围内的隧道结构体和围岩圈以及洞外环境作为温度监测段；进设置7 个温度监测断面如下图1 所示：

图1 温度监测断面布置图

1.3 测点埋设

1.3.1 二衬钢筋施工完成后，将温度计绑扎在二衬钢筋上，等待二衬混凝土浇筑完成，完成测点的埋设；二衬表面的温度将测温元件用粘胶布粘贴在脱模的混凝土表面。

1.3.2 2、4、11、13 号断面用来检测仰拱不同深度的混凝土温度，必须抓住仰拱施做钢筋的时段，将测温元件绑扎于仰拱钢筋的不同部位，混凝土浇筑完成，完成测点埋设。

1.3.3 围岩中测温元器件的埋设，必须先用电钻打孔，孔深1500mm、孔径45mm，清孔后浇筑满水泥砂浆，最后整理好测线。

2 温度场分布规律

2.1 洞内外气温的相互关系

通过2012年4月至2013年4月一年时间内，姜路岭隧道进口外界和洞内实测气温数据分析，温度的变化具有明显的规律性和周期性。

本文采用气象学中常用的数理统计方法——正弦函数回归法对该隧址区洞外气温和隧道内气温年变化曲线进行拟合，该拟合方程形式如下：

上式中：

T(Φ)——日平均气温；

Φ——天数；

Φ0——日相位；

t——年平均温度；

A——年气温振幅；

由于姜路岭隧道目前尚未贯通，现只拟合贯通前进口的掘进纵深，隧道内以及隧道外不同位置的气温的拟合参数：

表1 姜路岭隧道进口段外界气温及洞内气温拟合参数

图2 给出了姜路岭隧道进不同开挖掌子面桩号处外界气温和隧道内气温的拟合曲线。由拟合曲线可以看出：隧址区的外界环境温度在每年12月初至次年4月初为负温时间段，2月的月平均气温达到了最小值。隧道的冻害情况也相应的发生在本月，在本月也是温度监控量测的关键月份。

图2 进口外界气温及洞内气温日变化曲线

2.2 隧道内围岩及衬砌结构温度的环向分布规律

要切合实际的选择隧道的保温材料之前，必须充分的认识该保温材料所应用的环境温度、围岩和衬砌结构的环向温度分布规律和材料本身的性能。我们通过安装在姜路岭隧道进口的7 个温度监测断面的测温元件，经过为期一年的观测记录，得到了如下的温度分布曲线：

图3 进口2月份围岩及衬砌温度环向变化曲线

图4 进口8月份围岩及衬砌温度环向变化曲线

从上面的曲线图中可以发现：

①沿隧道环向，从衬砌表面到围岩，由浅到深，深处的温度变化总是滞后于同一桩号处浅处的温度，最终与衬砌表面温度达到统一；

②围岩及衬砌结构温度在径深约3m 处变化幅度较大，说明环境温度对围岩及衬砌结构在环向方向上的影响具有一定的范围，该范围之内的围岩及衬砌结构的温度将随着环境温度的变化而变化，在该范围之外的围岩温度趋于稳定；

③进口目前已开挖区段范围之内二衬甚至围岩在环向方向上都呈现负温度，而且随着环境温度的降低，负温区相对应的冻结区也逐渐增大；离洞口越近，冻结区越大，离掌子面越近，冻结区越小；

④随着距隧道洞口距离的增加，温度的变化幅度逐渐减小，在任意桩号环向方向上也呈现此变化规律。

2.3 隧道内围岩及衬砌结构温度的纵向分布规律

图5 进口2月份围岩及衬砌温度纵向变化曲线

图6 进口8月份围岩及衬砌温度纵向变化曲线

从上面的曲线图中可以发现：

①在2月份，从洞口到掌子面方向，随着距洞口距离的增大，衬砌表面温度递增，但是最大值小于0°；8月份，从洞口到掌子面方向，随着距洞口距离的增大，衬砌表面温度递减，最小值大于0°；

②随着距隧道洞口距离的增加，温度的变化幅度逐渐减小，在任意桩号环向方向上也呈现此变化规律；

③2月由于洞内施工车辆等排放热量，洞内实际气温比洞口和外界高；8月由于原岩温度较低，洞内实际气温比洞口和外界温度低；

④隧道洞口及洞外环境温度对洞内围岩、衬砌温度的环向影响具有一定的范围，沿着纵向方向，在距离洞口350m 范围之外，围岩、衬砌温度受洞口及洞外环境温度影响较小。

3 结语

通过对依托工程温度场的现场监控量测，得到了详实的数据资料，接着采用正弦函数回归法对该隧址区外界气温和隧道内气温年变化曲线进行拟合，得到了：（1）青藏高原高海拔地区公路隧道洞内外气温的相互关系；（2）隧道内围岩及衬砌结构温度的环向变化规律；（3）隧道内围岩及衬砌结构温度的纵向变化规律；为我国在青藏高寒高海拔地区的公路隧道建设当中保温层和防寒泄水洞的设置提供的可靠的基础资料。

［1］何川，谢红强.多场耦合分析在隧道工程中的应用[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

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

［2］陈建勋，罗彦斌.寒冷地区隧道温度场的变化规律[J].交通运输工程学报，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］赖远明，刘松玉，吴紫汪.寒区挡土墙温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析[J].土木工程学报，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］吴紫汪，赖远明，臧思穆，等.寒区隧道工程[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.