隧道洞口段无砟轨道实测纵向温度梯度分析

袁振华

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 概述

高速铁路是我国重要的基础交通设施，轨道类型主要为无砟轨道［1－3］。其中，双块式无砟轨道建设成本低于各型板式无砟轨道［4］，是无砟轨道体系中广泛应用的轨道结构之一［5－6］，且在武广、郑西、沪宁等高速铁路的运营实践体现了其“高稳定性、高平顺性和少维修性”的设计和应用目的。然而，由于缺乏长期的运营实践经验，在结构设计、预制件制造和施工过程控制等一些技术细节上仍有不足，导致个别地段无砟轨道结构存在一些不同的缺陷，尤其对于路隧过渡区段，其洞口区段存在较大温差，部分前期开通运营线路出现5～8 mm的道床板上拱现象（见图1），主要出现在过渡段的端梁锚固区域。高速铁路隧道洞口区段的无砟轨道纵向温度梯度分布规律亟需探明。

图1 路隧过渡段道床板上拱

路基上道床板采用连续浇筑的方式直接浇筑于支承层上，浇筑前支承层采取拉毛或凿毛处理；在路桥分界处，路基上道床板在距端部5～10 m处设置端梁结构；在路桥分界处设置20 mm宽的伸缩缝，采用聚乙烯泡沫塑料板填充并用密封胶密封。

目前的研究成果主要集中在寒冷地区的铁路隧道温度场方面，诸多研究人员针对隧道洞内外环境温度随时间的变化规律及隧道纵向温度的分布规律进行了研究。实测资料表明，铁路隧道的气温从洞口至洞内300 m范围内变化最大，每年6～9月之间，从洞口至洞内逐渐递减，每年10月～次年5月之间，从洞口至洞内逐渐递增，全年隧道中部的变温率几乎为零［7］。环境温度、自然风速、列车运行速度和频率等不同条件会影响隧道内的温度分布［8］，由于列车的活塞效应，高速列车的运营可减少隧道冬季洞内外的温差［9］。隧道内的气温分布特征为上高下低，洞内气温高于洞口气温，随着距洞口距离的增大，洞外气温对洞内气温的影响逐渐减弱，气温分布逐渐变得均匀［10］。冬季隧道内气温和衬砌温度随时间的变化不大，而隧道洞口的温度随时间发生较大变化［11］。冬季隧道内气温呈洞口低、中间高分布，夏季恰好相反，呈洞口高、中间低分布，外界气温、风速及列车运行可影响冬季洞内温度［12］。隧道洞内的年气温变化具有周期性，随时间大致呈正弦曲线变化，纵向上的气温可用指数函数曲线拟合［13］。现场上拱区段并不局限于寒冷地区，因此应对温度区域进行扩展研究。

本文以我国高速铁路应用广泛的CRTSⅠ型双块式无砟轨道为研究对象，对不同温度区域隧道洞口段无砟轨道道床板温度进行为期2年的监测。系统分析了隧道洞口区段无砟轨道的纵向温度梯度特征，以获取不同区域隧道段无砟轨道温度分布特征，可为我国隧道内无砟轨道的养护维修及优化设计提供依据。

2 监测点概况

本文选择寒冷和温暖2个温度区域的高速铁路隧道，即定西中川隧道和天水渭河隧道进行监测。以隧道洞口（0 m）为分界线，在隧道内外分别设置测试断面，隧道外10 m处测试大气温度，隧道内每隔50 m设置一个测试断面，共设置8个测试断面，测试距离分别为：－10 m、0 m、50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m。

3 检测数据分析

3.1 隧道洞口区段温度分布特征分析

对中川隧道（海拔1 644 m）洞外10 m至洞内250 m区段近2年的温度监测数据进行统计分析，可得图2的温度变化规律。

图2 中川隧道不同时段的年温度分布情况

图2a分析表明：8：00时段（日温度最低），从隧道洞口－10 m至洞内250 m，11月15日～次年4月15日期间，纵向温差最大，最大纵向温差出现在1月15日～次年2月15日期间（年温度最低），5～10月纵向温差不大。

图2b分析表明：14：00时段（日温度最高），从隧道洞口－10 m至洞内250 m，1月15日～9月15日，－10～50 m纵向温差最大，洞内50～250 m纵向温差很小；9月15日～次年1月15日，洞外－10～0 m纵向温差最大，洞内0～250 m纵向温差很小。

对渭河隧道（海拔1 137 m）洞外10 m至洞内300 m区段近2年的温度监测数据进行统计分析，可得图3的温度变化规律。

图3 渭河隧道不同时段的年温度分布情况

图3a分析表明：8：00时段（日温度最低），从隧道洞口－10 m至洞内250 m，11月25日～次年3月25日，纵向温差很大，3月25日～11月20日，纵向温差很小。

图3b分析表明：14：00时段（日温度最高），从隧道洞口－10 m至洞内250 m，11月24日～次年3月1日，纵向温差最大；7月1日～11月16日，洞外－10 m～洞内50 m区段的纵向温差最大，洞内50～250 m纵向温差较小。

3.2 隧道洞口区段纵向温度梯度分布特征

对中川隧道（海拔1 644 m）洞外10 m至洞内250 m区段近2年的温度监测数据进行统计分析，可得图4的温度变化规律。

图4 中川隧道纵向温度梯度日变化曲线

图4a分析表明：8：00时段（日温度最低），从隧道洞口－10 m至洞内250 m，纵向温度梯度逐渐降低，－10～50 m是纵向温度梯度变化最大的区段，最大纵向温度梯度出现于1～2月，其值可达－0.14℃/m，最大正值出现于4～7月，几乎不超过0.08℃/m（除5月23日出现一次最大正值0.2℃/m外）；150～200 m区段纵向温度梯度很小，全年最大值在－0.05～0.05℃/m之间波动。

图4b分析表明：14：00时段（日温度最高），从隧道洞口－10 m至洞内250 m，纵向温度梯度逐渐降低，－10～50 m是纵向温度梯度变化最大的区段，最大纵向温度梯度出现于1～2月和6～7月，纵向温度梯度正值可达0.32℃/m，负值可达－0.26℃/m；200～250 m区段纵向温度梯度很小，全年最大值在－0.06～0.02 ℃/m 之间波动。

分析中川隧道洞外－10 m（海拔1 600 m）至洞内250 m纵向温度分布规律，可得图5的纵向温度梯度的变化规律，结果表明：隧道洞口0 m～洞内100 m范围内温度梯度较大，为0.21℃/m且呈线性变化；洞外至洞口，最大温度梯度几乎可忽略不计；150～250 m范围趋于缓慢，温度梯度很小，为0.07℃/m。不同时间段内，早、中、晚的温度梯度变化规律几乎一致。

再次，不仅语境是分析文学作品语言特色的关键性因素，而且，作者的写作个性也是说明其语言特色的关键所在。但这一点却被大多数的研究者所忽视。因为，一个作者的创作风格，不仅体现其小说创作的选材里，体现在小说人物形象体系的设计中，而且还体现在其创作的重要媒介——语言运用上。在小说《警察和赞美诗》中，作者的修辞运用别具特色。例如：

图5 一天中中川隧道纵向温度梯度的变化规律

观测中川隧道进口区段的温度梯度：中川隧道冬季最大温差21℃（1月24日，洞口到洞内100 m）；洞外10 m～洞口的温度梯度为－0.7～0.8℃/m；洞口～50 m的温度梯度为－0.22～0.24℃/m；50～100 m温度梯度为－0.28～0.08℃/m之间；100～150 m温度梯度为－0.2～0.06℃/m之间；150～200 m温度梯度为－0.2～0.08℃/m之间；200～250 m温度梯度在－0.1～0.06℃/m之间。

对渭河隧道（海拔1 137 m）洞外10 m至洞内300 m区段近2年的温度监测数据进行统计分析，可得图6的温度梯度的变化规律。

图6a分析表明：8：00时段（日温度最低），从隧道洞口－10 m至洞内250 m，纵向温度梯度逐渐降低，－10～50 m是纵向温度梯度变化最大的区段，最大纵向温度梯度出现于12月～次年2月和7～8月，最大正值出现于4～8月，几乎不超过0.05（除8月11日出现一次最大正值0.15℃/m外），最大负值－0.1℃/m；150～200 m区段纵向温度梯度很小，全年最大值在－0.05～0.05℃/m之间波动。

图6b分析表明：14：00时段（日温度最高），从隧道洞口－10 m至洞内300 m，纵向温度梯度逐渐降低，－10～50 m是纵向温度梯度变化最大的区段，最大纵向温度梯度出现于12月～次年1月和7～9月，纵向温度梯度正值可达0.17℃/m，负值可达－0.1℃/m；洞内100～300 m区段纵向温度梯度很小，全年最大值在－0.04～0.02℃/m之间波动。

图6 渭河隧道纵向温度梯度日变化曲线

分析渭河隧道（海拔1 100 m）洞外10 m至洞内300 m的温度分布，可得图7的纵向温度梯度的变化规律，可知：不同时段内，早、中、晚的纵向温度梯度变化规律几乎一致，均呈自洞外向洞内逐渐递减的规律；洞外－10 m至洞口0 m，最大温度梯度几乎可忽略不计；洞外0 m～洞内100 m范围内温度梯度较大，最大值为0.07℃/m且呈线性变化；洞内100～300 m纵向温度梯度很小，且变化缓慢，为0.03 ℃ /m。

图7 一天中渭河隧道纵向温度梯度的变化规律

根据渭河隧道出口地段的温度数据分析：渭河隧道冬季最大温差是7℃（12月28日，洞口0 m～洞内100 m），不同季节、不同时段里，纵向温度梯度的变化均很小。无论是夏天还是冬天，还是早上8：00、中午14：00、晚上20：00，洞外 10 m～ 洞口的温度梯度最大，仅为－0.3～0.4 ℃/m，洞口～50 m、50～100 m温度梯度均在－0.1～0.02℃/m之间，100～150 m、150～200 m、200～300 m温度梯度在－0.04～0.02℃/m之间。可初步认为：离洞口100 m以上，轨道结构可视为固定区段。

4 路隧过渡段轨道结构纵向温度梯度

监测工点在路基、隧道洞口布设，测点13位于路基上，测点14位于隧道洞口，测点13和14之间的间距为60 m。

图8a为路基与隧道洞口段道床板板中温度随时间变化图，图8b为路基与隧道口道床板板中温差随时间变化图。从图中可以看出，路基和隧道洞口的道床板板中温度变化趋势一致。路基和隧道洞口的日最大板温差在－0.56～18.06℃，日最小板温差在－3.3～4.19℃。路基和隧道洞口的日道床板板中温差变化明显高于桥梁与路基地段。

图8 路基与隧道口道床板温度变化

5 结论

通过为期2年的温度监测数据分析，得到主要结论如下：

（1）寒冷和温暖区域（即中山隧道和渭河隧道），日温度最低和最高时段分别为每日8：00和14：00前后，但各自对应的最大纵向温度梯度持续天数不同。在寒冷区域，日温度最高时段产生道床板最大纵向温差的持续天数是日温度最低时段的3倍左右；在温暖区域，相比于日温度最低时段，一年中日温度最高时段产生道床板最大纵向温差的持续天数少25 d。这表明温度区域对道床板最大纵向温差的显著影响。

（2）寒冷区域，在日温度最低时段，隧道洞口段道床板纵向负温度梯度为－0.14℃/m，纵向正温度梯度基本不超过0.08℃/m；在日温度最高时段，道床板纵向正、负温度梯度分别为0.32℃/m和－0.26℃/m。温暖区域，在日温度最高时段，道床板纵向正、负温度梯度分别为0.17℃/m和－0.1℃/m；在日温度最低时段，道床板纵向正、负温度梯度分别为0.05℃/m和－0.1 ℃ /m。

（3）隧道洞口段，道床板纵向温度梯度变化最显著的区段长度约为60 m，为洞外10 m至洞内50 m。温暖区域道床板纵向正、负温度梯度变化量，均低于寒冷区域。相比于日温度最低时段，日温度最高时段的道床板纵向正、负温度梯度变化较大。

（4）路隧过渡段，路基段和隧道段的道床板温度变化趋势基本一致，但路基段温度普遍高于隧道段。实测数据表明，路基段和隧道段的道床板的日温差变化量差异为7.49～18.62℃，这表明路隧过渡段的道床板纵向温度分布不均匀，这种温度效应很可能是双块式道床板在端梁处出现上拱的原因，应在运营期间严格监控。