严寒地区高铁隧道温度场及保温层有效性分析

许 鹏，伍毅敏，严晓东，梁炜明，胡凯巽

（1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中国铁路哈尔滨局集团有限公司 工务部，黑龙江 哈尔滨 150001）

随着我国高速铁路的建设逐步向高海拔、高纬度地区延伸，严寒地区的高铁隧道将越来越多，这些隧道将无可避免地面临冻害问题［1-3］。目前我国严寒地区高铁隧道工程数量不多，基础数据与工程经验不足，隧道防冻设计和保温措施参照既有隧道的设防方法及理念难免会造成偏差［4］。特别是低估寒区高铁隧道内最低气温和负温区段长度将导致隧道防冻措施不足［5］，在冬季易于引发环向排水系统冻结，以及新发渗漏水和挂冰等病害，使得隧道行车安全保障难度和运营成本倍增。因此，开展严寒地区高铁隧道温度场监测并分析其分布规律，对指导隧道防冻设计、保证洞内行车安全、减少运营成本等具有重要意义。

国内外学者针对寒冷地区隧道的温度场开展了大量的监测工作。对韩国江原市104条公路隧道［6］的温度监测结果表明，受外界温度影响，隧道洞口温度随时间变化显著。对我国乌鞘岭隧道群［7-8］的温度场监测发现，日周期波动是隧道温度场的一大重要特征，衬砌混凝土经历的日周期冻融循环次数随着进深的增加呈下降趋势，对于长度在1 000～3 000 m的隧道，冻融循环可在纵向全范围内发生。对柞木台隧道［9］的温度场监测发现，隧道横断面左右两侧的温度变化过程不同步，隧道纵向上温度分布不对称，且间歇性交通风或自然风引起隧道内气温急剧变化的时间短暂，洞内气温很快恢复原有趋势。上述研究中的隧道大多位于寒冷地区，将这些地区的温度场分布规律与气候更为恶劣、极端的严寒地区进行类比，会存在一定偏差。

根据寒冷地区隧道温度场的监测结果，多位学者在温度场解析计算［10-12］、保温层设计计算［13-14］及防冻措施［15］有效性分析等方面进行深入研究。对玉希莫勒盖隧道［16］厚5 cm 的保温层进行可靠性分析，证实无保温层时，隧道的径向最大冻结深度在1.5～2.0 m范围内，当铺设5 cm 厚的保温层后，径向冻结深度降为0.5 m。兴安岭隧道［17］在衬砌表面不敷设保温层的情况下，径向最大冻深甚至可达到1.5～5.1 m。对榆树川隧道［18］的监测发现，隧道进出口段冻结长度与风速密切相关，随着风速增大，冻结长度呈线性增大趋势，在考虑经济性的情况下，隧道进出口段施作防冻保温措施应有所不同。此外，对考虑自然风条件下的嘎隆拉公路隧道［19］进行温度场数值分析，表明铺设于二衬表面厚6 cm 的保温层可以有效得防止隧道和围岩的冻融损伤。对青海知亥代公路隧道［20］进行有限元耦合分析，发现2 种保温层铺设方式中，铺设至距洞口600 m 处断面的保温效果，要优于铺设至洞内年最低气温为0 ℃处断面。事实上，在高速铁路隧道中，保温层只能在初支和二衬之间铺设，其保温效果与公路隧道在二衬表面铺设保温层的形式存在较大差异，保温效果需要进一步研究。

本文以位于严寒地区的治山隧道和虎峰岭隧道为依托，监测2 座高速铁路隧道2018年12月—2019年4月的温度场，得到该地区的隧道温度场分布规律和地层温度；采用数值模拟的方法，研究初支与二衬间设置5 cm 厚保温层的隧道温度场分布规律及保温层的保温效果，分析合理的保温层厚度及其纵向铺设长度，以期为严寒地区高速铁路隧道的冻害设防提供参考。

1 温度场监测

1.1 工程概况

哈尔滨—牡丹江高速铁路（哈牡高铁）位于我国黑龙江省境内，路线全长293.2 km，设计时速250 km。全线隧道共39 座，选取其中具有代表性的治山隧道和虎峰岭隧道进行温度场监测，2 座隧道均为单洞双线隧道。

2 座隧道均位于东北小兴安岭支脉的林海雪原区域。虎峰岭隧道是我国严寒地区最长的高铁隧道，也是哈牡高铁的重难点控制工程之一，全长8 755 m，最大埋深约275 m。所经区域为中低山区，山势陡峭，地表森林密布，深沟发育。隧道进口位于阴面山坡，出口位于阳面山坡。隧道穿越地层岩性为花岗岩，岩体多向节理发育。隧址区年平均气温2～10 ℃，极端最低气温-44 ℃，降雪期约120 d（当年11月—次年4月）。治山隧道长2 555 m，与虎峰岭隧道相邻，其气候、地质条件与虎峰岭隧道基本相同。

2 座隧道采用的防冻保温措施均为：在隧道初支与二衬之间设置5 cm 厚的聚氨酯泡沫保温层，并在洞口段设置深埋中央沟和保温出水口。

1.2 监测方法及设备

为得到严寒地区高速铁路隧道温度场的分布规律，选取不同断面开展温度场现场监测，治山隧道设置监测断面9 个；虎峰岭隧道主洞23 个，2 号斜井2 个。采用可在-40～85 ℃的环境下连续工作6个月的智能温度记录仪［7-8］，记录仪的温度传感器全部安装在衬砌表面，距离检修道顶面高3 m 处。监测断面布设位置及间距如图1所示。

图1 监测断面布设位置及间距（单位：m）

2 温度场分布规律

结合近5年历史气温资料，总结该地区冬季温度变化规律为：每年10—12月气温持续下降，次年1月下旬—2月上旬出现极端低气温，2月下旬气温开始回升。因此，选择2018-12-03，2019-02-06 和2019-02-25 共3 d，分别作为当地气温下降时段、极端低气温出现时段和气温回升时段的观察日。通过分析温度曲线整体变化趋势，发现2019-01-16 当日出现数据跳跃，与该地区历史气温变化不符，追溯原因后发现为特殊情况导致，遂补充罗列为特殊情况观察日。

2.1 治山隧道

监测期内，治山隧道进口温度呈现以天为周期的波动变化。以2018年12月中旬连续72 h 的衬砌表面温度为例，得到隧址区日周期温度变化规律如图2所示。隧道进口的温度变化呈以天为周期的循环波动趋势，最高温度出现在每天约12：00～13：00，最低温度出现在每天约7：00～8：00，温度波动范围在10～17 ℃；在1个温度波动周期内，降温过程占据了3/4，从当日13：00持续到第2天8：00（黄色区域），而升温过程只占据1/4（蓝色区域）。

图2 治山隧道进口衬砌表面温度曲线

4 个观察日中，治山隧道各断面的温度场分布如图3—图5所示。除考察各观察日全天温度场整体分布规律外，还选取进口气温最高时段内的13：00时和受洞外气温影响最小的隧道中部断面（距进口1 530 m处），分析特定时间、特定位置下的隧道衬表温度分布规律。由图3—图5可得到如下结论。

图3 4个观察日全天的治山隧道温度场分布

图5 4个观察日全天的治山隧道中部断面处温度场分布

（1）2018-12-03当日，隧道进口温度为-12 ℃时，隧道内最高温度为-1 ℃。其余各观察日，隧道衬表温度也均呈洞口段低、中间段高的分布趋势，这与既往大多数研究相符，即冬季隧道衬表温度中间段高、洞口段低。

（2）2019-02-06 当日，隧道衬表温度沿隧道纵向呈不对称分布。当天隧道进口端的最低温度出现在上午7：00 时，达到-32 ℃，此时整个隧道所有监测断面均在-5 ℃以下；到13：00 时，虽然进口端回升至-15 ℃，但隧道内依然处于-5 ℃以下。当天隧道中部断面温度最高-5 ℃，最低-13 ℃，尚不清楚洞内保温在如此低的酷寒天气下是否有效。2月份隧道衬砌表面挂冰现象非常严重，出现原因可能是隧道保温层在低温下失效，引起环形和纵向排水管冻结，进而引起隧道周围的地下水压力增加，水从防水失效的地方渗漏并结冰。

图4 4个观察日全天的治山隧道中部断面处温度场分布

（3）2019-02-25当日，从中午到16：00时，因山体阳面的持续日照影响，隧道出口段衬砌表面温度明显升高，但隧道中部断面全天在0 ℃以下。

（4）2019-01-16 当日，隧道进口衬表全天温度在0 ℃以上，并于13：00 时达到7 ℃，但此时距隧道进口90 m 处断面的温度为-8 ℃；中部断面全天温度均在-4 ℃以下。隧址区气候资料显示当日风力等级为1级，在隧道内无自然风的条件下，隧道洞口外气温对洞内气温影响距离有限，列车风对洞内温度场的影响并不显著。当日出现异常高温，经查阅气候资料及走访工作人员获知，是小范围山火所致（已被及时扑灭），隧道进口温度受山火影响出现了正温的情况，而洞内温度受其影响较小，仍呈负温。

2018年12月—2019年5月，治山隧道各监测断面的衬表月平均温度分布如图6所示。由图6可知：总体上，月平均温度沿隧道纵向呈不对称分布；2018年12月—2019年2月，各监测断面的月平均温度随到洞口距离的增大而升高，进口与距进口1 080 m 处监测断面的月平均温度差达到10 ℃；隧道洞口温度受隧道外冷空气的影响较大，随着气温的升高，隧道各断面月平均温度差逐渐变小，如3月—5月各断面的月平均温度差不超过3 ℃；在寒冷的12月—次年2月，隧道的月平均温度为负，特别是最寒冷的1月，隧道月平均温度在-6 ℃以下。

图6 治山隧道各监测断面衬表月平均温度分布

2.2 虎峰岭隧道

4 个观察日中，虎峰岭隧道各断面温度场的分布如图7—图9所示。与治山隧道类似，除了整体温度场之外，还选取13：00 时和隧道中部断面（距进口4 500 m 处）分析特定时间、特定位置下的隧道衬表温度分布规律。由图7—图9可得出如下结论。

图7 4个观察日全天的虎峰岭隧道温度场分布

图8 4个观察日13：00时的虎峰岭隧道温度场分布

图9 4个观察日全天的虎峰岭隧道中部断面处温度场分布

（1）2018-12-03当日，隧道总体升温明显不对称，进、出口端的温度分别从洞口向隧道深处缓慢和迅速上升。13：00 时，隧道进口和出口的温度分别为-12和-2 ℃。隧道中部断面全天在0 ℃以下。

（2）2019-02-06 当日，隧道温度分布曲线与2018-12-13 基本一致。值得注意的是，隧道所有监测断面全天温度均在0 ℃以下，中部断面均在-1.5 ℃以下，这意味着如果隧道存在渗漏水，很可能整个隧道范围内都会发生挂冰冻害，相应的巡检和打冰作业工作量将大大增加。

（3）2019-02-25 当日，隧道总体升温近似对称分布，进、出口均为距洞口约100 m 范围内迅速升温，隧道深处其余位置温度则基本保持不变。这是因为，当隧道两侧的大气压差不足以克服隧道壁的沿程阻力时，隧道内不能形成自然风，隧道内只在距洞口很短的范围内会受外界温度的影响，其余位置则主要受地热能的影响。由于该区域非常寒冷，虽然隧道内的温度远高于隧道外，但在隧道中部断面，全天温度均在0 ℃以下。

（4）2019-01-16 当日，隧道中部断面全天温度均在-2 ℃以下，但白天时略有波动。因外界气温突然升高但隧道内温度仍然较低，导致隧道只有进口端温度较高，隧道其余位置随着与进口距离的增大，与进口的温度差也在逐渐增加，这与乌鞘岭隧道群1号隧道2月份的温度场分布非常相似［7］。

综上进一步分析可知：通过2018-12-13，2019-01-10 和2019-02-06 这3 个观察日的温度场分布规律，可推断整个冬季虎峰岭隧道的进口端温度总体低于出口端；从隧道地形地貌上看，隧道进口、出口分别位于山体的阴面（迎风山坡）和阳面（背风山坡），受来自西伯利亚寒冷空气影响，同一时间隧道进口端温度明显低于出口端，而且进口端洞外气温对洞内气温的影响范围较广，表现为洞内气温随进深逐渐升高，明显不同于出口端（气温在距洞口100 m 范围内迅速升高）。因此在设计寒区隧道保温层纵向铺设长度时，应考虑迎风面山坡及隧道洞口位置对该侧洞口温度场及纵向冻结长度的影响。

2018年12月—2019年5月虎峰岭隧道各监测断面的衬表月平均温度如图10所示。由图10可知：虎峰岭隧道各监测断面月平均温度分布总体与治山隧道一致；2018年12月—2019年2月，各监测断面的月平均温度随到进口距离的增大而升高，进口与隧道中部断面的月平均温度差达到10 ℃；3月—5月，月平均温度在距隧道进口约100 m 范围内快速上升，但隧道中间段变化不大；5月之外的其余月份中，隧道进口端平均温度均为负值，其中1月和2月隧道全线的月平均温度均在0 ℃以下。

图10 虎峰岭隧道各监测断面衬表月平均温度分布

统计虎峰岭隧道斜井中部断面的衬表温度可知，该处温度基本保持在6～7 ℃，由此推测该地区的地层温度为6～7 ℃。邻近隧道的斜井监测断面衬表温度分布与之类似，但温度保持在3～4 ℃，推测为因隧道影响而略低于斜井中部断面的温度。

3 保温效果数值模拟

3.1 模型建立

建立隧道衬砌+保温层+围岩的二维对流传热模型，模型由45 cm 二 衬+5 cm 保温层+20 cm 初支和3倍洞径的围岩组成，如图11所示。参照斜井中部实测温度，地层边界条件定为恒温6.5 ℃；模型前后采用绝热边界，二衬表面采用对流边界；初始温度为6.5 ℃。

图11 数值模型

采用考虑日周期温度波动和不考虑日周期温度波动的函数拟合隧道进口端衬表温度曲线，得到的对应的温度荷载函数为式（1）和式（2），可决系数分别为0.8 和0.7，2 种温度荷载加载的时间均取3 a，加载步长均取2 h。

式中：T日和T年分别为考虑日周期温度波动和年周期温度波动的载荷函数，℃；t为时间，h。

3.2 横断面保温效果

在以式（1）为温度荷载函数的条件下，选取加载第2年12月—第3年4月中的每月1日为代表日，分析隧道横断面温度场及保温层的效果，如图12所示。由图12可知：在12月1日和1月1日，衬砌结构温度呈现表面温度低、内部温度高的分布趋势，但整体处于冻结状态；在2月1日、3月1日和4月1日，虽然衬表温度较高，但衬砌结构内部温度随径向深度的增加呈现先降低后升高的分布趋势；观察日内保温层两侧温差达10 ℃以上，达到了预期保温效果；但在这3个观察日内，5 cm 厚保温层背后出现了负温，这可能会引起隧道保温层后的排水系统冻结。

图12 加载第2年12月—第3年4月的隧道横断面温度场及保温层效果

为考察日周期波动对隧道温度场的影响，选取加载第3年1月1日，分别以式（1）和式（2）作为温度荷载函数，模拟得到衬砌结构及保温层的温度分布如图13所示。由图13可知，温度的日周期波动只对隧道衬砌结构的温度场有显著影响，对保温层没有影响。

图13 衬砌结构及保温层的温度

在保温层背后，当日2 种温度荷载函数得到的温度分布没有差别，如图14所示。因此可认为，在隧道初支和二衬间铺设保温层时，保温层的设计计算可采用以年为周期的温度载荷函数，无须考虑日周期温度波动的影响。

图14 不同边界条件下的隧道结构温度

3.3 纵向冻结长度

为了得到保温措施在隧道纵向的有效范围，按照以年为周期的温度函数即式（3），对各监测断面的温度数据进行拟合，得到各断面的年平均温度和年温度振幅，如图15所示（拟合得到的可决系数最小为0.8）。由图15可得到如下结论。

图15 拟合得到的各监测断面的年平均温度和年温度振幅

式中：T为以年为周期的温度函数，℃；和Ta分别为年平均温度和年温度振幅，℃。

（1）对于治山隧道，各监测断面的年平均温度差不超过3 ℃，但在距进口30 m 处温度有跳跃变化现象；隧道纵向的年温度振幅变化不大，但在距进口30 m处同样出现明显跳变。

（2）对于虎峰岭隧道，各监测断面的年平均温度随着与进口距离的增大而缓慢升高，但年温度振幅缓慢减小；在距进口5 000～8 000 m 段，各监测断面的年平均温度和年温度振幅基本不变；在距进口8 000 m 处到隧道出口段，两者却分别出现急速上升和急速下降。

采用建立的二维对流传热模型并结合图17得到的拟合系数，模拟分析5 cm 厚保温层在隧道纵向的有效范围。治山隧道和虎峰岭隧道各监测断面的最大冻结深度如图16所示。图中：红色虚线表示保温层背后位置。由图16可知：总体上5 cm 厚保温层能够有效保证2 座隧道中间段保温层背后不冻结；但在距治山隧道进口90 m 和距出口125 m范围内，在距虎峰岭隧道进口750 m和距出口25 m范围内，保温层背后会出现负温；模拟结果表明，当各监测断面温度拟合得到的年平均温度在0 ℃以上、年温度振幅在11 ℃以下时，采用5 cm 厚保温层可防止保温层背后不冻结，建议在严寒地区，可根据到隧道洞口的距离设置不同厚度的保温层；采用相同边界条件的模拟结果表明，在隧道洞口段500 m 范围内设7 cm 厚保温层，洞口段500～1 000 m 范围内设5 cm 厚保温层，可保证保温层背后不冻结。

图16 径向最大冻结深度纵向分布

4 结 论

（1）2 座严寒地区隧道的进口温度呈日周期循环。以2018年12月中旬连续72 h 的治山隧道进口衬砌表面温度为例，监测得到日气温的波动范围10—17 ℃；最高、最低温度时间约为每天12：00—13：00 和7：00—8：00；降温时间约为13：00 至次日8：00，降温持续时间约占全天的3/4，升温约占1/4。

（2）在冬季，严寒地区隧道内温度多呈洞口段低、中间段高、沿纵向不对称的分布趋势，且隧道全线范围均会出现负温。当隧道外处于-32 ℃的酷寒天气时，长2 555 m 的治山隧道所有监测断面全天温度均在-5 ℃以下；长8 755 m的虎峰岭隧道均在0 ℃以下且中部断面全天温度均在-1.5 ℃以下。2 座严寒地区高铁隧道在当年12月—次年2月的衬表月平均温度均为负值。

（3）初支与二衬之间设置5 cm 厚的保温层能够显著防止热量损失。数值模拟结果证实，当根据监测断面温度拟合得到的年平均温度在0 ℃以上、年温度振幅在11 ℃以下时，采用这一厚度的保温层可有效防止保温层背后不冻结。若温度振幅超过上述模拟温度域限，则须注意保温层背面的结冰情况。

（4）日周期温度波动只影响二衬结构的温度场，不影响保温层及其背面的温度场分布，保温层设计计算时可忽略日周期温度波动的影响。为保证隧道洞口段保温效果，建议根据到隧道洞口的距离设置不同厚度的保温层。