寒区特长公路隧道温度场测试与分析

2022-09-22钟小春

四川建筑 2022年4期

钟小春

(中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南长沙 410117)

高纬度或高海拔寒冷地区的隧道，特别是多年冻土地区的隧道，常存在特殊的冻害问题，如隧道衬砌因冻胀而开裂、酥碎、剥落；隧道顶部、边墙挂冰，底部积冰；隧道洞门墙开裂等[1]。冻害一旦发生，不仅会使隧道衬砌遭到不同程度的破坏，而且隧道衬砌挂(积)冰、冻胀还会侵入隧道的建筑限界危及行车安全。

掌握隧道温度场分布对于冻害问题的处理具有重要意义。对此，姚伟等[2]根据寒区隧道的研究现状，对寒区隧道冻害种类、影响因素、形成机理等进行了详细阐述；李昊波等[3]通过数值模拟手段研究了寒区隧道温度场的分布规律，并讨论了风速风温对温度分布影响；邹一川等[4]借助实际隧道工程，对隧道洞内气温及不同部位、不同深度的围岩温度进行了监测分析，研究了其分布规律；郑余朝等[5]通过现场实测和数值仿真研究了隧道温度场及其影响因素；宋鹤等[6]对实际寒区隧道工程展开温度测试，分析了衬砌围岩温度分布规律、洞内纵向温度分布规律；李思等[7]借助现场实测、数值仿真和理论推导研究了寒区隧道温度场分布规律。

本文依托位于青海省的某公路隧道工程，该隧道位于高海拔高寒地区，极端低温使其受冻害问题困扰。通过对该隧道的气温、地温及衬砌温度展开监测，对实测数据进行分析，希望为同类工程的防冻设计提供参考和建议。

1 工程概况

该隧道位于青海省天峻县西南，平面总体呈舒缓的“S”型，见图1。起于关角山北侧布哈河右岸阶地与斜坡交接部位，呈近北向南走向穿越山脊后，止于关角山南侧斜坡上。净高5 m，净宽11 m ，计算行车速度100 km/h，行车荷载公路—Ⅰ级。左线于公路测设里程ZK207+577-ZK211+215段，全长3 590 m，属特长隧道；右线于公路测设里程K207+570-K211+160段，全长3638 m，属特长隧道。

图1 隧道位置

冻害问题的产生与隧址气象、水文及围岩条件息息相关，对该工程实际情况分述如下。

1.1 气象条件

隧址所在区县属大陆性高原气候，寒长暑短，四季不分明，无霜期短，日温差大，多风少雨，蒸发量大等特点。其县内平均气温在摄氏零度以下，为-1.1 ℃，各地区气温的分布，主要受地势影响，海拔愈高气温愈低。极端最高气温28 ℃，极端最低气温-35.8 ℃，无霜期32天。大风日数较多，砂尘暴日数5.4天，全年平均大风日数为70天，平均风速为3.6 m/s，最大风速为24 m/s。

1.2 水文条件

隧址位于布哈河水系，其发源于疏勒南山，流经县境南半部，在江河火车站出境，注入青海湖，是内陆地河流，全长218 km，(包括上游段的阳康河)。流域面积13 523.43 km2，占全县面积的52.59%，发源地海拔4 350 m，出境处3 260 m，总落差1 090 m，平均比降1/200。

1.3 围岩条件

隧址区域主要分布有角砾岩、砂岩及白云岩，综合各因素及隧道围岩主要工程地质特征，围岩级别划分结果为：Ⅴ级围岩场1 235 m，占全隧道长度的32.8%，Ⅳ级围岩段长度1 905 m，占全隧道长度的50.6%，Ⅲ级围岩段长625 m，占全隧道长度的16.6%。

2 现场监测

2.1 气象测试

目前寒区隧道工程设计中，多依据当地市县一级气象部门提供的区域气象资料。这些气象资料往往来自于邻近城市及平原地区，而山岭隧道多处于气候更为恶劣、位置更为偏远的山区，数值预报模式对于山区预测误差较大。因此，有必要对隧址区域局部气象条件进行监测。

采用PC-4型便携式自动气象站对隧址气象进行测量。在隧道进口端距离隧道洞口50 m左右、地势较高、人为影响小而又能代表隧道洞外气温的位置安放PC-4气象站，见图2，监测测点处每日的风向、风速、温度、湿度、气压等气象要素的变化情况。

图2 气象站布置

2.2 围岩温度监测

掌握隧道的地温分布，分析其分布规律，可预测隧道易发生冻害或冻胀破坏的区域，及时调整设计施工方案，保障隧道的施工运营安全。因此，在距离隧道进口500 m处安装地温测试设备，如图3所示。

图3 温度测试仪现场布置

对围岩向内1 m、2 m、3 m、3.5 m、初期支护内部温度与隧道内气温进行了长期监测，测温孔位置见图4。

图4 测温孔位置

2.3 衬砌表面温度测试

隧道衬砌表面温度测量仪器选用RC-5温度U盘。衬砌表面温度监测断面同地温监测断面，在其拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右边墙处共布置7个温度U盘。

测点位置及温度U盘布置情况见图5。

图5 衬砌表面温度测试部位与现场布设

3 监测结果分析

3.1 洞口气温数据分析

通过PC-4小型气象站对隧址区气候信息进行长时间数据采集，获得隧道进口日平均气温及地表以下1 m、0.5 m处土壤平均温度的变化情况，如图6所示。

图6 隧道进口端洞外日平均气温与地表以下1m、0.5m处土壤平均温度对比

对图6所示的洞外日平均气温与地表以下1 m、0.5 m处土壤日平均温度变化情况对比分析，由三者的整体趋势可知，土壤温度的整体变化幅度较外界气温的整体变化幅度较小，且埋深越深，波动幅度越小；土壤温度的变化较外界气温变化有一定的相位差。

由图7可知，三者月平均气温均表现出三角函数型变化趋势。对比地表以下1 m与0.5 m处的土壤月平均温度可知，1 m处的土壤月平均温度变化幅度相对0.5 m处的较小，且二者温度相比外界气温皆略高，尤其在春季以后，温度相比于外界气温而言有了较为明显的提升。

图7 进口月平均气温与地表下1m、0.5m土壤温度

3.2 围岩温度数据分析

根据长时间的监测数据，获得距离进口500 m处，围岩日平均温度变化情况，如图8所示。

图8 距隧道进口500m处日平均地温

由图8可知，围岩内3.5 m处的日平均温度略高于围岩内3 m处的日平均温度，均为未受到外界太多干扰的初始地温。围岩内2 m处的日平均温度高于3.5 m处与3 m处，此处的围岩温度已开始受到外界温度的干扰。围岩内1 m处的日平均气温与初期支护内部温度已较为接近。由于此断面在地温测试阶段处于未施作二衬及防水板的状态，因此原定置于初期支护与防水板间、二衬与防水板间以及二衬内部的测点暂时置于外部空气中，所测温度为测试断面的气温，从变化规律来看，三者较为吻合，稍有偏差应与仪器本身误差有关。此外，随径向深度的增加，日平均温度的变化幅度越来越小，即围岩温度受隧道内气流温度的影响逐渐减小。

以初支外侧面原点，沿隧道径向向内为正，向外为负，对围岩内3.5 m、3 m、2 m、1 m及初支内5个测点的平均温度值与测点的径向深度关系进行非线性曲线拟合，见图9。

图9 测点平均温度曲线函数拟合

得到拟合函数y=-0.09729x-3+0.77375x-2+0.42182x-1+4.90662，拟合残差R2为0.996 75，由该拟合函数图像发展趋势在x=7处趋于平稳可预测进口500 m断面施工期间对围岩温度的影响深度约为7 m，该处平均温度值约为4.95 ℃。该点径向再深处受外界温度的影响极小。

3.3 衬砌表面温度数据分析

测试断面各位置处二衬表面温度平均温度对比情况如图10所示。

图10 进口500m处各位置二衬表面平均温度对比

由图10可知，隧道内各断面各位置二衬表面温度与洞外气温变化规律较为一致，随着纵向深度的增加，隧道内温度的变化受洞外气温的影响越来越小，变化幅度也逐渐减小。沿隧道横向各位置的平均温度大小为拱顶温度>拱腰温度>拱脚温度>边墙温度，符合热空气在上，冷空气在下的变化规律。由于左线右侧为行人及行车主要方向，受人为因素干扰大，且左线左侧设有通风管道，管道某些部位破损向外喷射冷空气，隧道左侧各部位二衬表面平均温度略低于隧道右侧相同位置。