季節性凍土區運營鐵路隧道實測溫度場分布規律研究

張端陽（神華準池鐵路有限責任公司，山西朔州036002）

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季節性凍土區運營鐵路隧道實測溫度場分布規律研究

張端陽
（神華準池鐵路有限責任公司，山西朔州036002）

摘 要：季節性凍土的凍融變化是隧道產生凍害的主要原因，隧道溫度場分布規律研究是季節性凍土區隧道凍害研究的技術基礎。以運營的準池鐵路殺虎口隧道為工程背景，通過隧道溫度的自動監測，研究了隧道洞內外環境溫度隨時間的變化規律及洞內溫度沿隧道縱向的分布規律。研究結果表明：隧道洞內氣溫受洞口氣溫影響顯著；冬季洞內氣溫呈洞口低、中間高分布，夏季呈洞口高、中間低分布；冬季洞內氣溫0℃位置受外界氣溫、風向風速及列車運行影響波動較大。

關鍵詞：季節性凍土區；隧道；溫度場；分布規律

季節性凍土區是指受季節性影響顯著，地層冬季凍結、春季融化的地區。我國季節性凍土區面積約為513．7萬km2，占國土面積的53．3%［1］。季節性凍土的凍脹性、融沉性對隧道工程影響顯著，洞口地段圍巖和襯砌在反復凍融過程中產生凍害，影響到隧道正常運營安全。隧道溫度場隨季節變化及沿隧道縱向分布規律研究是隧道凍害研究的技術基礎。針對圍巖溫度場分布規律，國內外學者采用數值方法開展了大量研究工作［2－5］，而系統的現場實測數據較少，尤其是運營隧道，因受正常行車、測試安全及測試成本等多方面影響而實測數據更少。

本研究以已通車運營的準池鐵路殺虎口隧道為工程背景，通過現場測試隧道洞內外環境溫度，分析運營鐵路隧道溫度場分布規律。

1　工程概況及測試方案

殺虎口隧道是準池鐵路的重點工程之一，隧道全長2 950m，設計為雙線隧道。隧道穿越地層主要以砂巖、泥巖互層軟弱圍巖為主，最大埋深約95 m。該隧道為富水隧道，地下水主要為基巖裂隙水。隧道軸線基本為南北方向，進口位于北端，出口位于南端。隧道縱斷面如圖1所示。

圖1　殺虎口隧道縱斷面及測試斷面布置

準池鐵路為重載貨運鐵路，于2014年11月試運營，每日運行2～3對列車，列車速度60～80km／h。

為掌握隧道溫度場分布規律，于2015年1月份開始對洞內外環境溫度測試。沿隧道縱向共布置23個測試斷面，分別位于距進、出口0m、5m、15 m、30m、50m、100m、200m、300m、400m、500m 共20個斷面，隧道中心距進口1 297m、1 397m、1 497 m共3個斷面。測試斷面布置如圖1所示。

采用TESTO 174自動溫度記錄儀測試溫度，TESTO 174溫度記錄儀采用NTC內置傳感器，量程－30～70℃，精度±0．5℃，分辨率0．1℃，測量頻率1min～24h。設置溫度自動采集頻率0．5h／次。

2　歷史氣候條件

2．1降水量

殺虎口地區平均年降水量為423mm，雨季主要集中在每年6～9月份（約占全年總降水量的70%），尤其是7～8月份（約占全年總降水量的50%）。歷史最大年降水量為806．7mm（1964年），最小年降雨量為193mm（1965年）。

2．2風向、風速

年平均風速2．4～4．2m／s，年均7～8級的大風日數有14．3～44．5d，主要集中在3～4月份。最大風力達9級，最高風速22m／s。全年風力等級以3～4級為主，占43．5%。

全年以西北風為主、占33．6%，其次為南風、北風和西南風，分別占15．9%、14．0%、13．3%。1～5月份、10～12月份均以西北風為主，其中3、4、11、12月份西北風均占該月份風向的50%左右；6～9月份以南風為主，其中8月份南風占該月份風向的45%。

2．3冰凍

一般年份11月封凍，3月解凍，封凍期為152d左右。最大凍土深度105～139cm，平均122cm。

2．4氣溫

年平均氣溫一般為3．6～7．3℃左右。1月份最冷，平均氣溫為－14．9～－9．4℃，極端最低氣溫－40．4℃（1971年1月21日）。7月份為最熱，平均氣溫為19．4～22．3℃，最高氣溫可達38．3℃（1961 年6月10日）。

統計2011年1月1日～2015年6月30日當地氣溫詳細變化情況如圖2所示。統計期間極端最低氣溫為－34℃（2013年1月2日）。

圖2殺虎口地區歷史氣溫變化曲線（2011．1．1～2015．6．30）

3　實測洞口氣溫分布規律

測試期間進、出口最高氣溫分別為24．5℃（2015－5－15 18：00）、38．6℃（2015－4－29 16：00），最低氣溫分別為－23．9℃（2015－1－31 7：00）、－22．0℃（2015－2－8 8：00）。圖3為測試期間進、出口最高氣溫與當地最高氣溫對比，圖4為與當地最低氣溫對比，圖5為2015年1月31日進、出口氣溫隨時間的變化曲線。

圖3　隧道進、出口最高氣溫與當地最高氣溫對比

由圖3～圖5可知，出口側受南側日照影響顯著，最高氣溫明顯高于進口側。進、出口最低氣溫相差不大。隧道洞口最高及最低氣溫與當地氣溫有一定差距，因當地氣溫是在避免日照、氣流影響的百葉窗中取得，洞口氣溫是在自然條件下取得所致。隧道進口迎風、背陰，故最高氣溫低于當地最高氣溫，而出口背風、向陽，故最高氣溫高于當地最高氣溫。進出口最低氣溫一般高于當地最低氣溫。隧道進、出口氣溫每天呈規律性變化，一般早晨6：00～8：00取得最低值，下午14：00～16：00取得最高值；白天氣溫波動較大，夜晚氣溫波動較小；出口受日照影響，氣溫波動幅度較大。

圖4　隧道進、出口最低氣溫與當地最低氣溫對比

圖5 2015年1月31日進、出口氣溫隨時間的變化曲線

4　實測洞內環境溫度分布規律

4．1洞內環境溫度隨時間的變化規律

隧道進、出口段各10個斷面及中心3個斷面洞內環境平均溫度隨時間的變化曲線如圖6～圖8所示。

圖6　進口段測點洞內平均溫度時間曲線

圖7　出口段測點洞內平均溫度時間曲線

圖8　中心區段測點洞內平均溫度時間曲線

由圖6～圖8可知，洞內平均溫度受洞外氣溫影響呈季節變化；出口段受日照影響洞口位置測點平均溫度較高；進口段1～3月較冷月洞內溫度受測點位置影響顯著，即洞口溫度低、洞內溫度高，而4 ～5月份較熱月洞內溫度受測點位置影響不顯著，不同位置測點的洞內溫度基本相等；出口段受日照影響無論1～3月還是4～5月份，洞內平均氣溫均受測點位置影響顯著；隧道中心區段測點受位置影響不明顯，即隧道中心處洞內平均溫度基本相等。

4．2洞內環境溫度沿隧道縱向分布規律

取某日同一時刻洞內測點溫度繪制溫度沿隧道縱向分布曲線，圖9、圖10分別為典型日期每日7：00、15：00時刻洞內環境溫度沿隧道縱向分布曲線。圖11為洞內環境平均溫度沿隧道縱向分布曲線。

圖9 7：00時刻洞內環境溫度沿隧道縱向分布曲線

圖10 15：00時刻洞內環境溫度沿隧道縱向分布曲線

圖11　洞內環境平均溫度沿隧道縱向分布曲線

由圖9～圖11可知，1～3月份洞內環境溫度呈洞口低、中間高分布規律，而4～5月份洞內環境溫度呈洞口高、中間低的分布規律，即隧道洞內“冬暖夏涼”。7：00時刻全天溫度最低，15：00時刻全天溫度最高，洞口區段受每日氣溫變化影響較大，隧道中間區段受每日氣溫變化影響較小。

4．3不同日期不同時刻的洞內溫度為0℃的位置統計

4～5月份各測點溫度一般在0℃以上，1～3月份洞口段測點0℃以下，隧道中間測點0℃以上或以下，不同日期不同時刻的0℃以下的范圍不同，0℃以下的測點距洞口距離統計如表1所示。

由表1，不同日期不同時刻的隧道洞內0℃位置波動較大；每天不同時刻的0℃位置在7：00時刻距洞口距離較遠，而15：00的0℃位置距洞口距離較近；1．29～3．11期間最低溫度曲線沿隧道縱向分布的0℃位置一般距洞口1 000m以上，3／12～4／20期間0℃位置逐漸減小，4／20以后全洞均處于0℃以上。不同日期不同時刻0℃位置的波動受外界氣溫影響最大，其次為風速和列車運行的影響。

5　結論

表1　典型日期不同時刻0℃位置統計表

通過對季節性凍土區運營鐵路隧道溫度場測試結果的分析，得出如下主要結論：

（1）洞口氣溫隨季節呈規律性變化；受測試條件影響，洞口氣溫與當地氣溫有一定差距；洞口氣溫每日6：00～8：00取得最低值，14：00～16：00取得最高值；白天氣溫比夜晚波動大；出口受背風、向陽影響，最高氣溫明顯高于進口及當地最高氣溫。

（2）洞內氣溫受洞外氣溫影響呈季節變化；洞口段受測點位置及季節變化影響顯著，隧道中心段影響不明顯；較冷月洞內氣溫受測點位置影響顯著，較熱月影響不明顯。

（3）較冷月洞內環境呈洞口低、中間高分布規律，較熱月呈洞口高、中間低的分布規律，即隧道洞內“冬暖夏涼”；洞口段受每日氣溫變化影響較大，隧道中間段影響較小。

（4）不同日期不同時刻隧道洞內0℃位置波動較大；較冷月隧道洞內0℃位置一般距洞口1 000 m以上；0℃位置波動主要受外界氣溫的季節變化影響最大，其次為日氣溫變化，再其次為風向風速及列車運行。

參考文獻

［1］周幼吾，郭東信，邱國慶，等．中國凍土［M］．北京：科學出版社，2000

［2］丁浩，劉瑞全，胡居義，等．姜路嶺隧道溫度場特性分析［J］．現代隧道技術，2015，52（1）：76－81

［3］賴遠明，喻文兵，吳紫汪，等．寒區圓形截面隧道溫度場的解析解［J］．冰川凍土，2001，23（2）：126－130

［4］陳建勛，羅彥斌．寒冷地區隧道溫度場的變化規律［J］．交通運輸工程學報，2008，8（2）：44－48

［5］呂康成，吉哲，馬超超，等．寒冷地區隧道溫度、滲流規律與凍害預防［J］．現代隧道技術，2012，49（1）：33－38

Research on the Distribution of the Temperature Field of an Operation Railway Tunnel in Seasonally－Frozen Regions

Zhang Duanyang
（Zhunchi Railway Co．Ltd．of the Shenhua Group，Shuozhou 036002，China）

Abstract：Tunnel frost damage usually results from the freezing and thawing change in a seasonally－frozen region．The study of the distribution law of the temperature field of a tunnel is the technical basis for the study of the frost damage．With the Shahukou Tunnel in operation of the Zhunchi Railway as the engineering background，the law of the environmental temperature change with the change in time both inside and outside a tunnel is studied by means of automatically monitoring the tunnel temperature，with the longitudinal distribution law of the tunnel temperature obtained．The results show that the influence of the air temperature at the entrance is remarkable on the tunnel temperature．In winter the tunnel temperature near the entrance is low and the temperature of the intermediate section of the tunnel is high；in summer the tunnel temperature near the entrance is high and the temperature of the intermediate section of the tunnel is low．The freezing point location is fluctuated obviously with the impact of the outside air temperature，wind direction and wind speed，and the operation of the train．

Key words：seasonally－frozen region；tunnel；temperature field；distribution laws

作者簡介：張端陽（1989—），男，助理工程師，主要從事交通運輸工程管理工作 601509467＠qq．com

收稿日期：2015－11－09

中圖分類號：U452．1；U456

文獻標識碼：A

文章編號：1672－3953（2016）01－0006－06

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．002