隧道洞口段無砟軌道實測縱向溫度梯度分析

袁振華

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 概述

高速鐵路是我國重要的基礎(chǔ)交通設(shè)施，軌道類型主要為無砟軌道［1－3］。其中，雙塊式無砟軌道建設(shè)成本低于各型板式無砟軌道［4］，是無砟軌道體系中廣泛應(yīng)用的軌道結(jié)構(gòu)之一［5－6］，且在武廣、鄭西、滬寧等高速鐵路的運營實踐體現(xiàn)了其“高穩(wěn)定性、高平順性和少維修性”的設(shè)計和應(yīng)用目的。然而，由于缺乏長期的運營實踐經(jīng)驗，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、預(yù)制件制造和施工過程控制等一些技術(shù)細(xì)節(jié)上仍有不足，導(dǎo)致個別地段無砟軌道結(jié)構(gòu)存在一些不同的缺陷，尤其對于路隧過渡區(qū)段，其洞口區(qū)段存在較大溫差，部分前期開通運營線路出現(xiàn)5～8 mm的道床板上拱現(xiàn)象（見圖1），主要出現(xiàn)在過渡段的端梁錨固區(qū)域。高速鐵路隧道洞口區(qū)段的無砟軌道縱向溫度梯度分布規(guī)律亟需探明。

圖1 路隧過渡段道床板上拱

路基上道床板采用連續(xù)澆筑的方式直接澆筑于支承層上，澆筑前支承層采取拉毛或鑿毛處理；在路橋分界處，路基上道床板在距端部5～10 m處設(shè)置端梁結(jié)構(gòu)；在路橋分界處設(shè)置20 mm寬的伸縮縫，采用聚乙烯泡沫塑料板填充并用密封膠密封。

目前的研究成果主要集中在寒冷地區(qū)的鐵路隧道溫度場方面，諸多研究人員針對隧道洞內(nèi)外環(huán)境溫度隨時間的變化規(guī)律及隧道縱向溫度的分布規(guī)律進(jìn)行了研究。實測資料表明，鐵路隧道的氣溫從洞口至洞內(nèi)300 m范圍內(nèi)變化最大，每年6～9月之間，從洞口至洞內(nèi)逐漸遞減，每年10月～次年5月之間，從洞口至洞內(nèi)逐漸遞增，全年隧道中部的變溫率幾乎為零［7］。環(huán)境溫度、自然風(fēng)速、列車運行速度和頻率等不同條件會影響隧道內(nèi)的溫度分布［8］，由于列車的活塞效應(yīng)，高速列車的運營可減少隧道冬季洞內(nèi)外的溫差［9］。隧道內(nèi)的氣溫分布特征為上高下低，洞內(nèi)氣溫高于洞口氣溫，隨著距洞口距離的增大，洞外氣溫對洞內(nèi)氣溫的影響逐漸減弱，氣溫分布逐漸變得均勻［10］。冬季隧道內(nèi)氣溫和襯砌溫度隨時間的變化不大，而隧道洞口的溫度隨時間發(fā)生較大變化［11］。冬季隧道內(nèi)氣溫呈洞口低、中間高分布，夏季恰好相反，呈洞口高、中間低分布，外界氣溫、風(fēng)速及列車運行可影響冬季洞內(nèi)溫度［12］。隧道洞內(nèi)的年氣溫變化具有周期性，隨時間大致呈正弦曲線變化，縱向上的氣溫可用指數(shù)函數(shù)曲線擬合［13］。現(xiàn)場上拱區(qū)段并不局限于寒冷地區(qū)，因此應(yīng)對溫度區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展研究。

本文以我國高速鐵路應(yīng)用廣泛的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為研究對象，對不同溫度區(qū)域隧道洞口段無砟軌道道床板溫度進(jìn)行為期2年的監(jiān)測。系統(tǒng)分析了隧道洞口區(qū)段無砟軌道的縱向溫度梯度特征，以獲取不同區(qū)域隧道段無砟軌道溫度分布特征，可為我國隧道內(nèi)無砟軌道的養(yǎng)護(hù)維修及優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2 監(jiān)測點概況

本文選擇寒冷和溫暖2個溫度區(qū)域的高速鐵路隧道，即定西中川隧道和天水渭河隧道進(jìn)行監(jiān)測。以隧道洞口（0 m）為分界線，在隧道內(nèi)外分別設(shè)置測試斷面，隧道外10 m處測試大氣溫度，隧道內(nèi)每隔50 m設(shè)置一個測試斷面，共設(shè)置8個測試斷面，測試距離分別為：－10 m、0 m、50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m。

3 檢測數(shù)據(jù)分析

3.1 隧道洞口區(qū)段溫度分布特征分析

對中川隧道（海拔1 644 m）洞外10 m至洞內(nèi)250 m區(qū)段近2年的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，可得圖2的溫度變化規(guī)律。

圖2 中川隧道不同時段的年溫度分布情況

圖2a分析表明：8：00時段（日溫度最低），從隧道洞口－10 m至洞內(nèi)250 m，11月15日～次年4月15日期間，縱向溫差最大，最大縱向溫差出現(xiàn)在1月15日～次年2月15日期間（年溫度最低），5～10月縱向溫差不大。

圖2b分析表明：14：00時段（日溫度最高），從隧道洞口－10 m至洞內(nèi)250 m，1月15日～9月15日，－10～50 m縱向溫差最大，洞內(nèi)50～250 m縱向溫差很小；9月15日～次年1月15日，洞外－10～0 m縱向溫差最大，洞內(nèi)0～250 m縱向溫差很小。

對渭河隧道（海拔1 137 m）洞外10 m至洞內(nèi)300 m區(qū)段近2年的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，可得圖3的溫度變化規(guī)律。

圖3 渭河隧道不同時段的年溫度分布情況

圖3a分析表明：8：00時段（日溫度最低），從隧道洞口－10 m至洞內(nèi)250 m，11月25日～次年3月25日，縱向溫差很大，3月25日～11月20日，縱向溫差很小。

圖3b分析表明：14：00時段（日溫度最高），從隧道洞口－10 m至洞內(nèi)250 m，11月24日～次年3月1日，縱向溫差最大；7月1日～11月16日，洞外－10 m～洞內(nèi)50 m區(qū)段的縱向溫差最大，洞內(nèi)50～250 m縱向溫差較小。

3.2 隧道洞口區(qū)段縱向溫度梯度分布特征

對中川隧道（海拔1 644 m）洞外10 m至洞內(nèi)250 m區(qū)段近2年的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，可得圖4的溫度變化規(guī)律。

圖4 中川隧道縱向溫度梯度日變化曲線

圖4a分析表明：8：00時段（日溫度最低），從隧道洞口－10 m至洞內(nèi)250 m，縱向溫度梯度逐漸降低，－10～50 m是縱向溫度梯度變化最大的區(qū)段，最大縱向溫度梯度出現(xiàn)于1～2月，其值可達(dá)－0.14℃/m，最大正值出現(xiàn)于4～7月，幾乎不超過0.08℃/m（除5月23日出現(xiàn)一次最大正值0.2℃/m外）；150～200 m區(qū)段縱向溫度梯度很小，全年最大值在－0.05～0.05℃/m之間波動。

圖4b分析表明：14：00時段（日溫度最高），從隧道洞口－10 m至洞內(nèi)250 m，縱向溫度梯度逐漸降低，－10～50 m是縱向溫度梯度變化最大的區(qū)段，最大縱向溫度梯度出現(xiàn)于1～2月和6～7月，縱向溫度梯度正值可達(dá)0.32℃/m，負(fù)值可達(dá)－0.26℃/m；200～250 m區(qū)段縱向溫度梯度很小，全年最大值在－0.06～0.02 ℃/m 之間波動。

分析中川隧道洞外－10 m（海拔1 600 m）至洞內(nèi)250 m縱向溫度分布規(guī)律，可得圖5的縱向溫度梯度的變化規(guī)律，結(jié)果表明：隧道洞口0 m～洞內(nèi)100 m范圍內(nèi)溫度梯度較大，為0.21℃/m且呈線性變化；洞外至洞口，最大溫度梯度幾乎可忽略不計；150～250 m范圍趨于緩慢，溫度梯度很小，為0.07℃/m。不同時間段內(nèi)，早、中、晚的溫度梯度變化規(guī)律幾乎一致。

再次，不僅語境是分析文學(xué)作品語言特色的關(guān)鍵性因素，而且，作者的寫作個性也是說明其語言特色的關(guān)鍵所在。但這一點卻被大多數(shù)的研究者所忽視。因為，一個作者的創(chuàng)作風(fēng)格，不僅體現(xiàn)其小說創(chuàng)作的選材里，體現(xiàn)在小說人物形象體系的設(shè)計中，而且還體現(xiàn)在其創(chuàng)作的重要媒介——語言運用上。在小說《警察和贊美詩》中，作者的修辭運用別具特色。例如：

圖5 一天中中川隧道縱向溫度梯度的變化規(guī)律

觀測中川隧道進(jìn)口區(qū)段的溫度梯度：中川隧道冬季最大溫差21℃（1月24日，洞口到洞內(nèi)100 m）；洞外10 m～洞口的溫度梯度為－0.7～0.8℃/m；洞口～50 m的溫度梯度為－0.22～0.24℃/m；50～100 m溫度梯度為－0.28～0.08℃/m之間；100～150 m溫度梯度為－0.2～0.06℃/m之間；150～200 m溫度梯度為－0.2～0.08℃/m之間；200～250 m溫度梯度在－0.1～0.06℃/m之間。

對渭河隧道（海拔1 137 m）洞外10 m至洞內(nèi)300 m區(qū)段近2年的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，可得圖6的溫度梯度的變化規(guī)律。

圖6a分析表明：8：00時段（日溫度最低），從隧道洞口－10 m至洞內(nèi)250 m，縱向溫度梯度逐漸降低，－10～50 m是縱向溫度梯度變化最大的區(qū)段，最大縱向溫度梯度出現(xiàn)于12月～次年2月和7～8月，最大正值出現(xiàn)于4～8月，幾乎不超過0.05（除8月11日出現(xiàn)一次最大正值0.15℃/m外），最大負(fù)值－0.1℃/m；150～200 m區(qū)段縱向溫度梯度很小，全年最大值在－0.05～0.05℃/m之間波動。

圖6b分析表明：14：00時段（日溫度最高），從隧道洞口－10 m至洞內(nèi)300 m，縱向溫度梯度逐漸降低，－10～50 m是縱向溫度梯度變化最大的區(qū)段，最大縱向溫度梯度出現(xiàn)于12月～次年1月和7～9月，縱向溫度梯度正值可達(dá)0.17℃/m，負(fù)值可達(dá)－0.1℃/m；洞內(nèi)100～300 m區(qū)段縱向溫度梯度很小，全年最大值在－0.04～0.02℃/m之間波動。

圖6 渭河隧道縱向溫度梯度日變化曲線

分析渭河隧道（海拔1 100 m）洞外10 m至洞內(nèi)300 m的溫度分布，可得圖7的縱向溫度梯度的變化規(guī)律，可知：不同時段內(nèi)，早、中、晚的縱向溫度梯度變化規(guī)律幾乎一致，均呈自洞外向洞內(nèi)逐漸遞減的規(guī)律；洞外－10 m至洞口0 m，最大溫度梯度幾乎可忽略不計；洞外0 m～洞內(nèi)100 m范圍內(nèi)溫度梯度較大，最大值為0.07℃/m且呈線性變化；洞內(nèi)100～300 m縱向溫度梯度很小，且變化緩慢，為0.03 ℃ /m。

圖7 一天中渭河隧道縱向溫度梯度的變化規(guī)律

根據(jù)渭河隧道出口地段的溫度數(shù)據(jù)分析：渭河隧道冬季最大溫差是7℃（12月28日，洞口0 m～洞內(nèi)100 m），不同季節(jié)、不同時段里，縱向溫度梯度的變化均很小。無論是夏天還是冬天，還是早上8：00、中午14：00、晚上20：00，洞外 10 m～ 洞口的溫度梯度最大，僅為－0.3～0.4 ℃/m，洞口～50 m、50～100 m溫度梯度均在－0.1～0.02℃/m之間，100～150 m、150～200 m、200～300 m溫度梯度在－0.04～0.02℃/m之間。可初步認(rèn)為：離洞口100 m以上，軌道結(jié)構(gòu)可視為固定區(qū)段。

4 路隧過渡段軌道結(jié)構(gòu)縱向溫度梯度

監(jiān)測工點在路基、隧道洞口布設(shè)，測點13位于路基上，測點14位于隧道洞口，測點13和14之間的間距為60 m。

圖8a為路基與隧道洞口段道床板板中溫度隨時間變化圖，圖8b為路基與隧道口道床板板中溫差隨時間變化圖。從圖中可以看出，路基和隧道洞口的道床板板中溫度變化趨勢一致。路基和隧道洞口的日最大板溫差在－0.56～18.06℃，日最小板溫差在－3.3～4.19℃。路基和隧道洞口的日道床板板中溫差變化明顯高于橋梁與路基地段。

圖8 路基與隧道口道床板溫度變化

5 結(jié)論

通過為期2年的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）寒冷和溫暖區(qū)域（即中山隧道和渭河隧道），日溫度最低和最高時段分別為每日8：00和14：00前后，但各自對應(yīng)的最大縱向溫度梯度持續(xù)天數(shù)不同。在寒冷區(qū)域，日溫度最高時段產(chǎn)生道床板最大縱向溫差的持續(xù)天數(shù)是日溫度最低時段的3倍左右；在溫暖區(qū)域，相比于日溫度最低時段，一年中日溫度最高時段產(chǎn)生道床板最大縱向溫差的持續(xù)天數(shù)少25 d。這表明溫度區(qū)域?qū)Φ来舶遄畲罂v向溫差的顯著影響。

（2）寒冷區(qū)域，在日溫度最低時段，隧道洞口段道床板縱向負(fù)溫度梯度為－0.14℃/m，縱向正溫度梯度基本不超過0.08℃/m；在日溫度最高時段，道床板縱向正、負(fù)溫度梯度分別為0.32℃/m和－0.26℃/m。溫暖區(qū)域，在日溫度最高時段，道床板縱向正、負(fù)溫度梯度分別為0.17℃/m和－0.1℃/m；在日溫度最低時段，道床板縱向正、負(fù)溫度梯度分別為0.05℃/m和－0.1 ℃ /m。

（3）隧道洞口段，道床板縱向溫度梯度變化最顯著的區(qū)段長度約為60 m，為洞外10 m至洞內(nèi)50 m。溫暖區(qū)域道床板縱向正、負(fù)溫度梯度變化量，均低于寒冷區(qū)域。相比于日溫度最低時段，日溫度最高時段的道床板縱向正、負(fù)溫度梯度變化較大。

（4）路隧過渡段，路基段和隧道段的道床板溫度變化趨勢基本一致，但路基段溫度普遍高于隧道段。實測數(shù)據(jù)表明，路基段和隧道段的道床板的日溫差變化量差異為7.49～18.62℃，這表明路隧過渡段的道床板縱向溫度分布不均勻，這種溫度效應(yīng)很可能是雙塊式道床板在端梁處出現(xiàn)上拱的原因，應(yīng)在運營期間嚴(yán)格監(jiān)控。