季凍區隧道洞口段施工溫度測試及分析

蒲炳榮 王佳

【摘 要】?隨著我國越來越多的隧道施工建設項目進入寒區或季凍區，對隧道施工期間溫度分布及傳播規律的研究極有意義。文章以季凍區白馬隧道為背景，采用溫度采集儀、記錄儀以及電阻式溫度計對隧道洞口段內外氣溫、熱源以及圍巖溫度進行現場監測和數據采集。基于現場測試結果，分析隧道洞口段施工期間洞外、洞內氣溫變化規律和圍巖內溫度分布和傳播規律，并對季凍區隧道防寒保溫措施進行了探討。結果表明：（1）季凍區隧道內外氣溫均存在正負溫交替現象，洞外氣溫變化一般呈正態分布，且洞內氣溫會隨隧道外氣溫的變化而變化;（2）隧道內斷面距洞口越遠、圍巖距洞身越遠，圍巖受到洞內外氣溫的影響越小，進行施工通風后，越靠近洞身的圍巖溫度越低，二襯施做能使圍巖溫度驟升，并在一段時間后趨于平穩;（3）洞口段圍巖溫度分布存在明顯的溫度梯度，且徑向深度達到3 m后，除二襯澆筑放熱外圍巖溫度幾乎不受影響;（4）在隧道掘進的過程中，圍巖內部溫度傳播速率的變緩點越來越接近洞身，建議隧道保溫層鋪設于隧道表面，并采用不同的鋪設厚度。

【關鍵詞】隧道工程; 洞口段溫度; 現場溫度測試; 施工期; 季凍區; 保溫層

1 季凍區隧道施工期溫度測試

隨著我國隧道建設越來越多地進入寒冷地區，許多學者在現場溫度監測的基礎上對寒區或季凍區隧道的溫度分布及傳播進行了研究。楊俊東等[1]以埡口山隧道為背景，對洞口400 m范圍內的溫度場進行監測，經分析得到：隧道內溫度與斷面距洞口距離成正比關系，并且每100 m溫度變化率發生變化，在300 m后趨于穩定;宋鶴等[2]對后安山隧道試驗段溫度場進行現場測試，并分析了洞內縱向及圍巖內溫度變化規律;孫克國、徐雨平等[3]以隧道凍害問題入手，深入研究了隧道縱斷面和橫斷面的溫度分布規律，認為圍巖初始地溫越高、導熱系數越小，越有利于負溫氣流影響下的寒區隧道抗防凍工作;葉朝良等[4]對深季節凍土區的涵洞溫度場進行了現場檢測，對涵洞外側、頂部、外壁及洞內的溫度變化規律進行了詳細闡述，為深季節凍土區涵洞的設計與施工提供參考。隨著室內試驗技術和計算機的發展，對季凍區隧道溫度場的研究也趨向多元化。馮強等[5]在現場溫度測試的基礎上，進行室內試驗測定了襯砌的導熱系數，為后續的溫度場數值模擬確定了參數;嚴浩[6]利用有限元軟件FLUENT模擬了殺虎口隧道洞內溫度場，并得到了隧道進出口圍巖的凍結范圍和深度，為隧道保溫層的設計提供了參考;高焱等[7]采用數值分析的方法，對不同氣溫、圍巖地溫以及有無保溫層等情況下寒區隧道溫度場分布規律進行了研究，并對隧道防寒保溫提出了建議。

雖然對溫度場的研究由現場測試擴展到了室內試驗和數值模擬，但現場溫度測試是進行后續工作的基礎，并且不同地區的隧道存在不同規律的溫度場，因此，現場溫度測試仍然是不可或缺的一環。而在上述現場溫度測試的諸多研究中，大多建立在既有運營隧道的基礎上，對寒區或季凍區隧道施工期間溫度測試的研究較少。目前，在大量季凍區隧道施工的背景下，非常有必要對季凍區隧道施工期間溫度分布及傳播規律進行深入研究分析。本文以綿陽至九寨溝高速公路白馬隧道為依托，在隧道進行洞口段施工時，通過隧道內、外氣溫及圍巖溫度的現場監測，對季凍區隧道洞口段施工溫度變化及傳播規律進行了分析總結，并以此為依據提出了保溫防凍建議。

2 現場測試方案

在建綿-九高速白馬隧道長約13 km，為左、右線分離式隧道，隧址區地形起伏大，隧道最大埋深為1 092 m，平均設計海拔約為2 245 m。白馬隧道屬于亞熱帶山地濕潤季風氣候，進口段位于九寨溝縣，年平均氣溫7.3 ℃，極端最低溫-3.7 ℃;進口段位于平武縣，年平均氣溫14.7 ℃，極端最低溫-7 ℃[8]。并且，工程區內大約從10月到4月初存在季節性結冰現象，持續時間長。因此，白馬隧道是典型的季凍區隧道，在冬季施工時，為保證施工安全和施工進度，應加強對隧道內、外以及圍巖內溫度變化的監測，并對隧道的抗防凍措施提出建議。

本次施工現場溫度監測在2016年10月～2017年1月之間，歷時3個月，正處于白馬隧道冬季洞口施工期，并且測試期間經歷了隧道未通風、通風、施做初支及二襯四個階段。如圖1所示，隧道掘進至180 m后、第一個車行橫通道前采用壓入式通風[9]，由于外界溫度變化對隧道影響存在一定范圍內，因此選取距洞口50 m、100 m和150 m的斷面A-A、斷面B-B和斷面C-C作為測試斷面，同時在洞外放置溫度記錄儀測試洞外溫度。本次測試項目包括：①隧道洞內、外大氣溫度;②隧道內熱源產生的溫度;③隧道圍巖及襯砌溫度。具體測試方案如下。

2.1 洞外大氣溫度

采用5個RC-4溫度記錄儀（圖2）放置于洞外不同位置處，每隔1 h自動記錄溫度，最終由5個溫度記錄儀的平均讀數，得到洞外溫度隨時間變化規律。

2.2 洞內大氣溫度

考慮洞外大氣溫度對洞內溫度影響范圍的限制，在隧道內選取斷面A-A、斷面B-B和斷面C-C進行洞內空氣溫度的測試，采用RC-4溫度記錄儀每隔1 h自動記錄溫度，得到洞內溫度隨時間變化規律。

2.3 熱源溫度

隧道內施工過程中挖掘機、空壓機、現澆襯砌和爆破等均會產生熱量，從而影響隧道內的溫度。采用便攜式溫度采集儀（圖2）對這些熱源的溫度進行采集。

2.4 圍巖及襯砌溫度

采用3k電阻式溫度計（圖2）分別在斷面A-A、斷面B-B和斷面C-C處對隧道圍巖和襯砌溫度進行監測。安裝及測試方法如下：在斷面初支并噴射混凝土后，在距地面1 m高處沿徑向鉆一個3 m深的孔，如圖3所示，將6個溫度傳感器按相應間距綁在鋼筋上并插入孔中，將電線集中在襯砌外以方便記錄數據。

3 測試結果及分析

3.1 洞內外溫度變化規律

根據隧道內外自動記錄的氣溫數據，得到2016年10月至2017年1月間的洞內外溫度變化曲線，如圖4所示，對比四條曲線，可以得出以下規律：

（1）隧道內外溫度總體呈現降低趨勢，在2016年12月至2017年1月溫度略有回升;洞外最高、最低溫度分別為21.2 ℃、-7.2 ℃，洞內最高、最低溫度分別為14.5 ℃、-4.8 ℃。

（2）當隧道外日均氣溫趨于穩定時，由于晝夜溫差大的原因，隧道外溫度變化大致呈現正弦分布狀態，而在隧道內沒有這種規律;當隧道外日均氣溫不趨于穩定時，如在2016年10月21日～28日、2016年11月5～9日、2016年11月21日～25日和2016年12月13日～17日，隧道外溫度出現驟降，晝夜溫差減小而不出現正弦分布狀態，此時，隧道內溫度變化趨勢與隧道外相一致，說明在一段時間內，隧道內氣溫會隨隧道外氣溫的變化而變化。

（3）洞外溫度變化幅度在10～20 ℃之間，遠大于洞內5～10 ℃的變化幅度，這是由于隧道內缺乏太陽的直射作用以及圍巖本身的熱量的作用，使得洞內晝夜溫差小于洞外。

（4）測試時施工現場采用壓入式通風，由實際斷面位置及圖4中三個斷面溫度變化曲線可知，距離風管出口越近的斷面，溫度變化越大。

3.2 圍巖溫度變化規律

圍巖溫度變化監測可分為三個階段：施工通風開始前、施工通風開始后二次襯砌施做前和二次襯砌施做后。橫斷面圍巖溫度變化曲線如圖5所示，三個斷面溫度變化規律大致相同，現分析如下：

（1）未進行施工通風時，受到洞內外空氣對流及活塞風的影響，洞內空氣溫度變化與洞外呈現一致的降低趨勢，并且越靠近洞身的測點溫度降低的幅度越大;在空氣流動與洞內熱源發熱對洞內溫度的共同影響下，各種機械、爆破放熱占主導地位，因此越靠近洞身的測點溫度越高;對比三個斷面在此階段的溫度變化，越遠離洞口的斷面受到洞外溫度影響就越小，并且測點1～4溫度變化越趨于一致，而測點5、6由于插入圍巖內一定深度，其變化幾乎不受外界溫度影響。

（2）在隧道掘進至180 m后，進行施工通風，由于外界冷空氣的引入，圍巖溫度會進一步降低，并且越靠近洞身溫度降低幅度越大，一段時間后，洞外溫差減小及風管摩擦生熱作用，圍巖溫度達到穩定，此時越靠近洞身圍巖溫度越低;對比三個斷面在此階段的溫度變化，越遠離洞口的斷面各測點的溫度梯度越不明顯，這說明在遠離洞口的過程中，圍巖溫度影響深度在降低。

（3）在施做二襯后，由于混凝土內部的化學反應放熱，極大地增高了圍巖的溫度，且越靠近洞身溫度上升越快;在拆模后，隨著混凝土內部反應結束和通風的作用，二襯及圍巖溫度降低并趨于穩定，并且越靠近洞口溫度降低幅度越大，圍巖溫度梯度也越大。

（4）除了二襯施工放熱期間，測點6溫度幾乎不發生變化，說明在洞口段施工時，外界溫度變化對圍巖影響深度約為3 m。

4 抗防凍措施

目前隧道防凍措施主要有以下3種：供熱法、防寒門法和敷設隔熱保溫層法[10]。陳建勛等[11]對隧道溫度測試數據進行了詳細分析，認為隧道保溫層對減輕隧道凍害是有利的;劉立軍[12]以隧道襯砌凍融危害為出發點，通過對隧道現場溫度的監測與分析，對隧道保溫層的設置提出了建議;袁金秀等[13]采用“圍巖-襯砌-保溫層-空氣”氣固耦合計算模型對寒區隧道保溫層進行研究，經分析得保溫層最優厚度為5 cm，最優鋪掛方式為襯砌內表面鋪設。

為了在上述學者提出的抗防凍措施的基礎上對白馬隧道保溫抗凍措施提供建議，本文對圍巖內部溫度傳播速率的特點進行了探討。在進行施工通風前，對同一時間三個斷面各測點繪制溫度曲線，如圖6所示，橫坐標為測點與洞身的距離。

可以看出，在斷面A-A和斷面B-B處，圍巖溫度傳播速率在測點4即距洞身0.99 m處變緩，而斷面C-C處圍巖溫度傳播速率在測點3即距洞身0.66 m處變緩，并且圍巖絕大部分溫度變化均發生在圍巖溫度傳播速率變緩點之前。可以推測，在隧道向前掘進的過程中，圍巖溫度傳播速率變緩點會越來越靠近洞身，因此，隧道保溫措施應靠近隧道內壁，為施工方便，建議保溫層鋪設于隧道表面，并應以現場實測數據為參考采取不同的鋪設厚度。

在現場實際測試中，發現白馬隧道除在隧道表面鋪設保溫層材料進行保溫外，還采用防寒門法配合供熱法進行保溫。在洞口用專門特制的保溫卷簾門封閉隧道，使得隧道內溫度不低于5 ℃，在門簾上設置0.5 m×0.5 m的排煙口用以排煙，同時在保溫門內設火爐進行輔助升溫，確保隧道內溫度維持在一定范圍內。

5 結論與建議

在季凍區白馬隧道冬季洞口段施工期間，對隧道內外的空氣溫度、熱源溫度以及圍巖內部溫度進行歷時3個月的監測和數據采集，對季凍區隧道溫度的分布及傳播規律進行了分析和總結，并得到以下結論與建議：

（1）季凍區隧道內外氣溫均存在正負溫交替現象，除降溫期間，季凍區隧道外氣溫大致呈正弦分布，隧道內氣溫會隨隧道外氣溫的變化而變化，且距離風管越近的斷面氣溫變化幅度越大。

（2）洞口段圍巖溫度變化規律不僅和通風斷面距洞口距離、圍巖距洞身距離有關，也和施工通風、二襯施做有關。距洞口、洞身越遠，圍巖受到洞內外氣溫的影響越小;進行施工通風后，洞內氣溫進一步降低，并且越靠近洞身溫度越低;二襯施做能使圍巖溫度驟升，在一段時間后趨于平穩。

（3）離洞身越近的斷面，圍巖呈現的溫度梯度越明顯;在洞口段施工時，除了二襯施工放熱期間，測點6溫度幾乎不發生，說明外界溫度變化對圍巖影響深度約為3 m。

（4）在隧道掘進的過程中，圍巖內部溫度傳播速率的變緩點越來越接近洞身，因此建議隧道保溫層鋪設于隧道表面，并采用不同的鋪設厚度。

參考文獻

[1] 宋鶴，葉朝良，米俊峰，等.吉圖琿客運專線后安山隧道溫度場分布規律測試及分析[J].鐵道標準設計，2015，59（7）：119-123.

[2] 孫克國，徐雨平，仇文革，等.寒區隧道溫度場分布規律及圍巖特性影響[J].現代隧道技術，2016，53（6）：67-72.

[3] 葉朝良，張梓鴻，王月.深季節凍土區涵洞溫度場分布規律測試分析[J].鐵道標準設計，2017，61（8）：16-20+26.

[4] 馮強，劉煒煒，蔣斌松.玉希莫勒蓋隧道溫度場及保溫層厚度的研究[J].現代隧道技術，2016，53（5）：78-84.

[5] 嚴浩. 嚴寒地區運營鐵路隧道溫度場測試與數值模擬[D].石家莊鐵道大學，2016.

[6] 高焱，朱永全，耿紀瑩，等.寒區隧道溫度場分布規律及保溫層適應性研究[J].鐵道標準設計，2017，61（10）：105-111.

[7] 范建國. 寒區公路隧道施工期溫度傳播規律及抗防凍措施研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[8] 彭佩，方勇，周超月，等.隧道施工壓入式通風效果分析及參數優化研究[J].鐵道標準設計，2014，58（7）：102-106.

[9] 方勇，彭佩，趙子成，等.風管出口位置對隧道施工通風效果影響的研究[J].地下空間與工程學報，2014，10（2）：468-473.

[10] 謝紅強，何川，李永林.寒區公路隧道保溫層厚度的相變溫度場研究[J].巖石力學與工程學報，2007（S2）：4395-4401.

[11] 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（2）：44-48.

[12] 劉立軍. 寒冷地區隧道保溫結構的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[13] 袁金秀，王道遠，馬海龍.季節性凍土區隧道保溫層御寒保溫技術研究[J].鐵道標準設計，2018（8）.

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