拉日鐵路沿線氣溫軌溫觀測研究

管新武

中鐵第一勘察設計院集團有限公司陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室，西安 710043

拉薩—日喀則鐵路（以下簡稱拉日鐵路）地處青藏高原西南部的“一江兩河”（雅魯藏布江及其兩大支流拉薩河、年楚河）腹地，沿線海拔3 700～4 000 m。

鋼軌溫度（軌溫）作為無縫線路應用的一個重要參數，一般取當地有史以來的極端氣溫作為無縫線路設計和管理的基本依據。最高軌溫取當地最高氣溫加20 ℃，最低軌溫取當地最低氣溫［1-2］。這一規定是我國無縫線路鋪設應用經驗的總結，適用于我國廣大地區的無縫線路設計和運營管理，并經過長期應用實踐證明是科學合理的。

拉日鐵路通過地區屬高原溫帶亞干旱氣候區，具有長冬無夏、春秋相連、空氣相對濕度小、晝夜氣溫差異明顯、天氣變化劇烈、日照強烈（向陽面與背陰處溫度差異大）的特點［3］。特殊的高原氣候特征和日照條件對無縫線路的設計、鋪設以及養護維修都帶來了不同于內地的新問題。

為掌握拉日鐵路沿線環境溫度和鋼軌溫度的變化及關系，在拉日鐵路建設過程中，沿線建立了3個氣溫軌溫觀測站，進行氣溫、軌溫的觀測，研究氣溫軌溫變化規律及關系。

1 觀測站選址及觀測方法

1.1 觀測站選址

拉日鐵路基本走向為東西向，沿線氣溫基本不受緯度效應影響。在青藏高原，高度每升高100 m，溫度降低約 0.55～0.7 ℃［4］，地形條件對局部氣溫的影響較大，地形條件和垂直氣候對沿線氣溫的影響較為明顯。根據拉日鐵路沿線地形地貌特點，按地貌單元類別選擇有代表性位置建立觀測站。

拉薩至雅江峽谷區出口（拉薩河、雅江寬谷區）段線路起伏不大，海拔高度3 590～3 660 m。選擇在拉薩河特大橋曲水端橋頭建立曲水氣溫軌溫監測站。

大竹卡至日喀則（雅江、年楚河寬谷區）線路海拔高度在3 810～3 990 m，本段以吉瓊埡口為界，以東為雅江寬谷區，以西為年楚河寬谷區。雅江、年楚河寬谷區地形條件相似，線路高程接近，但河谷區主導風向不同。因此在兩條河谷區分別建立觀測站。選擇在圣殿山隧道出口附近（鐵路施工項目部旁邊的變電站）建立氣溫軌溫監測站，代表雅江寬谷區氣候環境。在聯卓2 號特大橋附近（鐵路施工項目部綜合拌和站內）建立氣溫軌溫監測站，代表年楚河寬谷區氣候環境。

曲水、大竹卡和日喀則三個氣溫軌溫觀測站于2012年2月21日建成，同時進行數據觀測記錄。

1.2 觀測及數據采集方法

采取氣溫、軌溫同步觀測記錄方法，觀測期為一年。

軌溫觀測：設置模擬碎石道床軌道結構，為抵消日照直射影響，在鋼軌腰部陰陽面各粘貼一個軌溫傳感器進行軌溫監測（取二者平均值）。軌溫觀測見圖1。

圖1 軌溫觀測裝置

氣溫觀測：按小型氣象站氣溫觀測要求設置離地面高度不小于1.2 m 的百葉箱，箱內懸掛氣溫傳感器進行氣溫觀測。氣溫觀測裝置見圖2。

圖2 氣溫觀測裝置

數據采集：采用多通道數據紀錄儀，每間隔30 min同步采集鋼軌腰部陰陽面溫度和百葉箱內氣溫。

2 數據分析及氣溫軌溫變化特點

2.1 觀測期極值溫度特點

通過篩選各測站觀測期最高、最低氣溫軌溫，最大日氣溫差、軌溫差，最大年氣溫差、軌溫差、氣溫軌溫差等極值特征數據，得到觀測期各測站極端溫度見表1。觀測數據與沿線氣象資料（表2）基本吻合。局部地形地貌差別對小氣候影響是觀測數據與氣象資料有少許差別的主要原因。

由表1、表2可以看出：

表1 觀測期溫度及溫差極值 ℃

表2 拉日鐵路沿線氣象資料 ℃

1）觀測期內拉日鐵路沿線年最大氣溫差未超過50 ℃，年最大軌溫差不超過70 ℃，表現出典型的“冬無嚴寒，夏無酷暑”的低緯度、高海拔氣候特征，無縫線路鎖定軌溫設計相對自由。

2）日氣溫變化高出內地（一般不超過15 ℃，最大不超過20 ℃）氣溫變化范圍。拉日鐵路沿線晝夜氣溫變化劇烈，氣溫陡升陡降，表現出低緯度、高海拔，輻射強烈的特點，主要原因是日照輻射強烈、植被稀少。

3）日軌溫變化超出內地（最大不超過40 ℃）范圍。青藏線格拉段氣溫軌溫試驗中也監測到了40 ℃以上的日軌溫差［4］，說明在青藏高原強烈的日照條件下，日軌溫差超過40 ℃具有一定的普遍性。

4）最大氣溫軌溫差一般不超過20 ℃。觀測期僅在曲水站7～12月時段觀測到超過20 ℃的日氣溫軌溫差，其余測站均未觀測到。曲水站觀測到的最大氣溫軌溫差為27.5 ℃（氣溫、軌溫不同步達峰），當日最高軌溫和最高氣溫差最大為23.9 ℃。青藏線格拉段氣溫軌溫監測中也出現了19 d 氣溫軌溫差超出20 ℃的數據［5-6］。

曲水觀測站位于拉日鐵路施工項目部院內，距離圍墻和硬化地坪均不小于5 m，避免了圍墻遮擋和硬化地坪輻射影響，但通風條件較差。而大竹卡觀測站模擬軌道設置在配電房頂，日喀則觀測站模擬軌道設置在混凝土柱頂，通風條件良好。通風不良可能是造成曲水站出現超過20 ℃氣溫軌溫差的原因。

5）觀測期模擬軌道鋼軌腰部陰陽面同一時刻溫差可達4～6 ℃，最大達到8.2 ℃。說明青藏高原太陽輻射強烈，測量鋼軌溫度時應考慮日照直射影響，以往單點監測的鋼軌溫度存在較大偏差。

2.2日極值溫度特點

通過篩選各觀測站日最高、最低氣溫軌溫及其出現時間，同一時刻氣溫軌溫差，日最大氣溫、軌溫差等日極值特征數據。日極值溫度變化以春夏季較為劇烈，秋冬季相對緩和。截取春夏季觀測期內各測站日極端氣溫、軌溫及其溫差變化曲線見圖3。

圖3 極端氣溫、軌溫及其溫差變化曲線

由圖3可以看出：

1）各觀測站日最高氣溫、軌溫均出現在下午至日落前，日最高軌溫、氣溫達峰時間不同步，最高軌溫峰值一般出現在最高氣溫峰值前。

2）日氣溫變化7～10月份相對緩和，其余時間日氣溫差超過15 ℃非常普遍（曲水站76%，大竹卡站68%，日喀則站69%）。日氣溫差超過20 ℃的觀測數據一般在11月至次年3月時段出現（曲水站30 d，大竹卡站22 d，日喀則站22 d）。

3）日軌溫變化11月至次年3月相對劇烈，日軌溫差超過25 ℃非常普遍（曲水站92%，大竹卡站67%，日喀則站61%），超過30 ℃基本達到1/3 以上（曲水站73%，大竹卡站31%，日喀則站34%）。日軌溫差超過40 ℃的在曲水站觀測到26 d，在日喀則站觀測到2 d，大竹卡站未觀測到，具有一定的普遍性。

4）觀測期各測站24 h 觀測記錄中，基本上每天都會出現一段軌溫低于氣溫的時段（以下簡稱“負溫區”）。負溫區溫差一般為1～3 ℃，最大不超過5 ℃，負溫區溫差波動較小。負溫區現象在哈爾濱鐵路局［7］、青藏線格拉段氣溫軌溫監測［5］中均得到驗證。

5）日最高氣溫、軌溫和最低氣溫、軌溫隨季節變化趨勢明顯。日最大軌溫差與季節變化關系不明顯；日最大氣溫差在冬、春季較大，在夏、秋季較小；日最大氣溫軌溫差在冬、春季較小，在夏、秋季較大。

6）日極端氣溫、軌溫存在一定的相關性。日最高氣溫與最高軌溫具有一定相關性，但離散性較大，主要因日軌溫氣溫達峰時間不同步所致。日最低氣溫與最低軌溫同步性好，相關性非常高，見表3。

表3日最高、最低氣溫軌溫相關性系數

7）日最大軌溫差和氣溫差、氣軌溫差存在一定的相關性，但離散性較大，主要與短期天氣變化劇烈程度有關，見表4。

表4日最大氣溫差、軌溫差、氣溫軌溫差相關性系數

2.3月均值變化趨勢

為了消除短期天氣變化影響，分析一定時期內氣溫軌溫變化規律，按月進行24 h 均值統計，選出具有代表性的月份變化曲線，如圖4所示。

圖4 曲水站、大竹卡站、日喀則站年氣溫軌溫（月均值）變化曲線

由圖4可以看出：

1）最低軌溫、氣溫同步性非常高，一般出現在日出前1～2 h。負溫區氣溫軌溫差冬季大，夏季小。

2）最高軌溫、氣溫峰值明顯，未出現高溫平臺，軌溫、氣溫出現峰值時間不同步，一般最高軌溫峰值出現在最高氣溫峰值前。

3）相比于冬季，夏季高溫峰較寬，與日照時間呈正相關性。

4）春、秋季軌溫上升速率大于下降速率，氣溫上升速率低于下降速率。夏季軌溫、氣溫升降速率基本相當。曲水站、大竹卡站冬季軌溫上升、下降速率基本相當，氣溫上升速率慢于下降速率；日喀則站軌溫、氣溫上升速率均慢于下降速率。

5）各觀測站日最高氣溫、軌溫峰值均出現在下午至日落前1 h，出現時段見表5。軌溫峰值出現時間提前在春秋季較顯著，提前可達2.5 h至3.0 h；而在冬夏季提前較短，約為0.5～1.5 h；夏季在晴朗天氣條件下基本同步。最低軌溫、氣溫同步性非常高，一般出現在日出前1～2 h。

表5日最高氣溫、軌溫峰值出現時段

3 青藏高原地區無縫線路設計注意事項

根據對拉日鐵路沿線氣溫、軌溫觀測數據的研究分析，結合國內無縫線路設計應用經驗，總結青藏高原地區無縫線路設計的相關注意事項如下。

1）青藏高原地區氣溫軌溫的關系超出了現行規范規定，在設計過程中應予以充分考慮，確保無縫線路安全、可靠。

無縫線路設計規范中規定最低軌溫取最低氣溫，最高軌溫為最高氣溫加20 ℃。根據實際觀測結果，青藏高原地區最低軌溫比最低氣溫低0～5 ℃，且最低軌溫與最低氣溫峰值同步性較好，因此，最低軌溫的應取最低氣溫減5 ℃；最高氣溫軌溫峰值的不同步，且最高軌溫一般不會超出最高氣溫20 ℃，一般地段可按現行規范設計，但在日照充分、通風不良的路塹地段，應按最高氣溫加25 ℃進行無縫線路穩定性檢算。

2）高原地區年極端溫差較小，檢算可滿足鋪設跨區間無縫線路的要求，但應慎重鋪設跨區間無縫線路。

高原地區年極端溫差較小，按照常規的無縫線路檢算完全可以滿足鋪設跨區間無縫線路的要求。但沿線日氣溫差高出內地（一般不超過15 ℃，最大不超過20 ℃），日軌溫變化超出內地（最大不超過40 ℃），劇烈的軌溫變化導致無縫線路溫度應力交變速度快、頻率高，可能導致緩沖區接頭松動，在道岔可伸縮部位產生較大幅度的循環伸縮，導致道岔轉換受阻等安全隱患。因此，高原地區應慎重鋪設跨區間無縫線路，應重點關注緩沖區、道岔可動部位連接部件的可靠性［8］。

基于此，拉日鐵路全線采用有縫道岔，鋪設區間無縫線路，在緩沖區第一接頭采用施必牢螺栓螺母確保接頭可靠性，保證了無縫線路安全性。

3）青藏高原地區太陽輻射強烈，可在鋼軌腰部陰陽面產生較大溫差。應注意道岔尖軌等缺乏橫向約束的鋼軌日照側彎問題，有條件時道岔應安裝密貼檢查器。

4）根據拉日鐵路沿線氣溫、軌溫變化特點，每年9月下旬至10月底每天有較長時段在鎖定軌溫上下10 ℃范圍內浮動，有利于安排無縫線路進行起撥道、清篩換枕等維修作業。作業后經過冬春季的溫度下降，有利于長鋼軌溫度應力均勻化。

4 結論

本文基于拉日鐵路建設，針對高原地區晝夜氣溫差異明顯、天氣變化劇烈、日照強烈的特點，為合理設計無縫線路開展了氣溫軌溫觀測研究，有效指導了拉日鐵路無縫線路的設計。拉日鐵路開通運營七年來，無縫線路服役狀態良好，驗證了相關研究結果的可靠性，對高原地區無縫線路設計與應用具有重要的借鑒意義，得出的主要結論如下。

1）拉日鐵路沿線年氣溫軌溫條件較青藏線格拉段緩和，呈現低緯度、高海拔氣候特征，有利于鋪設無縫線路，鎖定軌溫設計相對自由。

2）青藏高原地區氣溫軌溫的關系超出了現行規范規定，最低軌溫應取最低氣溫減5 ℃，最高軌溫一般地段可按現行規范設計，但在日照充分、通風不良的路塹地段，應取最高氣溫加25 ℃。

3）高原地區年極端溫差較小，檢算可滿足鋪設跨區間無縫線路的要求，但應慎重鋪設跨區間無縫線路。