嚴寒地區高鐵隧道溫度場及保溫層有效性分析

許 鵬，伍毅敏，嚴曉東，梁煒明，胡凱巽

（1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.中國鐵路哈爾濱局集團有限公司 工務部，黑龍江 哈爾濱 150001）

隨著我國高速鐵路的建設逐步向高海拔、高緯度地區延伸，嚴寒地區的高鐵隧道將越來越多，這些隧道將無可避免地面臨凍害問題［1-3］。目前我國嚴寒地區高鐵隧道工程數量不多，基礎數據與工程經驗不足，隧道防凍設計和保溫措施參照既有隧道的設防方法及理念難免會造成偏差［4］。特別是低估寒區高鐵隧道內最低氣溫和負溫區段長度將導致隧道防凍措施不足［5］，在冬季易于引發環向排水系統凍結，以及新發滲漏水和掛冰等病害，使得隧道行車安全保障難度和運營成本倍增。因此，開展嚴寒地區高鐵隧道溫度場監測并分析其分布規律，對指導隧道防凍設計、保證洞內行車安全、減少運營成本等具有重要意義。

國內外學者針對寒冷地區隧道的溫度場開展了大量的監測工作。對韓國江原市104條公路隧道［6］的溫度監測結果表明，受外界溫度影響，隧道洞口溫度隨時間變化顯著。對我國烏鞘嶺隧道群［7-8］的溫度場監測發現，日周期波動是隧道溫度場的一大重要特征，襯砌混凝土經歷的日周期凍融循環次數隨著進深的增加呈下降趨勢，對于長度在1 000～3 000 m的隧道，凍融循環可在縱向全范圍內發生。對柞木臺隧道［9］的溫度場監測發現，隧道橫斷面左右兩側的溫度變化過程不同步，隧道縱向上溫度分布不對稱，且間歇性交通風或自然風引起隧道內氣溫急劇變化的時間短暫，洞內氣溫很快恢復原有趨勢。上述研究中的隧道大多位于寒冷地區，將這些地區的溫度場分布規律與氣候更為惡劣、極端的嚴寒地區進行類比，會存在一定偏差。

根據寒冷地區隧道溫度場的監測結果，多位學者在溫度場解析計算［10-12］、保溫層設計計算［13-14］及防凍措施［15］有效性分析等方面進行深入研究。對玉希莫勒蓋隧道［16］厚5 cm 的保溫層進行可靠性分析，證實無保溫層時，隧道的徑向最大凍結深度在1.5～2.0 m范圍內，當鋪設5 cm 厚的保溫層后，徑向凍結深度降為0.5 m。興安嶺隧道［17］在襯砌表面不敷設保溫層的情況下，徑向最大凍深甚至可達到1.5～5.1 m。對榆樹川隧道［18］的監測發現，隧道進出口段凍結長度與風速密切相關，隨著風速增大，凍結長度呈線性增大趨勢，在考慮經濟性的情況下，隧道進出口段施作防凍保溫措施應有所不同。此外，對考慮自然風條件下的嘎隆拉公路隧道［19］進行溫度場數值分析，表明鋪設于二襯表面厚6 cm 的保溫層可以有效得防止隧道和圍巖的凍融損傷。對青海知亥代公路隧道［20］進行有限元耦合分析，發現2 種保溫層鋪設方式中，鋪設至距洞口600 m 處斷面的保溫效果，要優于鋪設至洞內年最低氣溫為0 ℃處斷面。事實上，在高速鐵路隧道中，保溫層只能在初支和二襯之間鋪設，其保溫效果與公路隧道在二襯表面鋪設保溫層的形式存在較大差異，保溫效果需要進一步研究。

本文以位于嚴寒地區的治山隧道和虎峰嶺隧道為依托，監測2 座高速鐵路隧道2018年12月—2019年4月的溫度場，得到該地區的隧道溫度場分布規律和地層溫度；采用數值模擬的方法，研究初支與二襯間設置5 cm 厚保溫層的隧道溫度場分布規律及保溫層的保溫效果，分析合理的保溫層厚度及其縱向鋪設長度，以期為嚴寒地區高速鐵路隧道的凍害設防提供參考。

1 溫度場監測

1.1 工程概況

哈爾濱—牡丹江高速鐵路（哈牡高鐵）位于我國黑龍江省境內，路線全長293.2 km，設計時速250 km。全線隧道共39 座，選取其中具有代表性的治山隧道和虎峰嶺隧道進行溫度場監測，2 座隧道均為單洞雙線隧道。

2 座隧道均位于東北小興安嶺支脈的林海雪原區域?；⒎鍘X隧道是我國嚴寒地區最長的高鐵隧道，也是哈牡高鐵的重難點控制工程之一，全長8 755 m，最大埋深約275 m。所經區域為中低山區，山勢陡峭，地表森林密布，深溝發育。隧道進口位于陰面山坡，出口位于陽面山坡。隧道穿越地層巖性為花崗巖，巖體多向節理發育。隧址區年平均氣溫2～10 ℃，極端最低氣溫-44 ℃，降雪期約120 d（當年11月—次年4月）。治山隧道長2 555 m，與虎峰嶺隧道相鄰，其氣候、地質條件與虎峰嶺隧道基本相同。

2 座隧道采用的防凍保溫措施均為：在隧道初支與二襯之間設置5 cm 厚的聚氨酯泡沫保溫層，并在洞口段設置深埋中央溝和保溫出水口。

1.2 監測方法及設備

為得到嚴寒地區高速鐵路隧道溫度場的分布規律，選取不同斷面開展溫度場現場監測，治山隧道設置監測斷面9 個；虎峰嶺隧道主洞23 個，2 號斜井2 個。采用可在-40～85 ℃的環境下連續工作6個月的智能溫度記錄儀［7-8］，記錄儀的溫度傳感器全部安裝在襯砌表面，距離檢修道頂面高3 m 處。監測斷面布設位置及間距如圖1所示。

圖1 監測斷面布設位置及間距（單位：m）

2 溫度場分布規律

結合近5年歷史氣溫資料，總結該地區冬季溫度變化規律為：每年10—12月氣溫持續下降，次年1月下旬—2月上旬出現極端低氣溫，2月下旬氣溫開始回升。因此，選擇2018-12-03，2019-02-06 和2019-02-25 共3 d，分別作為當地氣溫下降時段、極端低氣溫出現時段和氣溫回升時段的觀察日。通過分析溫度曲線整體變化趨勢，發現2019-01-16 當日出現數據跳躍，與該地區歷史氣溫變化不符，追溯原因后發現為特殊情況導致，遂補充羅列為特殊情況觀察日。

2.1 治山隧道

監測期內，治山隧道進口溫度呈現以天為周期的波動變化。以2018年12月中旬連續72 h 的襯砌表面溫度為例，得到隧址區日周期溫度變化規律如圖2所示。隧道進口的溫度變化呈以天為周期的循環波動趨勢，最高溫度出現在每天約12：00～13：00，最低溫度出現在每天約7：00～8：00，溫度波動范圍在10～17 ℃；在1個溫度波動周期內，降溫過程占據了3/4，從當日13：00持續到第2天8：00（黃色區域），而升溫過程只占據1/4（藍色區域）。

圖2 治山隧道進口襯砌表面溫度曲線

4 個觀察日中，治山隧道各斷面的溫度場分布如圖3—圖5所示。除考察各觀察日全天溫度場整體分布規律外，還選取進口氣溫最高時段內的13：00時和受洞外氣溫影響最小的隧道中部斷面（距進口1 530 m處），分析特定時間、特定位置下的隧道襯表溫度分布規律。由圖3—圖5可得到如下結論。

圖3 4個觀察日全天的治山隧道溫度場分布

圖5 4個觀察日全天的治山隧道中部斷面處溫度場分布

（1）2018-12-03當日，隧道進口溫度為-12 ℃時，隧道內最高溫度為-1 ℃。其余各觀察日，隧道襯表溫度也均呈洞口段低、中間段高的分布趨勢，這與既往大多數研究相符，即冬季隧道襯表溫度中間段高、洞口段低。

（2）2019-02-06 當日，隧道襯表溫度沿隧道縱向呈不對稱分布。當天隧道進口端的最低溫度出現在上午7：00 時，達到-32 ℃，此時整個隧道所有監測斷面均在-5 ℃以下；到13：00 時，雖然進口端回升至-15 ℃，但隧道內依然處于-5 ℃以下。當天隧道中部斷面溫度最高-5 ℃，最低-13 ℃，尚不清楚洞內保溫在如此低的酷寒天氣下是否有效。2月份隧道襯砌表面掛冰現象非常嚴重，出現原因可能是隧道保溫層在低溫下失效，引起環形和縱向排水管凍結，進而引起隧道周圍的地下水壓力增加，水從防水失效的地方滲漏并結冰。

圖4 4個觀察日全天的治山隧道中部斷面處溫度場分布

（3）2019-02-25當日，從中午到16：00時，因山體陽面的持續日照影響，隧道出口段襯砌表面溫度明顯升高，但隧道中部斷面全天在0 ℃以下。

（4）2019-01-16 當日，隧道進口襯表全天溫度在0 ℃以上，并于13：00 時達到7 ℃，但此時距隧道進口90 m 處斷面的溫度為-8 ℃；中部斷面全天溫度均在-4 ℃以下。隧址區氣候資料顯示當日風力等級為1級，在隧道內無自然風的條件下，隧道洞口外氣溫對洞內氣溫影響距離有限，列車風對洞內溫度場的影響并不顯著。當日出現異常高溫，經查閱氣候資料及走訪工作人員獲知，是小范圍山火所致（已被及時撲滅），隧道進口溫度受山火影響出現了正溫的情況，而洞內溫度受其影響較小，仍呈負溫。

2018年12月—2019年5月，治山隧道各監測斷面的襯表月平均溫度分布如圖6所示。由圖6可知：總體上，月平均溫度沿隧道縱向呈不對稱分布；2018年12月—2019年2月，各監測斷面的月平均溫度隨到洞口距離的增大而升高，進口與距進口1 080 m 處監測斷面的月平均溫度差達到10 ℃；隧道洞口溫度受隧道外冷空氣的影響較大，隨著氣溫的升高，隧道各斷面月平均溫度差逐漸變小，如3月—5月各斷面的月平均溫度差不超過3 ℃；在寒冷的12月—次年2月，隧道的月平均溫度為負，特別是最寒冷的1月，隧道月平均溫度在-6 ℃以下。

圖6 治山隧道各監測斷面襯表月平均溫度分布

2.2 虎峰嶺隧道

4 個觀察日中，虎峰嶺隧道各斷面溫度場的分布如圖7—圖9所示。與治山隧道類似，除了整體溫度場之外，還選取13：00 時和隧道中部斷面（距進口4 500 m 處）分析特定時間、特定位置下的隧道襯表溫度分布規律。由圖7—圖9可得出如下結論。

圖7 4個觀察日全天的虎峰嶺隧道溫度場分布

圖8 4個觀察日13：00時的虎峰嶺隧道溫度場分布

圖9 4個觀察日全天的虎峰嶺隧道中部斷面處溫度場分布

（1）2018-12-03當日，隧道總體升溫明顯不對稱，進、出口端的溫度分別從洞口向隧道深處緩慢和迅速上升。13：00 時，隧道進口和出口的溫度分別為-12和-2 ℃。隧道中部斷面全天在0 ℃以下。

（2）2019-02-06 當日，隧道溫度分布曲線與2018-12-13 基本一致。值得注意的是，隧道所有監測斷面全天溫度均在0 ℃以下，中部斷面均在-1.5 ℃以下，這意味著如果隧道存在滲漏水，很可能整個隧道范圍內都會發生掛冰凍害，相應的巡檢和打冰作業工作量將大大增加。

（3）2019-02-25 當日，隧道總體升溫近似對稱分布，進、出口均為距洞口約100 m 范圍內迅速升溫，隧道深處其余位置溫度則基本保持不變。這是因為，當隧道兩側的大氣壓差不足以克服隧道壁的沿程阻力時，隧道內不能形成自然風，隧道內只在距洞口很短的范圍內會受外界溫度的影響，其余位置則主要受地熱能的影響。由于該區域非常寒冷，雖然隧道內的溫度遠高于隧道外，但在隧道中部斷面，全天溫度均在0 ℃以下。

（4）2019-01-16 當日，隧道中部斷面全天溫度均在-2 ℃以下，但白天時略有波動。因外界氣溫突然升高但隧道內溫度仍然較低，導致隧道只有進口端溫度較高，隧道其余位置隨著與進口距離的增大，與進口的溫度差也在逐漸增加，這與烏鞘嶺隧道群1號隧道2月份的溫度場分布非常相似［7］。

綜上進一步分析可知：通過2018-12-13，2019-01-10 和2019-02-06 這3 個觀察日的溫度場分布規律，可推斷整個冬季虎峰嶺隧道的進口端溫度總體低于出口端；從隧道地形地貌上看，隧道進口、出口分別位于山體的陰面（迎風山坡）和陽面（背風山坡），受來自西伯利亞寒冷空氣影響，同一時間隧道進口端溫度明顯低于出口端，而且進口端洞外氣溫對洞內氣溫的影響范圍較廣，表現為洞內氣溫隨進深逐漸升高，明顯不同于出口端（氣溫在距洞口100 m 范圍內迅速升高）。因此在設計寒區隧道保溫層縱向鋪設長度時，應考慮迎風面山坡及隧道洞口位置對該側洞口溫度場及縱向凍結長度的影響。

2018年12月—2019年5月虎峰嶺隧道各監測斷面的襯表月平均溫度如圖10所示。由圖10可知：虎峰嶺隧道各監測斷面月平均溫度分布總體與治山隧道一致；2018年12月—2019年2月，各監測斷面的月平均溫度隨到進口距離的增大而升高，進口與隧道中部斷面的月平均溫度差達到10 ℃；3月—5月，月平均溫度在距隧道進口約100 m 范圍內快速上升，但隧道中間段變化不大；5月之外的其余月份中，隧道進口端平均溫度均為負值，其中1月和2月隧道全線的月平均溫度均在0 ℃以下。

圖10 虎峰嶺隧道各監測斷面襯表月平均溫度分布

統計虎峰嶺隧道斜井中部斷面的襯表溫度可知，該處溫度基本保持在6～7 ℃，由此推測該地區的地層溫度為6～7 ℃。鄰近隧道的斜井監測斷面襯表溫度分布與之類似，但溫度保持在3～4 ℃，推測為因隧道影響而略低于斜井中部斷面的溫度。

3 保溫效果數值模擬

3.1 模型建立

建立隧道襯砌+保溫層+圍巖的二維對流傳熱模型，模型由45 cm 二 襯+5 cm 保溫層+20 cm 初支和3倍洞徑的圍巖組成，如圖11所示。參照斜井中部實測溫度，地層邊界條件定為恒溫6.5 ℃；模型前后采用絕熱邊界，二襯表面采用對流邊界；初始溫度為6.5 ℃。

圖11 數值模型

采用考慮日周期溫度波動和不考慮日周期溫度波動的函數擬合隧道進口端襯表溫度曲線，得到的對應的溫度荷載函數為式（1）和式（2），可決系數分別為0.8 和0.7，2 種溫度荷載加載的時間均取3 a，加載步長均取2 h。

式中：T日和T年分別為考慮日周期溫度波動和年周期溫度波動的載荷函數，℃；t為時間，h。

3.2 橫斷面保溫效果

在以式（1）為溫度荷載函數的條件下，選取加載第2年12月—第3年4月中的每月1日為代表日，分析隧道橫斷面溫度場及保溫層的效果，如圖12所示。由圖12可知：在12月1日和1月1日，襯砌結構溫度呈現表面溫度低、內部溫度高的分布趨勢，但整體處于凍結狀態；在2月1日、3月1日和4月1日，雖然襯表溫度較高，但襯砌結構內部溫度隨徑向深度的增加呈現先降低后升高的分布趨勢；觀察日內保溫層兩側溫差達10 ℃以上，達到了預期保溫效果；但在這3個觀察日內，5 cm 厚保溫層背后出現了負溫，這可能會引起隧道保溫層后的排水系統凍結。

圖12 加載第2年12月—第3年4月的隧道橫斷面溫度場及保溫層效果

為考察日周期波動對隧道溫度場的影響，選取加載第3年1月1日，分別以式（1）和式（2）作為溫度荷載函數，模擬得到襯砌結構及保溫層的溫度分布如圖13所示。由圖13可知，溫度的日周期波動只對隧道襯砌結構的溫度場有顯著影響，對保溫層沒有影響。

圖13 襯砌結構及保溫層的溫度

在保溫層背后，當日2 種溫度荷載函數得到的溫度分布沒有差別，如圖14所示。因此可認為，在隧道初支和二襯間鋪設保溫層時，保溫層的設計計算可采用以年為周期的溫度載荷函數，無須考慮日周期溫度波動的影響。

圖14 不同邊界條件下的隧道結構溫度

3.3 縱向凍結長度

為了得到保溫措施在隧道縱向的有效范圍，按照以年為周期的溫度函數即式（3），對各監測斷面的溫度數據進行擬合，得到各斷面的年平均溫度和年溫度振幅，如圖15所示（擬合得到的可決系數最小為0.8）。由圖15可得到如下結論。

圖15 擬合得到的各監測斷面的年平均溫度和年溫度振幅

式中：T為以年為周期的溫度函數，℃；和Ta分別為年平均溫度和年溫度振幅，℃。

（1）對于治山隧道，各監測斷面的年平均溫度差不超過3 ℃，但在距進口30 m 處溫度有跳躍變化現象；隧道縱向的年溫度振幅變化不大，但在距進口30 m處同樣出現明顯跳變。

（2）對于虎峰嶺隧道，各監測斷面的年平均溫度隨著與進口距離的增大而緩慢升高，但年溫度振幅緩慢減小；在距進口5 000～8 000 m 段，各監測斷面的年平均溫度和年溫度振幅基本不變；在距進口8 000 m 處到隧道出口段，兩者卻分別出現急速上升和急速下降。

采用建立的二維對流傳熱模型并結合圖17得到的擬合系數，模擬分析5 cm 厚保溫層在隧道縱向的有效范圍。治山隧道和虎峰嶺隧道各監測斷面的最大凍結深度如圖16所示。圖中：紅色虛線表示保溫層背后位置。由圖16可知：總體上5 cm 厚保溫層能夠有效保證2 座隧道中間段保溫層背后不凍結；但在距治山隧道進口90 m 和距出口125 m范圍內，在距虎峰嶺隧道進口750 m和距出口25 m范圍內，保溫層背后會出現負溫；模擬結果表明，當各監測斷面溫度擬合得到的年平均溫度在0 ℃以上、年溫度振幅在11 ℃以下時，采用5 cm 厚保溫層可防止保溫層背后不凍結，建議在嚴寒地區，可根據到隧道洞口的距離設置不同厚度的保溫層；采用相同邊界條件的模擬結果表明，在隧道洞口段500 m 范圍內設7 cm 厚保溫層，洞口段500～1 000 m 范圍內設5 cm 厚保溫層，可保證保溫層背后不凍結。

圖16 徑向最大凍結深度縱向分布

4 結 論

（1）2 座嚴寒地區隧道的進口溫度呈日周期循環。以2018年12月中旬連續72 h 的治山隧道進口襯砌表面溫度為例，監測得到日氣溫的波動范圍10—17 ℃；最高、最低溫度時間約為每天12：00—13：00 和7：00—8：00；降溫時間約為13：00 至次日8：00，降溫持續時間約占全天的3/4，升溫約占1/4。

（2）在冬季，嚴寒地區隧道內溫度多呈洞口段低、中間段高、沿縱向不對稱的分布趨勢，且隧道全線范圍均會出現負溫。當隧道外處于-32 ℃的酷寒天氣時，長2 555 m 的治山隧道所有監測斷面全天溫度均在-5 ℃以下；長8 755 m的虎峰嶺隧道均在0 ℃以下且中部斷面全天溫度均在-1.5 ℃以下。2 座嚴寒地區高鐵隧道在當年12月—次年2月的襯表月平均溫度均為負值。

（3）初支與二襯之間設置5 cm 厚的保溫層能夠顯著防止熱量損失。數值模擬結果證實，當根據監測斷面溫度擬合得到的年平均溫度在0 ℃以上、年溫度振幅在11 ℃以下時，采用這一厚度的保溫層可有效防止保溫層背后不凍結。若溫度振幅超過上述模擬溫度域限，則須注意保溫層背面的結冰情況。

（4）日周期溫度波動只影響二襯結構的溫度場，不影響保溫層及其背面的溫度場分布，保溫層設計計算時可忽略日周期溫度波動的影響。為保證隧道洞口段保溫效果，建議根據到隧道洞口的距離設置不同厚度的保溫層。