寒區(qū)隧道洞口保溫段設(shè)置長度統(tǒng)計分析

葉朝良，高新強，朱永全，梁凱芳

（石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043）

如何確定寒區(qū)隧道保溫段長度，是當(dāng)前高海拔寒區(qū)隧道設(shè)計的熱點問題，也是決定其建設(shè)成敗的關(guān)鍵問題之一。特別是對于長大隧道而言，洞外氣象條件對洞內(nèi)影響長度僅僅局限于洞口段一定范圍，若按隧道全長采取保溫措施會造成很大浪費。當(dāng)前工程設(shè)計中保溫段長度的確定仍以工程類比法為主，我國寒區(qū)隧道經(jīng)常出現(xiàn)保溫段長度不足的問題［1］。寒區(qū)隧道保溫段設(shè)置長度與隧道長度、當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁?、主?dǎo)風(fēng)向、風(fēng)速、行車密度、圍巖條件等多種因素有關(guān)［2-5］。

本文對國內(nèi)35座隧道的實測溫度進(jìn)行統(tǒng)計分析，總結(jié)在建及運營隧道溫度場的分布規(guī)律，提出了寒區(qū)隧道保溫段長度，以期為類似地區(qū)隧道保溫段設(shè)計提供參考。

1 寒區(qū)隧道實測溫度場調(diào)查

目前寒區(qū)隧道溫度場調(diào)查結(jié)果通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬2種方法得到。由于溫度場分布與隧道幾何尺寸、結(jié)構(gòu)組成、圍巖性質(zhì)、外界溫度和風(fēng)速等因素相關(guān)，同時有限元本構(gòu)關(guān)系及材料參數(shù)取值的缺陷也導(dǎo)致溫度場計算結(jié)果的可信度大大降低，因此本文僅對國內(nèi)現(xiàn)場實測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。現(xiàn)場實測溫度場的寒區(qū)隧道見表1。

表1 現(xiàn)場實測溫度場的寒區(qū)隧道

隧道為狹長管狀結(jié)構(gòu)物，主要是通過改變流入隧道內(nèi)風(fēng)流的溫度來引起整個寒區(qū)隧道溫度場的改變。寒季冷空氣不斷流入隧道，洞內(nèi)空氣與襯砌、圍巖熱交換速率加快，引起隧道圍巖溫度降低。

從調(diào)查結(jié)果來看，影響隧道內(nèi)溫度場分布的主要因素是洞口溫度、風(fēng)向、風(fēng)速和隧道長度。

2 隧道內(nèi)溫度分布規(guī)律

2.1 隧道溫度縱向分布

通過對已建和在建隧道的調(diào)查，隧道內(nèi)2015年實測溫度縱向分布［6-7］大致可分為對稱型和非對稱型2類，分別見圖1和圖2。

圖1 隧道內(nèi)溫度場縱向分布規(guī)律（對稱型）

圖2 隧道內(nèi)溫度場縱向分布規(guī)律（非對稱型）

隧道較長、洞口風(fēng)速不大、進(jìn)出口溫度相差很小時隧道內(nèi)溫度場縱向呈對稱型分布。隧道長度較短或隧道較長、洞口風(fēng)速較大、進(jìn)出口溫度相差較大時隧道內(nèi)溫度場縱向呈非對稱型分布。

2.2 洞口溫度對保溫段設(shè)置長度的影響

隧道有無設(shè)置保溫層對隧道內(nèi)溫度縱向分布影響極小，故本次統(tǒng)計沒有考慮隧道有無設(shè)置保溫層。35座隧道縱向影響長度隨洞口溫度的變化見圖3。其中：當(dāng)隧道內(nèi)氣溫有高于或等于0 ℃處時，隧道縱向影響長度L指從洞口到隧道內(nèi)氣溫為0 ℃處的距離；當(dāng)隧道內(nèi)氣溫均低于0 ℃時，隧道縱向影響長度L指從洞口到隧道內(nèi)最高氣溫處的距離。

從圖3可以看出，由于受地形地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)等影響，調(diào)查結(jié)果離散性很大。

圖3 隧道縱向影響長度隨洞口溫度的變化

對不同隧道相同洞口溫度下隧道縱向影響長度的上限值進(jìn)行擬合，得到隧道縱向影響長度L與洞口溫度t的關(guān)系式為

隧道縱向影響長度即保溫段設(shè)置長度。一般隧道保溫段設(shè)置長度L可由Hitoshi Kurokawa 經(jīng)驗公式［8］計算求得。即

式中：t取洞口溫度最低月的月平均溫度。

由Hitoshi Kurokawa 經(jīng)驗公式計算得到的保溫段設(shè)置長度與實測上限擬合公式（式1）計算值對比見圖4。

圖4 隧道保溫段設(shè)置長度上下限

從圖4中可以看出：按照Hitoshi Kurokawa 經(jīng)驗公式計算得到的保溫段設(shè)置長度普遍小于與實測上限擬合公式計算值，完美地形成了隧道溫度縱向影響長度的下限。分析原因認(rèn)為：Hitoshi Kurokawa 經(jīng)驗公式中計算用的洞口溫度為洞口段溫度最低月的月平均溫度，而最低月的月平均溫度與每天最低溫度的平均值相差很大，導(dǎo)致其計算得到的保溫段設(shè)置長度也幾乎是最小影響長度。以米拉山隧道2017年的溫度最低月1月為例，1月份每天的最高溫度、最低溫度和平均溫度相差很大，1月份平均溫度為-3.0 ℃，而每天最低溫度的平均值為-12.2 ℃。因此，應(yīng)用Hitoshi Kurokawa 經(jīng)驗公式計算得到的保溫段設(shè)置長度對寒區(qū)隧道的設(shè)防是不利的。

2.3 隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍

隧道是否設(shè)置保溫層及保溫層參數(shù)主要看隧道內(nèi)溫度對隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍。嚴(yán)格意義上說，若襯砌背后圍巖出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象就有可能導(dǎo)致隧道凍害產(chǎn)生，因此確定隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍極為關(guān)鍵。另外，目前隧道設(shè)置厚度5 cm 保溫層后是否達(dá)到保溫效果。針對這2 個問題，本文分未設(shè)保溫層和設(shè)置保溫層2種情況對隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.3.1 未設(shè)保溫層隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍

在溫度低于0 ℃的隧道側(cè)壁，打設(shè)溫度測試孔。圍巖徑向凍結(jié)深度與孔口溫度的關(guān)系見圖5?？梢钥闯觯寒?dāng)孔口溫度T≥-5.0 ℃時，圍巖凍結(jié)深度在0.1～1.5 m；當(dāng)-12.5 ℃＜T＜ -5.0 ℃時圍巖凍結(jié)深度在0.3～2.8 m；當(dāng)T≤ -12.5 ℃時圍巖凍結(jié)深度在0.8～2.8 m。

圖5 圍巖徑向凍結(jié)深度與孔口溫度的關(guān)系

圍巖徑向凍結(jié)深度與距洞口距離的關(guān)系見圖6?？梢钥闯觯孩倬嗨淼蓝纯谠浇鼉鼋Y(jié)深度越大，對凍結(jié)深度上限值進(jìn)行擬合，得到圍巖徑向凍結(jié)深度h與距洞口距離D的關(guān)系式為h= 12.45D-0.34，R2 = 0.809。②距隧道洞口200 m以內(nèi)凍結(jié)深度多大于1.0 m，最大為2.8 m；200～500 m 數(shù)據(jù)較少，凍結(jié)深度均在1.0 m以下，從擬合曲線可以看出其凍結(jié)深度一般不會超過2.0 m；500～1 200 m段數(shù)據(jù)較少，從擬合曲線可以看出其凍結(jié)深度一般不會超過1.5 m；大于1 200 m 時凍結(jié)深度一般不會超過1.0 m。

2.3.2 設(shè)置保溫層隧道圍巖徑向凍結(jié)影響范圍

設(shè)有保溫層的隧道調(diào)查數(shù)據(jù)較少，大多測試孔的孔口溫度在-5.0 ℃以上。圍巖內(nèi)溫度大多為正溫，僅調(diào)查到國道G217 線玉希莫勒蓋隧道和哈爾濱繞城高速公路天恒山隧道的圍巖存在負(fù)溫［9-10］，見表2。

圖6 圍巖徑向凍結(jié)深度與距洞口距離的關(guān)系

表2 設(shè)置保溫層隧道圍巖徑向凍結(jié)深度

從表2可以看出：距洞口410 m 以內(nèi)溫度較低時圍巖凍結(jié)深度最大為2.0 m，一般在0.4～0.7 m。說明在寒區(qū)隧道洞口一定范圍內(nèi)采用5 cm 保溫板并不能夠有效解決圍巖凍結(jié)問題，洞口段保溫層應(yīng)加強，對保溫段進(jìn)行合理分區(qū)。

3 寒區(qū)隧道保溫段設(shè)置長度建議

《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊：隧道》［11］中的保溫水溝設(shè)置長度與本文計算結(jié)果比較，手冊提供的參考值偏小。按手冊參考值設(shè)計的保溫段長度無法滿足工程防寒保溫要求。

根據(jù)35座隧道的統(tǒng)計資料，保溫段設(shè)置長度為一個存在上下限的區(qū)間，下限為Hitoshi Kurokawa經(jīng)驗公式計算結(jié)果，上限為實測上限擬合公式計算結(jié)果。

將依據(jù)上下限公式計算的保溫段設(shè)置長度列于表3。

表3 保溫段設(shè)置長度 m

從表3可以看出，實測上限擬合公式計算出的保溫段設(shè)置長度（即實測溫度縱向影響長度）遠(yuǎn)大于目前設(shè)計值（即Hitoshi Kurokawa公式計算值），即設(shè)計值是不安全的?？紤]到安全和經(jīng)濟性，建議寒區(qū)隧道洞內(nèi)保溫段設(shè)置長度取上下限的平均值，按50 m 取整，當(dāng)洞口溫度低于-10 ℃時，再增加50 m。

4 結(jié)論

1）寒區(qū)隧道內(nèi)實測溫度縱向分布大致分為對稱型和非對稱型2類。

2）根據(jù)35座隧道的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立了洞口溫度與寒區(qū)隧道洞內(nèi)溫度縱向影響長度（或保溫段設(shè)置長度）上限值的擬合公式。從安全和經(jīng)濟性考慮，建議寒區(qū)隧道洞內(nèi)保溫段設(shè)置長度取上下限的平均值，按50 m取整，當(dāng)洞口溫度低于-10 ℃時，再增加50 m。

3）對未設(shè)保溫層隧道的圍巖徑向凍結(jié)深度上限值進(jìn)行擬合，得到了圍巖徑向凍結(jié)深度與距洞口距離的關(guān)系式。并根據(jù)圍巖徑向凍結(jié)深度，將隧道分為距洞口 200 m 以內(nèi)，200～500 m，500～1 200 m 和大于1 200 m 4個影響區(qū)，提出進(jìn)行保溫段分區(qū)。