季凍區(qū)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(shè)項目進入寒區(qū)或季凍區(qū)，對隧道施工期間溫度分布及傳播規(guī)律的研究極有意義。文章以季凍區(qū)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(nèi)外氣溫、熱源以及圍巖溫度進行現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集?；诂F(xiàn)場測試結(jié)果，分析隧道洞口段施工期間洞外、洞內(nèi)氣溫變化規(guī)律和圍巖內(nèi)溫度分布和傳播規(guī)律，并對季凍區(qū)隧道防寒保溫措施進行了探討。結(jié)果表明：（1）季凍區(qū)隧道內(nèi)外氣溫均存在正負(fù)溫交替現(xiàn)象，洞外氣溫變化一般呈正態(tài)分布，且洞內(nèi)氣溫會隨隧道外氣溫的變化而變化;（2）隧道內(nèi)斷面距洞口越遠、圍巖距洞身越遠，圍巖受到洞內(nèi)外氣溫的影響越小，進行施工通風(fēng)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(wěn);（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(nèi)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(shè)于隧道表面，并采用不同的鋪設(shè)厚度。

【關(guān)鍵詞】隧道工程; 洞口段溫度; 現(xiàn)場溫度測試; 施工期; 季凍區(qū); 保溫層

1 季凍區(qū)隧道施工期溫度測試

隨著我國隧道建設(shè)越來越多地進入寒冷地區(qū)，許多學(xué)者在現(xiàn)場溫度監(jiān)測的基礎(chǔ)上對寒區(qū)或季凍區(qū)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(nèi)的溫度場進行監(jiān)測，經(jīng)分析得到：隧道內(nèi)溫度與斷面距洞口距離成正比關(guān)系，并且每100 m溫度變化率發(fā)生變化，在300 m后趨于穩(wěn)定;宋鶴等[2]對后安山隧道試驗段溫度場進行現(xiàn)場測試，并分析了洞內(nèi)縱向及圍巖內(nèi)溫度變化規(guī)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(guī)律，認(rèn)為圍巖初始地溫越高、導(dǎo)熱系數(shù)越小，越有利于負(fù)溫氣流影響下的寒區(qū)隧道抗防凍工作;葉朝良等[4]對深季節(jié)凍土區(qū)的涵洞溫度場進行了現(xiàn)場檢測，對涵洞外側(cè)、頂部、外壁及洞內(nèi)的溫度變化規(guī)律進行了詳細(xì)闡述，為深季節(jié)凍土區(qū)涵洞的設(shè)計與施工提供參考。隨著室內(nèi)試驗技術(shù)和計算機的發(fā)展，對季凍區(qū)隧道溫度場的研究也趨向多元化。馮強等[5]在現(xiàn)場溫度測試的基礎(chǔ)上，進行室內(nèi)試驗測定了襯砌的導(dǎo)熱系數(shù)，為后續(xù)的溫度場數(shù)值模擬確定了參數(shù);嚴(yán)浩[6]利用有限元軟件FLUENT模擬了殺虎口隧道洞內(nèi)溫度場，并得到了隧道進出口圍巖的凍結(jié)范圍和深度，為隧道保溫層的設(shè)計提供了參考;高焱等[7]采用數(shù)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(qū)隧道溫度場分布規(guī)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(xiàn)場測試擴展到了室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬，但現(xiàn)場溫度測試是進行后續(xù)工作的基礎(chǔ)，并且不同地區(qū)的隧道存在不同規(guī)律的溫度場，因此，現(xiàn)場溫度測試仍然是不可或缺的一環(huán)。而在上述現(xiàn)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(chǔ)上，對寒區(qū)或季凍區(qū)隧道施工期間溫度測試的研究較少。目前，在大量季凍區(qū)隧道施工的背景下，非常有必要對季凍區(qū)隧道施工期間溫度分布及傳播規(guī)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(nèi)、外氣溫及圍巖溫度的現(xiàn)場監(jiān)測，對季凍區(qū)隧道洞口段施工溫度變化及傳播規(guī)律進行了分析總結(jié)，并以此為依據(jù)提出了保溫防凍建議。

2 現(xiàn)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(qū)地形起伏大，隧道最大埋深為1 092 m，平均設(shè)計海拔約為2 245 m。白馬隧道屬于亞熱帶山地濕潤季風(fēng)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(qū)內(nèi)大約從10月到4月初存在季節(jié)性結(jié)冰現(xiàn)象，持續(xù)時間長。因此，白馬隧道是典型的季凍區(qū)隧道，在冬季施工時，為保證施工安全和施工進度，應(yīng)加強對隧道內(nèi)、外以及圍巖內(nèi)溫度變化的監(jiān)測，并對隧道的抗防凍措施提出建議。

本次施工現(xiàn)場溫度監(jiān)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(jīng)歷了隧道未通風(fēng)、通風(fēng)、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(fēng)[9]，由于外界溫度變化對隧道影響存在一定范圍內(nèi)，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(nèi)、外大氣溫度;②隧道內(nèi)熱源產(chǎn)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(shù)，得到洞外溫度隨時間變化規(guī)律。

2.2 洞內(nèi)大氣溫度

考慮洞外大氣溫度對洞內(nèi)溫度影響范圍的限制，在隧道內(nèi)選取斷面A-A、斷面B-B和斷面C-C進行洞內(nèi)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(nèi)溫度隨時間變化規(guī)律。

2.3 熱源溫度

隧道內(nèi)施工過程中挖掘機、空壓機、現(xiàn)澆襯砌和爆破等均會產(chǎn)生熱量，從而影響隧道內(nèi)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(jiān)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(yīng)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(shù)據(jù)。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 洞內(nèi)外溫度變化規(guī)律

根據(jù)隧道內(nèi)外自動記錄的氣溫數(shù)據(jù)，得到2016年10月至2017年1月間的洞內(nèi)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(guī)律：

（1）隧道內(nèi)外溫度總體呈現(xiàn)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(nèi)最高、最低溫度分別為14.5 ℃、-4.8 ℃。

（2）當(dāng)隧道外日均氣溫趨于穩(wěn)定時，由于晝夜溫差大的原因，隧道外溫度變化大致呈現(xiàn)正弦分布狀態(tài)，而在隧道內(nèi)沒有這種規(guī)律;當(dāng)隧道外日均氣溫不趨于穩(wěn)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(xiàn)驟降，晝夜溫差減小而不出現(xiàn)正弦分布狀態(tài)，此時，隧道內(nèi)溫度變化趨勢與隧道外相一致，說明在一段時間內(nèi)，隧道內(nèi)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(nèi)5～10 ℃的變化幅度，這是由于隧道內(nèi)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(nèi)晝夜溫差小于洞外。

（4）測試時施工現(xiàn)場采用壓入式通風(fēng)，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(fēng)管出口越近的斷面，溫度變化越大。

3.2 圍巖溫度變化規(guī)律

圍巖溫度變化監(jiān)測可分為三個階段：施工通風(fēng)開始前、施工通風(fēng)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(guī)律大致相同，現(xiàn)分析如下：

（1）未進行施工通風(fēng)時，受到洞內(nèi)外空氣對流及活塞風(fēng)的影響，洞內(nèi)空氣溫度變化與洞外呈現(xiàn)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(nèi)熱源發(fā)熱對洞內(nèi)溫度的共同影響下，各種機械、爆破放熱占主導(dǎo)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(nèi)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(fēng)，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(fēng)管摩擦生熱作用，圍巖溫度達到穩(wěn)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(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)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(nèi)部反應(yīng)結(jié)束和通風(fēng)的作用，二襯及圍巖溫度降低并趨于穩(wěn)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(fā)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(shè)隔熱保溫層法[10]。陳建勛等[11]對隧道溫度測試數(shù)據(jù)進行了詳細(xì)分析，認(rèn)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(fā)點，通過對隧道現(xiàn)場溫度的監(jiān)測與分析，對隧道保溫層的設(shè)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(qū)隧道保溫層進行研究，經(jīng)分析得保溫層最優(yōu)厚度為5 cm，最優(yōu)鋪掛方式為襯砌內(nèi)表面鋪設(shè)。

為了在上述學(xué)者提出的抗防凍措施的基礎(chǔ)上對白馬隧道保溫抗凍措施提供建議，本文對圍巖內(nèi)部溫度傳播速率的特點進行了探討。在進行施工通風(fēng)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(biāo)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(fā)生在圍巖溫度傳播速率變緩點之前?？梢酝茰y，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(yīng)靠近隧道內(nèi)壁，為施工方便，建議保溫層鋪設(shè)于隧道表面，并應(yīng)以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為參考采取不同的鋪設(shè)厚度。

在現(xiàn)場實際測試中，發(fā)現(xiàn)白馬隧道除在隧道表面鋪設(shè)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(nèi)溫度不低于5 ℃，在門簾上設(shè)置0.5 m×0.5 m的排煙口用以排煙，同時在保溫門內(nèi)設(shè)火爐進行輔助升溫，確保隧道內(nèi)溫度維持在一定范圍內(nèi)。

5 結(jié)論與建議

在季凍區(qū)白馬隧道冬季洞口段施工期間，對隧道內(nèi)外的空氣溫度、熱源溫度以及圍巖內(nèi)部溫度進行歷時3個月的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，對季凍區(qū)隧道溫度的分布及傳播規(guī)律進行了分析和總結(jié)，并得到以下結(jié)論與建議：

（1）季凍區(qū)隧道內(nèi)外氣溫均存在正負(fù)溫交替現(xiàn)象，除降溫期間，季凍區(qū)隧道外氣溫大致呈正弦分布，隧道內(nèi)氣溫會隨隧道外氣溫的變化而變化，且距離風(fēng)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(guī)律不僅和通風(fēng)斷面距洞口距離、圍巖距洞身距離有關(guān)，也和施工通風(fēng)、二襯施做有關(guān)。距洞口、洞身越遠，圍巖受到洞內(nèi)外氣溫的影響越小;進行施工通風(fēng)后，洞內(nèi)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(wěn)。

（3）離洞身越近的斷面，圍巖呈現(xiàn)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(fā)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(nèi)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(shè)于隧道表面，并采用不同的鋪設(shè)厚度。

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