晉北地區(qū)氣溫的降尺度特征及其對隧道防凍的影響

王保生，張慶寧，伍毅敏

（1.大同公路分局，山西 大同 037006；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

0 引言

凍害防治問題是高緯度或高海拔嚴寒地區(qū)隧道建設(shè)和運營必須面對的重要難題。長期以來，國內(nèi)外對隧道防凍理論、技術(shù)和材料進行了大量研究，形成了目前以保溫隔熱防凍為主、結(jié)構(gòu)加強和防排水優(yōu)化為輔的較為完善的防凍技術(shù)體系[1-5]。然而，采取上述措施后，不少隧道在運營幾年后出現(xiàn)大面積的隧道凍害，有的甚至經(jīng)過處治后又出現(xiàn)嚴重凍害[6-10]。在采取全方位防凍措施后仍不能取得令人滿意的效果，表明寒區(qū)隧道凍害防治的基本理論可能存在不完善之處。目前我國公路和鐵路隧道設(shè)計規(guī)范對寒區(qū)隧道的主要設(shè)防依據(jù)有月平均最低氣溫、巖土最大凍深和凍結(jié)指數(shù)等[11-12]，這些指標反映的是隧址區(qū)氣溫的平均或累計特征，因而不能體現(xiàn)凍害的漸進發(fā)展過程，不能很好地解釋隧道凍害在運營幾年后逐步顯現(xiàn)的問題。為此，本文將觀測尺度縮小，試圖從氣溫微觀動態(tài)波動的角度闡釋隧道凍害發(fā)展的問題。

1 常規(guī)尺度下晉北地區(qū)的氣溫特征

晉北指位于山西最北部的大同、朔州等地區(qū)。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，溫度和降水時空分布變差大，四季分明，各季長短和氣候差異較大，冬季寒冷干燥，夏季溫熱多雨，日照長，降水集中。為了研究該地區(qū)寒區(qū)隧道的防凍設(shè)防問題，筆者向中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室下屬中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)申請調(diào)取了中國地面氣候資料國際交換站大同站（編號：53487，東經(jīng)113.20°，北緯40.06°，海拔1 067.2 m）1955—2011年共57年的觀測數(shù)據(jù)，并按照常規(guī)方法對年平均和月平均特征值進行了分析。

1.1 晉北地區(qū)長年氣溫特征

通過對大同站1955—2011年共57年氣象數(shù)據(jù)的分析，獲得了本地區(qū)的氣溫特征（年平均氣溫、年平均最低氣溫、年平均最高氣溫、年極端最低氣溫和年極端最高氣溫）。逐年變化數(shù)據(jù)分別如圖1所示。上述指標的57年均值、極大和極小值見表1。

圖1 大同站1955—2011年逐年氣溫指標

表1 晉北地區(qū)（大同站）1955—2011年主要氣象指標分析表

通過上述圖表以及搜集到的數(shù)據(jù)可以看出，從年變化尺度看，晉北地區(qū)溫度變化具有如下特征：

a）多年來年平均氣溫比較穩(wěn)定。無論是年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年極端最低氣溫和年極端最高氣溫，有記錄的57年間，變化幅度都很小。

b）對氣溫產(chǎn)生的影響的風速和降水方面，年平均風速保持穩(wěn)定，偶然大風現(xiàn)象逐年減少，多年來年降水量保持穩(wěn)定。

1.2 月尺度下晉北地區(qū)氣溫特征

1.2.1 月尺度下的氣溫季節(jié)性變化

圖2是1971年、1991年和2011年3年的月平均氣溫變化曲線以及1955—2011年共57年來的月平均氣溫變化曲線。圖3是1971年、1991年和2011年3年的月平均溫差變化曲線以及1955—2011年共57年來的月平均溫差變化曲線。從圖中可以看出：

a）月平均氣溫隨季節(jié)變化的規(guī)律性較強、離散性較小，低溫季節(jié)（12月、1月、2月和3月）和高溫季節(jié)（6月、7月和8月）離散性大于其他月份。

b）月平均溫差隨季節(jié)變化的規(guī)律性較差，離散性較大。

圖2 代表性年份的月平均氣溫變化曲線及其離散性

圖3 代表性年份的月平均溫差變化曲線及其離散性

1.2.2 月尺度下的氣溫年份變化特征

圖 4、圖 5分別是 1955—2011年共 57年來1月份和2月份的月平均氣溫、月平均最低氣溫、月平均最高氣溫和月平均溫差曲線。從圖中可以看出：

a）不同年份的同一個月份，月平均氣溫、月平均最低氣溫和月平均最高氣溫存在一定的波動性，其波動幅度又因月份不同而不同，如1月份的波動不如凍融期2月份的波動大。

b）同一月份的月平均溫差隨年度變化較小，與具體月份的關(guān)系也不大。

圖4 1955—2011年1月溫度特征變化曲線

圖5 1955—2011年2月溫度特征變化曲線

2 降尺度下晉北地區(qū)的氣溫特征

2.1 日變化尺度下晉北地區(qū)歷史氣溫特征

圖6是在月尺度下2011年的月平均氣溫、月平均最低氣溫、月平均最高氣溫和月平均溫差曲線。將上述變化曲線與歷史多年的平均變化曲線相比較，可以看出，在月尺度下，月平均氣溫、月平均溫差與歷史多年的平均變化非常接近，因此，用歷史多年數(shù)據(jù)來描述某一年的月尺度特征可行。

圖6 晉北地區(qū)（大同站）月尺度下2011年溫度變化曲線

圖7是日尺度下2011年的溫度變化曲線。單從中即可以看出，無論是日平均溫度還是溫度日較差，其隨機性都非常明顯，將圖6與圖7相比，可以看出，月尺度上相對穩(wěn)定的氣溫在尺度增大后具有強烈的波動性。

天氣變化的隨機性是造成日尺度下溫度隨機變化的主要原因，包括晴雨情況、風速、濕度、云量等。如果天氣不變，氣溫雖然會發(fā)生晝夜變化，但日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫和日較溫差等都應(yīng)該是比較穩(wěn)定的。雖然從月尺度上看仍是比較穩(wěn)定的，但是天氣變化則使得時變尺度上的氣溫指標產(chǎn)生極大的波動性。

圖7 晉北地區(qū)（大同站）2011年日溫度變化曲線

2.2 小時變化尺度下晉北地區(qū)

從筆者在廣靈至渾源高速公路鴻福隧道2011年（貫通前）全部13個有效監(jiān)測斷面的襯表溫度實時（每小時記錄1次）變化曲線中可以看出，溫度均值隨時間變化近似于以年度為周期的正弦或余弦函數(shù)，但由于洞外空氣溫度的實際變化不僅與季節(jié)有關(guān)，又與具體天氣和晝夜交替有關(guān)，實際波動是隨機。

將時間尺度從日變化擴展到從實時（小時）變化尺度看，雖然襯表溫度總的變化趨勢與洞外氣候變化趨勢相同，接近正弦或余弦函數(shù)分布，但具體時刻的溫度波動幅度與日變化相比隨機性變得更大，洞內(nèi)溫度的波動幅度小于相應(yīng)時間洞外的波動幅度。

3 氣溫降尺度變化特征對隧道防凍的影響

3.1 降尺度下的多頻次短周期凍融循環(huán)現(xiàn)象

通過上述不同尺度的氣溫特征對比可以看出，隨著時間尺度的縮小，溫度變化的隨機性變強。當高寒地區(qū)晝夜溫差較大時，氣溫的短周期波動往往可以形成凍融循環(huán)，從而造成一個年度周期內(nèi)出現(xiàn)大量的短周期凍融循環(huán)。以大同站為例，日最高氣溫大于0℃、最低氣溫低于0℃的情況，平均每年（1955—2011年）可出現(xiàn)104.3次。而如果采取常規(guī)宏觀尺度，每年僅出現(xiàn)1次正溫向負溫的變化（凍結(jié)）和1次負溫向正溫的變化（消融）。觀測尺度不同，氣溫凍融交替次數(shù)具有天壤之別。

隧道洞內(nèi)由于圍巖的恒溫作用，襯砌溫度的波動幅度隨著進洞深度的增大而減小，其經(jīng)歷的正負溫交替次數(shù)會大大減少，但其次數(shù)仍非常多。以鴻福隧道為例，2012—2013年凍融期不同進深處觀測到的襯表正負溫交替次數(shù)也多達20～57次。

盡管不是所有正負溫交替都可能引起有效凍融循環(huán)，但上述短周期的正負溫交替次數(shù)仍足以對隧道防凍產(chǎn)生重要影響。

3.2 多頻次短周期凍融對混凝土材料損傷

凍融循環(huán)對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷首先體現(xiàn)在混凝土材料方面?；炷敛牧鲜怯伤嗍?、粗細骨料和各種孔隙組成的多相復(fù)合材料。冰凍現(xiàn)象可使混凝土孔隙內(nèi)的水分凍結(jié)成冰發(fā)生體積膨脹，使孔隙和微裂隙進一步擴展。凍融循環(huán)使得“凍結(jié)成冰—裂隙擴展—消融成水—水分補充”的過程反復(fù)進行，使混凝土材料快速劣化。根據(jù)相關(guān)研究資料，混凝土材料經(jīng)歷100次左右的充分凍融循環(huán)，其強度可下降35%左右[13]，對結(jié)構(gòu)承載產(chǎn)生重要影響。

在寒區(qū)隧道中，如果所有短周期凍融循環(huán)都是充分的，并且襯砌混凝土都是飽水的，一年所經(jīng)歷的凍融循環(huán)就可以使襯砌混凝土失效。襯砌混凝土之所以沒有在第一個凍結(jié)期破壞，一方面是由于襯砌混凝土多數(shù)不是飽水狀態(tài)（如果滲漏嚴重也可能呈現(xiàn)飽水狀態(tài)），另一方面并非所有的正負溫交替都可能引起充分凍融循環(huán)。但是，即便是非飽水狀態(tài)和不充分凍融，仍可能逐步累積而造成損傷。而且，這種累積損傷似乎與寒區(qū)隧道在運營數(shù)年后出現(xiàn)大量凍害的現(xiàn)象十分吻合。因此，下一步亟需對混凝土材料在非飽水狀態(tài)和不充分凍融條件下的損傷進程開展研究。

3.3 多頻次短周期凍脹力對襯砌結(jié)構(gòu)的影響

除了混凝土材料性能的凍融損傷之外，多頻次短周期正負溫度交替還可能引起凍脹力的反復(fù)作用。目前對寒區(qū)隧道凍脹力的形成機制和量值大小仍有很大爭議。一些文獻計算所得凍脹力大到足以直接使襯砌結(jié)構(gòu)破壞，這一結(jié)論與多少隧道凍害的發(fā)展進程是不相符的。如果凍脹力的靜力效應(yīng)直接可以使襯砌結(jié)構(gòu)破壞，那么隧道凍害將大多出現(xiàn)在隧道建成后的一兩年。因為無論按照何種理論，相同條件下的凍脹力大量都是相同的，在任何一個凍結(jié)期都會形成。

多頻次短周期正負溫交替為解釋襯砌結(jié)構(gòu)的漸進破壞提供了新的途徑。由于反復(fù)凍融循環(huán)作用，襯砌結(jié)構(gòu)將受到凍脹力的反復(fù)作用，雖然凍脹力不足以直接破壞襯砌結(jié)構(gòu)，反復(fù)累積起來，仍可能使襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生漸進的破壞。值得指出的是，凍脹力的反復(fù)作用盡管次數(shù)很多（每年數(shù)十次），但又沒有達到疲勞問題研究的范疇（次數(shù)超過萬次、十萬甚至更多），也是需要進一步研究的課題。

4 結(jié)語

寒區(qū)隧道凍害防治是高寒地區(qū)隧道建設(shè)的一個重大難題，現(xiàn)有理論還不能很好解釋工程實踐中的一些問題。本文將溫度變化的觀測尺度縮短到小時，對晉北地區(qū)的氣溫波動特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)了寒區(qū)隧道在年度周期內(nèi)經(jīng)歷多頻次短周期凍融循環(huán)的現(xiàn)象，探討了其對隧道防凍的影響，以期為下一步研究提供參考。