葉朝良，高新強，朱永全，梁凱芳

（石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043）

如何確定寒區(qū)隧道保溫段長度，是當前高海拔寒區(qū)隧道設計的熱點問題，也是決定其建設成敗的關鍵問題之一。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。當前工程設計中保溫段長度的確定仍以工程類比法為主，我國寒區(qū)隧道經常出現(xiàn)保溫段長度不足的問題［1］。寒區(qū)隧道保溫段設置長度與隧道長度、當?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁?、主導風向、風速、行車密度、圍巖條件等多種因素有關［2-5］。

本文對國內35座隧道的實測溫度進行統(tǒng)計分析，總結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)隧道保溫段設計提供參考。

1 寒區(qū)隧道實測溫度場調查

目前寒區(qū)隧道溫度場調查結果通過現(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、結構組成、圍巖性質、外界溫度和風速等因素相關，同時有限元本構關系及材料參數(shù)取值的缺陷也導致溫度場計算結果的可信度大大降低，因此本文僅對國內現(xiàn)場實測結果進行統(tǒng)計分析?，F(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

隧道為狹長管狀結構物，主要是通過改變流入隧道內風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。

從調查結果來看，影響隧道內溫度場分布的主要因素是洞口溫度、風向、風速和隧道長度。

2 隧道內溫度分布規(guī)律

2.1 隧道溫度縱向分布

通過對已建和在建隧道的調查，隧道內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 隧道內溫度場縱向分布規(guī)律（對稱型）

圖2 隧道內溫度場縱向分布規(guī)律（非對稱型）

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

2.2 洞口溫度對保溫段設置長度的影響

隧道有無設置保溫層對隧道內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：當隧道內氣溫有高于或等于0 ℃處時，隧道縱向影響長度L指從洞口到隧道內氣溫為0 ℃處的距離；當隧道內氣溫均低于0 ℃時，隧道縱向影響長度L指從洞口到隧道內最高氣溫處的距離。

從圖3可以看出，由于受地形地質條件、隧道結構等影響，調查結果離散性很大。

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行擬合，得到隧道縱向影響長度L與洞口溫度t的關系式為

隧道縱向影響長度即保溫段設置長度。一般隧道保溫段設置長度L可由Hitoshi Kurokawa 經驗公式［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 經驗公式計算得到的保溫段設置長度與實測上限擬合公式（式1）計算值對比見圖4。

圖4 隧道保溫段設置長度上下限

從圖4中可以看出：按照Hitoshi Kurokawa 經驗公式計算得到的保溫段設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。分析原因認為：Hitoshi Kurokawa 經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，導致其計算得到的保溫段設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，應用Hitoshi Kurokawa 經驗公式計算得到的保溫段設置長度對寒區(qū)隧道的設防是不利的。

2.3 隧道圍巖徑向凍結影響范圍

隧道是否設置保溫層及保溫層參數(shù)主要看隧道內溫度對隧道圍巖徑向凍結影響范圍。嚴格意義上說，若襯砌背后圍巖出現(xiàn)凍結現(xiàn)象就有可能導致隧道凍害產生，因此確定隧道圍巖徑向凍結影響范圍極為關鍵。另外，目前隧道設置厚度5 cm 保溫層后是否達到保溫效果。針對這2 個問題，本文分未設保溫層和設置保溫層2種情況對隧道圍巖徑向凍結影響范圍進行統(tǒng)計分析。

2.3.1 未設保溫層隧道圍巖徑向凍結影響范圍

在溫度低于0 ℃的隧道側壁，打設溫度測試孔。圍巖徑向凍結深度與孔口溫度的關系見圖5?？梢钥闯觯寒斂卓跍囟萒≥-5.0 ℃時，圍巖凍結深度在0.1～1.5 m；當-12.5 ℃＜T＜ -5.0 ℃時圍巖凍結深度在0.3～2.8 m；當T≤ -12.5 ℃時圍巖凍結深度在0.8～2.8 m。

圖5 圍巖徑向凍結深度與孔口溫度的關系

圍巖徑向凍結深度與距洞口距離的關系見圖6。可以看出：①距隧道洞口越近凍結深度越大，對凍結深度上限值進行擬合，得到圍巖徑向凍結深度h與距洞口距離D的關系式為h= 12.45D-0.34，R2 = 0.809。②距隧道洞口200 m以內凍結深度多大于1.0 m，最大為2.8 m；200～500 m 數(shù)據(jù)較少，凍結深度均在1.0 m以下，從擬合曲線可以看出其凍結深度一般不會超過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深度一般不會超過1.5 m；大于1 200 m 時凍結深度一般不會超過1.0 m。

2.3.2 設置保溫層隧道圍巖徑向凍結影響范圍

設有保溫層的隧道調查數(shù)據(jù)較少，大多測試孔的孔口溫度在-5.0 ℃以上。圍巖內溫度大多為正溫，僅調查到國道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溫［9-10］，見表2。

圖6 圍巖徑向凍結深度與距洞口距離的關系

表2 設置保溫層隧道圍巖徑向凍結深度

從表2可以看出：距洞口410 m 以內溫度較低時圍巖凍結深度最大為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采用5 cm 保溫板并不能夠有效解決圍巖凍結問題，洞口段保溫層應加強，對保溫段進行合理分區(qū)。

3 寒區(qū)隧道保溫段設置長度建議

《鐵路工程設計技術手冊：隧道》［11］中的保溫水溝設置長度與本文計算結果比較，手冊提供的參考值偏小。按手冊參考值設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，保溫段設置長度為一個存在上下限的區(qū)間，下限為Hitoshi Kurokawa經驗公式計算結果，上限為實測上限擬合公式計算結果。

將依據(jù)上下限公式計算的保溫段設置長度列于表3。

表3 保溫段設置長度 m

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

4 結論

1）寒區(qū)隧道內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)隧道洞內溫度縱向影響長度（或保溫段設置長度）上限值的擬合公式。從安全和經濟性考慮，建議寒區(qū)隧道洞內保溫段設置長度取上下限的平均值，按50 m取整，當洞口溫度低于-10 ℃時，再增加50 m。

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