叶朝良，高新强，朱永全，梁凯芳

（石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043）

如何确定寒区隧道保温段长度，是当前高海拔寒区隧道设计的热点问题，也是决定其建设成败的关键问题之一。特别是对于长大隧道而言，洞外气象条件对洞内影响长度仅仅局限于洞口段一定范围，若按隧道全长采取保温措施会造成很大浪费。当前工程设计中保温段长度的确定仍以工程类比法为主，我国寒区隧道经常出现保温段长度不足的问题［1］。寒区隧道保温段设置长度与隧道长度、当地最冷月平均气温、主导风向、风速、行车密度、围岩条件等多种因素有关［2-5］。

本文对国内35座隧道的实测温度进行统计分析，总结在建及运营隧道温度场的分布规律，提出了寒区隧道保温段长度，以期为类似地区隧道保温段设计提供参考。

1 寒区隧道实测温度场调查

目前寒区隧道温度场调查结果通过现场实测和数值模拟2种方法得到。由于温度场分布与隧道几何尺寸、结构组成、围岩性质、外界温度和风速等因素相关，同时有限元本构关系及材料参数取值的缺陷也导致温度场计算结果的可信度大大降低，因此本文仅对国内现场实测结果进行统计分析。现场实测温度场的寒区隧道见表1。

表1 现场实测温度场的寒区隧道

隧道为狭长管状结构物，主要是通过改变流入隧道内风流的温度来引起整个寒区隧道温度场的改变。寒季冷空气不断流入隧道，洞内空气与衬砌、围岩热交换速率加快，引起隧道围岩温度降低。

从调查结果来看，影响隧道内温度场分布的主要因素是洞口温度、风向、风速和隧道长度。

2 隧道内温度分布规律

2.1 隧道温度纵向分布

通过对已建和在建隧道的调查，隧道内2015年实测温度纵向分布［6-7］大致可分为对称型和非对称型2类，分别见图1和图2。

图1 隧道内温度场纵向分布规律（对称型）

图2 隧道内温度场纵向分布规律（非对称型）

隧道较长、洞口风速不大、进出口温度相差很小时隧道内温度场纵向呈对称型分布。隧道长度较短或隧道较长、洞口风速较大、进出口温度相差较大时隧道内温度场纵向呈非对称型分布。

2.2 洞口温度对保温段设置长度的影响

隧道有无设置保温层对隧道内温度纵向分布影响极小，故本次统计没有考虑隧道有无设置保温层。35座隧道纵向影响长度随洞口温度的变化见图3。其中：当隧道内气温有高于或等于0 ℃处时，隧道纵向影响长度L指从洞口到隧道内气温为0 ℃处的距离；当隧道内气温均低于0 ℃时，隧道纵向影响长度L指从洞口到隧道内最高气温处的距离。

从图3可以看出，由于受地形地质条件、隧道结构等影响，调查结果离散性很大。

图3 隧道纵向影响长度随洞口温度的变化

对不同隧道相同洞口温度下隧道纵向影响长度的上限值进行拟合，得到隧道纵向影响长度L与洞口温度t的关系式为

隧道纵向影响长度即保温段设置长度。一般隧道保温段设置长度L可由Hitoshi Kurokawa 经验公式［8］计算求得。即

式中：t取洞口温度最低月的月平均温度。

由Hitoshi Kurokawa 经验公式计算得到的保温段设置长度与实测上限拟合公式（式1）计算值对比见图4。

图4 隧道保温段设置长度上下限

从图4中可以看出：按照Hitoshi Kurokawa 经验公式计算得到的保温段设置长度普遍小于与实测上限拟合公式计算值，完美地形成了隧道温度纵向影响长度的下限。分析原因认为：Hitoshi Kurokawa 经验公式中计算用的洞口温度为洞口段温度最低月的月平均温度，而最低月的月平均温度与每天最低温度的平均值相差很大，导致其计算得到的保温段设置长度也几乎是最小影响长度。以米拉山隧道2017年的温度最低月1月为例，1月份每天的最高温度、最低温度和平均温度相差很大，1月份平均温度为-3.0 ℃，而每天最低温度的平均值为-12.2 ℃。因此，应用Hitoshi Kurokawa 经验公式计算得到的保温段设置长度对寒区隧道的设防是不利的。

2.3 隧道围岩径向冻结影响范围

隧道是否设置保温层及保温层参数主要看隧道内温度对隧道围岩径向冻结影响范围。严格意义上说，若衬砌背后围岩出现冻结现象就有可能导致隧道冻害产生，因此确定隧道围岩径向冻结影响范围极为关键。另外，目前隧道设置厚度5 cm 保温层后是否达到保温效果。针对这2 个问题，本文分未设保温层和设置保温层2种情况对隧道围岩径向冻结影响范围进行统计分析。

2.3.1 未设保温层隧道围岩径向冻结影响范围

在温度低于0 ℃的隧道侧壁，打设温度测试孔。围岩径向冻结深度与孔口温度的关系见图5。可以看出：当孔口温度T≥-5.0 ℃时，围岩冻结深度在0.1～1.5 m；当-12.5 ℃＜T＜ -5.0 ℃时围岩冻结深度在0.3～2.8 m；当T≤ -12.5 ℃时围岩冻结深度在0.8～2.8 m。

图5 围岩径向冻结深度与孔口温度的关系

围岩径向冻结深度与距洞口距离的关系见图6。可以看出：①距隧道洞口越近冻结深度越大，对冻结深度上限值进行拟合，得到围岩径向冻结深度h与距洞口距离D的关系式为h= 12.45D-0.34，R² = 0.809。②距隧道洞口200 m以内冻结深度多大于1.0 m，最大为2.8 m；200～500 m 数据较少，冻结深度均在1.0 m以下，从拟合曲线可以看出其冻结深度一般不会超过2.0 m；500～1 200 m段数据较少，从拟合曲线可以看出其冻结深度一般不会超过1.5 m；大于1 200 m 时冻结深度一般不会超过1.0 m。

2.3.2 设置保温层隧道围岩径向冻结影响范围

设有保温层的隧道调查数据较少，大多测试孔的孔口温度在-5.0 ℃以上。围岩内温度大多为正温，仅调查到国道G217 线玉希莫勒盖隧道和哈尔滨绕城高速公路天恒山隧道的围岩存在负温［9-10］，见表2。

图6 围岩径向冻结深度与距洞口距离的关系

表2 设置保温层隧道围岩径向冻结深度

从表2可以看出：距洞口410 m 以内温度较低时围岩冻结深度最大为2.0 m，一般在0.4～0.7 m。说明在寒区隧道洞口一定范围内采用5 cm 保温板并不能够有效解决围岩冻结问题，洞口段保温层应加强，对保温段进行合理分区。

3 寒区隧道保温段设置长度建议

《铁路工程设计技术手册：隧道》［11］中的保温水沟设置长度与本文计算结果比较，手册提供的参考值偏小。按手册参考值设计的保温段长度无法满足工程防寒保温要求。

根据35座隧道的统计资料，保温段设置长度为一个存在上下限的区间，下限为Hitoshi Kurokawa经验公式计算结果，上限为实测上限拟合公式计算结果。

将依据上下限公式计算的保温段设置长度列于表3。

表3 保温段设置长度 m

从表3可以看出，实测上限拟合公式计算出的保温段设置长度（即实测温度纵向影响长度）远大于目前设计值（即Hitoshi Kurokawa公式计算值），即设计值是不安全的。考虑到安全和经济性，建议寒区隧道洞内保温段设置长度取上下限的平均值，按50 m 取整，当洞口温度低于-10 ℃时，再增加50 m。

4 结论

1）寒区隧道内实测温度纵向分布大致分为对称型和非对称型2类。

2）根据35座隧道的统计数据，建立了洞口温度与寒区隧道洞内温度纵向影响长度（或保温段设置长度）上限值的拟合公式。从安全和经济性考虑，建议寒区隧道洞内保温段设置长度取上下限的平均值，按50 m取整，当洞口温度低于-10 ℃时，再增加50 m。

3）对未设保温层隧道的围岩径向冻结深度上限值进行拟合，得到了围岩径向冻结深度与距洞口距离的关系式。并根据围岩径向冻结深度，将隧道分为距洞口 200 m 以内，200～500 m，500～1 200 m 和大于1 200 m 4个影响区，提出进行保温段分区。