穿越新疆天山玉希莫勒盖隧道施工期温度监测技术探讨
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摘要：玉希莫勒盖隧道是新疆跨越天山G217线的重点工程，其具有高海拔、高寒、岩层节理裂隙发育、含水丰富等特点。富水隧道在低温影响下冻胀灾害显著，为保障隧道安全建设和正常运营，开展了玉希莫勒盖隧道围岩及大气温度监测系列研究，研究结果表明：在2011~2013年度，玉希莫勒盖隧道大气年最低温度为-28.8 oC、年最高温度为13.3 oC，年气温低于0 oC时间为202天（占55.34%）；在隧道的施工期内，随着入洞深度的增加，围岩及隧道空气温度均呈递增趋势；入洞深度达到200m后，隧道洞内温度基本保持0 oC以上；在隧道围岩内，随着距洞壁深度的增加，围岩温度逐渐增高，在洞身段围岩深度达到2.0m后，围岩温度基本保持在0 oC以上，最终恒定在2.9 oC左右，而明洞段冻胀影响范围则大于2.0m。该研究结果可为高寒地区隧道及其他地下工程防冻胀设计提供依据。
关键词：高寒；隧道；温度监测；冻胀力；稳定性
中图分类号：U456.3 文献标识码：A 文章编号：
1 前言
随着我国西部大开发及振兴东北老工业基地战略的实施，而这些地区山势险峻，修建隧道是拓展公路和铁路网的最佳选择。这些地区属于季节性寒区，其隧道往往是在夏天刚竣工，冬天就出现不同程度的冻害[1]。例如：拱顶出现冰锥，边墙出现冰溜，衬砌开裂、酥碎和剥落，底板冒水结冰等，这些病害大大地弱化隧道的使用功能，严重地影响行车安全，以及需要花费大量的人力、物力和财力进行维修和养护，才能勉强通车运营，而有的甚至于被报废。其中，于上世纪七十年代修建的老玉希莫勒盖隧道，在付出巨大的财力和数十名施工人员伤亡的代价建成后就补被弃用，现成为一冰窖，如图1。以致作为战备要求修建的G217线在一年中只能通行不到半年时间，且通行能力很低。
图1 老玉希莫勒盖隧道冰冻照片
自2008年，对G217线公路进行改建，并重建玉希莫勒盖隧道，目前隧道仍在建。该隧道位于中天山玉希莫勒盖达坂，其垭口高程达3428m；隧道地处高纬度、高海拔的双高寒冷地区，极端最低温度可达-42.6摄氏度，最大季节冻土深度为2.5m；隧道长度为1943m，设计为单洞双向两车道。新建隧道与老玉希莫勒盖隧道相距约200m，落差低约30m。隧道具有地质条件复杂、变化多，断裂构造复杂，岩层节理裂隙发育、连通性好，地下水丰富等特点。
尽管通过理论分析和试验是研究寒区隧道冻害影响的必要手段，并取得了许多基础性成果以及对解决寒区隧道问题[2-4]和特殊工程的人工冻结问题取得显著成效[5,6]；但现场实测是解决包括隧道工程在内的岩土工程问题最基本的手段和方法[7-8]。而实际针对季节性寒区隧道温度和冻胀力的实际监测仅仅有少量的工作，缺乏较系统、深入和普通的实测研究与总结积累。
本文针对G217线公路改建工程的玉希莫勒盖隧道，进行隧道内外温度和围岩变形、压力监测，以获取为防止隧道冻害的最基本要素――隧道围岩的温度场和冻胀力。其结果可以为新疆地区及相关的季节性寒区隧道的建设提供依据和参考。
事实上，在隧道建设期间，需要按相关规范和规程进行施工监控量测，以进行信息反馈、确保隧道施工安全[9-13]；只是，对于寒区隧道，其监控量测需要包含温度和冻胀力量测，并给予充分的重视，这里，着重温度监测分析。
2 隧道温度监测
温度监测分隧道外大气温度时程变化曲线及隧道内围岩温度场两方面。
2.1 温度监测元器件
选用LGR-WD51型温度记录仪进行自动采集。该温度数据采集记录仪具有体积小、断电数据自动存储保护功能等优点，其主要技术参数见表1。温度监测系统与元件如图2所示。
表1LGR-WD51型温度记录仪主要技术参数
图2 温度数据采集系统及元件
Figure 2 data acquisition system
由于温度传感器连接线过细，为防止在埋设过程中对其造成损害；同时由于隧道地下水丰富，围岩节理裂隙发育，为防止传感器受水的影响，将传感器连接线穿入10mm粗水平管内，探头末端与导出探头的水平管开口处用防水胶带进行缠绕处理。此外，由于温度传感器在不同的工作环境（如大气压力、湿度等）往往具有不同程度的初始变化，因而在进行数据采集前采用冰水混合物对其进行标定。
由于隧道所处冬季极其冷寒、大雪封山时间长达4～5个月甚至更长，故在冬歇期内工地及隧道运营期间处于无人值守的断电状态，为保障温度自动采集系统能够持续供电，正常工作，在隧道洞口安设太阳能电板发电，并配备两块硫酸蓄电池进行储电，通过在冬季离场前对蓄电池进行饱满充电，采用蓄电池和和干电池两路供电系统以保证常年持续温度数据采集。
2.2 温度监测方法
温度测点埋设在浇筑二衬前进行。共设置六个监测断面，其中：洞口外布置二个测点，洞内布置四个监测断面。而洞内测点布设在进口端右侧距地面高度1.5m处，具体布置如图3所示；四个监测断面里程分别为K722+105、K722+155、K722+300和K722+510，距离洞口分别为10m、60m、205m和415m；每个监测断面设置5个温度传感器，其进入围岩和衬砌的设计埋深分别为5.0m，2.0m，0.5m、0.3m和0.0m；其中，0.0m处的测温传感器在施工期用于测试该断面洞内壁面温度，在二衬保温层施工后用于监测保温层与衬砌界面的温度。
图3 隧道内温度监测布设示意图
Fig. 3 Temperature sensor buried diagram
1～3号温度监测断面于2011年8月埋设，4号温度监测断面迟于前三个监测断面约一个半月，于2011年10月下旬进行温度采集。温度传感器埋设时采用水泥浆液进行注浆封孔。为防止水泥浆液固化时水泥水化热的影响，温度测试于一个月后传感器温度基本稳定时开始。由于现场埋设过程中受围岩条件、施工水平、裂隙水和埋设精度等多种因素的影响，四个监测断面与实际预设埋设深度有不同程度的差异，四个监测断面测温传感器的实际埋设深度见表2所示。
表2温度传感器埋深
注：表中单位为m。
由于受气候影响施工冬歇期的具体时间不确定，而温控仪的存储空间为6000组数据，综合考虑电源电量、数据的完整性以及需要有足够数量的采样点防止数据失真等因素，设定温度自动采集仪的采样频率为1次/2h。监测人员在撤场前将数据下载清空；进场后，及时下载数据，清空内存。
2.3 温度监测结果及分析
温度监测周期为2011.09.19 ～2013.05.03，历时近两年。
1. 洞口大气温度
隧道进口洞口大气温度监测及拟合结果如图4所示。
图4 隧道进口大气温度变化规律
Fig. 4 The temperature variation of tunnel entrance atmospheric
通过对大气实测温度进行分析，拟合得到了大气温度正弦分布曲线，即
（1）
式中，T为拟合温度，℃；t为测试时长，自2011.10.25起。
隧道进口2011~2012年度的最低、最高温度及时刻分别为-29.5 ºC（2012.12.21）和13.3 ºC（2012.07.31）；相应地，拟合温度的最低、最高温度及时刻分别为-16.79℃（2012.01.24）和10.06℃（2012.07.14），其对应时间基本一致；年平均气温为-2.20℃；年内气温低、高于0 ℃；时间分别为202天（55.34%）和163天（44.66%）。监测数据和拟合结果显示：温度拟合曲线相关系数R=0.927，能够较准确地反映大气温度变化规律。
2. 隧道围岩温度
隧道内四个监测断面温度分布如图5~8所示。
K722+510断面处的温度传感器埋设较前三组晚。由于水泥浆水化的影响，起始一段时间的数据波动较大、数据可能有一定程度的失真。
从2011年9月19日起隧道建设已基本处于寒冬休工期，在冬歇期间，隧道内温度的热传递主要是靠自然环境进行热传导，并且不受施工通风的影响，冬歇期到次年2012年4月。在这段时间各测点温度传感器的数据变化比较平缓，而隧道再次开工后，受放炮通风的影响，部分传感器温度波动较大（埋深5.12m）。另外，各测点的温度变化形态及规律相协调，说明其温度监测数据是可靠、可信的。
图5 K722+105断面温度变化曲线
Fig. 5 Temperature curves at K722 +105 section
图6 K722+155断面温度变化曲线
Fig. 6 Temperature curves at K722 +155 section
图7 K722+300断面温度变化曲线
Fig. 7 Temperature curves at K722 +300 section
图8 K722+510断面温度变化曲线
Fig. 8 Temperature curves at K722 +510 section
监测显示：测点埋深较浅时其温度受大气温度影响明显、剧烈，随埋深增大而趋于稳定；当测点埋深达到2.0m时，围岩温度受大气温度影响较小，年波动在2.5oC~5.1oC之间；当埋深为5.0m时，温度基本不受影响，稳定在2.90oC左右。
在洞口K722+155之前，围岩在2m范围内存在冻融循环；在K722+300断面处已无负温，围岩不出现冻融循环情况、不存在冻胀问题。在K722+105断面，2m深处围岩的最低温度可以达到-1.6oC；在0.5m处，围岩最低温度可达-10.7oC；在0.3m处，围岩最低温度可达-13.0oC。在K722+155断面处，2 m深处围岩的最低温度为0.9oC；在0.4m处，围岩最低温度可达-2.3oC；在0.2m处，围岩最低温度可达-2.9oC。上述两断面，2m深处最低温度都出现在3月份，其余最低温度均出现在一月底。在K722+300断面围岩最低温度为0.9oC。在K722+510断面围岩最低温度为2.4oC。对测点线性插值可得距洞壁0.3m、0.5m和2.0m围岩温度曲线（见图9）。结果表明，随着入洞距离的增加，在建设期内（隧道未贯通），相同深度处围岩温度呈升高、恒定趋势。
图9 不同埋深围岩最低温度随入洞深度曲线
Fig. 9 The minimum temperature with distance to tunnel portal at different distance to tunnel wall
1#断面是安装在洞口处，明洞段上方回填覆土较浅，受大气环境影响较大，不同埋深处的最低温度都较低，这说明，在洞口段，隧道容易发生冻害。在明洞段，大气环境对围岩温度的影响范围要超过2m。
3. 隧道内温度
隧道不同里程处洞壁温度分布见图10、11所示。由图11可见，从11月至次年4月，洞内环境温度相差较大，最低温度由洞口的-29.5oC，随洞身增加深度增加而增加，至K722+510处处于正温状态、为0.2oC，其影响范围达500m。在冬歇期，隧道洞口被防寒门和积雪封堵，不因通风而受外界影响较小，其最低温度在2.4oC左右。
图10 隧道洞壁温度分布时间曲线
Figure10 The distribution curve of tunnel wall temperature
图11 夏、冬季洞壁温度变化曲线
Figure 11 Summer and winter temperature curve
由图11可见，在隧道冬歇期内，洞外大气最低温度约为-28.8oC，而洞内越靠近掌子面隧道内温度越高、越趋于稳定，进入洞口200 m后洞内空气温度已趋于稳定。在隧道施工期间，洞外大气最高温度约为10.2oC，而洞内越靠近掌子面隧道内温度越低、越趋于稳定，同样是进入洞口200 m后洞内空气温度已趋于稳定。由于施工通风影响，洞内空气温度与洞外大气温度基本一致。
图12 不同时间隧道洞壁温度分布规律
Figure 12 Temperature distribution law of tunnel wall at different time
图12为不同时刻、不同位置隧道空气温度变化分布规律。表明：在冬季洞内温度低于0oC的最大洞内轴向深度为200m（施工休工期）；在夏季洞内外温度差别不大（其受到施工期间隧道人工通风的影响），而且均为正温。因此，对于玉希莫勒盖隧道，在施工期需加强冬季隧道洞口附近200m范围的保温防冻措施，以防止低温对隧道可能带来的冻胀危害。
3 结论
在2011~2012年度，根据隧道不同里程、埋深的温度监测结果，获得以下结论：
（1）隧道外大气的年最低温度为-28.8oC ，最高温度为13.3oC，年平均气温为-3.36oC；年内气温低、高于0oC的时间分别为197天（占54.0%）和168天（占46.0%）。
（2）在施工休工期，隧道洞内温度自洞口越向里靠近掌子面越高，在距洞口200 m范围内隧道内温度受大气温度影响较大，在距洞口约200 m后隧道内温度趋于稳定、一般能处于0oC以上；而在施工期内受到隧道通风的影响，隧道内空气温度与洞外温度基本一致。
（3）围岩温度随埋深增大而趋于稳定，其稳定温度为2.9oC，即，隧道深部岩层的平均温度为2.9oC。
（4）在明洞段，大气及环境温度对围岩温度的影响范围超过2.0m。在洞身段，大气及环境温度对围岩温度的影响范围约为2.0m。
（5）玉希莫勒盖隧道需要采取必要的保温防冻措施；但其季节性隧道的保温防冻方法及效果还有待进一步分析研究。
注：温度监测是在隧道施工期间，即，在隧道未贯通进行的，不能完全反映在隧道运营期间隧道中和围岩内的温度分布与变化情况，这需要在隧道交付使用后，继续进行在汽车输运带动和风吹影响下的温度监测，以便为分析隧道保温层的效果、围岩的冻胀情况提供依据。
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基金项目：国家自然科学基金项目 (51174196)
作者简介：王刚(1956–7)，男，新疆乌鲁木齐市人，高级工程师，学士。