摘 要 本文是在隧道已施工完毕但又未交付使用，在室外气温由寒变热的急剧变化期，隧道内部气温仅受自然环境气温变化和隧道内混凝土散热的客观条件下，得出了隧道内温度变化同外界大气温度的密切关系及其原因；隧道内无机械通风和交通运营时，隧道内气温纵向变化曲线和长大隧道内所特有气温上升曲线的特点。
关键词 高寒长大隧道 温度变化曲线 纵向气温曲线
1 概述
1.1 研究概况及意义
随着我国新一轮交通基础设施建设高潮的到来，公路隧道大量出现，其中在各种复杂和恶劣条件下的长大公路隧道数量也急剧增加。作为西部开发这一重大国策的实施，公路建设也出现了从平原微丘向山岭重丘发展的趋势。现在隧道的围岩冻胀受力和内部温度场已成为隧道研究课题的热门方向，但是就本人了解的情况，目前对隧道内部温度沿隧道纵向进行系统的研究文章很少，就是有这方面的文章也是在隧道运营以后的隧道气温情况。而本文却是在隧道已施工完毕但又未交付使用，在室外气温由寒变热的急剧变化期，本次研究时间长，隧道内部气温仅受自然环境气温变化和隧道内混凝土散热下的客观温度。本文在对隧道内温度进行客观实际的实测之后得出许多重要结论，这在所有的隧道研究论文结论中尚属首次。、本文给出了隧道内温度变化同外界大气温度的密切关系及其原因，隧道内无机械通风和交通运营时隧道内气温纵向变化曲线和长大隧道内气温所特有气温上升曲线的特点。
隧址区位于青沙山区，属中高山剥蚀地貌，海拔高程3044.59-3398.81m，最大相对高差354m。区内地形复杂，山坡陡峭，流水侵蚀强烈，沟谷发育，多呈“U”字型。山脊走向北西西~南东东向，与隧道轴线近垂直。区内植被发育。本区属高原半干旱大陆性气候，寒长暑短，受地形制约。平安、化隆多风少雨，日温差较大，日照充足，四季分明。据西宁资料，多年平均气温5.9℃，极端高气温38.7℃，极端低气温-26.6℃，最大冻深1.48m。区内年降水平均为251.4-394.01mm，青沙山大于500mm，降雨量主要集中在6~9月，以暴雨为主，随海拔增高降雨量增大，蒸发量子均为1636mm。历年风向东南，平均风速1.8—3.9m／s。
本文中所得出的研究结论，除可直接应用在隧道工程相应的保温设计和施工上，更重要的是提供了隧道内静态温度曲线(仅受自然条件下)，这就为隧道内的机械通风设计提供了依据。另外根据本文计算出的隧道内每延米温度上升值和距隧道口500m以内区域的温度上升速率基本不变这一重要结论，为隧道内的温度场研究提供实际理论依据。因此本文的研究结果具有重要的实际理论意义。
1.2 仪器型号和仪器布置
仪器型号：ZJI—2B
仪器布高原则：青沙山隧道全长3400m，由于洞口处温度变化显著，在洞口及距洞口500m处各安设一台温湿度仪，隧道中间安设一台；在隧道的进出口外距隧道口50m按照气象要求各架设一台室外温度仪，洞外的温湿度仪装在木质百页箱内，并距地面1.5m。洞内安装在铁制百页箱内，挂在隧道二次衬砌上，距水沟顶面1.5m(图1)。
1.3 温湿度计沿隧道纵向布设图
在隧道纵向上分别安置了七台温湿度计(包括隧道外)，采用对称式安置，分别安置在隧道进口外、隧道进口处(K0+000)、隧道进口500m(KO+500)、隧道中间(K1+1700)、距隧道出口500m(K2+900)、隧道出口处(K3+400)、隧道出口外各一台，其平面示意图如图2。
2 数据分析
2.1 数据采集
本次隧道内外全部采用；的肌—2B型仪器为全天候34h温湿度记录仪，将温湿度值记录在米格纸上，每周更换米格纸二次。将每天0：00、2：00、4：00、6：00、8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00、20：00、22：00温度分别输入表格，然后数值平均得出日平均值。每月的月平均值为每月日平均值的平均值，其中1月只从1月17日至31日，即图表中写的中下旬，2月、3月和4月为月平均值，5月为1日至10日的日平均值的平均值，分别描绘隧道内气温沿隧道纵向变化的纵向图。
在绘制隧道内外温度沿时间线性变化时，就采用的是每个点的日平均值。为了更直观地体现出隧道内气温随时间的变化情况和相邻各位置处的气温比较，因为从一月中旬至五月上旬，气温均处于上升阶段，也就采用线性了。
2.2 数据分析
2.2.1 隧道内各点位处温度上升线性如图3所示。
对图3分析可以得出以下几点重要结论：
a．仅在自然条件下，隧道的中间处温度明显高于隧道的其它位置处。这说明隧道内由于混凝土浇灌时间不长，混凝土量大，从而散出大量的水化热；另一方面是隧道内的围岩常年基本处恒温状态，在外界气温较低时围岩向隧道内空间传热，这一点在气温较低时尤其明显。随着外界气温的回升，隧道内各点处的气温均表现出回升状态，但回升的速率不一样。从图3中，出口外和进口外的直线分别表示了隧道出口外和进口外大气温度上升情况，紫色的比红的斜率大，温度上升也快。这主要的原因是由于青沙山隧道的进口位于山的阴面，而隧道出口位于山的阳面，出口处地势开阔，风速较大，气温日较差很大；特别是在夜晚时，温度急剧降低，在有日照时，温度会迅速上升，在高海拔的地区，这更为明显；而隧道进口处，地势峡小，风速小，日气温变化不剧烈。大约在3月25日，出口处的日平均气温就开始高于进口处的日平均气温值，
b．隧道的气温变化速率从大到小依次为：隧道出口外、隧道进口外、隧道进洞口处(K0+000)、隧道出洞口处(K3+400)、其余的隧道中部三条基本保持一致。对于K2+900处的温度在整个时间段内基本保持了隧道内的最低温度；其原因是：隧道外气温处于全年最低时，隧道内的温度不可能比隧道外低，所以在最冷时隧道外低于隧道内；但当隧道外大气温度上升时，由于隧道洞口段在气温长时间低于O℃，导致洞口段二次衬砌外的水系和二次衬砌处于低温状态，随着气温的上升，二次衬砌和围岩不断吸热，减缓了洞内温度上升的速率。
在没有机械通风条件下，不论自然风从哪个洞口吹人隧道，距隧道洞口处500m后，隧道内的气温变化速率基本保持+致，不同的仅仅是初始温度差别。当然如果自然风过大或隧道长度太短，这种情况会受到较大的影响。
2.2.2 隧道内沿纵向温度变化曲线如图4所示。
从图4中，可以得出以下几个重要的结论：
a. 沿隧道纵向温度整体上呈W型。从1月中旬至5月上旬，隧道中间处的温度始终是最高的，在进入隧道的前500m范围内，温度总体上是降低的。由于青沙山隧道设为单坡，隧道出口处海拔比隧道进口低了近60m，出口处的大气压比进口大，而且出口处常年多为东南风，隧道内自然风向一直由出口吹向进口，而且二次衬砌混凝土浇注时间长，水化热已散发完，所以在月平均气温较低的月份出口处形成一个小的倒V型曲线；随着气温的上升，倒V型逐渐变小直至消失；而在隧道的进口处由于处于山体的背阴侧，隧道内的出风口这种倒V型在全年气温最低月份反而不存在，而是在气温上升的4月份出现了倒V型。
b．在1至3月份所有的曲线在进入隧道口处均出现温度的急剧上升，这说明在最冷月份隧道内温度比大气显著提高，无论是进风口还是出风口均是如此。究其原因是由于隧道断面较小，隧道较长，隧道内的热能不能有效地同外界交换造成。而在大气月平均温度超过0℃后，进风口处的前500m隧道内温度比隧道洞口温度急剧降低，然后再升高；在最冷月份隧道出风口处温度从中间向洞口一直降低，但是在大气气温升高后就出现V型温度曲线了。
c. 隧道内距洞口500m以后至隧道中间部分，在隧道的进风口处沿隧道纵向每延10m，温度上升0.11℃；在隧道出风口处，距洞口500m以后至隧道中间部分沿隧道纵向每延10m，温度上升0.07℃。
d．从隧道纵向温度图上看，中间点处的温度上升情况同两侧相邻点的温度上升情况也基本保持一致，这同图3中得出的结论相同。
3 结束语
本文得出的结论中最重要的就是长大隧道在自然条件下，距隧道口500m内气温温度上升的幅度基本保持一致，这点结论对于进行隧道通风设计时显得非常重要。另外，本文中得出的距隧道洞口500m处以内，温度上升平均速率为0.09℃／10m。从这一点可以看出，温度的上升几乎完全取决于二次混凝土的水化热，这就从另一个方面可以计算出混凝土水化热的热量和混凝土表面同空气的热交换系数。当然如果能结合隧道内的风速，这将更进一步完善隧道内的温度曲线分析。
《2005年全国公路隧道学术会议论文集》
(王余富 谢永利 黄天雄)