拉日鐵路沿線氣溫軌溫觀測(cè)研究

管新武

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710043

拉薩—日喀則鐵路（以下簡(jiǎn)稱拉日鐵路）地處青藏高原西南部的“一江兩河”（雅魯藏布江及其兩大支流拉薩河、年楚河）腹地，沿線海拔3 700～4 000 m。

鋼軌溫度（軌溫）作為無(wú)縫線路應(yīng)用的一個(gè)重要參數(shù)，一般取當(dāng)?shù)赜惺芬詠?lái)的極端氣溫作為無(wú)縫線路設(shè)計(jì)和管理的基本依據(jù)。最高軌溫取當(dāng)?shù)刈罡邭鉁丶?0 ℃，最低軌溫取當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁兀?-2］。這一規(guī)定是我國(guó)無(wú)縫線路鋪設(shè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，適用于我國(guó)廣大地區(qū)的無(wú)縫線路設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)踐證明是科學(xué)合理的。

拉日鐵路通過(guò)地區(qū)屬高原溫帶亞干旱氣候區(qū)，具有長(zhǎng)冬無(wú)夏、春秋相連、空氣相對(duì)濕度小、晝夜氣溫差異明顯、天氣變化劇烈、日照強(qiáng)烈（向陽(yáng)面與背陰處溫度差異大）的特點(diǎn)［3］。特殊的高原氣候特征和日照條件對(duì)無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)、鋪設(shè)以及養(yǎng)護(hù)維修都帶來(lái)了不同于內(nèi)地的新問(wèn)題。

為掌握拉日鐵路沿線環(huán)境溫度和鋼軌溫度的變化及關(guān)系，在拉日鐵路建設(shè)過(guò)程中，沿線建立了3個(gè)氣溫軌溫觀測(cè)站，進(jìn)行氣溫、軌溫的觀測(cè)，研究氣溫軌溫變化規(guī)律及關(guān)系。

1 觀測(cè)站選址及觀測(cè)方法

1.1 觀測(cè)站選址

拉日鐵路基本走向?yàn)闁|西向，沿線氣溫基本不受緯度效應(yīng)影響。在青藏高原，高度每升高100 m，溫度降低約 0.55～0.7 ℃［4］，地形條件對(duì)局部氣溫的影響較大，地形條件和垂直氣候?qū)ρ鼐€氣溫的影響較為明顯。根據(jù)拉日鐵路沿線地形地貌特點(diǎn)，按地貌單元類別選擇有代表性位置建立觀測(cè)站。

拉薩至雅江峽谷區(qū)出口（拉薩河、雅江寬谷區(qū)）段線路起伏不大，海拔高度3 590～3 660 m。選擇在拉薩河特大橋曲水端橋頭建立曲水氣溫軌溫監(jiān)測(cè)站。

大竹卡至日喀則（雅江、年楚河寬谷區(qū)）線路海拔高度在3 810～3 990 m，本段以吉瓊埡口為界，以東為雅江寬谷區(qū)，以西為年楚河寬谷區(qū)。雅江、年楚河寬谷區(qū)地形條件相似，線路高程接近，但河谷區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向不同。因此在兩條河谷區(qū)分別建立觀測(cè)站。選擇在圣殿山隧道出口附近（鐵路施工項(xiàng)目部旁邊的變電站）建立氣溫軌溫監(jiān)測(cè)站，代表雅江寬谷區(qū)氣候環(huán)境。在聯(lián)卓2 號(hào)特大橋附近（鐵路施工項(xiàng)目部綜合拌和站內(nèi)）建立氣溫軌溫監(jiān)測(cè)站，代表年楚河寬谷區(qū)氣候環(huán)境。

曲水、大竹卡和日喀則三個(gè)氣溫軌溫觀測(cè)站于2012年2月21日建成，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)記錄。

1.2 觀測(cè)及數(shù)據(jù)采集方法

采取氣溫、軌溫同步觀測(cè)記錄方法，觀測(cè)期為一年。

軌溫觀測(cè)：設(shè)置模擬碎石道床軌道結(jié)構(gòu)，為抵消日照直射影響，在鋼軌腰部陰陽(yáng)面各粘貼一個(gè)軌溫傳感器進(jìn)行軌溫監(jiān)測(cè)（取二者平均值）。軌溫觀測(cè)見(jiàn)圖1。

圖1 軌溫觀測(cè)裝置

氣溫觀測(cè)：按小型氣象站氣溫觀測(cè)要求設(shè)置離地面高度不小于1.2 m 的百葉箱，箱內(nèi)懸掛氣溫傳感器進(jìn)行氣溫觀測(cè)。氣溫觀測(cè)裝置見(jiàn)圖2。

圖2 氣溫觀測(cè)裝置

數(shù)據(jù)采集：采用多通道數(shù)據(jù)紀(jì)錄儀，每間隔30 min同步采集鋼軌腰部陰陽(yáng)面溫度和百葉箱內(nèi)氣溫。

2 數(shù)據(jù)分析及氣溫軌溫變化特點(diǎn)

2.1 觀測(cè)期極值溫度特點(diǎn)

通過(guò)篩選各測(cè)站觀測(cè)期最高、最低氣溫軌溫，最大日氣溫差、軌溫差，最大年氣溫差、軌溫差、氣溫軌溫差等極值特征數(shù)據(jù)，得到觀測(cè)期各測(cè)站極端溫度見(jiàn)表1。觀測(cè)數(shù)據(jù)與沿線氣象資料（表2）基本吻合。局部地形地貌差別對(duì)小氣候影響是觀測(cè)數(shù)據(jù)與氣象資料有少許差別的主要原因。

由表1、表2可以看出：

表1 觀測(cè)期溫度及溫差極值 ℃

表2 拉日鐵路沿線氣象資料 ℃

1）觀測(cè)期內(nèi)拉日鐵路沿線年最大氣溫差未超過(guò)50 ℃，年最大軌溫差不超過(guò)70 ℃，表現(xiàn)出典型的“冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑”的低緯度、高海拔氣候特征，無(wú)縫線路鎖定軌溫設(shè)計(jì)相對(duì)自由。

2）日氣溫變化高出內(nèi)地（一般不超過(guò)15 ℃，最大不超過(guò)20 ℃）氣溫變化范圍。拉日鐵路沿線晝夜氣溫變化劇烈，氣溫陡升陡降，表現(xiàn)出低緯度、高海拔，輻射強(qiáng)烈的特點(diǎn)，主要原因是日照輻射強(qiáng)烈、植被稀少。

3）日軌溫變化超出內(nèi)地（最大不超過(guò)40 ℃）范圍。青藏線格拉段氣溫軌溫試驗(yàn)中也監(jiān)測(cè)到了40 ℃以上的日軌溫差［4］，說(shuō)明在青藏高原強(qiáng)烈的日照條件下，日軌溫差超過(guò)40 ℃具有一定的普遍性。

4）最大氣溫軌溫差一般不超過(guò)20 ℃。觀測(cè)期僅在曲水站7～12月時(shí)段觀測(cè)到超過(guò)20 ℃的日氣溫軌溫差，其余測(cè)站均未觀測(cè)到。曲水站觀測(cè)到的最大氣溫軌溫差為27.5 ℃（氣溫、軌溫不同步達(dá)峰），當(dāng)日最高軌溫和最高氣溫差最大為23.9 ℃。青藏線格拉段氣溫軌溫監(jiān)測(cè)中也出現(xiàn)了19 d 氣溫軌溫差超出20 ℃的數(shù)據(jù)［5-6］。

曲水觀測(cè)站位于拉日鐵路施工項(xiàng)目部院內(nèi)，距離圍墻和硬化地坪均不小于5 m，避免了圍墻遮擋和硬化地坪輻射影響，但通風(fēng)條件較差。而大竹卡觀測(cè)站模擬軌道設(shè)置在配電房頂，日喀則觀測(cè)站模擬軌道設(shè)置在混凝土柱頂，通風(fēng)條件良好。通風(fēng)不良可能是造成曲水站出現(xiàn)超過(guò)20 ℃氣溫軌溫差的原因。

5）觀測(cè)期模擬軌道鋼軌腰部陰陽(yáng)面同一時(shí)刻溫差可達(dá)4～6 ℃，最大達(dá)到8.2 ℃。說(shuō)明青藏高原太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，測(cè)量鋼軌溫度時(shí)應(yīng)考慮日照直射影響，以往單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的鋼軌溫度存在較大偏差。

2.2日極值溫度特點(diǎn)

通過(guò)篩選各觀測(cè)站日最高、最低氣溫軌溫及其出現(xiàn)時(shí)間，同一時(shí)刻氣溫軌溫差，日最大氣溫、軌溫差等日極值特征數(shù)據(jù)。日極值溫度變化以春夏季較為劇烈，秋冬季相對(duì)緩和。截取春夏季觀測(cè)期內(nèi)各測(cè)站日極端氣溫、軌溫及其溫差變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 極端氣溫、軌溫及其溫差變化曲線

由圖3可以看出：

1）各觀測(cè)站日最高氣溫、軌溫均出現(xiàn)在下午至日落前，日最高軌溫、氣溫達(dá)峰時(shí)間不同步，最高軌溫峰值一般出現(xiàn)在最高氣溫峰值前。

2）日氣溫變化7～10月份相對(duì)緩和，其余時(shí)間日氣溫差超過(guò)15 ℃非常普遍（曲水站76%，大竹卡站68%，日喀則站69%）。日氣溫差超過(guò)20 ℃的觀測(cè)數(shù)據(jù)一般在11月至次年3月時(shí)段出現(xiàn)（曲水站30 d，大竹卡站22 d，日喀則站22 d）。

3）日軌溫變化11月至次年3月相對(duì)劇烈，日軌溫差超過(guò)25 ℃非常普遍（曲水站92%，大竹卡站67%，日喀則站61%），超過(guò)30 ℃基本達(dá)到1/3 以上（曲水站73%，大竹卡站31%，日喀則站34%）。日軌溫差超過(guò)40 ℃的在曲水站觀測(cè)到26 d，在日喀則站觀測(cè)到2 d，大竹卡站未觀測(cè)到，具有一定的普遍性。

4）觀測(cè)期各測(cè)站24 h 觀測(cè)記錄中，基本上每天都會(huì)出現(xiàn)一段軌溫低于氣溫的時(shí)段（以下簡(jiǎn)稱“負(fù)溫區(qū)”）。負(fù)溫區(qū)溫差一般為1～3 ℃，最大不超過(guò)5 ℃，負(fù)溫區(qū)溫差波動(dòng)較小。負(fù)溫區(qū)現(xiàn)象在哈爾濱鐵路局［7］、青藏線格拉段氣溫軌溫監(jiān)測(cè)［5］中均得到驗(yàn)證。

5）日最高氣溫、軌溫和最低氣溫、軌溫隨季節(jié)變化趨勢(shì)明顯。日最大軌溫差與季節(jié)變化關(guān)系不明顯；日最大氣溫差在冬、春季較大，在夏、秋季較??；日最大氣溫軌溫差在冬、春季較小，在夏、秋季較大。

6）日極端氣溫、軌溫存在一定的相關(guān)性。日最高氣溫與最高軌溫具有一定相關(guān)性，但離散性較大，主要因日軌溫氣溫達(dá)峰時(shí)間不同步所致。日最低氣溫與最低軌溫同步性好，相關(guān)性非常高，見(jiàn)表3。

表3日最高、最低氣溫軌溫相關(guān)性系數(shù)

7）日最大軌溫差和氣溫差、氣軌溫差存在一定的相關(guān)性，但離散性較大，主要與短期天氣變化劇烈程度有關(guān)，見(jiàn)表4。

表4日最大氣溫差、軌溫差、氣溫軌溫差相關(guān)性系數(shù)

2.3月均值變化趨勢(shì)

為了消除短期天氣變化影響，分析一定時(shí)期內(nèi)氣溫軌溫變化規(guī)律，按月進(jìn)行24 h 均值統(tǒng)計(jì)，選出具有代表性的月份變化曲線，如圖4所示。

圖4 曲水站、大竹卡站、日喀則站年氣溫軌溫（月均值）變化曲線

由圖4可以看出：

1）最低軌溫、氣溫同步性非常高，一般出現(xiàn)在日出前1～2 h。負(fù)溫區(qū)氣溫軌溫差冬季大，夏季小。

2）最高軌溫、氣溫峰值明顯，未出現(xiàn)高溫平臺(tái)，軌溫、氣溫出現(xiàn)峰值時(shí)間不同步，一般最高軌溫峰值出現(xiàn)在最高氣溫峰值前。

3）相比于冬季，夏季高溫峰較寬，與日照時(shí)間呈正相關(guān)性。

4）春、秋季軌溫上升速率大于下降速率，氣溫上升速率低于下降速率。夏季軌溫、氣溫升降速率基本相當(dāng)。曲水站、大竹卡站冬季軌溫上升、下降速率基本相當(dāng)，氣溫上升速率慢于下降速率；日喀則站軌溫、氣溫上升速率均慢于下降速率。

5）各觀測(cè)站日最高氣溫、軌溫峰值均出現(xiàn)在下午至日落前1 h，出現(xiàn)時(shí)段見(jiàn)表5。軌溫峰值出現(xiàn)時(shí)間提前在春秋季較顯著，提前可達(dá)2.5 h至3.0 h；而在冬夏季提前較短，約為0.5～1.5 h；夏季在晴朗天氣條件下基本同步。最低軌溫、氣溫同步性非常高，一般出現(xiàn)在日出前1～2 h。

表5日最高氣溫、軌溫峰值出現(xiàn)時(shí)段

3 青藏高原地區(qū)無(wú)縫線路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

根據(jù)對(duì)拉日鐵路沿線氣溫、軌溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)無(wú)縫線路設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)青藏高原地區(qū)無(wú)縫線路設(shè)計(jì)的相關(guān)注意事項(xiàng)如下。

1）青藏高原地區(qū)氣溫軌溫的關(guān)系超出了現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以充分考慮，確保無(wú)縫線路安全、可靠。

無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定最低軌溫取最低氣溫，最高軌溫為最高氣溫加20 ℃。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，青藏高原地區(qū)最低軌溫比最低氣溫低0～5 ℃，且最低軌溫與最低氣溫峰值同步性較好，因此，最低軌溫的應(yīng)取最低氣溫減5 ℃；最高氣溫軌溫峰值的不同步，且最高軌溫一般不會(huì)超出最高氣溫20 ℃，一般地段可按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)，但在日照充分、通風(fēng)不良的路塹地段，應(yīng)按最高氣溫加25 ℃進(jìn)行無(wú)縫線路穩(wěn)定性檢算。

2）高原地區(qū)年極端溫差較小，檢算可滿足鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路的要求，但應(yīng)慎重鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路。

高原地區(qū)年極端溫差較小，按照常規(guī)的無(wú)縫線路檢算完全可以滿足鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路的要求。但沿線日氣溫差高出內(nèi)地（一般不超過(guò)15 ℃，最大不超過(guò)20 ℃），日軌溫變化超出內(nèi)地（最大不超過(guò)40 ℃），劇烈的軌溫變化導(dǎo)致無(wú)縫線路溫度應(yīng)力交變速度快、頻率高，可能導(dǎo)致緩沖區(qū)接頭松動(dòng)，在道岔可伸縮部位產(chǎn)生較大幅度的循環(huán)伸縮，導(dǎo)致道岔轉(zhuǎn)換受阻等安全隱患。因此，高原地區(qū)應(yīng)慎重鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注緩沖區(qū)、道岔可動(dòng)部位連接部件的可靠性［8］。

基于此，拉日鐵路全線采用有縫道岔，鋪設(shè)區(qū)間無(wú)縫線路，在緩沖區(qū)第一接頭采用施必牢螺栓螺母確保接頭可靠性，保證了無(wú)縫線路安全性。

3）青藏高原地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，可在鋼軌腰部陰陽(yáng)面產(chǎn)生較大溫差。應(yīng)注意道岔尖軌等缺乏橫向約束的鋼軌日照側(cè)彎問(wèn)題，有條件時(shí)道岔應(yīng)安裝密貼檢查器。

4）根據(jù)拉日鐵路沿線氣溫、軌溫變化特點(diǎn)，每年9月下旬至10月底每天有較長(zhǎng)時(shí)段在鎖定軌溫上下10 ℃范圍內(nèi)浮動(dòng)，有利于安排無(wú)縫線路進(jìn)行起撥道、清篩換枕等維修作業(yè)。作業(yè)后經(jīng)過(guò)冬春季的溫度下降，有利于長(zhǎng)鋼軌溫度應(yīng)力均勻化。

4 結(jié)論

本文基于拉日鐵路建設(shè)，針對(duì)高原地區(qū)晝夜氣溫差異明顯、天氣變化劇烈、日照強(qiáng)烈的特點(diǎn)，為合理設(shè)計(jì)無(wú)縫線路開(kāi)展了氣溫軌溫觀測(cè)研究，有效指導(dǎo)了拉日鐵路無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)。拉日鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)七年來(lái)，無(wú)縫線路服役狀態(tài)良好，驗(yàn)證了相關(guān)研究結(jié)果的可靠性，對(duì)高原地區(qū)無(wú)縫線路設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重要的借鑒意義，得出的主要結(jié)論如下。

1）拉日鐵路沿線年氣溫軌溫條件較青藏線格拉段緩和，呈現(xiàn)低緯度、高海拔氣候特征，有利于鋪設(shè)無(wú)縫線路，鎖定軌溫設(shè)計(jì)相對(duì)自由。

2）青藏高原地區(qū)氣溫軌溫的關(guān)系超出了現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，最低軌溫應(yīng)取最低氣溫減5 ℃，最高軌溫一般地段可按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)，但在日照充分、通風(fēng)不良的路塹地段，應(yīng)取最高氣溫加25 ℃。

3）高原地區(qū)年極端溫差較小，檢算可滿足鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路的要求，但應(yīng)慎重鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路。