高寒公路隧道温度场研究综述

【摘 要】近年来国内外学者针对寒区隧道进行了广泛的研究。本文将高寒地区公路隧道温度场研究分为理论与现场实测两部分进行总结归纳，从中得到了相关结论。在此基础上针对寒区隧道温度场的研究提出几点建议，以供学者在该领域的研究进行参考。

【关键词】寒区隧道；冻土；温度场；实验；现场实测

0 引言

随着高海拔寒地区铁路、公路隧道的逐年增多，国内外开展了一系列专门针对寒区隧道温度场的研究，并取得了一些成果。本文主要分为理论研究与现场实测研究两部分来阐述近年来国内外在寒区隧道温度场所做的研究，并在这些基础上提出一些关于寒区隧道温度场研究方面的建议。

1 寒区隧道温度场理论研究

我国冻土专家针对实际工程中遇到的寒区隧道，通过数值计算进行了温度场方面的研究。理论研究得到了寒区隧道温度场的解析解与数值解，两者联系紧密。

1.1 赖远明1999年求得了寒区圆形截面隧道温度场解析解。2003年张学富、赖远明、喻文兵等根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程，应用Galerkin法推导出三维有限元计算公式并编制了计算程序。2010年王成，丁敏，李晓红对鄂西地区沙子垭隧道进行了温度场与应力场的二维非线性耦合分析。2003年贺玉龙进行了温度场、渗流场与应力场三场两两耦合作用强度的量化研究。

1.2 2004年裴捷等根据实测盘岭隧道围岩温度数据对围岩的导热系数进行了反分析，但是采用的是一维热传导模型。

1.3 关于地壳温度场研究中得到了正常增温区地温预测经验公式。

1.4 对于冻胀力的计算模型归纳起来主要有冻融岩石圈整体冻胀说、局部存水冻胀说、含水风化层冻胀说三种学说。

2 寒区隧道温度场现场实测研究

理论研究与实验研究是密不可分的。根据现场实测结果，得出了关于寒区隧道温度场分布的结论，进一步论证了理论计算的可靠性。本文主要介绍寒区隧道温度场的分布规律。

2.1 环境温度与隧道内气温的相互关系

环境温度及洞内气温的变化具有明显的周期性。在冬季隧道内的气温随着离洞口纵深的增大而升高，而在夏季隧道内的气温随着纵深的增大而减小。不管是夏季还是冬季，随着纵深的增大，温度的振幅呈下降的趋势。整体上来看隧道内气温呈现一种“冬暖夏凉”的现象。在隧道完全贯通之后，与贯通之前相比，各断面的气温均明显降低，年平均温度和年温度振幅都有所降低。

2.2 隧道围岩及结构温度的纵向分布规律

隧道围岩及衬砌结构在纵向方向上，不仅受到原岩地温的影响，同时还与洞内气温及外环境温度有很大的关系。

在隧道贯通前，洞内的温度由于空气对流作用小，再加上施工时车辆排放的尾气和隧道爆破等因素，洞内温度和洞外的温度相比有较高的温度。在夏季，围岩及衬砌的温度在纵向方向上，随着隧道纵深的增大而增大。在冬季，施工时会在洞内做一些保温措施，诸如加火炉升温、在施作二次衬砌前对加热水温等，使得隧道会在中间段温度较高，两端温度较低。在隧道贯通后，由于空气对流的作用，洞内外的相对温差减小。围岩和衬砌结构随着距离洞口的增大，温度越高，温度变化振幅越小。

隧道围岩及结构在纵向的分布规律，对于分析确定隧道抗防冻的设防长度具有很重要的意义。洞口段设防长度的确定是在现场温度测试之前确定。2005年孙文昊又根据鹧鸪山隧道内的温度变化规律，利用传热学和热力学第一定律求得了隔热层设防长度的修正系数。

2.3 隧道围岩及结构温度的径向分布规律

在现场布置测温元件，是按照其在径向不同的位置上测试围岩及衬砌的温度分布规律。实测结果均发现，衬砌表面温度与隧道洞内的空气温度保持一致。往往在围岩及衬砌径深1m范围内，温度的变化梯度较大。离衬砌越远，变化梯度越小。

2010年张国柱、夏才初、殷卓考虑与隧道纵向深度及时间相关的非齐次对流边界条件，利用叠加原理及贝塞尔特征函数的正交及展开定理，得到了寒区隧道围岩径向温度的理论解。目前关于在保温板设计中，共有三种计算保温板厚度的方法：等效厚度换算法、气象解析法、有限元模拟计算法。

2.4 隧道施工过程中围岩温度场变化规律

分析隧道在开挖过程中， 围岩温度场的变化规律，对寒区隧道施工具有很大的意义。在同一时刻，距离壁面越近，围岩受施工的影响越大。同一处的围岩温度随着围岩暴露时间的延长而增加。在未进行初期支护之前，随着时间的增加，融化圈的范围逐渐增大。2003年贾晓云等通过对昆仑山隧道的开挖模拟，分析了在隧道在开挖后30d还未施作衬砌时，围岩的温度随时间的变化规律。

寒区隧道施工时，为了确保混凝土的施工质量，并满足施工人员及施工机械等各方面的因素对施工环境温度的要求，保护冻土、避免冻土融化，就必须对隧道洞内环境温度进行控制。

2003年梁文灏，黄双林通过对青藏铁路昆仑山、风火山隧道的环境温度测试，综合分析得出洞内的环境温度控制在-5～5℃之间时能满足这些要求。2004年刘志春、李文江等又在施工阶段对风火山铁路隧道洞内外环境温度进行了长期系统的观测与分析。得出采取了结合通风的供暖、洞口保温门等综合供热、保温措施，可以保证洞内环境温度在-5～9℃。

3 结束语

尽管在寒区隧道温度场研究方面取得了不小的成果。譬如在温度场的分布规律上，无论是从现场实测结果分析，还是从数值模拟方面都很好的解释了隧道在空间和时间尺度上的变化规律。但是还有很多需要深入研究的问题。

3.1 针对寒区隧道围岩原始温度场的现场测试研究较少。但是在数值计算模拟时，原始温度场对寒区隧道冻融圈范围的确定却很重要。关于围岩的本构模型还有待研究。

3.2 对于隧道冻胀力的机制有三种解释，目前的数值计算冻胀力基本上是基于局部存水空间的理论。还没有推导得出较为普遍适用于工程技术人员计算的简化公式。

3.3 围岩裂隙中的水分迁徙加剧了冻融圈产生的冻胀力，在计算冻胀力时往往忽略这样影响，这使得冻胀力的计算与实际有所不同。

3.4 在多年冻土段加设一次模筑、二次模筑，甚至还有三次模筑。究竟各自分担多大的荷载还没有进行具体的研究。

3.5 保温隔热层的设防长度、厚度、导热系数以及材料参数的选取还有待进一步研究。

3.6 寒区隧道在开挖过程中，围岩的温度变化受到很多因素的影响，所做的研究仅仅针对的是二维温度场分析。目前，还没有针对围岩在开挖过程时，从三维角度来分析融化圈的变化情况。

【参考文献】

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