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寒区隧道温度场综述

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：寇怀亮代兴发毕旺亮

[导读] 摘要：近年来，随着隧道工程施工技术发展的越来越成熟，公路与铁路的建设在路线选择上更加多元化，由原来的避山绕路到现在的凿山取直，隧道工程发挥着重要的作用。

        山东科技大学土建学院
        摘要：近年来，随着隧道工程施工技术发展的越来越成熟，公路与铁路的建设在路线选择上更加多元化，由原来的避山绕路到现在的凿山取直，隧道工程发挥着重要的作用。但是部分地区冬天寒冷的气温对隧道衬砌结构的稳定性造成极大的威胁，同时为行车安全留下隐患。因此对季冻区隧道围岩温度场分布情况的掌握，就是我们需要亟待解决重要问题之一。
        关键词：寒区隧道；温度场；冻害研究；综述
        引言：随着对气温寒冷地区隧道的研究逐渐深入，地下工程研究人员逐渐发现隧道工程中产生失稳现象以及冻害现象的原因是因为在工程实际中水分、温度和应力这三种状态相互耦合，相互影响。但由于我国在季冻区隧道温度场研究领域起步较晚，对这一问题的认识不足，在实际工程中不能切实有效的施以更好的措施防止冻害现象的发生；再者，伴随着一带一路政策的实施，国内寒区隧道建设日益增多，加快对其的研究工作有助于更好地提高寒区工程建设的效率以及安全度。对于季冻区隧道温度场的研究工作近几年主要围绕温度场的分布规律、热物性等对温度场影响研究及借助软件进行数值模拟的研究上。对寒区隧道温度场的研究有助于认识隧道冻害机理，更有针对性的采取相应的防治冻害措施，确定防排水设施类型，为此国、内外隧道工作者进行了大量研究工作。
        1、国外研究
        美国一实验研究所[1]从上世纪60年代开始进行一段较长时间的监测专门观察一座多年冻土隧道，通过此次观测在寒区隧道温度场分布规律方面的研究取得了一系列科研成果，也对进一步开展冻土研究有着重要价值。1973年，国外学者Bonacina[2]和Cominit[3]分别用数值求解的方法解决温度场问题，是地下工程领域首次对寒区隧道温度场多场耦合数值模拟及非线性分析进行研究[4][5]。
        2、国内研究
        近些年，在我国西部与东北部等寒冷地区修建公路、铁路隧道越来越多，我国许多隧道工作者对各个不同的隧道进行了围岩温度的现场监测，通过长期观测隧道围岩温度场，其变化规律已经被掌握。且随着计算机技术的发展，越来越多的隧道工作者选择借助数值方法求解温度场中涉及多场耦合作用的瞬态传热问题，尤其在寒区隧道流、固耦合传热数值模拟方面，取得了显著成果。孙克国[6]针对辽宁省某寒区公路隧道，采用理论分析的方式，利用ADINA数值计算等手段对热-流-固耦合作用下的寒区隧道温度场进行研究，得出了隧道纵断面和横断面的温度变化规律，分析了围岩初始地温和导热系数对寒区隧道温度场的影响规律。丁浩[7]以青海省G214线姜路岭隧道为研究对象，通过为期一年的对隧道洞内外环境温度以及出口段的围岩衬砌的现场实测，探究该隧道径向及纵向方向一定范围内的衬砌围岩温度分布规律，研究过程中采用了数理统计方法分析该隧道的温度场变化规律。冯强[8]通过对新疆G217国道玉希莫勒盖隧道温度场的研究，得到隧道不同径向深度处的温度变化规律，分析了冻结锋面的扩展规律。李博融[9]通过对甘肃新庄煤矿冻结井筒工程960m下深度的白垩系地层冻结井筒温度场的研究，得出白垩系砂岩热物性质及温度变化规律以及砂岩物理力学性质对冻结温度及温度场的影响和关系，同时运用ANSYS数值软件对冻结法凿井冻结壁与井壁温度场相互作用变化规律进行有限元数值分析。杜耀辉[10]通过对祁连山某隧道的研究，采用数值模拟软件ANSYS对铺设保温层的隧道温度场进行了数值模拟，研究了保温层对隧道衬砌的保温效果以及隧道的温度场分布规律。周小涵[11]进行了寒区隧道围岩-衬砌-气流的非稳态热传导的有限差分方程的推导，通过与在建寒区铁路隧道现场实测温度场进行对比验证数值解的准确性。并研究了最优隔热层材料、厚度、类型。周小涵[12]以南山隧道为依托，建立基于有限差分的隧道非稳态传热计算模型，采用正交试验法将隧道洞口纵向冻结长度、衬砌平均温度、各断面衬砌温度作为变量分别对影响隧道温度场的各因素进行研究。通过以上方法探究得出围岩导热系数、洞内风向、风温及风速、隧道埋深、隧道断面大小等主要因素对隧道温度场的影响，影响隧道温度场稍小一些的因素是围岩比热容、围岩密度等。国外学者Takumi.K[13]也采用数值求解方法分析寒区隧道温度场，其运用能量守恒原理进行求解。

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        3、总结
        综上所述，国内外的学者们探究寒区隧道温度场分布规律时大多都是采用对寒区隧道温度场的现场监测进而掌握了其温度分布规律，但由于技术条件不成熟，很多条件设定方面存在很大不确定性，对于现场监测或者数值模拟方面的研究仍处于发展阶段。且针对温度场的研究多集中在以某一工程为依托的前提下的研究，缺乏对某一类特性的归纳性、总结性的研究，是以多数工程多采用工程类比法来解决隧道开挖、支护衬砌及冻害等问题，可靠度不高。
        参考文献：
        [1] Johansen N I, Huang S L, Aughenbaugh N B. Alaska’S CRREL permafrosttunnel[J]. Tunnelling&Underground Space Technology, 1988, 3(1): 19-24
        [2] Bonacina C, Comini G Fasano A, et a1.Numerical solution of phase-change problems[J]. International Journal of Heat&Mass Transfer, 1973, 16(10): 1825-1832
        [3] Comini G, Guidice S D, Lewis R W,et a1.Finite element solution of nonlinear heat conduction problem with special reference to phase change[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1974, 8(3): 613-624
        [4] Harlan R L. Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozen soil[J]. Water Resources Research, 1973, 9(5): 1314-1323
        [5] Krarti M, Kreider J E. Analytical model for heat transfer in an underground airtunnel[J]. Energy conversion and management, 1996, 37(10):1561-1574
        [6] 孙克国, 徐雨平, 仇文革, 郑强. 寒区隧道温度场分布规律及围岩特性影响[J]. 现代隧道技术, 2016, 53(06): 67-72
        [7] 丁浩, 刘瑞全, 胡居义, 郑慧君. 姜路岭隧道温度场特性分析[J]. 现代隧道技术, 2015, 52(01): 76-81
        [8] 冯强, 刘炜炜, 蒋斌松. 玉希莫勒盖隧道温度场及保温层厚度的研究[J]. 现代隧道技术, 2016, 53(05): 78-84
        [9] 李博融. 白垩系地层冻结井筒岩石物理力学特性及温度场研究[D]. 西安科技大学, 2016.
        [10] 杜耀辉, 杨晓华, 晏长根. 季节性寒区隧道温度场数值分析[J]. 冰川冻土, 2017, 39(02): 366-374
        [11] 周小涵, 曾艳华, 范磊, 周晓军. 寒区隧道温度场的时空演化规律及温控措施研究[J]. 中国铁道科学, 2016, 37(03): 46-52
        [12] 周小涵, 曾艳华, 范磊, 周晓军, 阮亮红, 魏英杰. 基于正交试验的寒区隧道温度场影响因素敏感度研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2016, 43(11): 154-160
        [13] Takumi K, Takashi M, Kouichi F. An estimation of inner temperatures at cold region tunnel for heat insulator design[C]. Proceedings of Structural Engineering Symposium, 2008. 32-38