寒区公路隧道温度场特征研究

随着西部大开发建设和东北老工业基地振兴等国家政策的实施，未来20年将是我国在寒冷地区进行大规模基础建设的高峰期，作为经济发展头号任务的交通建设必将在寒区加快建设步伐，因此，在多山的中国东北和西北地区必将修建越来越多、越来越长寒区公路、铁路隧道。但是目前国内外在寒冷地区修建的公路隧道因隧道围岩和衬砌内存在季节性冻融而产生诸如混凝土衬砌剥落、开裂、渗水、挂冰、隧道洞门墙融沉、滑塌、倾覆、隧道排水口冻结等各类病害，不仅影响了隧道美观，而且威胁着隧道的正常运营。 众所周知，引起隧道内各种冻害的唯一原因就是隧道衬砌和围岩内存在负温区。因此只有对隧道衬砌和围岩内温度场有了正确了解，才能真正对寒冷地区隧道进行有效的保温防寒设计，将寒冷地区的隧道病害减少到最低水平，达到对隧道受益和投资比最大化，减少或免除隧道后期维修费用。本文正是依托修建在海拔高、气温低的青海省目前最长公路隧道—青沙山隧道工程开展对寒区隧道温度场进行研究。主要研究工作包括：(1)完成对隧道区洞外大气温度和隧道内环境温度测试、分析，总结了隧道内环境温度变化的特点，隧道内环境温度与隧道外大气温度变化的关系，为实现对隧道围岩内温度场模拟和实测提供理论和实际数据。(2)利用测温元件实测数据，实现了将温度实测值与有限元模拟法相结合，准确地推导出围岩导热系数。该方法不仅可用于岩石，而且可应用于土体，砂石等各类地质条件。(3)对隧道围岩内温度场进行测试，获得围岩温度分布与变化规律，总结出其分布变化与隧道内环境温度、围岩地质条件的关系。(4)将隧道内环境实测温度作为载荷施加到隧道二衬混凝土表面，采用二维和三维非稳态带相变的热传导有限元模型计算方法，对隧道一般埋深横断面和隧道纵向分别采用无保温层和有保温隔热层的进行了数值分析，从而精确地确定了隧道内保温隔热层厚度和沿隧道纵向铺设保温隔热层的长度。