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《寒区隧道温度场分析与冻害防控关键技术》系统、全面地介绍了寒区隧道温度场分析方法与冻害防控关键技术，《寒区隧道温度场分析与冻害防控关键技术》共8章，*先，从寒区隧道定义与分布、冻害类型与特征、冻害后果以及所面临的科学问题和技术难点四个方面进行了概述；其次，从理论、现场测试、室内试验三个方面对寒区隧道的相关理论和技术进行介绍，具体包括寒区隧道冻害机理与基础理论、寒区隧道现场测试与试验技术、寒区隧道温度场与冻害室内模拟试验系统研发；再次，对寒区隧道的温度场时空演化和影响规律进行了分析，具体包括多场耦合模型的建立与验证、温度场纵横向演化规律、主控因素及其影响规律；然后，介绍了地下水对隧道温度场的影响及相应的新型防排水结构，并建立自由表面流模型分析了其过水能力；接着，对保温层、防寒保温门、中心深埋水沟、阳光棚等寒区隧道的抗防冻关键技术与参数设计进行了阐述和梳理；*后，以高纬度的京沈高铁同盛隧道和高海拔的西察高速关角山隧道为例，对隧道防寒保温与防排水方面的设计和施工进行了较为系统的介绍。
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目录第1章 寒区隧道工程概述 11.1 定义与分布 11.2 冻害类型与特征 51.3 冻害后果 81.4 科学问题与技术难点 91.5 本章小结 10第2章 寒区隧道冻害机理与基础理论 112.1 寒区隧道冻害影响因素与分析 112.1.1 气象条件 112.1.2 水文条件 122.1.3 围岩条件 122.1.4 工程措施 122.1.5 其他因素 132.1.6 根本因素对比分析 132.2 温度场基本理论 142.2.1 基本方程 142.2.2 物性方程 222.2.3 定解条件 252.2.4 控制方程 272.2.5 数值解法 292.3 寒区隧道温度场研究成果 362.3.1 理论分析 362.3.2 现场监测 382.3.3 室内试验 392.3.4 数值仿真 412.4 本章小结 42第3章 寒区隧道现场测试与试验技术 443.1 高纬度寒区隧道 443.1.1 工程概况 443.1.2 现场试验方案 463.1.3 试验数据分析 513.2 高海拔寒区隧道 693.2.1 工程概况 693.2.2 现场测试方案 773.2.3 测试数据分析 823.3 温度分布差异 933.4 本章小结 94第4章 寒区隧道温度场与冻害室内模拟试验系统研发 954.1 寒区隧道温度场试验系统与试验研究 954.1.1 寒区隧道温度场试验系统 954.1.2 寒区隧道温度场试验研究 994.2 寒区隧道积水冻胀试验系统与试验研究 1024.2.1 寒区隧道积水冻胀试验系统 1024.2.2 衬砌背后积水冻胀试验研究 1064.3 本章小结 124第5章 寒区隧道温度场数值计算方法与规律分析 1255.1 数值模型建立与验证 1255.1.1 计算模型与参数 1255.1.2 边界条件 1265.1.3 初始地温场 1265.1.4 数值模型验证 1275.2 寒区隧道温度场时空分布规律 1285.2.1 横向分布规律 1285.2.2 纵向分布规律 1315.3 寒区隧道温度场主控因素及其影响规律 1335.3.1 气流因素对寒区隧道温度场的影响规律 1335.3.2 围岩热物理参数对隧道温度场的影响规律 1435.3.3 列车运营条件对隧道温度场的影响规律 1485.4 本章小结 167第6章 地下水对隧道温度场的影响及新型防排水结构 1686.1 地下水对隧道温度场的影响 1686.1.1 计算模型及初始温度场 1686.1.2 中心排水沟水温影响因素分析 1736.2 寒区隧道新型防排水结构 1836.2.1 防排水结构介绍 1836.2.2 防排水结构分析模型 1856.2.3 防排水结构过水能力 1886.3 本章小结 191第7章 寒区隧道抗防冻关键设计参数与对策 1927.1 保温层技术 1927.2 防寒保温门技术 1957.3 中心深埋水沟技术 1967.4 地源热泵技术 2007.5 阳光棚技术 2027.5.1 数值计算模型 2037.5.2 阳光棚作用效果 2057.6 本章小结 209第8章 典型寒区隧道冻害防控系统设计与施工 2108.1 京沈高铁同盛隧道 2108.1.1 隧道防寒排水设计关键技术 2108.1.2 防寒排水现场施工技术 2148.2 西察高速关角山隧道 2198.2.1 隧道防排水设计关键技术 2198.2.2 防排水系统施工技术 2218.2.3 结构保温防冻设计 2298.3 本章小结 230参考文献 231
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第1章 寒区隧道工程概述 1.1 定义与分布 广义而言，寒区主要是指人类活动或自然环境受环境低温显著影响的地区，其划分标准和具体区划，不论是在全球还是在全国均存在多种说法。寒区概念*早由加拿大学者K?ppen[1]提出，即按照*冷月平均气温≤-3.0℃以及月平均气温＞10.0℃不超过4个月划分加拿大寒区。据研究[2]，自1901年至2019年，北半球寒区面积平均为4.1×107km2，约占北半球陆地总面积的37.8%。北半球寒区可分为中高纬度寒区和青藏高原寒区，其空间范围分别为3.8×107km2和3.1×106km2。北半球中高纬度寒区主要分布在北美洲北方、冰岛大部分地区、阿尔卑斯山、欧亚大陆北部和大高加索地区。中国青藏高原、巴基斯坦北方、吉尔吉斯斯坦大部分地区都是寒区。 借鉴国外寒区的划分方法，在21世纪初，我国学者[3]结合中国*特的地理位置和气候条件，将我国寒区定义为*冷月平均气温＜-3.0℃、月平均气温＞10.0℃的月份不超过5个月以及年平均气温≤5.0℃的地区，按照该标准我国寒区面积约为4.2×106km2，约占我国陆地总面积的43.7%。 我国于2019年10月1日正式实施的现行标准《民用建筑设计统一标准》[4]中对建筑气候区域进行了划分，其中也包括对寒区的描述。建筑气候区划以累年1月和7月平均气温、7月平均相对湿度等为主要指标，以年降水量、年日平均气温≤5℃和≥25℃的天数等作为辅助指标，将全国划分成7个1级区。同时，根据*冷月平均气温划分了5个热工区域，分别为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区，具体如表1-1所示。 我国寒冷地区具有冬季严寒且持续时间长、干燥等气候特点[5]。在这些地区除了具有显著的低温特点，还分布有特殊的冻土地层。冻土是一种温度低于0℃且含有冰的特殊岩土体，其物理力学性能与温度密切相关[6]，主要包括季节性冻土以及多年冻土（又称永久冻土)两种类型，分别占我国国土面积的55%和20%[7]，冻土具体又可细分为高纬度多年冻土、高原多年冻土、高山多年冻土、中深季节冻土、浅季节冻土、瞬时冻土。对于我国的寒区隧道工程，目前多分布于季节性冻土区，因此季节性冻土区隧道也成为我国隧道工程冻害防治的热点。 我国幅员辽阔、地大物博，寒区的气象环境和地质环境不能一概而论。在寒区修建的交通隧道工程出现冻害问题屡见不鲜，所以在隧道工程前期的勘察和设计过程中，需要确定相应的关键参数以指导采用合理的抗防冻措施，从而达到避免冻害发生的目的。鉴于不同地区负温环境的作用强度不同，从抗防冻措施的经济性和有效性出发，在确定具体对策和设计参数时需要结合寒区隧道与环境的具体特点，对隧址区的寒冷等级进一步细化。目前，针对寒区隧道的分区主要有以下几种划分方式。 1)以*冷月平均气温和年平均气温作为划分标准 马志富和杨昌贤[8]总结了既有交通隧道的抗防冻技术和隧道已发生的冻害情况，以*冷月的平均气温和年平均气温作为分区的气象特征参数，划分了隧道高纬度和高海拔寒区隧道设计分区，具体如表1-2和表1-3所示。 2)以*冷月平均气温和冻结深度作为划分标准 罗彦斌[9]以*冷月平均气温和冻结深度作为划分标准，将寒区隧道的寒冷程度划分为5个等级，具体见表1-4。 3)以纬度和海拔作为划分标准 高焱等[10]通过对既有寒区隧道冻害情况进行调研分析，将隧道寒区划分为高纬度寒区和高海拔寒区，具体见表1-5。此外，他们还根据*冷月平均气温和冻结深度确定了寒区隧道亚区分级标准与冻害特征，详见表1-6。 4)现行规范的划分标准 在现行的《铁路隧道设计规范》[11]中，将严寒及寒冷地区隧道所处的气候环境按照*冷月平均气温进行分类，具体见表1-7。同时，规定寒区隧道存在冻害的地段应根据隧道长度、当地*冷月平均气温、地下水水量、隧道内外气温、风速风向、行车速度和密度等综合确定其抗冻设防段长度。 在公路隧道方面，《公路隧道设计规范**册土建工程》[12]中没有对寒区进行分类，而《公路隧道设计细则》[13]中规定保温水沟宜用于寒冷地区，*冷月平均气温在-15～-5℃、冻结深度1.0～1.5m内和中心深埋水沟宜用于严寒地区，*冷月平均气温在-25～-15℃、冻结深度1.5～2.5m内，则可根据表述总结其寒区划分标准，见表1-8。 在《寒区公路隧道设计标准》[14]中，将*冷月平均气温作为划分标准，对寒区公路隧道气候进行了分类，见表1-9。 1.2 冻害类型与特征 通过调研已建的千余座寒区隧道，发现寒区隧道冻害问题仍然时有发生，特别是在初冻与春融时节更为普遍。调研发现寒区交通隧道的冻害形式多样，结合前人的研究成果，将其主要形式归纳为衬砌漏水挂冰、衬砌开裂、道床(路面)积水结冰、排水系统冻结失效、隧道洞口热融滑塌五种类型。 1)衬砌漏水挂冰 冬季，寒区隧道洞内气温降至负温，衬砌渗漏水冻结，形成挂冰、冰柱等冻害，如图1-1所示，严重时甚至侵入隧道限界。此外，地下水冻胀产生冻胀力， 图1-1 衬砌漏水挂冰[15] 造成衬砌结构进一步开裂，产生更多渗水点。多个冻融循环作用下将造成冰柱发展直至脱落，从而可能造成行车安全事故。隧道渗漏水及挂冰的程度与地下水富集程度正相关，入冬和春融季节是隧道挂冰出现的高峰期。隧道衬砌挂冰主要发生在施工缝、衬砌开裂、衬砌不密实等结构或防水薄弱区，常伴有施工质量缺陷。 2)衬砌开裂 寒区隧道普遍存在衬砌开裂问题，按照裂纹在衬砌结构上的空间分布形式，主要可分为环向、纵向及斜向三种[16]。寒区隧道衬砌开裂除了地质环境、结构类型、施工影响和材料劣化等因素外，由于冻土地区气温的日较差及年较差都很大，隧道衬砌上产生的温度应力和冻胀力的作用是寒区隧道衬砌开裂的主要原因之一。隧道衬砌环向开裂是垂直于隧道轴向的衬砌开裂，是寒区隧道普遍且突出的开裂形式，绝大部分环向裂缝产生在衬砌混凝土的施工缝附近。绝大部分隧道衬砌纵向及斜向开裂产生在隧道边墙处，与隧道衬砌的结构形式关系密切，直墙式衬砌比*墙式衬砌的开裂要更为严重。隧道衬砌开裂如图1-2所示。 图1-2 隧道衬砌开裂 3)道床(路面)积水结冰 公路隧道路面或者铁路隧道道床积水结冰与隧道排水系统有着密切的关系，隧道围岩内的地下水常具有承压性，在排水不通畅的情况下，隧底易出现冒水，在入冬及春融季节会发生冻结，形成冰锥和隧底冻胀，从而影响隧道的使用功能和交通安全。隧道底部道床结冰、路面积水如图1-3所示。 4)排水系统冻结失效 当冬季气温逐渐降低时，排水系统内的地下水受负温作用发生冻结堵塞，对排水结构产生较大的冻胀力，同时由于围岩内的地下水不能及时排出隧道外，还易诱发其他类型的冻害，如衬砌漏水挂冰、道床和路面结冰等。可见，排水系统冻结是引起寒区隧道严重冻害的根本原因之一。隧道排水系统冻害如图1-4所示。
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