论文总字数：30327字

摘 要

随着我国经济和技术的发展，以及“一带一路”等政策的实施，寒区隧道的建设正逐步开展。然而高海拔、高纬度地区独有的冻土地质区由于温度周期性地升温降温变化而产生的冻害现象，使得寒区隧道的施工建设和后期运营维修都受到了极大的影响和制约。为了防止冻害现象产生，现有的处理方法主要包括防排水、设置加热装置以及敷设隔热保温层。目前国内寒区隧道采取的主要保温措施为被动保温方式-在隧道内贴设保温板，然而对于保温层的敷设长度、敷设厚度、敷设方式及保温材料应用并没有得出具有指导性的结论。本文依托已有的隧道模型试验，采用现场试验所得的数据，基于流体力学、传热学和

空气动力学等基本原理与方法，通过COMSOL Multiphysics软件简化三维拱形隧道模型为二维平板数值模型，建立无通风条件下的基本模型以及考虑通风影响的寒区隧道围岩-空气层-对流耦合模型，通过改变模型参数，模拟通风与空气层分层条件下，隧道局部范围内不同孔深的温度变化。对比现场试验结果和数值模拟所得结果，验证数值模型的正确性和可行性。基于COMSOL数值模型，设置不同的实验工况，探讨影响隧道密闭空气层保温性能的因素。

关键词：寒区隧道，现场试验，密闭空气层，保温性能，通风，数值模拟

Abstract

With the development of economic and technological and the implementation of the "Belt and Road" and other policies, the construction of the cold tunnel is gradually being carried out. However, the freezing damage caused by the periodic warming and cooling of high altitude and high latitude areas has greatly affected the construction and late operation and maintenance of the cold tunnel. In order to prevent the occurrence of frost damage, the existing treatment methods mainly include anti-drainage, heating device and heat insulation layer. At present, the main thermal insulation measures adopted in the cold tunnel in China are passive thermal insulation methods. The thermal insulation board is attached to the tunnel. However, there is no guiding conclusion for the length of the insulation layer, the thickness of the laying, the laying method, and the application of the thermal insulation material. Based on the existing tunnel model tests and the data obtained from field tests, based on the basic principles and methods of fluid mechanics, heat transfer, and aerodynamics, this paper simplifies the three-dimensional arch tunnel model into a two-dimensional flat plate numerical model through COMSOL Multiphysics software. The basic model under the condition of no ventilation and the coupled model of surrounding rock, air layer and convection in the cold tunnel considering the influence of ventilation are established. By changing the parameters of the model, the temperature changes of different hole depths in the tunnel area are simulated under the conditions of ventilation and air layer stratification. The correctness and feasibility of the numerical model are verified by comparing the field test results with the numerical simulation results. Based on the COMSOL numerical model, different experimental conditions are set up to discuss the factors that affect the thermal insulation performance of the sealed air layer in the tunnel.

KEY WORDS: Cold region tunnel, field test, closed air layer, thermal insulation, ventilation, numerical simulation

目 录

东南大学毕业（设计）论文独创性声明 I

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 技术路线及研究内容 4

1.4 热传导的几种形式以及在寒区隧道工程中的体现 6

第二章 寒区隧道密闭空气层保温性能试验 8

2.1 试验场地 8

2.2 试验方案 8

2.3 隧道模型温度分布规律 11

2.4 试验小结 13

第三章 寒区隧道保温层数值模拟研究 15

3.1 寒区隧道围岩-空气层-对流耦合数学模型 15

3.2 数值模型的建立 17

3.3 计算结果分析 22

3.4 数值模拟小结 30

第四章 现场试验与数值模拟对比分析 31

4.1 无通风无分层 31

4.2 通风无分层 32

4.3 通风分层 33

4.4 对比分析小结 34

第五章 密闭空气层保温性能的影响因素 35

5.1 风速影响 35

5.2 洞内温度影响 36

5.3 小结 37

第六章 结论与展望 39

6.1 结论 39

6.2 研究展望 39

参考文献 41

致谢 43

第一章 绪论

1.1选题背景和意义

经济的持续发展和技术的不断进步使得我国的交通网络遍布各个地区，随着“西部大开发”、“一带一路”等政策的实施，为保证交通的便捷，寒区隧道的建设也在逐步开展。然而我国有一半以上的国土面积属于寒区，主要分布在我国的西部和北部，寒区存在季节性冻土和永久性冻土地质。冻土地区因为气温低、降水少且土层冻结，所以风力、流水和溶蚀等外力作用对其的影响都不明显，然而随着冻土区温度周期性地升降变化，冻土层中的水分发生相变和迁移，最终导致冻土层变形，产生冻胀、融陷和流变等一系列复杂的冻融作用。因此在多年冻土地质及严寒区修建隧道，会发生一些常见的冻害现象，如隧道底积床冻胀、隧道顶部边墙挂冰、衬砌冻胀开裂与洞口处热融滑塌等，热融滑塌现象最早就发现于我国的青藏高原风火山。此外，隧道施工中由于操作失误等原因造成的局部质量下降也会加重冻害的发展。这些病害为寒区隧道的成功修建带来了巨大的挑战，这些潜藏的问题也增加了隧道使用时发生事故的风险、大大降低了隧道建成后的运营年限，而且为后期维护增加不菲的费用。据统计，“日本全国3800座铁路隧道中有1100座因冻害原因,在冬季运营期间危及到行车安全；在北海道地区的302座公路隧道中有104座发生冻害”，政府也为消除冻害投入了大量的整治费用^[1]。为了防止冻害的产生和发展，寒区隧道工程采用了各种各样的方法，比如电加热、开挖排水沟、铺设隔热保温板等措施，这些措施投入了巨大的人力及财力。然而有的隧道中虽然采取了防寒措施，但还是发生了冻害现象。

现有的寒区隧道防寒处理方法主要包括防排水、设置加热装置以及敷设隔热保温层，然而对于保温层的合理敷设厚度、最佳敷设长度、最优敷设方式及保温材料的选用并没有得出具有指导性的结论。因此关于隧道保温层的研究还需要继续进行。与铺设保温材料相比，设置密闭空气层能起到更好的保温效果，因为空气的导热系数非常低，能有效减少保温材料铺设的厚度并降低成本，也解决了保温材料与衬砌间安装牢固度的问题等。

1.2国内外研究现状

国内外对于冻害问题的处理研究成果主要体现在理论研究，技术研究和数值模拟计算研究这三个方面。

1.2.1理论研究

关于隧道温度场理论的研究，Krarti M^[2]等人根据能量守恒原理获得了地下风洞内气体温度场的解析解，以及年温度振幅和年平均温度的解析解。赖远明^[3]等应用无量纲量和摄动技术对简化后的圆形隧道热传导方程进行了求解,得到了圆形隧道冻结过程的近似解析解。Prashant^[4]等利用分离变量法和叠加原理得到了在考虑温度随坐标变化的对流边界条件下圆形断面隧道瞬态温度场的解析解。夏才初^[5]等利用Laplace变换与分离变量相结合的方法，得出敷设了保温隔热层的寒区隧道瞬态温度场的显示解析解。

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