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原文传递寒区高铁隧道温度场演化特征及冻害防治对策研究

论文题名：	寒区高铁隧道温度场演化特征及冻害防治对策研究
关键词：	高铁隧道;温度场;冻害防治;演化特征
摘要：	在寒区，隧道冻害的频繁发生严重威胁到列车安全运行并降低隧道正常的服役寿命，现已成为铁路系统后期工程维护的主要难题之一，且随着高速铁路建设工程等级的提高，冻害防治需求更为显著。与普速铁路隧道相比，高铁隧道在列车高速行驶下洞内外气流之间的热交换过程将更为强烈和复杂，隧道内部结构长期面临着周期性冻害的威胁。隧道作为高速铁路工程的重要组成部分，明晰在复杂因素下，如自然风作用、活塞风作用以及水热耦合作用下洞内温度场的变化特性，对于设置合理的防冻保温措施以有效防止和治理隧道冻害，保证高铁的安全运行具有十分重要的意义。　　针对上述问题，本论文依托东北吉图珲客运专线高台隧道实际工程，以寒区高铁隧道冻害防治为主线。在现场监测的基础上，结合室内实验、数值模拟及材料性能评估等手段，深入分析了寒区高铁隧道洞内外热交换规律，并对自然风和活塞风两种条件下洞内温度场分布特性进行了系统研究；通过明确衬砌结构保温材料在反复冻融下的劣化机制后，基于水热耦合模型，在考虑材料性能劣化对隧道冻融圈发育影响的前提下，提出了衬砌结构保温法在寒区高铁隧道冻害防治中的应用要点。论文得到的主要结论如下：　　（1）隧道结构层和洞内空气的温度分布状况与洞外气温、风速、风向、隧道走向、洞口局部地形有关。寒季洞内温度纵向分布规律表现为洞口段温度较低，而中部温度较高的分布特征。在监测期内，洞内各断面冻深出现增大的趋势，并且最大冻深达1.33m，预测未来高台隧道的冻害会进一步加剧。　　（2）自然通风条件下，风温和风速会影响隧道洞口段结构层和围岩内部温度分布，当风速小于4m/s时，拱顶以上和仰拱以下的冻深随着风速的增大而增大，当风速大于4m/s后其对冻深的发育影响并不明显。但冻深始终随风温的降低以指数函数形式增大。　　（3）列车单次通行下，洞内空气温度发生明显的重分布，同一横断面下空气温度呈抛物线型分布，越靠近壁面温度越高。活塞风对隧道入口段洞内温度的影响范围大于出口段，车速和洞外气温可引起二衬内部温度发生明显变化。相同车速下，不同洞外气温时二衬内部温度的变化情况与其初始温度有关。但相同洞外气温下，车速越快，二衬内部温度降低越明显。当洞外气温为-27.25℃（最冷日内洞外气温最低值）时，列车以设计时速（250km/h）经过隧道可引起洞口段二衬内部温度降低0.87℃。　　（4）多次行车作用下，距离洞口100m范围内二衬内部温度的变化过程与洞外气温的变化过程相同，但温度的波动幅度相对较小。列车反复通行促进了二衬内部负温区的纵向发展，使隧道入口段二衬内部温度由正温降低到0℃以下。因此，建议高台隧道进行全断面设防以防止二衬发生冻结。　　（5）反复冻融循环会引起XPS板性能劣化，在经历175次冻融循环后，抗压强度的最大降低率高达33%。冻融循环下XPS板的体积吸水率远大于自然状态下的吸水率，吸水率增大进一步引起导热系数增大，但XPS板在经历175次冻融后其导热性能仍然满足行业要求。因此，将其应用在寒区高铁隧道冻害防治中是可行的。　　（6）不考虑材料性能劣化的前提下，夹层式铺设厚度为5cm的XPS板可以保证围岩不发生冻结，当考虑材料性能劣化时，铺设厚度为6.5cm的XPS板才能达到相同的保温效果。在同样厚度下，表面式铺设时寒季围岩温度略高于夹层式铺设。对高台隧道来说，为保证二衬不发生冻害，当采用表面式铺设时XPS的厚度应大于8cm。
作者：	姜海强
专业：	岩土工程
导师：	牛富俊
授予学位：	博士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2021