漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的研制及初步應(yīng)用

　　摘要：為了揭示負(fù)年平均氣溫區(qū)漸凍隧道的形成機(jī)制和演化規(guī)律，以及全球變暖情況下隧道漸融的形成機(jī)制，開發(fā)漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由隧道模型、地溫控制系統(tǒng)、氣候控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng)組成。該試驗(yàn)系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新性如下：(1) 設(shè)計(jì)并研制一套漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可大幅縮短全周期運(yùn)行狀態(tài)溫度場(chǎng)模型試驗(yàn)的研究周期，將原本需要 40 d 的試驗(yàn)周期縮短至 4 d;(2) 設(shè)計(jì)并研制新型的氣候模擬系統(tǒng)，可長(zhǎng)周期穩(wěn)定地模擬年平均氣溫、溫度振幅及風(fēng)速等組合條件對(duì)隧道溫度場(chǎng)試驗(yàn)的影響;(3) 設(shè)計(jì)并研制可以測(cè)量隧道溫度場(chǎng)全域全周期測(cè)試系統(tǒng)及地溫控制系統(tǒng)，有效解決數(shù)據(jù)測(cè)量及地溫控制等方面遇到的時(shí)間和空間上的難題。通過與寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)演化規(guī)律典型實(shí)例的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證該模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。初步試驗(yàn)結(jié)果表明：年平均氣溫為-4 ℃時(shí)，隧道貫通運(yùn)行后其凍結(jié)圈會(huì)逐漸沿隧道縱向推進(jìn)，并在橫斷面上向圍巖深部發(fā)展，引起隧道圍巖的漸凍，隧道非凍土?xí)鹉陜鼋Y(jié)，形成漸凍隧道。試驗(yàn)系統(tǒng)填補(bǔ)了寒區(qū)隧道復(fù)雜條件下全周期運(yùn)行狀況下的溫度場(chǎng)演化規(guī)律試驗(yàn)研究的空白，對(duì)促進(jìn)我國(guó)寒區(qū)隧道工程前沿研究起到了積極的推動(dòng)作用，可為“一帶一路”工程建設(shè)及川藏鐵路工程提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

　　本文源自夏才初; 林梓梁; 施佳譽(yù); 杜時(shí)貴， 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-04-30《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》雜志，于1982年經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:42-1397/03，本刊在國(guó)內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：研究進(jìn)展與工程實(shí)錄、博士學(xué)位論文摘要、動(dòng)態(tài)。

　　關(guān)鍵詞：隧道工程;漸凍隧道;試驗(yàn)系統(tǒng);寒區(qū);溫度場(chǎng)

　　1 引 言

　　寒區(qū)隧道工程通常修建在氣候嚴(yán)酷、地質(zhì)復(fù)雜的艱險(xiǎn)山區(qū)中，而當(dāng)隧道貫通后圍巖原本的熱平衡被打破，洞外氣溫與圍巖相互作用并產(chǎn)生新的熱平衡。由于隧道洞內(nèi)沒有太陽輻射作用，且隧道內(nèi)氣溫與圍巖(襯砌)界面的溫度較為接近[1]，因此，在負(fù)年平均氣溫的地區(qū)，隧道襯砌后的圍巖溫度會(huì)逐年下降并在寒季凍結(jié)[2-4]，其凍結(jié)圈會(huì)逐漸沿隧道縱向推進(jìn)[5-7]，并在橫斷面上向圍巖深部發(fā)展[8-11]，引起隧道圍巖的“漸凍”，隧道非凍土段會(huì)逐年凍結(jié)，形成“漸凍隧道”，最終甚至可能使隧道全長(zhǎng)凍結(jié)，形成工程全多年凍土隧道[5-7]。近年來，隨著“一帶一路”倡議的開展[12]和川藏鐵路重大工程正式進(jìn)入實(shí)施階段，寒區(qū)隧道的數(shù)量必將越來越多，凍害問題也越發(fā)嚴(yán)重，復(fù)雜氣候及地質(zhì)條件下漸凍隧道的溫度場(chǎng)演化規(guī)律已成為寒區(qū)隧道防凍保溫設(shè)計(jì)分析中迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。然而，目前這方面的研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)都很少，為此研發(fā)相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備，開展?jié)u凍隧道溫度場(chǎng)演化規(guī)律的研究十分必要。

　　早期在開展寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)演化規(guī)律試驗(yàn)研究時(shí)，限于對(duì)溫度場(chǎng)演化規(guī)律及凍害形成機(jī)制認(rèn)識(shí)的不足，對(duì)隧道溫度場(chǎng)演化規(guī)律試驗(yàn)研究主要集中在洞內(nèi)氣溫的分布規(guī)律[1，13]、施工期[14-16]及運(yùn)行初期[17-20]的溫度場(chǎng)演化規(guī)律。這些試驗(yàn)研究沒能意識(shí)到隧道貫通后，圍巖內(nèi)產(chǎn)生的工程季節(jié)凍土和工程多年凍土的發(fā)展是隨冷量逐年累積導(dǎo)致的。因此，鋪設(shè)保溫層也只能推遲圍巖的凍結(jié)時(shí)間，在施工期及運(yùn)行初期的溫度場(chǎng)試驗(yàn)并不能檢驗(yàn)出保溫層的保溫效果。

　　施工期及運(yùn)行初期的溫度場(chǎng)試驗(yàn)僅適用于分析全多年凍土隧道中隔熱層的隔熱作用[14-16]，而位于負(fù)年平均氣溫地區(qū)的局部多年凍土隧道和非多年凍土隧道，其非多年凍土段會(huì)逐年凍結(jié)，采用全周期時(shí)間觀念來研究漸凍隧道的演化規(guī)律及保溫層的作用效果更符合實(shí)際。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難以滿足全周期研究的時(shí)間條件，而相似模型試驗(yàn)可以利用相似比大幅度縮短研究周期，因此，可以利用相似模型試驗(yàn)方法來研究漸凍隧道的演化規(guī)律及其災(zāi)變形成機(jī)制。L. L. Liu 等[21]設(shè)計(jì)了考慮通風(fēng)影響的寒區(qū)隧道模型試驗(yàn)系統(tǒng)，但限于試驗(yàn)條件，其時(shí)間相似比僅為 1.37：1。高 焱等[22]研發(fā)了新型寒區(qū)高速鐵路隧道溫度場(chǎng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)可以同時(shí)考慮不同洞外氣溫、圍巖地溫、列車運(yùn)行速度和運(yùn)行間隔等條件下寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的演化規(guī)律，但其時(shí)間相似比僅為 10：1。馮 強(qiáng)[23]聚焦了圍巖溫度場(chǎng)演化規(guī)律這一焦點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能考慮地下水相變影響并嚴(yán)格滿足相似條件的寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)平面模型試驗(yàn)，時(shí)間相似比為 625：1，大幅縮短了試驗(yàn)周期，但由于平面模型的限制，不能研究縱向溫度場(chǎng)的演化規(guī)律，也不能模擬洞內(nèi)氣溫與圍巖溫度的相互作用。 Y. H. Zeng 等[24]依據(jù)相似準(zhǔn)則建立了寒區(qū)隧道對(duì)流 –導(dǎo)熱耦合作用溫度場(chǎng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)很好地模擬了洞內(nèi)氣溫與圍巖溫度的相互作用，且時(shí)間相似比為 900：1，進(jìn)一步縮短了試驗(yàn)周期。

　　上述試驗(yàn)系統(tǒng)雖然可以較好地研究全周期時(shí)間條件下隧道對(duì)流–導(dǎo)熱耦合的溫度場(chǎng)演化規(guī)律，但還存在以下不足：(1) 試驗(yàn)周期太長(zhǎng)，即使是試驗(yàn)周期最短的 Y. H. Zeng 等[24]試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)全周期隧道溫度場(chǎng)的試驗(yàn)研究仍需花費(fèi) 40 d 的時(shí)間，難以滿足漸凍隧道演化規(guī)律的試驗(yàn)要求，因此亟需設(shè)計(jì)一套可大幅縮小時(shí)間相似比的溫度場(chǎng)模型試驗(yàn)。(2) 試驗(yàn)中氣溫周期變化的設(shè)定難題及穩(wěn)定性的控制問題難以解決，已有的試驗(yàn)系統(tǒng)一般將氣溫設(shè)定為恒定值，而沒能考慮到氣溫周期性變化的真實(shí)情況，因此，亟需設(shè)計(jì)新型的氣溫模擬系統(tǒng)來穩(wěn)定地模擬氣溫周期性變化的實(shí)際情況，為進(jìn)一步深入研究漸凍隧道演化規(guī)律理論方面的研究打下基礎(chǔ)。(3) 目前關(guān)于全周期時(shí)間條件下寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)演化規(guī)律的試驗(yàn)成果尚未報(bào)道，該試驗(yàn)的開展對(duì)于掌握全周期時(shí)間條件下寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的演化規(guī)律及其災(zāi)變形成機(jī)制至關(guān)重要。

　　針對(duì)上述的研究需求和技術(shù)難題，在已有研究的基礎(chǔ)上，研制一套漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)來研究全周期時(shí)間條件及復(fù)雜氣候與不同地溫條件下隧道溫度場(chǎng)演化規(guī)律及災(zāi)變形成機(jī)制。

　　2 模型試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本試驗(yàn)系統(tǒng)模擬復(fù)雜洞口氣候?qū)λ淼纼?nèi)空氣和圍巖溫度場(chǎng)的影響，要求模型隧道內(nèi)的流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)分別與原型相似。空氣域內(nèi)需滿足熱對(duì)流相似、固體域內(nèi)需滿足熱傳導(dǎo)相似及空氣與襯砌壁面需滿足對(duì)流換熱相似。其余的初始邊界、外邊界及移動(dòng)邊界也需要滿足相似關(guān)系。只有嚴(yán)格滿足各相似關(guān)系的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能真實(shí)地還原到原型中。

　　2.1 基本假設(shè)

　　流體的流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)問題本身就是非常復(fù)雜的問題，再加上考慮了流體與固體對(duì)流換熱和圍巖熱傳導(dǎo)耦合問題，就使得問題更加復(fù)雜。所以為了簡(jiǎn)化，做了如下假定：

　　(1) 氣體不可壓縮

　　在流動(dòng)過程中，密度變化可以忽略的流動(dòng)，稱為不可壓縮流動(dòng)。氣體的密度很容易隨壓力而發(fā)生變化，但在空氣動(dòng)力學(xué)中，氣體的密度變化是否可以忽略，需要根據(jù)氣體流動(dòng)的馬赫數(shù)來確定。當(dāng)馬赫數(shù)低于 0.3 時(shí)(近地表 25 ℃氣溫時(shí)馬赫數(shù)為 0.3 的氣體流速為 102 m/s)，氣體的壓縮性可忽略不計(jì) [25]。在隧道中，除通風(fēng)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)口流速最大可達(dá)30 m/s 外，洞內(nèi)風(fēng)速均小于 12 m/s[26]。因此，隧道內(nèi)流動(dòng)的氣體可視為不可壓縮流體。

　　(2) 氣體流動(dòng)為定常流

　　流體在流場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中任何一點(diǎn)的流速、流向及壓力只隨位置改變而不隨時(shí)間改變。若不改變隧道的通風(fēng)風(fēng)速，隧道內(nèi)氣體的流動(dòng)可視為定常流。

　　(3) 氣流、圍巖均為連續(xù)介質(zhì)

　　將洞內(nèi)氣流視為連續(xù)介質(zhì)，單位時(shí)間內(nèi)流程各斷面通過的流體質(zhì)量不變，服從連續(xù)性定律;對(duì)于圍巖和襯砌而言，均為獨(dú)立的各向同性、均勻的連續(xù)介質(zhì)。

　　2.2 控制方程

　　(1) 氣體域熱對(duì)流

　　根據(jù)質(zhì)量守恒定律，試驗(yàn)原型與模型均滿足質(zhì)量守恒方程[27]： 0 uvw xyz ? ? ?? ? ???? (1) 式中：x，y，z 分別為直角坐標(biāo)系的三個(gè)方向(m);u， v，w 分別為空氣在 x，y，z 三個(gè)方向的流速(m/s)。

　　根據(jù)動(dòng)量守恒定律，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型均滿足動(dòng)量守恒方程[27]： 222 222 222 222 222 222 uuu u p uvw t xy z x uuu xyz vvv v p uvw t xy z y vvv xyz www w p uvw t xy z z www xyz ???????????? ? ? ? ? ? ? ?? ???? ? ?? ? ??? ? ? ? ?? ? ?????? ? ?? ? ? ?? ???? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ?????? ? ?? ? ? ?? ???? ? ?? ? ??? ? ? ? ?? ? ???????????????????? (2) 式中：? 為空氣的密度(kg/m3 );t 為時(shí)間(s);p 為空氣的壓強(qiáng)(Pa); ? 為空氣的動(dòng)力黏度(Pa·s)。

　　根據(jù)能量守恒定律，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型均滿足能量守恒方程[27]： 222 222 T T T T TTT uvw t x y z cx y z ??? ? ? ? ??? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? (3) 式中：c 為比熱容(J/(kg·℃))，T 為溫度(℃)，? 為導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·℃))。

　　(2) 固體域熱傳導(dǎo)

　　固體域的熱傳導(dǎo)方程[28]： 222 222 T TTT t xyz ?? ??? ? ?? ?? ? ? ? ??? ? ? (4) 式中：? 為熱擴(kuò)散率(m2 /s)。

　　(3) 邊界條件

　　隧道洞內(nèi)空氣與壁面發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流換熱，第三類邊界條件[28]： T h T r ?? ? ?? (5) 式中：r 為徑向坐標(biāo)(m)，h 為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) (W/(m2 ·℃))。

　　移動(dòng)邊界條件[1]： f u f u r r T T d Q r r dt ? ?? ? ?? ?? ? ? ? ? ? (6) 式中： ? f ， ?u 分別為已凍結(jié)、未凍結(jié)巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·℃));Tf，Tu 分別為已凍結(jié)、未凍結(jié)巖土體溫度(℃);? 為凍結(jié)壁邊界位置坐標(biāo)(m);Q 為單位巖土體的凝固熱(J/m3 )。

　　外邊界條件： 0 T tT ( ) ? ? ， (7) 初始邊界條件： 0 ( 0) ( ) Tr T r ， ? (8)

　　2.3 相似比

　　為了使模型能反映原型的狀態(tài)，必須使模型與原型的基本相似關(guān)系方程相同，則可得到下列各種相似關(guān)系： 2 C CC l t ? ? (9) 2 C C CC C Ql t T ? ? (10) C CCC huc ? ? (11) 式中：Cu，Cl，Cρ，CT，Ct，C? ， C?，Cc，Ch， CQ分別為速度、長(zhǎng)度、密度、溫度、時(shí)間、熱擴(kuò)散率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、對(duì)流換熱系數(shù)、凝固熱相似比。

　　(1) 幾何相似比

　　幾何相似比的確定關(guān)系著試驗(yàn)結(jié)果的精度和模型試驗(yàn)的可實(shí)施性，為了減小外邊界對(duì)隧道溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)采集區(qū)域的影響，一般外邊界范圍取為隧道半徑的 3～5 倍[21，24]。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地條件，綜合考慮了精度和可行性后將幾何相似比 Cl確定為 100。

　　(2) 時(shí)間相似比

　　根據(jù)式(9)可得C C?? (12) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袊鷰r和襯砌結(jié)構(gòu)的熱物理參數(shù)采用相似材料配成與原型相同，故導(dǎo)熱系數(shù)相似比 C? = 1，且 Cl =100。將C? = 1、Cl =100 代入式(12) 得則 Ct = 10 000。所以試驗(yàn)中的一秒等于原型中的一萬秒。

　　(3) 溫度相似比

　　根據(jù)式(10)可得 2 Q l T t C C C C C?? (13) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袊鷰r和襯砌結(jié)構(gòu)的熱物理參數(shù)采用相似材料配成與原型相同，且模型與原型中含水量也一致，故凝固熱相似比 CQ = 1、導(dǎo)熱系數(shù)相似比 C?= 1，且 Cl =100、Ct = 10 000。將 CQ = 1、C?= 1、 Cl = 100、Ct = 10 000 代入式(13)得 CT = 1。所以模型中襯砌與圍巖的溫度與原型中對(duì)應(yīng)位置處襯砌與圍巖的溫度值相等。

　　(4) 風(fēng)速相似比

　　根據(jù)式(11)可得 h u c C C C C?? (14) 因模型與原型均為空氣，且不考慮海拔對(duì)空氣的影響，故對(duì)流換熱系數(shù)相似比為 Ch = 1，空氣密度相似比為C? = 1，空氣比熱容相似比為 Cc = 1，將 Ch = 1、C? = 1、Cc = 1 代入式(14)得 Cu = 1。所以模型中各點(diǎn)的風(fēng)速與原型中對(duì)應(yīng)位置的風(fēng)速相同。

　　2.4 可行性分析

　　本試驗(yàn)系統(tǒng)最大的難點(diǎn)在于隧道內(nèi)的氣流場(chǎng)是否能夠真實(shí)地模擬原型的氣體流動(dòng)狀態(tài)，因此需進(jìn)行自?；治觥?/p>

　　隨著雷諾數(shù)的增大，流動(dòng)進(jìn)入完全湍流粗糙管區(qū)，流動(dòng)能量的損失主要決定于脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)，黏性的影響可以忽略不計(jì)，這時(shí)繼續(xù)增大雷諾數(shù)，流體的湍亂程度幾乎不再變化，沿程損失系數(shù)也不再變化，其值只與相對(duì)粗糙度有關(guān)，處于相同自模區(qū)內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)相似[29]。隧道原型和模型內(nèi)壁面均為混凝土壁面，原型隧道的相對(duì)粗糙度為 0.0002，模型隧道的相對(duì)粗糙度為 0.003。由莫迪圖可知，當(dāng)相對(duì)粗糙度分別為 0.0002 和 0.003 時(shí)，雷諾數(shù) Re 分別大于 600 000 和 20 000 時(shí)即進(jìn)入穩(wěn)定的第二自模區(qū)。隧道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)速一般不小于 2.5 m/s、一般不大于 10.0 m/s[26]。

　　由表 1 可以看出，在《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》 (JTG/T D70/2-02-2014)規(guī)定的通風(fēng)風(fēng)速范圍內(nèi)原型和模型隧道內(nèi)氣體的雷諾數(shù)均大于其第二自模區(qū)的雷諾數(shù)，流動(dòng)狀態(tài)均為穩(wěn)定的湍流狀態(tài)。原型和模型的流動(dòng)狀態(tài)滿足相似要求，因此該模型試驗(yàn)系統(tǒng)在理論上具有可行性。模型試驗(yàn)系統(tǒng)的相似比如表 2 所示。

　　3 試驗(yàn)系統(tǒng)主要功能與技術(shù)參數(shù)

　　3.1 主要功能

　　為了滿足對(duì)寒區(qū)隧道在全周期時(shí)間條件及復(fù)雜氣候與不同地溫條件下隧道溫度場(chǎng)演化規(guī)律及災(zāi)變形成機(jī)制研究的需要，確定了本套試驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能：

　　(1) 不同地質(zhì)條件對(duì)初始溫度場(chǎng)分布規(guī)律的影響試驗(yàn); (2) 不同氣候及地質(zhì)條件組合下全周期隧道溫度場(chǎng)演化規(guī)律和災(zāi)變形成機(jī)制試驗(yàn); (3) 不同保溫措施下全周期保溫措施的保溫效果及災(zāi)變類型試驗(yàn); (4) 全球變暖條件下漸凍隧道向漸融隧道轉(zhuǎn)變的臨界條件及災(zāi)變形成機(jī)制試驗(yàn)。

　　3.2 技術(shù)參數(shù)

　　(1) 地溫控制范圍為-30 ℃～40 ℃，溫度波動(dòng)度<±0.2 ℃; (2) 氣溫控制范圍為-30 ℃～30 ℃，溫度波動(dòng)度<±0.1 ℃，程控升降溫速率>8 ℃/min; (3) 風(fēng)速控制范圍為 1～12 m/s，風(fēng)速波動(dòng)度<±(0.2+2%FS) m/s; (4) 洞內(nèi)氣溫及圍巖溫度測(cè)量精度為± 0.1 ℃，采集周期最小為 0.2 s; (5) 風(fēng)速測(cè)量精度為± 0.2 m/s，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間< 0.5 s，采集周期最小為 0.5 s; (6) 圍巖含水率測(cè)量精度為± 3%，采集周期最小為 0.2 s; (7) 試驗(yàn)系統(tǒng)單組工況穩(wěn)定試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為15 d。

　　3.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

　　本試驗(yàn)系統(tǒng)具有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)： (1) 有效解決了地溫控制的均勻性難題。頂部及底部地溫控制管路分別采用五路十線同程式布置，并相應(yīng)布置了循環(huán)水泵，保證循環(huán)管路內(nèi)的水壓不低于 0.6 MPa，可滿足地溫分布的均勻性要求。 (2) 開發(fā)了程控升降溫冷源空氣箱，保證了在 52 min 內(nèi)(對(duì)應(yīng)原型 1 年)氣溫的升降溫速率能真實(shí)模擬原型年氣溫振幅變化的實(shí)際情況。 (3) 成功縮短了全周期模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)周期。將模擬隧道運(yùn)行全周期(100 年)試驗(yàn)所需的時(shí)間縮短至 4 d，并首次完成了隧道全運(yùn)行周期內(nèi)的試驗(yàn)研究。

　　4 模型試驗(yàn)系統(tǒng)的主要構(gòu)成

　　試驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下 4 個(gè)部分組成：隧道模型，地溫控制系統(tǒng)，氣候控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng)。圖 1 為漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖，圖 2 為漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。

　　4.1 隧道模型

　　隧道模型(見圖 3)是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，包括試驗(yàn)箱體及箱體隔熱措施、隧道襯砌縮尺模型、等效熱阻保溫層、圍巖相似材料、圍巖相似材料內(nèi)部埋置的控溫管路以及溫度傳感器等。

　　整個(gè)隧道模型在試驗(yàn)箱中澆筑成型，試驗(yàn)箱采用 5 mm 厚鋼板拼裝而成，模型試驗(yàn)箱長(zhǎng) 6 m，隧道模型長(zhǎng) 4 m，試驗(yàn)箱兩端各有 1 m 氣流緩沖區(qū)，在隧道進(jìn)口處的氣流緩沖區(qū)前端開一個(gè)能夠連接離心風(fēng)機(jī)的孔洞，在隧道出口氣流緩沖空間上端進(jìn)行管路和回風(fēng)系統(tǒng)的布置。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕线吔缗c模型襯砌拱頂外側(cè)相距 50 cm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥蟆⒂覀?cè)及下部邊界與模型襯砌左、右邊墻及拱底外側(cè)相距 40 cm。鋼板內(nèi)外側(cè)均采用隔熱材料進(jìn)行隔熱處理(見表 3)，以確保隧道模型的溫度在試驗(yàn)周期內(nèi)穩(wěn)定可控;模型箱內(nèi)各處接縫均采用硅膠密封。

　　利用相似材料制作隧道模型，圍巖材料由水泥、細(xì)骨料、粗骨料、摻合料等材料配制而成，襯砌結(jié)構(gòu)的模型材料有水泥、細(xì)骨料、摻合料配制而成，各材料的配比根據(jù)相似比對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等參數(shù)的要求進(jìn)行配制和試驗(yàn)確定。各項(xiàng)參數(shù)符合表 4 中的范圍即可滿足相似要求。

　　4.2 地溫控制系統(tǒng)

　　地溫控制系統(tǒng)(見圖 4)包括 2 臺(tái)冷卻壓縮機(jī)、兩部工質(zhì)儲(chǔ)存循環(huán)箱、循環(huán)水泵、流速流量監(jiān)測(cè)器、工質(zhì)進(jìn)出口溫度檢測(cè)器、頂?shù)撞績(jī)商椎販乜刂乒苈?、溫度伺服控制器等組成。為了真實(shí)準(zhǔn)確地模擬隧道的地溫情況，針對(duì)頂、底邊界面上的地溫均勻分布及沿高程向地溫梯度分布的穩(wěn)定性控制要求，設(shè)計(jì)了兩組五路十線制同程式地溫控制管路，分別布置與圍巖頂、底邊界面處且沿隧道縱向通長(zhǎng)布置。兩臺(tái)冷卻壓縮機(jī)分別將工質(zhì)儲(chǔ)存循環(huán)箱內(nèi)的工質(zhì)制冷至設(shè)定溫度，并通過兩組循環(huán)水泵將工質(zhì)儲(chǔ)存循環(huán)箱內(nèi)的工質(zhì)分別泵送至頂、底部地溫控制管路中，保證在邊界面上的地溫均勻分布，同時(shí)通過頂、底部循環(huán)管路內(nèi)的不同溫度設(shè)定值來滿足沿高程向地溫梯度分布的穩(wěn)定性控制要求。

　　4.3 氣候控制系統(tǒng)

　　氣候控制系統(tǒng)(見圖 5)包括冷源空氣箱、無極變頻離心風(fēng)機(jī)、進(jìn)回風(fēng)循環(huán)管路、內(nèi)外溫雙控溫裝置、高低壓傳感器、磁力耦合式換向比例閥、氣溫伺服控制器和安全警戒警報(bào)裝置等組成。冷源空氣箱能夠保證在最大通風(fēng)風(fēng)速時(shí)隧道進(jìn)口處的氣溫滿足周期性變化的設(shè)定要求。通風(fēng)風(fēng)速由無極變頻離心風(fēng)機(jī)和模型隧道進(jìn)口處的風(fēng)速傳感器聯(lián)合控制，最大風(fēng)速為 12 m/s，能夠滿足隧道通風(fēng)的最大風(fēng)速要求。

　　4.4 數(shù)據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng)由 JM3813 全自動(dòng)采集儀、Keysight34970A 數(shù)據(jù)采集儀、溫度傳感器(氣溫傳感器、隧道溫度傳感器、地溫梯度傳感器、伺服控溫傳感器)、風(fēng)速傳感器和水分傳感器等組成。在試驗(yàn)過程中，布置于頂?shù)撞康販乜刂乒苈吠降乃欧販貍鞲衅骱偷販靥荻葌鞲衅鲗⒉杉臏囟葦?shù)據(jù)傳輸給地溫控制系統(tǒng)的溫度伺服控制器，控制器根據(jù)擬定的溫度加載方案，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制冷卻壓縮機(jī)的制冷功率及地溫控制管路中的流速;進(jìn)風(fēng)口和冷源空氣箱內(nèi)的氣溫傳感將采集的溫度數(shù)據(jù)傳給氣溫伺服控制器，控制器根據(jù)擬定的溫度加載方案，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)由磁力耦合式換向比例閥控制冷源空氣箱的壓縮機(jī)制冷功率，有效解決了氣溫長(zhǎng)期周期性穩(wěn)定控制的難題。溫度傳感器按照洞口密中間疏的原則進(jìn)行布置。

　　5 試驗(yàn)應(yīng)用

　　5.1 應(yīng)用范圍

　　由于影響隧道漸凍演化規(guī)律的因素有很多，因此，模擬試驗(yàn)時(shí)需采用控制變量的方法，依次改變初始地溫、地溫梯度、圍巖含水率等地質(zhì)條件，年平均氣溫、年氣溫振幅、風(fēng)速等氣候條件，以及保溫層厚度、保溫層長(zhǎng)度等保溫措施的設(shè)計(jì)參數(shù)，并考慮不同條件之間的相互組合，對(duì)隧道漸凍演化規(guī)律開展系統(tǒng)性研究(可開展的試驗(yàn)工況見圖 6);在隧道漸凍演化規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，考慮全球變暖的情況，即考慮年平均氣溫增長(zhǎng)速率為 0.05℃/a 的情況，以研究隧道漸凍向漸融轉(zhuǎn)變的臨界條件及隧道漸融的演化規(guī)律。依據(jù)時(shí)間相似比，模擬全周期溫度場(chǎng)演化規(guī)律的一組試驗(yàn)需耗時(shí) 4 d。

　　5.2 試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，分別選取縱向溫度場(chǎng)的分布規(guī)律和橫斷面上溫度場(chǎng)的演化規(guī)律與寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)變化規(guī)律研究的典型案例進(jìn)行對(duì)比分析。本節(jié)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)相似比轉(zhuǎn)換為隧道原型所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　(1) 橫斷面溫度場(chǎng)演化規(guī)律

　　X. F. Zhang等[30]計(jì)算了不同地溫及氣溫條件下寒區(qū)隧道的溫度場(chǎng)演化規(guī)律，本文選取 X. F. Zhang 等[30]中初始地溫為 1℃、年平均氣溫為-4 ℃的工況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，并采用相同參數(shù)的工況進(jìn)行試驗(yàn)。本文試驗(yàn)值與 X. F. Zhang 等[30]的對(duì)比情況見圖 7，本文試驗(yàn)值得到的凍結(jié)深度發(fā)展曲線與 X. F. Zhang 等[30]的計(jì)算值吻合較好。橫斷面上的凍結(jié)發(fā)展規(guī)律一致，生成的最大凍結(jié)深度基本一致，產(chǎn)生相同凍結(jié)深度所需的時(shí)間基本相同，可以看出漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)溫度場(chǎng)的橫斷面溫度場(chǎng)演化規(guī)律的研究可靠可信。

　　(2) 縱向溫度場(chǎng)分布規(guī)律

　　何春雄等[6，29]采用 k-ε 兩方程湍流溫度計(jì)算模型，研究了大坂山隧道(年平均氣溫 T0 = -3 ℃，最大風(fēng)速為 3.5 m/s)貫通運(yùn)行后的溫度場(chǎng)演化規(guī)律及圍巖凍結(jié)狀況，由于其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠且研究成果貼近工程，在學(xué)界內(nèi)具有一定的影響力，具有典型性及說服力。本文分別設(shè)計(jì)了年平均氣溫 T0 = -2 ℃及T0 = -4 ℃兩組工況，其風(fēng)速均為3.5 m/s。本文試驗(yàn)值與何春雄等[5-6]的對(duì)比情況見于圖 8。由圖 8 可見何春雄等[5-6]不同進(jìn)深處的最大凍結(jié)深度均大于 T0 = -2 ℃ 時(shí)的本文試驗(yàn)值且均小于 T0 = - 4 ℃ 時(shí)的本文試驗(yàn)值，且本文計(jì)算值和何春雄等 [5-6]的縱向凍結(jié)分布規(guī)律基本一致，符合學(xué)界及工程界對(duì)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)研究的基本共識(shí)，故漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)溫度場(chǎng)的縱向分布規(guī)律的研究可靠可信。

　　5.3 漸凍隧道演化規(guī)律初步分析

　　試驗(yàn)設(shè)置進(jìn)口處的年平均氣溫為-4 ℃，年溫度振幅為 6 ℃，風(fēng)速為 3.5 m/s，地溫的梯度為 0.03 ℃/m，模型頂部和底部圍巖溫度分別為 0 ℃ 和 3 ℃，模型隧道中心線處的地溫為 1.5 ℃，不采用保溫層。當(dāng)溫度測(cè)點(diǎn)所測(cè)數(shù)值小于 0 ℃時(shí)，則認(rèn)為該處已發(fā)生凍結(jié)。為了直觀表達(dá)模型試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)隧道原型的情況，本節(jié)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)相似比轉(zhuǎn)換為隧道原型所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　(1) 橫向演化規(guī)律

　　9 給出洞口處、距洞口 100 m 及距洞口 300 m 處圍巖前 10 年的凍融演化規(guī)律。由圖 9 可知，不同進(jìn)深處圍巖的初始凍結(jié)時(shí)間不同、工程多年凍土形成的時(shí)間不同、凍融演化規(guī)律也不相同且凍結(jié)深度差異較大，但凍結(jié)發(fā)展穩(wěn)定的時(shí)間基本一致。洞口處的圍巖第 1 年便開始凍結(jié)，且產(chǎn)生凍結(jié)后就發(fā)展成工程多年凍土，最大凍結(jié)深度為 6.32 m;距洞口 100 m 處的圍巖在第 2 年才開始凍結(jié)，第 4 年發(fā)展成工程多年凍土，最大凍結(jié)深度為 3.33 m;距洞口 300 m 處的圍巖在第 2 年才開始凍結(jié)，第 6 年發(fā)展成工程多年凍土，最大凍結(jié)深度為 1.38 m。由此可以看出，洞口處的漸凍現(xiàn)象發(fā)展時(shí)間要略早于隧道洞身處，且洞口處圍巖的漸凍程度分別是距洞口 100 m 處及距洞口 300 m 處的 1.9 倍及 4.6 倍。

　　(2) 縱向演化規(guī)律

　　10，11 給出了不同進(jìn)深處工程季節(jié)凍土及工程多年凍土的形成時(shí)間和不同運(yùn)行年限圍巖最大凍結(jié)深度縱向分布情況。由圖 10、11 可知洞口處的工程季節(jié)凍土及工程多年凍土的形成時(shí)間要早于洞內(nèi)，工程凍土的形成時(shí)間與進(jìn)深的關(guān)系大致成線性相關(guān)性，且工程季節(jié)凍土的發(fā)展規(guī)律與工程多年凍土的發(fā)展規(guī)律大致相同;洞口處的漸凍程度要大于洞內(nèi)，且漸凍程度與進(jìn)深的關(guān)系也大致成線性相關(guān)性。洞口處工程凍土形成所需的時(shí)間最短，第 1 年即形成工程多年凍土;而距進(jìn)口 340 m 處工程凍土所需的時(shí)間最長(zhǎng)，第 4 年才形成工程季節(jié)凍土、第 8 年發(fā)展成工程多年凍土，該斷面才開始漸凍。運(yùn)行第 1 年，僅進(jìn)口處 20 m 范圍內(nèi)圍巖產(chǎn)生了凍結(jié)，其余斷面均未產(chǎn)生凍結(jié);運(yùn)行第 3 年，除了距進(jìn)口 300～380 m 范圍內(nèi)未產(chǎn)生凍結(jié)外，其余斷面均產(chǎn)生凍結(jié);運(yùn)行第 5 年，所有斷面均產(chǎn)生凍結(jié)，且凍結(jié)鋒面仍在向深部發(fā)展;運(yùn)行第 8 年，隧道全長(zhǎng)發(fā)展成工程多年凍土，形成漸凍隧道，此后凍結(jié)鋒面不再推進(jìn)。由此可以看出，年平均氣溫為-4 ℃ 時(shí)，隧道貫通運(yùn)行后其凍結(jié)圈會(huì)逐漸沿隧道縱向推進(jìn)，并在橫斷面上向圍巖深部發(fā)展，引起隧道圍巖的漸凍，隧道非凍土?xí)M年凍結(jié)，形成漸凍隧道。

　　(3) 典型斷面的溫度演化規(guī)律

　　12 給出距洞口 10 m、距洞口 100 m、距洞口 200 m 及距洞口 390 m 處斷面襯砌壁面、襯砌圍巖交界面及 2 m 深處圍巖前 20 年的溫度演化規(guī)律。由圖 11 可知，隨著徑向深度的增加各界面的年平均溫度也隨之增加，但年溫度振幅隨之減小。這是因?yàn)殡S著徑向深度的增加氣溫的影響逐漸減弱，而地溫影響不斷增強(qiáng)。而隨著距洞口距離的增加各斷面襯砌壁面的年平均氣溫也隨之增加，且年溫度振幅隨之減小。這是因?yàn)槎纯诳諝庠诳v向推進(jìn)的過程中與圍巖對(duì)流換熱導(dǎo)致氣溫升高，且受穩(wěn)定的地溫影響導(dǎo)致氣溫變化趨于平緩。

　　6 結(jié) 論

　　為揭示負(fù)年平均氣溫區(qū)漸凍隧道的形成機(jī)制和演化規(guī)律，以及全球變暖情況下隧道漸融的形成機(jī)制，開發(fā)了漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系試驗(yàn)系統(tǒng)的研制，涉及多個(gè)學(xué)科(巖石力學(xué)與工程、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、機(jī)械制造、數(shù)值化測(cè)試技術(shù)、系統(tǒng)控制、軟件工程等)，促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的交叉融合。在試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)研制的過程中，取得了以下研究成果：

　　(1) 運(yùn)用巖石力學(xué)、流體力學(xué)及傳熱學(xué)等學(xué)科的相關(guān)理論推導(dǎo)了考慮復(fù)雜氣候影響的隧道對(duì)流導(dǎo)熱溫度場(chǎng)相似模擬試驗(yàn)相似關(guān)系，并給出了本試驗(yàn)條件下的相似比，該相似關(guān)系的成功推導(dǎo)為寒區(qū)隧道全周期溫度場(chǎng)模擬試驗(yàn)提供了理論支撐。

　　(2) 綜合運(yùn)用機(jī)械制造、數(shù)字化測(cè)試技術(shù)、系統(tǒng)控制及軟件工程等學(xué)科的研究成果，成功研制了漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，填補(bǔ)了寒區(qū)隧道全周期溫度演化模擬試驗(yàn)技術(shù)手段上的空白。

　　(3) 設(shè)計(jì)了試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，與寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)演化規(guī)律具有典型性及說服力的實(shí)例進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，漸凍隧道演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與典型案例之間的吻合性好，試驗(yàn)系統(tǒng)可靠且數(shù)據(jù)可信。

　　(4) 利用該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了年平均氣溫為-4℃ 工況的溫度場(chǎng)演化規(guī)律試驗(yàn)，研究表明發(fā)現(xiàn)年平均氣溫為-4 ℃時(shí)，隧道貫通運(yùn)行后其凍結(jié)圈會(huì)逐漸沿隧道縱向推進(jìn)，并在橫斷面上向圍巖深部發(fā)展，引起隧道圍巖的漸凍，隧道非凍土?xí)鹉陜鼋Y(jié)，形成漸凍隧道。