渐冻隧道演化模拟试验系统的研制及初步应用

　　摘要：为了揭示负年平均气温区渐冻隧道的形成机制和演化规律，以及全球变暖情况下隧道渐融的形成机制，开发渐冻隧道演化模拟试验系统。试验系统主要由隧道模型、地温控制系统、气候控制系统、数据测量和采集系统组成。该试验系统的主要创新性如下：(1) 设计并研制一套渐冻隧道演化模拟试验系统，可大幅缩短全周期运行状态温度场模型试验的研究周期，将原本需要 40 d 的试验周期缩短至 4 d;(2) 设计并研制新型的气候模拟系统，可长周期稳定地模拟年平均气温、温度振幅及风速等组合条件对隧道温度场试验的影响;(3) 设计并研制可以测量隧道温度场全域全周期测试系统及地温控制系统，有效解决数据测量及地温控制等方面遇到的时间和空间上的难题。通过与寒区隧道温度场演化规律典型实例的对比试验，验证该模拟试验系统的准确性和可靠性。初步试验结果表明：年平均气温为-4 ℃时，隧道贯通运行后其冻结圈会逐渐沿隧道纵向推进，并在横断面上向围岩深部发展，引起隧道围岩的渐冻，隧道非冻土会逐年冻结，形成渐冻隧道。试验系统填补了寒区隧道复杂条件下全周期运行状况下的温度场演化规律试验研究的空白，对促进我国寒区隧道工程前沿研究起到了积极的推动作用，可为“一带一路”工程建设及川藏铁路工程提供试验基础。

　　本文源自夏才初; 林梓梁; 施佳誉; 杜时贵， 岩石力学与工程学报 发表时间：2021-04-30《岩石力学与工程学报》杂志，于1982年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:42-1397/03，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：研究进展与工程实录、博士学位论文摘要、动态。

　　关键词：隧道工程;渐冻隧道;试验系统;寒区;温度场

　　1 引 言

　　寒区隧道工程通常修建在气候严酷、地质复杂的艰险山区中，而当隧道贯通后围岩原本的热平衡被打破，洞外气温与围岩相互作用并产生新的热平衡。由于隧道洞内没有太阳辐射作用，且隧道内气温与围岩(衬砌)界面的温度较为接近[1]，因此，在负年平均气温的地区，隧道衬砌后的围岩温度会逐年下降并在寒季冻结[2-4]，其冻结圈会逐渐沿隧道纵向推进[5-7]，并在横断面上向围岩深部发展[8-11]，引起隧道围岩的“渐冻”，隧道非冻土段会逐年冻结，形成“渐冻隧道”，最终甚至可能使隧道全长冻结，形成工程全多年冻土隧道[5-7]。近年来，随着“一带一路”战略的开展[12]和川藏铁路重大工程正式进入实施阶段，寒区隧道的数量必将越来越多，冻害问题也越发严重，复杂气候及地质条件下渐冻隧道的温度场演化规律已成为寒区隧道防冻保温设计分析中迫切需要解决的关键科学问题。然而，目前这方面的研究成果和工程经验都很少，为此研发相应的试验设备，开展渐冻隧道温度场演化规律的研究十分必要。

　　早期在开展寒区隧道温度场演化规律试验研究时，限于对温度场演化规律及冻害形成机制认识的不足，对隧道温度场演化规律试验研究主要集中在洞内气温的分布规律[1，13]、施工期[14-16]及运行初期[17-20]的温度场演化规律。这些试验研究没能意识到隧道贯通后，围岩内产生的工程季节冻土和工程多年冻土的发展是随冷量逐年累积导致的。因此，铺设保温层也只能推迟围岩的冻结时间，在施工期及运行初期的温度场试验并不能检验出保温层的保温效果。

　　施工期及运行初期的温度场试验仅适用于分析全多年冻土隧道中隔热层的隔热作用[14-16]，而位于负年平均气温地区的局部多年冻土隧道和非多年冻土隧道，其非多年冻土段会逐年冻结，采用全周期时间观念来研究渐冻隧道的演化规律及保温层的作用效果更符合实际。现场试验难以满足全周期研究的时间条件，而相似模型试验可以利用相似比大幅度缩短研究周期，因此，可以利用相似模型试验方法来研究渐冻隧道的演化规律及其灾变形成机制。L. L. Liu 等[21]设计了考虑通风影响的寒区隧道模型试验系统，但限于试验条件，其时间相似比仅为 1.37：1。高 焱等[22]研发了新型寒区高速铁路隧道温度场模拟试验系统，该试验系统可以同时考虑不同洞外气温、围岩地温、列车运行速度和运行间隔等条件下寒区隧道温度场的演化规律，但其时间相似比仅为 10：1。冯 强[23]聚焦了围岩温度场演化规律这一焦点，设计了能考虑地下水相变影响并严格满足相似条件的寒区隧道温度场平面模型试验，时间相似比为 625：1，大幅缩短了试验周期，但由于平面模型的限制，不能研究纵向温度场的演化规律，也不能模拟洞内气温与围岩温度的相互作用。 Y. H. Zeng 等[24]依据相似准则建立了寒区隧道对流 –导热耦合作用温度场模型试验系统，该试验系统很好地模拟了洞内气温与围岩温度的相互作用，且时间相似比为 900：1，进一步缩短了试验周期。

　　上述试验系统虽然可以较好地研究全周期时间条件下隧道对流–导热耦合的温度场演化规律，但还存在以下不足：(1) 试验周期太长，即使是试验周期最短的 Y. H. Zeng 等[24]试验系统，对全周期隧道温度场的试验研究仍需花费 40 d 的时间，难以满足渐冻隧道演化规律的试验要求，因此亟需设计一套可大幅缩小时间相似比的温度场模型试验。(2) 试验中气温周期变化的设定难题及稳定性的控制问题难以解决，已有的试验系统一般将气温设定为恒定值，而没能考虑到气温周期性变化的真实情况，因此，亟需设计新型的气温模拟系统来稳定地模拟气温周期性变化的实际情况，为进一步深入研究渐冻隧道演化规律理论方面的研究打下基础。(3) 目前关于全周期时间条件下寒区隧道温度场演化规律的试验成果尚未报道，该试验的开展对于掌握全周期时间条件下寒区隧道温度场的演化规律及其灾变形成机制至关重要。

　　针对上述的研究需求和技术难题，在已有研究的基础上，研制一套渐冻隧道演化模拟试验系统来研究全周期时间条件及复杂气候与不同地温条件下隧道温度场演化规律及灾变形成机制。

　　2 模型试验系统设计

　　本试验系统模拟复杂洞口气候对隧道内空气和围岩温度场的影响，要求模型隧道内的流速场和温度场分别与原型相似。空气域内需满足热对流相似、固体域内需满足热传导相似及空气与衬砌壁面需满足对流换热相似。其余的初始边界、外边界及移动边界也需要满足相似关系。只有严格满足各相似关系的模型试验系统，测得的试验数据才能真实地还原到原型中。

　　2.1 基本假设

　　流体的流速场和温度场问题本身就是非常复杂的问题，再加上考虑了流体与固体对流换热和围岩热传导耦合问题，就使得问题更加复杂。所以为了简化，做了如下假定：

　　(1) 气体不可压缩

　　在流动过程中，密度变化可以忽略的流动，称为不可压缩流动。气体的密度很容易随压力而发生变化，但在空气动力学中，气体的密度变化是否可以忽略，需要根据气体流动的马赫数来确定。当马赫数低于 0.3 时(近地表 25 ℃气温时马赫数为 0.3 的气体流速为 102 m/s)，气体的压缩性可忽略不计 [25]。在隧道中，除通风风机的送风口流速最大可达30 m/s 外，洞内风速均小于 12 m/s[26]。因此，隧道内流动的气体可视为不可压缩流体。

　　(2) 气体流动为定常流

　　流体在流场内运动过程中任何一点的流速、流向及压力只随位置改变而不随时间改变。若不改变隧道的通风风速，隧道内气体的流动可视为定常流。

　　(3) 气流、围岩均为连续介质

　　将洞内气流视为连续介质，单位时间内流程各断面通过的流体质量不变，服从连续性定律;对于围岩和衬砌而言，均为独立的各向同性、均匀的连续介质。

　　2.2 控制方程

　　(1) 气体域热对流

　　根据质量守恒定律，试验原型与模型均满足质量守恒方程[27]： 0 uvw xyz      (1) 式中：x，y，z 分别为直角坐标系的三个方向(m);u， v，w 分别为空气在 x，y，z 三个方向的流速(m/s)。

　　根据动量守恒定律，试验模型与原型均满足动量守恒方程[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： 为空气的密度(kg/m3 );t 为时间(s);p 为空气的压强(Pa);  为空气的动力黏度(Pa·s)。

　　根据能量守恒定律，试验模型与原型均满足能量守恒方程[27]： 222 222 T T T T TTT uvw t x y z cx y z                     (3) 式中：c 为比热容(J/(kg·℃))，T 为温度(℃)， 为导热系数(W/(m·℃))。

　　(2) 固体域热传导

　　固体域的热传导方程[28]： 222 222 T TTT t xyz            (4) 式中： 为热扩散率(m2 /s)。

　　(3) 边界条件

　　隧道洞内空气与壁面发生强迫对流换热，第三类边界条件[28]： T h T r    (5) 式中：r 为径向坐标(m)，h 为表面传热系数 (W/(m2 ·℃))。

　　移动边界条件[1]： f u f u r r T T d Q r r dt           (6) 式中：  f ， u 分别为已冻结、未冻结岩土体的导热系数(W/(m·℃));Tf，Tu 分别为已冻结、未冻结岩土体温度(℃); 为冻结壁边界位置坐标(m);Q 为单位岩土体的凝固热(J/m3 )。

　　外边界条件： 0 T tT ( )   ， (7) 初始边界条件： 0 ( 0) ( ) Tr T r ，  (8)

　　2.3 相似比

　　为了使模型能反映原型的状态，必须使模型与原型的基本相似关系方程相同，则可得到下列各种相似关系： 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分别为速度、长度、密度、温度、时间、热扩散率、导热系数、比热容、对流换热系数、凝固热相似比。

　　(1) 几何相似比

　　几何相似比的确定关系着试验结果的精度和模型试验的可实施性，为了减小外边界对隧道温度场数据采集区域的影响，一般外边界范围取为隧道半径的 3～5 倍[21，24]。根据试验场地条件，综合考虑了精度和可行性后将几何相似比 Cl确定为 100。

　　(2) 时间相似比

　　根据式(9)可得C C (12) 试验模型中围岩和衬砌结构的热物理参数采用相似材料配成与原型相同，故导热系数相似比 C = 1，且 Cl =100。将C = 1、Cl =100 代入式(12) 得则 Ct = 10 000。所以试验中的一秒等于原型中的一万秒。

　　(3) 温度相似比

　　根据式(10)可得 2 Q l T t C C C C C (13) 试验模型中围岩和衬砌结构的热物理参数采用相似材料配成与原型相同，且模型与原型中含水量也一致，故凝固热相似比 CQ = 1、导热系数相似比 C= 1，且 Cl =100、Ct = 10 000。将 CQ = 1、C= 1、 Cl = 100、Ct = 10 000 代入式(13)得 CT = 1。所以模型中衬砌与围岩的温度与原型中对应位置处衬砌与围岩的温度值相等。

　　(4) 风速相似比

　　根据式(11)可得 h u c C C C C (14) 因模型与原型均为空气，且不考虑海拔对空气的影响，故对流换热系数相似比为 Ch = 1，空气密度相似比为C = 1，空气比热容相似比为 Cc = 1，将 Ch = 1、C = 1、Cc = 1 代入式(14)得 Cu = 1。所以模型中各点的风速与原型中对应位置的风速相同。

　　2.4 可行性分析

　　本试验系统最大的难点在于隧道内的气流场是否能够真实地模拟原型的气体流动状态，因此需进行自模化分析。

　　随着雷诺数的增大，流动进入完全湍流粗糙管区，流动能量的损失主要决定于脉动运动，黏性的影响可以忽略不计，这时继续增大雷诺数，流体的湍乱程度几乎不再变化，沿程损失系数也不再变化，其值只与相对粗糙度有关，处于相同自模区内的流体流动状态相似[29]。隧道原型和模型内壁面均为混凝土壁面，原型隧道的相对粗糙度为 0.0002，模型隧道的相对粗糙度为 0.003。由莫迪图可知，当相对粗糙度分别为 0.0002 和 0.003 时，雷诺数 Re 分别大于 600 000 和 20 000 时即进入稳定的第二自模区。隧道内的通风风速一般不小于 2.5 m/s、一般不大于 10.0 m/s[26]。

　　由表 1 可以看出，在《公路隧道通风设计细则》 (JTG/T D70/2-02-2014)规定的通风风速范围内原型和模型隧道内气体的雷诺数均大于其第二自模区的雷诺数，流动状态均为稳定的湍流状态。原型和模型的流动状态满足相似要求，因此该模型试验系统在理论上具有可行性。模型试验系统的相似比如表 2 所示。

　　3 试验系统主要功能与技术参数

　　3.1 主要功能

　　为了满足对寒区隧道在全周期时间条件及复杂气候与不同地温条件下隧道温度场演化规律及灾变形成机制研究的需要，确定了本套试验系统的主要功能：

　　(1) 不同地质条件对初始温度场分布规律的影响试验; (2) 不同气候及地质条件组合下全周期隧道温度场演化规律和灾变形成机制试验; (3) 不同保温措施下全周期保温措施的保温效果及灾变类型试验; (4) 全球变暖条件下渐冻隧道向渐融隧道转变的临界条件及灾变形成机制试验。

　　3.2 技术参数

　　(1) 地温控制范围为-30 ℃～40 ℃，温度波动度<±0.2 ℃; (2) 气温控制范围为-30 ℃～30 ℃，温度波动度<±0.1 ℃，程控升降温速率>8 ℃/min; (3) 风速控制范围为 1～12 m/s，风速波动度<±(0.2+2%FS) m/s; (4) 洞内气温及围岩温度测量精度为± 0.1 ℃，采集周期最小为 0.2 s; (5) 风速测量精度为± 0.2 m/s，动态响应时间< 0.5 s，采集周期最小为 0.5 s; (6) 围岩含水率测量精度为± 3%，采集周期最小为 0.2 s; (7) 试验系统单组工况稳定试验持续时间为15 d。

　　3.3 主要技术特点

　　本试验系统具有以下几个技术特点： (1) 有效解决了地温控制的均匀性难题。顶部及底部地温控制管路分别采用五路十线同程式布置，并相应布置了循环水泵，保证循环管路内的水压不低于 0.6 MPa，可满足地温分布的均匀性要求。 (2) 开发了程控升降温冷源空气箱，保证了在 52 min 内(对应原型 1 年)气温的升降温速率能真实模拟原型年气温振幅变化的实际情况。 (3) 成功缩短了全周期模拟试验的试验周期。将模拟隧道运行全周期(100 年)试验所需的时间缩短至 4 d，并首次完成了隧道全运行周期内的试验研究。

　　4 模型试验系统的主要构成

　　试验系统主要由以下 4 个部分组成：隧道模型，地温控制系统，气候控制系统及数据测量和采集系统。图 1 为渐冻隧道演化模拟试验系统现场图，图 2 为渐冻隧道演化模拟试验系统示意图。

　　4.1 隧道模型

　　隧道模型(见图 3)是整个试验系统的主体结构，包括试验箱体及箱体隔热措施、隧道衬砌缩尺模型、等效热阻保温层、围岩相似材料、围岩相似材料内部埋置的控温管路以及温度传感器等。

　　整个隧道模型在试验箱中浇筑成型，试验箱采用 5 mm 厚钢板拼装而成，模型试验箱长 6 m，隧道模型长 4 m，试验箱两端各有 1 m 气流缓冲区，在隧道进口处的气流缓冲区前端开一个能够连接离心风机的孔洞，在隧道出口气流缓冲空间上端进行管路和回风系统的布置。试验模型上边界与模型衬砌拱顶外侧相距 50 cm，试验模型左、右侧及下部边界与模型衬砌左、右边墙及拱底外侧相距 40 cm。钢板内外侧均采用隔热材料进行隔热处理(见表 3)，以确保隧道模型的温度在试验周期内稳定可控;模型箱内各处接缝均采用硅胶密封。

　　利用相似材料制作隧道模型，围岩材料由水泥、细骨料、粗骨料、掺合料等材料配制而成，衬砌结构的模型材料有水泥、细骨料、掺合料配制而成，各材料的配比根据相似比对导热系数、比热容等参数的要求进行配制和试验确定。各项参数符合表 4 中的范围即可满足相似要求。

　　4.2 地温控制系统

　　地温控制系统(见图 4)包括 2 台冷却压缩机、两部工质储存循环箱、循环水泵、流速流量监测器、工质进出口温度检测器、顶底部两套地温控制管路、温度伺服控制器等组成。为了真实准确地模拟隧道的地温情况，针对顶、底边界面上的地温均匀分布及沿高程向地温梯度分布的稳定性控制要求，设计了两组五路十线制同程式地温控制管路，分别布置与围岩顶、底边界面处且沿隧道纵向通长布置。两台冷却压缩机分别将工质储存循环箱内的工质制冷至设定温度，并通过两组循环水泵将工质储存循环箱内的工质分别泵送至顶、底部地温控制管路中，保证在边界面上的地温均匀分布，同时通过顶、底部循环管路内的不同温度设定值来满足沿高程向地温梯度分布的稳定性控制要求。

　　4.3 气候控制系统

　　气候控制系统(见图 5)包括冷源空气箱、无极变频离心风机、进回风循环管路、内外温双控温装置、高低压传感器、磁力耦合式换向比例阀、气温伺服控制器和安全警戒警报装置等组成。冷源空气箱能够保证在最大通风风速时隧道进口处的气温满足周期性变化的设定要求。通风风速由无极变频离心风机和模型隧道进口处的风速传感器联合控制，最大风速为 12 m/s，能够满足隧道通风的最大风速要求。

　　4.4 数据测量和采集系统

　　数据测量和采集系统由 JM3813 全自动采集仪、Keysight34970A 数据采集仪、温度传感器(气温传感器、隧道温度传感器、地温梯度传感器、伺服控温传感器)、风速传感器和水分传感器等组成。在试验过程中，布置于顶底部地温控制管路同水平的伺服控温传感器和地温梯度传感器将采集的温度数据传输给地温控制系统的温度伺服控制器，控制器根据拟定的温度加载方案，发出相应的控制信号，控制冷却压缩机的制冷功率及地温控制管路中的流速;进风口和冷源空气箱内的气温传感将采集的温度数据传给气温伺服控制器，控制器根据拟定的温度加载方案，发出相应的控制信号，控制信号经由磁力耦合式换向比例阀控制冷源空气箱的压缩机制冷功率，有效解决了气温长期周期性稳定控制的难题。温度传感器按照洞口密中间疏的原则进行布置。

　　5 试验应用

　　5.1 应用范围

　　由于影响隧道渐冻演化规律的因素有很多，因此，模拟试验时需采用控制变量的方法，依次改变初始地温、地温梯度、围岩含水率等地质条件，年平均气温、年气温振幅、风速等气候条件，以及保温层厚度、保温层长度等保温措施的设计参数，并考虑不同条件之间的相互组合，对隧道渐冻演化规律开展系统性研究(可开展的试验工况见图 6);在隧道渐冻演化规律研究的基础上，考虑全球变暖的情况，即考虑年平均气温增长速率为 0.05℃/a 的情况，以研究隧道渐冻向渐融转变的临界条件及隧道渐融的演化规律。依据时间相似比，模拟全周期温度场演化规律的一组试验需耗时 4 d。

　　5.2 试验系统可靠性验证

　　为了验证渐冻隧道演化模拟试验系统的可靠性，分别选取纵向温度场的分布规律和横断面上温度场的演化规律与寒区隧道温度场变化规律研究的典型案例进行对比分析。本节将试验数据经相似比转换为隧道原型所对应的数据。

　　(1) 横断面温度场演化规律

　　X. F. Zhang等[30]计算了不同地温及气温条件下寒区隧道的温度场演化规律，本文选取 X. F. Zhang 等[30]中初始地温为 1℃、年平均气温为-4 ℃的工况进行对比验证，并采用相同参数的工况进行试验。本文试验值与 X. F. Zhang 等[30]的对比情况见图 7，本文试验值得到的冻结深度发展曲线与 X. F. Zhang 等[30]的计算值吻合较好。横断面上的冻结发展规律一致，生成的最大冻结深度基本一致，产生相同冻结深度所需的时间基本相同，可以看出渐冻隧道演化模拟试验系统对温度场的横断面温度场演化规律的研究可靠可信。

　　(2) 纵向温度场分布规律

　　何春雄等[6，29]采用 k-ε 两方程湍流温度计算模型，研究了大坂山隧道(年平均气温 T0 = -3 ℃，最大风速为 3.5 m/s)贯通运行后的温度场演化规律及围岩冻结状况，由于其计算结果准确可靠且研究成果贴近工程，在学界内具有一定的影响力，具有典型性及说服力。本文分别设计了年平均气温 T0 = -2 ℃及T0 = -4 ℃两组工况，其风速均为3.5 m/s。本文试验值与何春雄等[5-6]的对比情况见于图 8。由图 8 可见何春雄等[5-6]不同进深处的最大冻结深度均大于 T0 = -2 ℃ 时的本文试验值且均小于 T0 = - 4 ℃ 时的本文试验值，且本文计算值和何春雄等 [5-6]的纵向冻结分布规律基本一致，符合学界及工程界对寒区隧道温度场研究的基本共识，故渐冻隧道演化模拟试验系统对温度场的纵向分布规律的研究可靠可信。

　　5.3 渐冻隧道演化规律初步分析

　　试验设置进口处的年平均气温为-4 ℃，年温度振幅为 6 ℃，风速为 3.5 m/s，地温的梯度为 0.03 ℃/m，模型顶部和底部围岩温度分别为 0 ℃ 和 3 ℃，模型隧道中心线处的地温为 1.5 ℃，不采用保温层。当温度测点所测数值小于 0 ℃时，则认为该处已发生冻结。为了直观表达模型试验所对应隧道原型的情况，本节将试验数据经相似比转换为隧道原型所对应的数据。

　　(1) 横向演化规律

　　9 给出洞口处、距洞口 100 m 及距洞口 300 m 处围岩前 10 年的冻融演化规律。由图 9 可知，不同进深处围岩的初始冻结时间不同、工程多年冻土形成的时间不同、冻融演化规律也不相同且冻结深度差异较大，但冻结发展稳定的时间基本一致。洞口处的围岩第 1 年便开始冻结，且产生冻结后就发展成工程多年冻土，最大冻结深度为 6.32 m;距洞口 100 m 处的围岩在第 2 年才开始冻结，第 4 年发展成工程多年冻土，最大冻结深度为 3.33 m;距洞口 300 m 处的围岩在第 2 年才开始冻结，第 6 年发展成工程多年冻土，最大冻结深度为 1.38 m。由此可以看出，洞口处的渐冻现象发展时间要略早于隧道洞身处，且洞口处围岩的渐冻程度分别是距洞口 100 m 处及距洞口 300 m 处的 1.9 倍及 4.6 倍。

　　(2) 纵向演化规律

　　10，11 给出了不同进深处工程季节冻土及工程多年冻土的形成时间和不同运行年限围岩最大冻结深度纵向分布情况。由图 10、11 可知洞口处的工程季节冻土及工程多年冻土的形成时间要早于洞内，工程冻土的形成时间与进深的关系大致成线性相关性，且工程季节冻土的发展规律与工程多年冻土的发展规律大致相同;洞口处的渐冻程度要大于洞内，且渐冻程度与进深的关系也大致成线性相关性。洞口处工程冻土形成所需的时间最短，第 1 年即形成工程多年冻土;而距进口 340 m 处工程冻土所需的时间最长，第 4 年才形成工程季节冻土、第 8 年发展成工程多年冻土，该断面才开始渐冻。运行第 1 年，仅进口处 20 m 范围内围岩产生了冻结，其余断面均未产生冻结;运行第 3 年，除了距进口 300～380 m 范围内未产生冻结外，其余断面均产生冻结;运行第 5 年，所有断面均产生冻结，且冻结锋面仍在向深部发展;运行第 8 年，隧道全长发展成工程多年冻土，形成渐冻隧道，此后冻结锋面不再推进。由此可以看出，年平均气温为-4 ℃ 时，隧道贯通运行后其冻结圈会逐渐沿隧道纵向推进，并在横断面上向围岩深部发展，引起隧道围岩的渐冻，隧道非冻土会组年冻结，形成渐冻隧道。

　　(3) 典型断面的温度演化规律

　　12 给出距洞口 10 m、距洞口 100 m、距洞口 200 m 及距洞口 390 m 处断面衬砌壁面、衬砌围岩交界面及 2 m 深处围岩前 20 年的温度演化规律。由图 11 可知，随着径向深度的增加各界面的年平均温度也随之增加，但年温度振幅随之减小。这是因为随着径向深度的增加气温的影响逐渐减弱，而地温影响不断增强。而随着距洞口距离的增加各断面衬砌壁面的年平均气温也随之增加，且年温度振幅随之减小。这是因为洞口空气在纵向推进的过程中与围岩对流换热导致气温升高，且受稳定的地温影响导致气温变化趋于平缓。

　　6 结 论

　　为揭示负年平均气温区渐冻隧道的形成机制和演化规律，以及全球变暖情况下隧道渐融的形成机制，开发了渐冻隧道演化模拟试验系统，该系试验系统的研制，涉及多个学科(岩石力学与工程、流体力学、传热学、机械制造、数值化测试技术、系统控制、软件工程等)，促进了相关学科的交叉融合。在试验系统开发研制的过程中，取得了以下研究成果：

　　(1) 运用岩石力学、流体力学及传热学等学科的相关理论推导了考虑复杂气候影响的隧道对流导热温度场相似模拟试验相似关系，并给出了本试验条件下的相似比，该相似关系的成功推导为寒区隧道全周期温度场模拟试验提供了理论支撑。

　　(2) 综合运用机械制造、数字化测试技术、系统控制及软件工程等学科的研究成果，成功研制了渐冻隧道演化模拟试验系统，填补了寒区隧道全周期温度演化模拟试验技术手段上的空白。

　　(3) 设计了试验系统可靠性验证试验，与寒区隧道温度场演化规律具有典型性及说服力的实例进行对比验证，渐冻隧道演化模拟试验系统的试验数据与典型案例之间的吻合性好，试验系统可靠且数据可信。

　　(4) 利用该试验系统进行了年平均气温为-4℃ 工况的温度场演化规律试验，研究表明发现年平均气温为-4 ℃时，隧道贯通运行后其冻结圈会逐渐沿隧道纵向推进，并在横断面上向围岩深部发展，引起隧道围岩的渐冻，隧道非冻土会逐年冻结，形成渐冻隧道。