漸凍隧道演化模擬試驗系統的研制及初步應用

　　摘要：為了揭示負年平均氣溫區漸凍隧道的形成機制和演化規律，以及全球變暖情況下隧道漸融的形成機制，開發漸凍隧道演化模擬試驗系統。試驗系統主要由隧道模型、地溫控制系統、氣候控制系統、數據測量和采集系統組成。該試驗系統的主要創新性如下：(1) 設計并研制一套漸凍隧道演化模擬試驗系統，可大幅縮短全周期運行狀態溫度場模型試驗的研究周期，將原本需要 40 d 的試驗周期縮短至 4 d;(2) 設計并研制新型的氣候模擬系統，可長周期穩定地模擬年平均氣溫、溫度振幅及風速等組合條件對隧道溫度場試驗的影響;(3) 設計并研制可以測量隧道溫度場全域全周期測試系統及地溫控制系統，有效解決數據測量及地溫控制等方面遇到的時間和空間上的難題。通過與寒區隧道溫度場演化規律典型實例的對比試驗，驗證該模擬試驗系統的準確性和可靠性。初步試驗結果表明：年平均氣溫為-4 ℃時，隧道貫通運行后其凍結圈會逐漸沿隧道縱向推進，并在橫斷面上向圍巖深部發展，引起隧道圍巖的漸凍，隧道非凍土會逐年凍結，形成漸凍隧道。試驗系統填補了寒區隧道復雜條件下全周期運行狀況下的溫度場演化規律試驗研究的空白，對促進我國寒區隧道工程前沿研究起到了積極的推動作用，可為“一帶一路”工程建設及川藏鐵路工程提供試驗基礎。

　　本文源自夏才初; 林梓梁; 施佳譽; 杜時貴， 巖石力學與工程學報 發表時間：2021-04-30《巖石力學與工程學報》雜志，于1982年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:42-1397/03，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：研究進展與工程實錄、博士學位論文摘要、動態。

　　關鍵詞：隧道工程;漸凍隧道;試驗系統;寒區;溫度場

　　1 引 言

　　寒區隧道工程通常修建在氣候嚴酷、地質復雜的艱險山區中，而當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生新的熱平衡。由于隧道洞內沒有太陽輻射作用，且隧道內氣溫與圍巖(襯砌)界面的溫度較為接近[1]，因此，在負年平均氣溫的地區，隧道襯砌后的圍巖溫度會逐年下降并在寒季凍結[2-4]，其凍結圈會逐漸沿隧道縱向推進[5-7]，并在橫斷面上向圍巖深部發展[8-11]，引起隧道圍巖的“漸凍”，隧道非凍土段會逐年凍結，形成“漸凍隧道”，最終甚至可能使隧道全長凍結，形成工程全多年凍土隧道[5-7]。近年來，隨著“一帶一路”戰略的開展[12]和川藏鐵路重大工程正式進入實施階段，寒區隧道的數量必將越來越多，凍害問題也越發嚴重，復雜氣候及地質條件下漸凍隧道的溫度場演化規律已成為寒區隧道防凍保溫設計分析中迫切需要解決的關鍵科學問題。然而，目前這方面的研究成果和工程經驗都很少，為此研發相應的試驗設備，開展漸凍隧道溫度場演化規律的研究十分必要。

　　早期在開展寒區隧道溫度場演化規律試驗研究時，限于對溫度場演化規律及凍害形成機制認識的不足，對隧道溫度場演化規律試驗研究主要集中在洞內氣溫的分布規律[1，13]、施工期[14-16]及運行初期[17-20]的溫度場演化規律。這些試驗研究沒能意識到隧道貫通后，圍巖內產生的工程季節凍土和工程多年凍土的發展是隨冷量逐年累積導致的。因此，鋪設保溫層也只能推遲圍巖的凍結時間，在施工期及運行初期的溫度場試驗并不能檢驗出保溫層的保溫效果。

　　施工期及運行初期的溫度場試驗僅適用于分析全多年凍土隧道中隔熱層的隔熱作用[14-16]，而位于負年平均氣溫地區的局部多年凍土隧道和非多年凍土隧道，其非多年凍土段會逐年凍結，采用全周期時間觀念來研究漸凍隧道的演化規律及保溫層的作用效果更符合實際。現場試驗難以滿足全周期研究的時間條件，而相似模型試驗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方法來研究漸凍隧道的演化規律及其災變形成機制。L. L. Liu 等[21]設計了考慮通風影響的寒區隧道模型試驗系統，但限于試驗條件，其時間相似比僅為 1.37：1。高 焱等[22]研發了新型寒區高速鐵路隧道溫度場模擬試驗系統，該試驗系統可以同時考慮不同洞外氣溫、圍巖地溫、列車運行速度和運行間隔等條件下寒區隧道溫度場的演化規律，但其時間相似比僅為 10：1。馮 強[23]聚焦了圍巖溫度場演化規律這一焦點，設計了能考慮地下水相變影響并嚴格滿足相似條件的寒區隧道溫度場平面模型試驗，時間相似比為 625：1，大幅縮短了試驗周期，但由于平面模型的限制，不能研究縱向溫度場的演化規律，也不能模擬洞內氣溫與圍巖溫度的相互作用。 Y. H. Zeng 等[24]依據相似準則建立了寒區隧道對流 –導熱耦合作用溫度場模型試驗系統，該試驗系統很好地模擬了洞內氣溫與圍巖溫度的相互作用，且時間相似比為 900：1，進一步縮短了試驗周期。

　　上述試驗系統雖然可以較好地研究全周期時間條件下隧道對流–導熱耦合的溫度場演化規律，但還存在以下不足：(1) 試驗周期太長，即使是試驗周期最短的 Y. H. Zeng 等[24]試驗系統，對全周期隧道溫度場的試驗研究仍需花費 40 d 的時間，難以滿足漸凍隧道演化規律的試驗要求，因此亟需設計一套可大幅縮小時間相似比的溫度場模型試驗。(2) 試驗中氣溫周期變化的設定難題及穩定性的控制問題難以解決，已有的試驗系統一般將氣溫設定為恒定值，而沒能考慮到氣溫周期性變化的真實情況，因此，亟需設計新型的氣溫模擬系統來穩定地模擬氣溫周期性變化的實際情況，為進一步深入研究漸凍隧道演化規律理論方面的研究打下基礎。(3) 目前關于全周期時間條件下寒區隧道溫度場演化規律的試驗成果尚未報道，該試驗的開展對于掌握全周期時間條件下寒區隧道溫度場的演化規律及其災變形成機制至關重要。

　　針對上述的研究需求和技術難題，在已有研究的基礎上，研制一套漸凍隧道演化模擬試驗系統來研究全周期時間條件及復雜氣候與不同地溫條件下隧道溫度場演化規律及災變形成機制。

　　2 模型試驗系統設計

　　本試驗系統模擬復雜洞口氣候對隧道內空氣和圍巖溫度場的影響，要求模型隧道內的流速場和溫度場分別與原型相似。空氣域內需滿足熱對流相似、固體域內需滿足熱傳導相似及空氣與襯砌壁面需滿足對流換熱相似。其余的初始邊界、外邊界及移動邊界也需要滿足相似關系。只有嚴格滿足各相似關系的模型試驗系統，測得的試驗數據才能真實地還原到原型中。

　　2.1 基本假設

　　流體的流速場和溫度場問題本身就是非常復雜的問題，再加上考慮了流體與固體對流換熱和圍巖熱傳導耦合問題，就使得問題更加復雜。所以為了簡化，做了如下假定：

　　(1) 氣體不可壓縮

　　在流動過程中，密度變化可以忽略的流動，稱為不可壓縮流動。氣體的密度很容易隨壓力而發生變化，但在空氣動力學中，氣體的密度變化是否可以忽略，需要根據氣體流動的馬赫數來確定。當馬赫數低于 0.3 時(近地表 25 ℃氣溫時馬赫數為 0.3 的氣體流速為 102 m/s)，氣體的壓縮性可忽略不計 [25]。在隧道中，除通風風機的送風口流速最大可達30 m/s 外，洞內風速均小于 12 m/s[26]。因此，隧道內流動的氣體可視為不可壓縮流體。

　　(2) 氣體流動為定常流

　　流體在流場內運動過程中任何一點的流速、流向及壓力只隨位置改變而不隨時間改變。若不改變隧道的通風風速，隧道內氣體的流動可視為定常流。

　　(3) 氣流、圍巖均為連續介質

　　將洞內氣流視為連續介質，單位時間內流程各斷面通過的流體質量不變，服從連續性定律;對于圍巖和襯砌而言，均為獨立的各向同性、均勻的連續介質。

　　2.2 控制方程

　　(1) 氣體域熱對流

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

　　根據動量守恒定律，試驗模型與原型均滿足動量守恒方程[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 為時間(s);p 為空氣的壓強(Pa); ? 為空氣的動力黏度(Pa·s)。

　　根據能量守恒定律，試驗模型與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(℃)，? 為導熱系數(W/(m·℃))。

　　(2) 固體域熱傳導

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

　　(3) 邊界條件

　　隧道洞內空氣與壁面發生強迫對流換熱，第三類邊界條件[28]： T h T r ?? ? ?? (5) 式中：r 為徑向坐標(m)，h 為表面傳熱系數 (W/(m2 ·℃))。

　　移動邊界條件[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、未凍結巖土體的導熱系數(W/(m·℃));Tf，Tu 分別為已凍結、未凍結巖土體溫度(℃);? 為凍結壁邊界位置坐標(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，必須使模型與原型的基本相似關系方程相同，則可得到下列各種相似關系： 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、長度、密度、溫度、時間、熱擴散率、導熱系數、比熱容、對流換熱系數、凝固熱相似比。

　　(1) 幾何相似比

　　幾何相似比的確定關系著試驗結果的精度和模型試驗的可實施性，為了減小外邊界對隧道溫度場數據采集區域的影響，一般外邊界范圍取為隧道半徑的 3～5 倍[21，24]。根據試驗場地條件，綜合考慮了精度和可行性后將幾何相似比 Cl確定為 100。

　　(2) 時間相似比

　　根據式(9)可得C C?? (12) 試驗模型中圍巖和襯砌結構的熱物理參數采用相似材料配成與原型相同，故導熱系數相似比 C? = 1，且 Cl =100。將C? = 1、Cl =100 代入式(12) 得則 Ct = 10 000。所以試驗中的一秒等于原型中的一萬秒。

　　(3) 溫度相似比

　　根據式(10)可得 2 Q l T t C C C C C?? (13) 試驗模型中圍巖和襯砌結構的熱物理參數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、導熱系數相似比 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應位置處襯砌與圍巖的溫度值相等。

　　(4) 風速相似比

　　根據式(11)可得 h u c C C C C?? (14) 因模型與原型均為空氣，且不考慮海拔對空氣的影響，故對流換熱系數相似比為 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。所以模型中各點的風速與原型中對應位置的風速相同。

　　2.4 可行性分析

　　本試驗系統最大的難點在于隧道內的氣流場是否能夠真實地模擬原型的氣體流動狀態，因此需進行自模化分析。

　　隨著雷諾數的增大，流動進入完全湍流粗糙管區，流動能量的損失主要決定于脈動運動，黏性的影響可以忽略不計，這時繼續增大雷諾數，流體的湍亂程度幾乎不再變化，沿程損失系數也不再變化，其值只與相對粗糙度有關，處于相同自模區內的流體流動狀態相似[29]。隧道原型和模型內壁面均為混凝土壁面，原型隧道的相對粗糙度為 0.0002，模型隧道的相對粗糙度為 0.003。由莫迪圖可知，當相對粗糙度分別為 0.0002 和 0.003 時，雷諾數 Re 分別大于 600 000 和 20 000 時即進入穩定的第二自模區。隧道內的通風風速一般不小于 2.5 m/s、一般不大于 10.0 m/s[26]。

　　由表 1 可以看出，在《公路隧道通風設計細則》 (JTG/T D70/2-02-2014)規定的通風風速范圍內原型和模型隧道內氣體的雷諾數均大于其第二自模區的雷諾數，流動狀態均為穩定的湍流狀態。原型和模型的流動狀態滿足相似要求，因此該模型試驗系統在理論上具有可行性。模型試驗系統的相似比如表 2 所示。

　　3 試驗系統主要功能與技術參數

　　3.1 主要功能

　　為了滿足對寒區隧道在全周期時間條件及復雜氣候與不同地溫條件下隧道溫度場演化規律及災變形成機制研究的需要，確定了本套試驗系統的主要功能：

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

　　3.2 技術參數

　　(1) 地溫控制范圍為-30 ℃～40 ℃，溫度波動度<±0.2 ℃; (2) 氣溫控制范圍為-30 ℃～30 ℃，溫度波動度<±0.1 ℃，程控升降溫速率>8 ℃/min; (3) 風速控制范圍為 1～12 m/s，風速波動度<±(0.2+2%FS) m/s; (4) 洞內氣溫及圍巖溫度測量精度為± 0.1 ℃，采集周期最小為 0.2 s; (5) 風速測量精度為± 0.2 m/s，動態響應時間< 0.5 s，采集周期最小為 0.5 s; (6) 圍巖含水率測量精度為± 3%，采集周期最小為 0.2 s; (7) 試驗系統單組工況穩定試驗持續時間為15 d。

　　3.3 主要技術特點

　　本試驗系統具有以下幾個技術特點： (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，并相應布置了循環水泵，保證循環管路內的水壓不低于 0.6 MPa，可滿足地溫分布的均勻性要求。 (2) 開發了程控升降溫冷源空氣箱，保證了在 52 min 內(對應原型 1 年)氣溫的升降溫速率能真實模擬原型年氣溫振幅變化的實際情況。 (3) 成功縮短了全周期模擬試驗的試驗周期。將模擬隧道運行全周期(100 年)試驗所需的時間縮短至 4 d，并首次完成了隧道全運行周期內的試驗研究。

　　4 模型試驗系統的主要構成

　　試驗系統主要由以下 4 個部分組成：隧道模型，地溫控制系統，氣候控制系統及數據測量和采集系統。圖 1 為漸凍隧道演化模擬試驗系統現場圖，圖 2 為漸凍隧道演化模擬試驗系統示意圖。

　　4.1 隧道模型

　　隧道模型(見圖 3)是整個試驗系統的主體結構，包括試驗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、圍巖相似材料內部埋置的控溫管路以及溫度傳感器等。

　　整個隧道模型在試驗箱中澆筑成型，試驗箱采用 5 mm 厚鋼板拼裝而成，模型試驗箱長 6 m，隧道模型長 4 m，試驗箱兩端各有 1 m 氣流緩沖區，在隧道進口處的氣流緩沖區前端開一個能夠連接離心風機的孔洞，在隧道出口氣流緩沖空間上端進行管路和回風系統的布置。試驗模型上邊界與模型襯砌拱頂外側相距 50 cm，試驗模型左、右側及下部邊界與模型襯砌左、右邊墻及拱底外側相距 40 cm。鋼板內外側均采用隔熱材料進行隔熱處理(見表 3)，以確保隧道模型的溫度在試驗周期內穩定可控;模型箱內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、細骨料、粗骨料、摻合料等材料配制而成，襯砌結構的模型材料有水泥、細骨料、摻合料配制而成，各材料的配比根據相似比對導熱系數、比熱容等參數的要求進行配制和試驗確定。各項參數符合表 4 中的范圍即可滿足相似要求。

　　4.2 地溫控制系統

　　地溫控制系統(見圖 4)包括 2 臺冷卻壓縮機、兩部工質儲存循環箱、循環水泵、流速流量監測器、工質進出口溫度檢測器、頂底部兩套地溫控制管路、溫度伺服控制器等組成。為了真實準確地模擬隧道的地溫情況，針對頂、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定性控制要求，設計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布置。兩臺冷卻壓縮機分別將工質儲存循環箱內的工質制冷至設定溫度，并通過兩組循環水泵將工質儲存循環箱內的工質分別泵送至頂、底部地溫控制管路中，保證在邊界面上的地溫均勻分布，同時通過頂、底部循環管路內的不同溫度設定值來滿足沿高程向地溫梯度分布的穩定性控制要求。

　　4.3 氣候控制系統

　　氣候控制系統(見圖 5)包括冷源空氣箱、無極變頻離心風機、進回風循環管路、內外溫雙控溫裝置、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裝置等組成。冷源空氣箱能夠保證在最大通風風速時隧道進口處的氣溫滿足周期性變化的設定要求。通風風速由無極變頻離心風機和模型隧道進口處的風速傳感器聯合控制，最大風速為 12 m/s，能夠滿足隧道通風的最大風速要求。

　　4.4 數據測量和采集系統

　　數據測量和采集系統由 JM3813 全自動采集儀、Keysight34970A 數據采集儀、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)、風速傳感器和水分傳感器等組成。在試驗過程中，布置于頂底部地溫控制管路同水平的伺服控溫傳感器和地溫梯度傳感器將采集的溫度數據傳輸給地溫控制系統的溫度伺服控制器，控制器根據擬定的溫度加載方案，發出相應的控制信號，控制冷卻壓縮機的制冷功率及地溫控制管路中的流速;進風口和冷源空氣箱內的氣溫傳感將采集的溫度數據傳給氣溫伺服控制器，控制器根據擬定的溫度加載方案，發出相應的控制信號，控制信號經由磁力耦合式換向比例閥控制冷源空氣箱的壓縮機制冷功率，有效解決了氣溫長期周期性穩定控制的難題。溫度傳感器按照洞口密中間疏的原則進行布置。

　　5 試驗應用

　　5.1 應用范圍

　　由于影響隧道漸凍演化規律的因素有很多，因此，模擬試驗時需采用控制變量的方法，依次改變初始地溫、地溫梯度、圍巖含水率等地質條件，年平均氣溫、年氣溫振幅、風速等氣候條件，以及保溫層厚度、保溫層長度等保溫措施的設計參數，并考慮不同條件之間的相互組合，對隧道漸凍演化規律開展系統性研究(可開展的試驗工況見圖 6);在隧道漸凍演化規律研究的基礎上，考慮全球變暖的情況，即考慮年平均氣溫增長速率為 0.05℃/a 的情況，以研究隧道漸凍向漸融轉變的臨界條件及隧道漸融的演化規律。依據時間相似比，模擬全周期溫度場演化規律的一組試驗需耗時 4 d。

　　5.2 試驗系統可靠性驗證

　　為了驗證漸凍隧道演化模擬試驗系統的可靠性，分別選取縱向溫度場的分布規律和橫斷面上溫度場的演化規律與寒區隧道溫度場變化規律研究的典型案例進行對比分析。本節將試驗數據經相似比轉換為隧道原型所對應的數據。

　　(1) 橫斷面溫度場演化規律

　　X. F. Zhang等[30]計算了不同地溫及氣溫條件下寒區隧道的溫度場演化規律，本文選取 X. F. Zhang 等[30]中初始地溫為 1℃、年平均氣溫為-4 ℃的工況進行對比驗證，并采用相同參數的工況進行試驗。本文試驗值與 X. F. Zhang 等[30]的對比情況見圖 7，本文試驗值得到的凍結深度發展曲線與 X. F. Zhang 等[30]的計算值吻合較好。橫斷面上的凍結發展規律一致，生成的最大凍結深度基本一致，產生相同凍結深度所需的時間基本相同，可以看出漸凍隧道演化模擬試驗系統對溫度場的橫斷面溫度場演化規律的研究可靠可信。

　　(2) 縱向溫度場分布規律

　　何春雄等[6，29]采用 k-ε 兩方程湍流溫度計算模型，研究了大坂山隧道(年平均氣溫 T0 = -3 ℃，最大風速為 3.5 m/s)貫通運行后的溫度場演化規律及圍巖凍結狀況，由于其計算結果準確可靠且研究成果貼近工程，在學界內具有一定的影響力，具有典型性及說服力。本文分別設計了年平均氣溫 T0 = -2 ℃及T0 = -4 ℃兩組工況，其風速均為3.5 m/s。本文試驗值與何春雄等[5-6]的對比情況見于圖 8。由圖 8 可見何春雄等[5-6]不同進深處的最大凍結深度均大于 T0 = -2 ℃ 時的本文試驗值且均小于 T0 = - 4 ℃ 時的本文試驗值，且本文計算值和何春雄等 [5-6]的縱向凍結分布規律基本一致，符合學界及工程界對寒區隧道溫度場研究的基本共識，故漸凍隧道演化模擬試驗系統對溫度場的縱向分布規律的研究可靠可信。

　　5.3 漸凍隧道演化規律初步分析

　　試驗設置進口處的年平均氣溫為-4 ℃，年溫度振幅為 6 ℃，風速為 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。當溫度測點所測數值小于 0 ℃時，則認為該處已發生凍結。為了直觀表達模型試驗所對應隧道原型的情況，本節將試驗數據經相似比轉換為隧道原型所對應的數據。

　　(1) 橫向演化規律

　　9 給出洞口處、距洞口 100 m 及距洞口 300 m 處圍巖前 10 年的凍融演化規律。由圖 9 可知，不同進深處圍巖的初始凍結時間不同、工程多年凍土形成的時間不同、凍融演化規律也不相同且凍結深度差異較大，但凍結發展穩定的時間基本一致。洞口處的圍巖第 1 年便開始凍結，且產生凍結后就發展成工程多年凍土，最大凍結深度為 6.32 m;距洞口 100 m 處的圍巖在第 2 年才開始凍結，第 4 年發展成工程多年凍土，最大凍結深度為 3.33 m;距洞口 300 m 處的圍巖在第 2 年才開始凍結，第 6 年發展成工程多年凍土，最大凍結深度為 1.38 m。由此可以看出，洞口處的漸凍現象發展時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) 縱向演化規律

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

　　(3) 典型斷面的溫度演化規律

　　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。這是因為隨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。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。這是因為洞口空氣在縱向推進的過程中與圍巖對流換熱導致氣溫升高，且受穩定的地溫影響導致氣溫變化趨于平緩。

　　6 結 論

　　為揭示負年平均氣溫區漸凍隧道的形成機制和演化規律，以及全球變暖情況下隧道漸融的形成機制，開發了漸凍隧道演化模擬試驗系統，該系試驗系統的研制，涉及多個學科(巖石力學與工程、流體力學、傳熱學、機械制造、數值化測試技術、系統控制、軟件工程等)，促進了相關學科的交叉融合。在試驗系統開發研制的過程中，取得了以下研究成果：

　　(1) 運用巖石力學、流體力學及傳熱學等學科的相關理論推導了考慮復雜氣候影響的隧道對流導熱溫度場相似模擬試驗相似關系，并給出了本試驗條件下的相似比，該相似關系的成功推導為寒區隧道全周期溫度場模擬試驗提供了理論支撐。

　　(2) 綜合運用機械制造、數字化測試技術、系統控制及軟件工程等學科的研究成果，成功研制了漸凍隧道演化模擬試驗系統，填補了寒區隧道全周期溫度演化模擬試驗技術手段上的空白。

　　(3) 設計了試驗系統可靠性驗證試驗，與寒區隧道溫度場演化規律具有典型性及說服力的實例進行對比驗證，漸凍隧道演化模擬試驗系統的試驗數據與典型案例之間的吻合性好，試驗系統可靠且數據可信。

　　(4) 利用該試驗系統進行了年平均氣溫為-4℃ 工況的溫度場演化規律試驗，研究表明發現年平均氣溫為-4 ℃時，隧道貫通運行后其凍結圈會逐漸沿隧道縱向推進，并在橫斷面上向圍巖深部發展，引起隧道圍巖的漸凍，隧道非凍土會逐年凍結，形成漸凍隧道。