寒区隧道突发性显著温度波动对岩土体及衬砌影响的耦合机制与抗冻设计优化研究

为解决寒区隧道在极端气候下频繁冻害问题，研究人员通过室内冻融/冻结试验与多场耦合模拟，首次揭示了"拱脚低温-拱顶高温"的时空迁移规律。研究发现高含水量(10.5%-16.5%)和冻融循环(10次)使土体弹性模量降低33%-63%，20°C骤温变化导致衬砌最大冻胀应力达1,005 kPa，为寒区隧道抗冻设计提供了关键参数。该成果发表于《Research in Cold and Arid Regions》，对"一带一路"寒区交通基建耐久性提升具有重要指导意义。

　　

在"一带一路"倡议推动下，寒区隧道建设需求激增，但极端气候导致的冻害问题日益突出。挪威63%的隧道存在渗水结冰，中国铁路隧道冻害率更高达50%。这些隧道在反复冻融循环中承受着温度-渗流-应力场(THM)的复杂耦合作用，导致衬砌开裂、剥落等结构性损伤。更棘手的是，近年来东北地区频发的24小时内±20°C剧烈温度波动，使得传统抗冻设计理论面临严峻挑战。

为破解这一难题，中国某研究团队在《Research in Cold and Arid Regions》发表重要成果。研究人员选取东北隧道典型断面，通过TSZ-1三轴仪开展不同含水量(10.5%-16.5%)的冻融循环试验，结合MTS-810设备进行-2°C至-10°C冻结试验，并采用COMSOL构建水-热-力三场耦合模型，模拟骤温变化下隧道响应。

2.3 冻融试验结果
研究发现：初始含水量增加3%可使未冻土弹性模量骤降40%；经10次冻融后，最优含水量土样力学性能退化最显著，弹性模量降幅达33%-63%。冻融循环呈两阶段破坏特征：前5次循环造成45.8%凝聚力损失，后续趋于稳定。

2.4 冻结试验结果
-10°C低温使冻土呈现明显脆性破坏特征，破坏强度随温度非线性增长。值得注意的是，内摩擦角与温度无明确相关性，而凝聚力在-10°C时较-2°C提升2.3倍，揭示冰胶结作用是冻土强度主控因素。

3.2 温度场分析
数值模拟首次捕捉到"拱脚低温-拱顶高温"的时空迁移现象：温度骤降20°C时，二次衬砌拱脚出现-33°C极值，而初期支护拱顶仅-5.85°C；温度骤升后，极值区反转至初期支护拱脚和二次衬砌拱顶。围岩温度剧烈波动区集中在衬砌外0.5m范围内。

3.3 变形特征
20°C骤温变化引发地表不可逆竖向位移(6.28mm)，水平净空变化呈现"降温扩张-升温收敛"特征。监测数据显示，拱顶在冻融循环中经历周期性抬升(4.18mm)-沉降(2.77mm)，侧墙位移幅值达2.05mm。

3.4 应力响应
冻胀应力分布揭示关键风险区：二次衬砌侧墙承受473kPa拉应力，初期支护拱脚压应力高达1,005kPa。尽管这些数值低于混凝土强度限值(C30混凝土抗压22.5MPa)，但反复骤温变化可能引发材料疲劳损伤。

该研究创新性地量化了极端温度波动下寒区隧道的多物理场耦合响应，提出的"时空迁移规律"为抗冻设计提供了新思路。特别是发现最优含水量土样最易受损的规律，指导施工中需严格控制含水率。研究团队同时指出，未来需结合青藏高原多年冻土特性开展针对性研究，并建议将短时温度波动纳入隧道耐久性设计规范。这些成果对保障高寒地区重大交通基础设施的百年寿命具有重要实践价值。