《Transportation Geotechnics》：Study on frost damage characteristics and prediction model of tunnels in cold regions of China
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•研究了隧道冻害的分布特征与类型。•分析了隧道冻害与各影响因素之间的关系。•建立了寒冷地区隧道冻害预测模型。引言隧道作为寒冷地区交通基础设施的重要组成部分，对区域经济增长和互联互通至关重要[1]。然而，严酷的气候和复杂的地质条件使得寒冷地区的隧道极易遭受严重的冻害。此类冻害会
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研究了隧道冻害的分布特征与类型。
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分析了隧道冻害与各影响因素之间的关系。
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建立了寒冷地区隧道冻害预测模型。
引言
隧道作为寒冷地区交通基础设施的重要组成部分，对区域经济增长和互联互通至关重要[1]。然而，严酷的气候和复杂的地质条件使得寒冷地区的隧道极易遭受严重的冻害。此类冻害会削弱隧道的稳定性和耐久性，可能导致安全隐患、运营中断和维修成本增加[2]。因此，为了确保安全运营、降低全生命周期成本并增强寒冷地区交通基础设施的韧性，研究寒冷地区隧道的冻害特征和冻害预测模型是至关重要的。
隧道冻害的三个基本条件为：能使围岩孔隙水冻结的负温度、围岩中含水充足以及围岩对冻胀敏感[3]。目前，学者们围绕这三个基本条件展开了研究，并提出了冻害评估方法。在隧道温度场方面，众多学者通过现场监测、理论分析和数值模拟提供了寒冷地区隧道温度场的分布规律[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。通过这些研究发现，隧道所在地的气象条件是影响隧道温度场的显著因素[10]。隧道内温度和岩温随隧道所在地气温呈现明显的季节性变化[11]，温度的季节性波动是控制隧道纵向温度分布的重要因素[12]。围岩中水的冻结和迁移会影响隧道温度场[13]。在围岩水分分布方面，地下水的储存状态和迁移模式对冻害有显著影响[14]。当围岩中水分温度低于0°C时，岩中的水发生冻结，导致体积膨胀约9%，对围岩颗粒施加压力，破坏岩颗粒间的胶结，引起岩颗粒位移甚至破裂变形，并改变孔隙结构[15]、[16]、[17]。相关研究发现，在隧道冻融循环过程中，围岩内部存在水分迁移现象。水分迁移使得冻融作用对隧道造成的破坏更加复杂和严重[18]。不同的含水率及水分再分布对隧道冻害程度有不同的影响。总体而言，围岩含水率增加会加剧隧道冻害[19]。在围岩冻胀敏感性方面，学者们研究了隧道冻害与岩体破碎程度的关系，并提出了四种隧道冻胀破坏理论，包括冻害岩体整体冻胀理论[20]、衬砌背后局部储水冻胀理论[21]、围岩裂隙水冻胀理论[22]以及含水风化层冻胀理论[23]。这些冻胀理论的适用性各不相同。冻害岩体整体冻胀理论适用于松散软弱围岩，但不适用于硬岩隧道。含水风化层冻胀理论适用于冻害沿隧道侧壁分布的情况。衬砌背后局部储水冻胀理论适用于因隧道施工技术不佳导致隧道开挖面不平整、衬砌结构不均匀、防水板铺设不当以及喷射混凝土和防水板铺设不平整等情况。在冻胀力作用下，围岩不可避免地遭受破坏，直接引起岩体内部孔隙或裂隙结构的变化，显著影响其物理力学性能[24]，而这些破坏反过来又会影响隧道的冻胀。在隧道冻害评估方法方面，学者们基于上述三个基本条件提出了各种冻害评估模型[25]、[26]、[27]。例如，罗等人[28]根据气候和地下水对冻害的影响将隧道冻害分为5个等级，高[29]也根据最冷月平均气温和冻结深度将隧道冻害分为5个等级。如我们所知，隧道冻害表现出明显的区域特征、位置特征和差异，不同的气候条件、地形条件和围岩条件会导致冻害的特征和严重程度各异。然而，上述关于隧道冻害基本因素和冻害评估方法的研究均针对特定隧道开展。仅关注单条隧道的研究成果不足以全面反映不同气候、地形和围岩条件下冻害的共同规律和个体差异。此外，所提出的冻害评估方法在应对复杂环境时缺乏通用性和适用性。
本研究基于大量寒冷地区冻害隧道数据，全面调查了冻害的分布特征与类型。随后，分析了冻害类型与影响因素之间的内在关系。最后，建立了寒冷地区隧道冻害预测模型，并对吉图珲客运专线隧道的冻害进行了预测。本研究可为后续寒冷地区隧道冻害机理研究和制定有效的防冻措施提供重要依据。
分节摘要
研究对象
图1展示了中国寒冷地区冻害隧道的分布情况。冻害隧道主要分布在青藏高原、东北地区以及新疆北部。青藏高原平均海拔超过4000米，其特点是高海拔地形、空气稀薄、气候严寒、太阳辐射强烈以及散热迅速[30]、[31]。青藏高原覆盖着广泛的冻土，冻土的类型、温度和厚度在不同地区差异很大。
冻害隧道的分布特征
如图1所示，冻害隧道主要分布在东北地区、青藏高原以及新疆北部。冻害隧道的分布模式与隧道所在地的气候和水文地质条件密切相关，这些条件为隧道冻害的发生创造了必要条件。
中国东北位于欧亚大陆东部，是高纬度地区[42]、[43]，如图3所示。一方面，它靠近
结论
通过分析大量寒冷地区冻害隧道，明确了冻害隧道的类型与比例、分布特征及影响因素。构建了冻害预测模型并通过实际案例进行了验证。结论如下：
（1）中国冻害隧道主要分布在东北地区、青藏高原以及新疆北部。衬砌渗漏水和积冰是最突出的
CRediT作者贡献声明
罗晓晓：撰写——初稿、方法论、形式化分析、概念构思。赖远明：撰写——审阅与编辑、方法论、形式化分析。徐志达：撰写——初稿、调查研究、形式化分析。丁小兵：撰写——审阅与编辑、验证。潘栋：调查研究。曾硕涵：调查研究。马钦国：撰写——审阅与编辑、方法论、形式化分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：U2268215、42671165和42501162）、亚热带建筑与城市科学国家重点实验室（编号：2023ZB13）、山区桥梁与隧道工程国家重点实验室、重庆交通大学（编号：SKLBT-2309）、广东省基础与应用基础研究基金（编号：2024A1515030027）以及广东省现代土木工程技术重点实验室（编号：2021B1212040003）的资助。
罗晓晓|赖远明|徐志达|丁小兵|潘栋|曾硕涵|马钦国
