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第一章1、 隧道力学：是岩土力学的一个重要组成部分。
其所采用的数值方法与结构物的周围环境、 施工方法等因素息息相关。
研究范围：隧道围岩的工程地质分级；隧道和地下结构物的静力分析和动力分析；现场测试和室内模型试验与数值方法的相互验证及参数获取；岩土物理力学性质和本构关系的研究2、 隧道与地下结构设计模型：经验法、收敛—约束法、结构力学法、连续介质法第二章相应减少，同时还能够保证较高的计算精度1、对原结构可采用不规则单元，真实模拟复杂的边界形状。
2、建立一基准单元：通过简单变化，能代表各类曲边、曲面单元，且完全不影响单元的特性计算；或不规则单元变换为规则单元，从而容易构造位移模式。
3、引入数值分析方法，对积分做近似计算。
在基准单元上实现规则化的数值积分，可使用标准数值计算方案，形成统一程序。
等参变换条件：如果坐标变换和未知函数（如位移）插值采用相同的节点，并且采用相同的插值函数。
第三章1.非线性问题：采用数值方法分析结构时，离散化后得到代数方程组：KU+F=0，当总刚度矩阵K 中的元素k ij 为常量时，所代表的的问题为线性问题，当k ij 为变量时，则式为非线性方程组，它所描述的问题为非线性问题。
材料非线性：指的是当应力超过某一限值后，应力与应变的变化不成线性关系，但应变与位移的变化仍成线性关系。
几何非线性：指的是当应变或应变速率超过某一限值以后，应变与位移的变化不成线性关系，但应力与应变的变化仍成线性关系。
有些情况下，非线性问题即包括材料非线性又包括几何非线性的特征。
2.非线性问题的四种求解方法直接迭代法 ：① 给定初值0x 、计算精度； ② 用迭代格式()1k k x g x +=进行迭代计算； ③ 判断迭代结果是否满足收敛判据，如果满足，终止计算并输出结果，否则返回步骤②。
特点：适用于求解很多场的问题，但不能保证迭代过程的收敛。
牛顿法—切线刚度法：使用函数f(x ）的泰勒级数的前面几项来寻找方程f(x) = 0的根。
第一章隧道应力集中系数与矢跨比的数值模拟研究3.1引言矢跨比是指隧道高度与宽度的比值，现有的公路隧道，在两车道情况下，矢跨比约为0.85；在三车道情况下约为0.65；四车道隧道矢跨比约0.55。
随着矢跨比的减小，开挖后的应力重分布状态变差，需要对大断面隧道洞室的次生应力场进行深入研究，以确定隧道设计时的应力场分布。
对于大断面隧道，降低矢跨比会带来直接的经济效益，但对结构的设计和施工会出现新的技术问题，即隧道开挖后围岩拱部土体在自重应力场作用下向洞内移动，并导致两侧土体受压，反映在洞周位移上,拱顶下沉要远大于水平收敛位移，由此而导致支护结构体系的破坏，与矢跨比较大的单线隧道、双线隧道有所不同。
因此，四车道公路隧道的荷载条件是相当复杂的。
由于四车道公路隧道在我国尚处于起步研究阶段，因此在设计理论与施工工艺上只是借鉴三车道公路隧道的建设方法，目前没有统一的标准执行。
过去的隧道设计大多数是建立在反复的计算反演分析的基础上，大断面隧道的设计，因为考虑到经济效益，大断面隧道一般都做成宽度加大，高度不变的扁平拱形结构，这样使得围岩开挖应力的重分布变化复杂了，因此对支护参数的要求相对较严格，如何来控制隧道合理的矢跨比成为大断面隧道设计中关键的问题之一。
由于上覆岩石的重量和可能的原始构造应力使深层岩石总是处于受力状态之下。
当在其中修建地下洞室时，会使围岩产生应力重分布，而当应力超过其强度时，岩体就会破坏。
从这个角度考虑，可以把洞室的设计问题归结为计算洞室的应力集中及其对围岩特性的影响，而矢跨比对洞室的应力集中会产生很大的影响。
张丙强错误！未找到引用源。
基于弹塑性有限元原理，对大断面隧道硐室在简单二维应力场下的应力集中系数的分布进行了分析，并对硐室周边最大应力集中系数随矢跨比的变化进行了讨论，得出应力集中系数的分布情况。
本章首先对几个经典的断面形状进行比较，再对五心圆断面隧道的应力集中系数作进一步的分析。
3.2断面形状比较3.2.1圆形断面洞室线弹性分析如图3—1所示的圆孔周围的应力已由Panck(1951)、Denkhaus(1958)和Obert(1960)等人进行了详细的研究。
小坝田隧道台阶法施工数值模拟分析的开题报告一、选题背景及研究意义：小坝田隧道是沟口山隧道群中的一条隧道，总长度为7708.2m，施工过程中遇到了土层松软、含水量大、地应力较高等难题。
施工过程中，采用了许多优秀的工程技术，如冻结法、台阶法等，其中台阶法在施工中发挥了重要的作用。
现有的关于小坝田隧道的研究多为工程实践经验，对台阶法这种常用的支护技术缺乏较为深入细致的探讨，本文将通过数值模拟的方法对小坝田隧道台阶法进行深入研究，为隧道的安全顺利施工提供理论支撑，同时对类似的隧道工程在使用台阶法时提供参考。
二、研究内容：本文将通过数值模拟的方法对小坝田隧道的台阶法施工进行分析。
具体内容包括以下几个方面：1. 地质条件分析：包括分析小坝田隧道所处地质情况及隧道施工时可能遇到的问题。
2. 台阶法支护工程原理和参数分析：介绍台阶法的工程原理和支护参数，并利用有限元软件进行数值模拟。
3. 数值模拟分析：利用有限元软件对小坝田隧道的台阶法施工进行数值模拟分析，预测变形量、应力和围岩稳定性等问题。
4. 结果分析和比较：通过对模拟数据的分析，比较不同参数使用台阶法支护隧道的差异，总结出最佳方案。
三、研究方法：本文采用数值模拟的方法进行分析，具体步骤包括以下几个方面：1. 将小坝田隧道的地质情况进行细致调查，收集工程实践的数据，获取台阶法支护参数。
2. 基于有限元软件，建立小坝田隧道的三维结构模型。
3. 将台阶法支护参数带入数值模拟中，模拟施工过程，通过计算分析隧道围岩内力变化情况，以及变形量、应力等数据。
4. 通过对模拟结果的分析，对小坝田隧道的台阶法支护方案进行改进，并与其他支护方式进行对比分析。
四、预期结果：通过数值模拟分析，本文将得出以下结论：1. 定量描述小坝田隧道施工过程中的应力、变形等问题。
2. 给出小坝田隧道台阶法支护的最佳参数方案，为隧道施工提供参考。
3. 为类似工程中台阶法支护的设计、施工以及隧道稳定性评估等提供理论依据。
第七章Ⅲ级围岩隧道不同支护方式的效果分析本章主要针对Ⅲ级围岩三车道隧道下的不同支护方式效果进行分析，具体建立2四个隧道轴向51米、埋深150m的模型：平底隧道模型1、仰拱隧道模型2、平底隧道拱脚设条形基础模型3和平底隧道拱脚设支撑横梁模型4，对这四种情况进行数值模拟计算，具体研究以下几个方面的支护效果：1. 围岩位移场分析：主要是竖向位移；2. 围岩应力场分析：主要是竖向应力和水平应力；3. 围岩塑性区范围；4. 支护结构的内力：锚杆轴力、二次衬砌的受力、梁结构受力。
7.1 竖向位移分析7.1.1 平底隧道模型1和仰拱隧道模型2分析隧道开挖支护过程在不同程度上不可避免地会对围岩产生不同程度的扰动和破坏，从而引起位移场的变化，因此，能够时刻了解围岩的变形情况对于保证施工安全、避免工程事故都具有重要的指导作用。
数值模拟研究中常常会把围岩变形情况作为判断围岩稳定性的重要依据。
本节给出围岩在不同支护措施(模型1和模型2)情况下隧道最终开挖支护完成后的目标断面横断面竖向位移云图，如图7.1所示。
（a）模型1横断面竖向位移云图（b）模型2横断面竖向位移云图图7.1 目标横断面竖向位移云图由图7.1，不论是平底隧道还是仰拱隧道，洞室周边均表现为拱顶下沉，隧道底部突起，边墙向洞外扩散，并且仰拱隧道底部最大拱起值范围及其微小。
从整体来看，拱顶部位和隧道底部、拱脚处是施工的主要控制部位，必要时应进行局部防护。
图7.1（a）图目标断面y=23.5m处的最终竖向位移的最大沉降值发生在拱顶衬砌及以上部分围岩，最大值为-2.6706mm，隧道底部中心线附近的岩体产生了位移拱起，最大拱起值达到2.3172mm。
图7.1（b）图中显示的目标断面最终拱部衬砌及以上围岩竖向最大沉降值为-2.6718mm ，底部围岩最大竖向拱起值为2.2605mm。
由此可知，仰拱与平底隧道相比，由于仰拱隧道整体性相对较好，其底部最大竖向拱起值减少2.5%，因此能够较好地抵抗隧道底部围岩的拱起变形；但是仰拱在抵抗隧道拱顶下沉变形的方面作用不太好，沉降值基本相同，说明仰拱的主要优势在于抑制底部受力变形。
基于ANSYS的寒区隧道保温层研究分析董锐哲【摘要】以某寒区隧道工程为依托,为了对该工程保温设计进行验证,对以后类似工程的保温设计提供参考,采用了理论与实践相结合,通过ANSYS软件计算的模拟数值和实际数据的对比分析,验证了不同保温方式的保温效果,并且数据对比表明,结合防水层,将保温层设置在二次衬砌外侧是合理有效的,同时对实际与理论数据差异进行分析为以后隧道温度数值模拟提供了新的想法.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2013(035)012【总页数】4页(P116-119)【关键词】ANSYS;寒区隧道;保温层【作者】董锐哲【作者单位】东北林业大学,哈尔滨150040【正文语种】中文【中图分类】U450 引言随着隧道建设越来越受瞩目，关于隧道建设的新技术不断涌现，但却缺乏对温度场研究，导致很多隧道产生冻害，严重影响隧道的使用寿命及安全性能［1－3］，因此，分析施工中的温度场变化是十分必要的，更应进一步验证寒区隧道保温技术的合理性［4－6］。
本文依托某隧道工程，对隧道开挖和运营时的围岩温度场进行了监控，首次在进行隧道模型温度荷载的确定时拟根据现场实际量测的大气温度拟合温度变化曲线，得出温度变化与时间的数学函数;根据大气温度拟合函数和隧道内温度与大气温度变化数序函数确定隧道内温度变化函数，建立隧道围岩的温度场模型，在理论数据的基础上对实际情况进行分析;通过模拟隧道不同的保温方式，对其效果做出评价;也对实际数据和理论数据的差异进行了分析研究，不仅证明了该工程保温设计的科学性，还为以后隧道数值模拟的完善提供了新的想法。
1 工程概况工程隧道位于东北寒区，总长720m，为双向三车道，建筑限界宽12.5m，高5m，行车道横坡度采用双向1.5%;保温层为40mm厚PU硬质聚氨酯泡沫板，设置在二次衬砌外侧。
2 隧道模型建立的初始条件和荷载模拟根据某隧道工程工程设计说明和当地多年的气象资料，本模型采用的物理学及热力学参数见表1。
1.1 工程概况川藏公路二郎山隧道位于省天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段, 东距约 260km , 西至约 97 km , 这里山势险峻雄伟, 地质条件复杂, 气候环境恶劣, 自然灾害频繁, 原有公路坡陡弯急, 交通事故不断, 使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道, 严重影响了川藏线的运输能力, 制约了川藏少数民族地区的经济开展。
二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+ 560 (K256+ 560)处回头, 沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞, 穿越二郎山北支山脉——干海子山, 于泸定县别托村和平沟左岸出洞, 跨和平沟经别托村展线至K2768+ 600 (K265+ 216) 与原川藏公路相接, 总长 8166km , 其中二郎山隧道长4176 m , 别托隧道长104 m ,改建后可缩短运营里程2514 km , 使该路段公路到达三级公路标准, 满足了川藏线二郎山段的全天候行车。
1.2 工程地质条件地形地貌二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。
隧道中部地势较高。
隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。
由于区地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。
隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。
主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的 " v 〞型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。
水文气象二郎山位于盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。
由于山系屏障,二郎西两侧气候有显著差异。
东坡潮湿多雨,西坡枯燥多风,故有 "康风雅雨〞之称。
全年分早季和雨季。
夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中；冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。
1.工程概况1.1概况BENTONG 3# TUNNEL为双线单洞隧道，隧道起止里程CH482+217-CH482+839，隧道全长622m，隧道纵坡为-3‰。
最大埋深为72m，最小埋深为1.49m。
围岩等级按Q值分级，本隧道围岩主要包括Q≤0.1、1＜Q≤10两个个等级，其中1＜Q≤10级围岩段长度225m，所占比例为36.2%； Q≤0.1级围岩长度为343m，所占比例为55.1%。
明挖段长度54m，占比8.7%。
CH482+315-CH482+375段为偏压浅埋冲沟段，隧道埋深仅为1.49m，施工安全风险大，设计采用CRD法进行开挖，采用“Φ89mm洞身中管棚+Φ42mm小导管”超前支护和“I20a+格栅”双层钢架初支加强支护方案。
进出口端洞门均为斜切式洞门。
隧道洞口段超前支护形式均为大管棚+小导管支护，管棚为Φ108*5mm的无缝钢管，小导管为Φ42*3.5mm的无缝钢管。
Q≤0.1级围岩的主要开挖形式为三台阶加临时横撑法、三台阶法和CRD法，1＜Q≤10级围岩段主要开挖方法为台阶法。
图1-1 隧道地层1.2工程与水文地质隧址区地层主要为第四系上更新统(Q3el+dl)砂砾石土、粉质粘土，下伏地层为泥盆纪(D)砂岩，产状为147°∠64°。
粉质粘土：黄褐色，硬塑状，土质不均匀，含有大量砾石。
中砂：棕黄色，细圆形砾石土，灰褐色，密实而饱和。
砂岩：灰褐色，全风化~中等风化，节理裂隙发育，岩体较为破碎。
隧道洞身主要穿越强风化砂岩地层。
隧道范围内有地表水出露，地下水以第四纪孔隙、潜水和基岩裂隙为主。
隧道围岩裂隙发育，受雨季地表水入渗，涌水量可能会增加。
正常涌水量为682.4 (m3/D)，最大涌水量为9778.1 (m3/D)。
1.3不良施工条件（1）围岩级别及工法变更频繁隧址区上覆坡残积粉质粘土，下伏砂岩泥岩互层、砾岩。
全隧主要以Ⅲ、Ⅴ级围岩为主，且全线不同级别围岩交替变化频繁，主要施工工法为三台阶加临时横撑、台阶法工法转换较多，围岩变形失稳、坍塌风险较高。
寒区隧道温度场及保温隔热层研究寒区隧道是冬季交通运输的重要通道，然而，由于寒冷气候的影响，隧道内温度场分布不均，导致隧道壁面结冰、潮湿等问题，严重影响隧道的安全性和通行效率。
因此，针对寒区隧道温度场及保温隔热层的研究具有重要意义。
本文旨在探讨寒区隧道温度场的分布特征，并研究保温隔热层对隧道温度的影响，为寒区隧道的安全运行提供理论支持。
寒区隧道温度场的研究一直是工程界的热点问题。
国内外学者通过理论分析、数值模拟和实验研究等多种方法，对寒区隧道温度场的分布特征和影响因素进行了深入研究。
在保温隔热层方面，研究主要集中在材料的选择和优化、施工工艺及保温效果的评估等方面。
然而，已有研究多于隧道内部温度场的分布和变化规律，对保温隔热层在实际工况下的长期性能和隧道内潮湿问题的研究尚不充分。
本文采用了实验研究和数值模拟相结合的方法，首先通过实验测试获取寒区隧道内外的温度数据，分析隧道内温度场的分布特征。
然后，建立数值模型，模拟不同工况下隧道内温度场的分布情况，进一步探讨保温隔热层对隧道温度的影响。
还对隧道内潮湿现象进行了观察和分析，提出相应的解决方案。
通过实验测试，我们获取了寒区隧道内外的温度数据，并分析了隧道内温度场的分布特征。
结果表明，隧道内温度分布不均，存在明显的温度梯度，且与隧道外的气温差异明显。
我们还发现隧道内湿度较大，容易导致结冰、潮湿等问题。
数值模拟方面，我们建立了数值模型，并模拟了不同工况下隧道内温度场的分布情况。
结果显示，添加保温隔热层可以有效降低隧道内温度波动，且随着保温层厚度的增加，保温效果越显著。
同时，数值模拟还表明，保温隔热层可以明显减缓隧道内潮湿现象的发生。
本文通过对寒区隧道温度场及保温隔热层的研究，得出以下寒区隧道内温度分布不均，存在明显的温度梯度，且与隧道外的气温差异明显。
隧道内湿度较大，容易导致结冰、潮湿等问题。
添加保温隔热层可以有效降低隧道内温度波动，且随着保温层厚度的增加，保温效果越显著。
巴朗山隧道保温层设计参数数值模拟分析 张鹏飞，陈子龙 （西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都６１００３１）
【摘要】 为了确定巴郎山隧道防冻保温材料设计参数，通过有限元数值模拟对隧道温度场分布情况 进行了计算。计算结果表明：隧道开挖后若不铺设防冻保温材料，隧道围岩会产生冻害；当防冻材料选用硅 酸铝纤维保温板，铺设厚度达到５ ｅｍ时，－－Ｊ－ｖ；￣有效地防止隧道洞１：２处衬砌及围岩产生冻害。 【关键词】 寒区隧道；保温材料；设计参数；数值模拟
【中图分类号】Ｕ４５２．２ ５ 巴朗山隧道工程起止点与省道３０３线相连，隧道全长约 ７．９ ｋｍ，进口端海拔３ ８４９ ｍ，出口端海拔３ ８５２ Ｉｎ，属于中低 纬度高海拔寒冷地区。由于隧址区附近海拔较高，气候条件 恶劣，气温年较差小，Ｅｔ较差大，积雪及结冰Ｅｌ期较长，若不 采取保温措施，隧道将产生冻害，影响隧道的行车安全。目 前我国对于高寒区隧道冻害防治措施主要有加强排水、铺设 保温层和设置防冻门等。在铺设保温层时，需要依据隧道温 度场分布情况对保温层的材料和铺设厚度等参数进行设计 选取。隧道温度场分布情况可以通过现场测量和数值模拟 计算这两种方法得到，前者由于设计时隧道还未修建，因此 测量结果往往滞后于工程设计，不能指导隧道的工程设计， 而后者可在隧道施工前进行，能够直接指导隧道的防冻保温 设计 。 近十年来，随着计算机数值模拟的快速发展，国内外许 多学者都对寒区隧道温度场及防冻效果的数值模拟方法进 行了研究，提出了多种多场耦合控制方程并建立了相应的温 度场计算模型。何川，张学富，张祉道，谭贤君等人 先后 建立模型对多座寒区隧道温度场分布及保温防冻措施效果 进行了数值模拟分析，取得了很多值得借鉴和引用的成果。 本文以在建巴朗山隧道为工程背景，根据隧道自身特征 并结合国内外数值模拟研究成果，建立有限元模型对巴郎山 隧道防冻保温层材料选取及设计参数进行了数值模拟分析， 为隧道防冻保温设计提供了合理的依据。 １ 工程背景 １．１巴郎山隧道工程概况 巴朗山隧道起于省道￥３０３线Ｋ９７＋７３０，设计高程 ３ ８４９．７９ ｍ，止于Ｋ１２５＋７６０，设计高程３ ８５２ ｉｎ。隧道工程 全长约９．７３８ ｋｍ，其中新建隧道长约７．９４０ ｋｍ，最大埋深 ８７１ Ｉｎ。绕避了冰雪雾、滑坡、泥石流等自然灾害最严重、最 集中的巴朗山垭口路段。隧址区位于小金弧形构造带东段， 该构造带呈东西向展布，由一系列彼此协调紧密排列的弧顶 朝南的线状弧形褶皱组成，断裂构造不发育。其中隧道穿过 主要地层为三迭系中统杂谷脑组（Ｔ： ），岩性为石英砂岩、板 岩互层，砂、板岩厚度之比约８：２—７．５：２．５。 １２２ 【文献标志码】Ａ １．２隧址区气象条件 隧址区附近，年平均气温在１．８￣Ｃ左右，月平均气温１１ 月至次年３月均在０￣Ｃ以下，气候寒冷，长冬无夏。其中进口 端海拔３ ２００—４ ２００ ｍ范围，年平均积雪Ｅｔ数７０．９ ｄ～１１９．２ ｄ，最大积雪深度３５—４９ ｃｍ；出口端海拔３ ２００—４ ２００ ｍ范 围，年平均积雪Ｅｌ数６５．５ ｄ～１１３．７ ｄ，最大积雪深度２Ｏ一 ３８ ｅｍ。 ２数值模拟计算参数确定 ２．１岩石热物理参数确定 建立数值模型时需要设置围岩的热物理参数。在巴郎 山隧道出口端现场收集砂岩和板岩岩块，在实验室把取得的 砂岩和板岩各制成６个直径１０ ｃｍ，高１０ ｅｍ的试件，进行室 内热物理参数测试。热物理参数测试采用的仪器为湘潭市 仪器仪表有限公司生产的ＨＡＤ—ＤＲＥ一２Ｃ导热系数测试 仪，该仪器基于ＴＰＳ瞬态平面热源技术，用Ｈｏｔ Ｄｉｓｋ作为探 头，可用于测量固体、粉末、涂层、薄膜、各向异性材料等的导 热系数、导温系数（热扩散系数）和比热。它的优点是可直接 测量热传播，不受接触热阻的影响，对于试验样品制样要求 较低。测得的砂岩和板岩热物理参数如表１所示。 表１岩石热物理参数表 比热 导热系数 样品名称 ／（ｋＪ・ｋｇ～・Ｋ ） ／（Ｗ・ｍ～・Ｋ ）
板岩 ０．３０８ ６．２３２４ 砂岩 Ｏ．１８４ ６．ｏｏ２３ ２．２保温防冻材料热物理参数 不同种类的保温材料由于材质的差异因而具有不同的 保温防冻性能，且在工程中的工程造价和施工便利性也并不 相同。为了给隧道保温防寒设计提供合理的参数，对国内外 目前经常使用的４种保温隔热材料进行比选，包括硅酸铝纤 维板、聚乙烯保温板、聚酚醛保温板和聚氨酯泡沫保温板。 根据测定，各保温材料的热物理参数如表２所示。
［定稿日期］２０１３—０６—２７ 四川建筑第３４卷３期２０１４．０６ 表２ 防冻保温材料热物理参数 比热／ 导热系数／ 材料名称 （Ｊ・ｋｇ～・Ｋ一 ） （Ｗ・ｍ ・Ｋ ） 聚氨酯泡沫塑料 １．８４ ｘ１０ ０．０２９１７２ 聚乙烯泡沫塑料 １．７４ ｘ１０ ０．０２８８４６ 硅酸铝纤维板 １．７８ ｘ１０ ０．０２８１８５ 聚酚醛保温板 ２．０４ ｘ１０ ０．０３２６１３
２．３隧道围岩初始温度场确定 为得到隧道开挖前的围岩初始温度，在ＳＺＫ２钻孔中进
行了地温测试。该钻孑Ｌ里程为Ｋ１０２＋６００ ｍ，地面标高４ ２４１ ｍ，地温测试结果如表３所示。根据测试结果得出场地的地 温梯度约为２．１￣Ｃ／１００ ｍ，隧道最大深度约９００ ｍ，推测隧道 最深埋段地温约为２１．７℃，洞口端的围岩温度约为５．８℃。 表３ ｓＺｌ（２号钻孔地温测量成果表 测量温度／￣Ｃ 序号 测点深度／ｍ 第一次 第二次
１ ２．Ｏ ３．８ ５．２ ２ ２Ｏ．Ｏ ３．４ ３．５ ３ ４０．０ ３．６ ３．６ ４ ６ｏ．０ ３．９ ３．９ ５ ８Ｏ．０ ４．２ ４．２ ６ １００．０ ４．７ ４．６ ７ １２０．０ ５．１ ５．１ ８ １４０．０ ５．４ ５．４ ９ ｌ６０．０ ５．８ ５．９ １０ １８０．Ｏ ６．３ ６．３ １１ ２０ｏ．Ｏ ６．７ ６．８ １２ ２２０．０ ７．２ ７．２ ｌ３ ２４０．Ｏ ７．６ ７．７ １４ ２６０．Ｏ ８．１ ８．２ １５ ２８０．０ ８．６ ８．６ １６ ３ｏｏ．０ ９．Ｏ ９．１ １７ ３２０．０ ９．４ ９．５ １８ ３４０．０ ９．９ １０．０ ｌ９ ３６０．０ １Ｏ．４ １Ｏ．４ ２．４气温边界条件 根据阿坝州气象局提供的《省道３０３线巴朗山隧道气象 观测分析报告》中统计出隧道出口端的各月平均最低气温， 如图１所示。从图１中可以看出进出口两端的月平均最低 气温在ｌ０月至次年４月处于０￣Ｃ以下，且该温度曲线为极限 低温情况，因此在计算时候我们采用ｌ０月至次年４月的温 度曲线为依据，对数值模拟计算模型的气温参数进行设置。
３建立模型 ３．１计算模型 本文选取隧道洞口端作为研究对象，根据隧道横断面按 照１：１比例建立模型，隧道高７ ｍ，横向最宽处为９．２ ｍ。衬 砌厚度７０ ｃｍ，在计算保温层材料和厚度时候，还在衬砌的表 面设置保温层。模型外边界为半径Ｒ的圆形，在拱顶、边墙
ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｌＯ １１ １２ 月份
图１隧道洞口月平均最低气温 中部和仰拱上各设置一条测线，用于测量岩温变化情况。建 立的模型网格划分如图２所示。
仰拱测线 图２模型网格划分示意
３．２模型边界大小 在建立模型时其边界大小 如果过大，则计算时间和负 荷较大；Ｒ如果过小，则边界误差较大，计算结果不准确，因 此需要通过计算来确定合理的Ｒ大小。建立边界Ｒ分别为 １Ｏ一２５ ｍ的模型，选取极端最低温度一１６．１℃为气温边界， 计算极端最低气温作用３０ ｄ后隧道围岩的温度场分布情况。 计算得到围岩边界温度随ＪＲ变化的曲线，如图３所示。从图 中可以看出，随着Ｒ的增大，围岩边界温度也不断增大，当尺 为１６ ｍ时，围岩边界温度开始稳定保持不变，因此选择模型 边界 大小为１６ ｎｌ。
ｌ－３Ｏ １．２５ 赠１．２０ １．１５ １．１０
Ｒ／ｍ 图３ 围岩边界温度随Ｒ变化的曲线
四ＪＩｌ建筑第３４卷３期２０１４．０６ １２３
：２ ∞ ５ Ｏ ｍ ＿，爨 ４数值模拟计算分析 ４．１ 无保温层隧道模型数值模拟分析 隧道开挖后，山体内部原有的稳定热力状态被破坏，取 而代之的是以通风、对流等的新热力系统。受气候季节性变 化的影响，隧道周边围岩和衬砌温度随之变化。隧道围岩和 空气的热交换方式主要是热传导和热对流交换，因此建立空 气通风对流模型，计算分析开挖后的隧道围岩温度场情况。 根据２、３节中选定的参数建立模型进行数值模拟计算，计算 时间为１８０ ｄ，即月平均最低气温在Ｏｃｃ以下的１０月至次年４ 月。图４为开挖１８０ ｄ后隧道围岩温度场分布图，从图中可 以看出开挖１８０ ｄ后隧道围岩冻结深度已达到２．８１８ ｍ，隧 道围岩中必然将产生冻害问题，因此必须对隧道进行防冻保 温处理。
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：＾批ｓ ｓ ＾Ｔ ： 图４ 开挖１８０ ｄ后隧道围岩温度场等值线 ４．２不同保温材料数值模拟分析 不同的保温材料具有不同的热物理参数，因此保温效果 也各不相同，选择４种常见的保温材料进行防冻保温数值模 拟分析，并考虑到施工便利和经济因素，确定出适用于巴郎 山隧道的保温材料。对比的４种材料为硅酸铝纤维板、聚酚 醛保温板、聚乙烯泡沫板和聚氨酯泡沫板。选取距离隧道洞 口端为研究对象，建立相同保温层厚度的二维瞬态热传递模 型，计算结果如表４所示。从表４中可以看出，硅酸铝纤维 板的防冻保温性能最好，在拱顶位置，硅酸铝纤维板、聚酚醛 保温板和聚乙烯泡沫板这三种材料都可以满足防冻要求，在 边墙位置只有硅酸铝纤维板可以满足防冻要求。考虑到巴 郎山隧道为高海拔寒区特长隧道，因此隧道通风防火显得特 别重要，硅酸铝纤维板防火性能较好，常作为高温窑炉的热 面耐火材料，且施工方便，因此确定使用硅酸铝纤维板作为 巴郎山隧道的防冻保温材料。 表４不同保温材料二衬表面温度统计
二衬表面温度／℃ 材料名称 拱顶 边墙 仰拱 硅酸铝纤维板 ０．３Ｏ４９ ０．０７５ Ｏ．１８６７７ 聚乙烯泡沫塑料 ０．２１７６７ —０．０１４ ０．１８７３ 聚氨酯泡沫塑料 ０．１７９０３ —０．０５４ ０．１８６９ 聚酚醛保温板 一Ｏ．２３０ｏ８ —０ ４７５９ Ｏ．１８２２
４．３保温层厚度影响数值模拟分析 在保温防冻设计中保温层的厚度是很重要的参数，常常
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直接引用已建成的隧道保温层设计参数，但每个隧道的自身 气温和岩温都各不相同，在设计上难免产生保温层厚度过厚 或者过薄的情况，前者使得设计中出现浪费，很不经济；后者 则会使得保温防冻措施达不到预期效果，给隧道的安全带来 隐患。因此本文针对保温层厚度的影响进行了数值模拟分 析，确定出巴郎山隧道适合的保温层厚度。模拟时候保温层 材料选用硅酸铝纤维板，模型参数按照２、３节中的结论进行 设置。分别建立保温层厚度为３—７ ｃｍ的模型，计算隧道围 岩开挖１８０ ｄ后的温度场分布，并统计出各保温层厚度下二 衬表面的温度情况。 隧道拱顶二衬表面温度随保温层厚度变化曲线如图５ 所示，从图５中可以看出当保温层厚度达到４ ｃｍ时候，拱顶 二衬表面温度仍还在Ｏ￣Ｃ以下，当厚度达到５ ｅｎｌ时，拱顶二 衬表面温度约为０．３℃，达到０℃以上，满足防冻保温要求。
