随着“一带一路”战略的兴起,寒区高速铁路隧道越来越多,寒区隧道冻害问题越发普遍。目前防寒设计多以经验为主,没有形成明确的隧道寒区划分标准,无法准确把握寒区隧道洞内温度场规律,更未掌握高速列车风对寒区隧道温度场的影响。为此,开展’寒区高速铁路隧道温度场理论与保温技术研究”,通过寒区隧道冻害调查、现场实测、理论分析和室内模型试验等综合手段,取得如下研究成果:(1)调研分析156座寒区隧道冻害调研资料,将隧道寒区划分为高纬度地区和高海拔地区,并以最冷月平均气温和冻结深度作为寒区隧道亚区的划分依据,对寒区进一步划分5个亚区。依据冻害调研资料,得到不同分区设防长度与最冷月平均气温之间的关系曲线,并采用等效厚度换算法,推导保温层厚度的计算方法。寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段,若环境气温低、围岩初始地温低、列车运行速度快或每日运行列车对数多,长大隧道需要全隧道防寒。目前常规保温层最佳适用范围为最冷月平均气温为-5℃ 15 ℃的地区;最冷月平均气温在-15 ℃以下地区,建议对洞内环境气温低于-15 ℃的区段采取其它主动保温措施。(2)研发寒区高速铁路隧道温度场模型试验系统,该装置包括模型高速列车驱动系统、冷空气温度调控系统、围岩温度(地温)调控系统、风速和温度测试系统及隧道模型。基于寒区高速铁路隧道温度场模型试验系统,研究不同试验时间、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高速铁路隧道温度场的变化规律。试验结果表明,洞外气温每降低5 ℃,洞内气温负温长度平均增加104 m;围岩地温每升高5 ℃,洞内气温负温长度平均减少145 m(不考虑自然风的影响);当列车运行间隔短于15 min时,隧道内气温变化幅度明显增大,洞内气温负温长度明显增加。因此,寒区高速铁路隧道应考虑列车行车间隔对保温设防长度的影响。(3)采用叠加原理、分离变量法和贝塞尔特征函数建立列车风影响下寒区隧道温度场的计算模型,得到列车风影响下寒区隧道洞内空气温度场解析解,为后文数值计算时设置洞内空气温度边界条件提供依据。采用Fluent软件,建立流体和固体耦合瞬态热传导计算模型,分析不同自然风速、洞外气温、围岩地温条件下寒区隧道洞内空气温度场变化规律,并将计算结果与寒区高速铁路隧道温度场试验数据进行对比分析。其它条件不变时,自然风速每增加1 m/s,相同位置处洞内空气温度平均下降1.4 ℃,隧道进口的空气温度曲线向出口方向偏移133 m,隧道出口的空气温度曲线向进口方向偏移48 m;洞外气温每降低5 ℃,相同位置处洞内空气温度平均下降1.68 ℃;围岩温度每升高5 ℃,相同位置处洞内空气温度平均上升2.9 ℃。(4)采用Ansys建立三维温度场分析模型,通过对比不同长度隧道的温度场分布规律来确定出合适的模型长度,通过对比不同天数下隧道的温度场分布规律来确定出合适的模拟计算的时间。最终以3 000 m长隧道、40 d的模拟计算时间为基础,研究不同气温、不同地温条件下,有、无保温层的围岩的温度场分布规律,并对保温层的适用范围以及保温效果进行分析评价。(5)提出一种新型节能的寒区高速铁路隧道洞口热幕保温系统,该系统可根据外部环境来自动调节空气幕工作,有效减少进入隧道内的冷空气量及升高隧道内空气的温度,且不影响正常行车安全;50 m的保温空气幕联合1 050 m的保温层可以满足外界气温为-30℃、围岩地温为5 ℃、列车运行速度为300 km/h、列车运行间隔为10 min这种极端情况下寒区隧道的保温需求。(6)为了研究寒区隧道衬砌背后积水位置不同时结构的受力变化规律和破坏形式,开展寒区隧道衬砌结构冻胀力的室内模型试验。为了分析冻胀力影响下寒区隧道衬砌结构安全性,研发寒区隧道衬砌结构安全性分析软件,并采用该软件开展了极限状态法衬砌结构安全性、衬砌结构可靠度及围岩注浆效果分析。(7)依据冻害调研资料,以温度条件、水文条件、围岩条件和工程措施这4个最基本的影响因素为准则层,采用模糊综合评判法建立二级模糊综合评判模型,并采用层次分析法对各因素的权重进行分析,建立寒区隧道冻害评价技术体系。