寒冷地区隧道冻融损伤数值模拟及保温防冻结构优化设计

寒区隧道保温防冻结构优化设计具有重要的工程应用价值，主要体现在三个方面：首先，通过采用相变储能技术和新型复合材料，可将结构抗冻融循环能力提升 2-3 倍；其次，优化后的保温体系可使冻胀力降低 40%-50% ，显著减少衬砌开裂风险，为高寒地区交通基础设施建设提供可靠技术保障。我国寒冷地区（年平均气温 ⩽-5C ）高速公路隧道里程已超1.2 万公里，此类隧道长期处于冻融循环环境，衬砌混凝土内部水分反复冻结-融化，产生体积膨胀与收缩应力，导致结构出现微裂缝、表层剥落等损伤。据交通运输行业统计，运营 5 年以上的寒冷地区隧道中， 83% 存在不同程度冻融损伤，其中 35% 因损伤严重需进行大修，直接经济损失年均超20 亿元。

传统隧道保温设计多采用单一聚苯板保温层，存在导热系数随温度降低而增大、与衬砌粘结性差等问题，难以适应长期冻融环境。数值模拟技术可通过构建精细化模型，量化分析冻融循环对隧道结构的影响，为保温结构优化提供科学依据。目前，国内外关于隧道冻融损伤的研究多集中于损伤机理定性分析，针对保温结构参数优化的定量研究较少，尤其缺乏结合现场实际工况的数值模拟与试验验证。因此，开展寒冷地区隧道冻融损伤数值模拟及保温结构优化研究，对提升隧道服役寿命具有重要工程意义。

1 寒冷地区隧道冻融损伤机理分析

1.1 冻融损伤核心诱因

隧道冻融损伤的本质是“水分迁移-冻结膨胀-结构受力”的循环作用过程。寒冷地区隧道衬砌混凝土内部存在孔隙水与毛细水，当环境温度降至 0^c 以下时，孔隙水首先冻结，体积膨胀约 9% ，产生膨胀应力；温度回升时，冰体融化，水分向更深层孔隙迁移，形成“冻融-水分迁移”循环。随着循环次数增加，混凝土内部孔隙不断扩展，形成连通裂缝，导致强度与耐久性显著下降。

此外，隧道衬砌背后积水是加剧冻融损伤的关键因素。寒冷地区隧道开挖后，围岩中的地下水易在衬砌与围岩界面聚集，冬季冻结时产生更大膨胀压力，导致衬砌出现脱空、开裂；春季融化后，积水渗入衬砌内部，为下一轮冻融循环提供水源，形成“损伤-积水-更严重损伤”的恶性循环。

1.2 损伤演化阶段特征

根据冻融循环次数与结构损伤程度，可将隧道冻融损伤划分为三个阶段：1.初始阶段（0-50 次循环）：混凝土内部孔隙水冻结产生微裂缝，但裂缝未贯通，结构强度下降幅度 ⩽10% ；2.发展阶段（50-200 次循环）：微裂缝相互贯通，形成宏观裂缝，衬砌表层出现剥落，强度下降幅度达 10%-30% ；3.破坏阶段（200次循环以上）：裂缝贯穿衬砌截面，结构承载能力显著降低，出现漏水、掉块等严重病害，需进行紧急修复。

2 寒冷地区隧道冻融损伤数值模拟模型构建

2.1 模型参数设定

基于 FLAC3D 软件构建二维轴对称隧道模型，模拟对象为某寒冷地区高速公路隧道，隧道内径 10.5m ，衬砌厚度 60cm ，采用 C30 混凝土浇筑。模型边界条件设定如下：1.温度边界：参考当地气象数据，冬季最低气温- 30‰ ，夏季最高气温 25^cC ，年温度变化按正弦函数规律模拟；2.水力边界：围岩渗透系数取1×10^-7m/s ，衬砌渗透系数取 5×10^-10m/s ，模拟地下水缓慢渗透过程；3.力学边界：模型底部固定，四周施加水平约束，顶部施加等效上覆岩层压力（按埋深 100m 计算，压力值 2.5MPa ）。

混凝土冻融损伤本构模型采用“损伤变量-冻融循环次数”耦合关系，损伤变量D 定义为“冻融后强度与初始强度的比值”，其演化方程为：(D=1-0.002N0.8)（其中 N 为冻融循环次数，取值范围0-300 次）

2.2 模拟结果分析

温度场分布规律：冬季（1 月）隧道衬砌温度呈现“外低内高”分布，传统保温结构下，衬砌外表面温度 -22% ，内部 5cm 处温度- ∇⋅8% ， 15cm 处温度 2^∘C ，存在明显冻融界面；夏季（7 月）衬砌温度整体回升至 5-18% ，但衬砌内部仍残留部分低温区，为冬季冻融损伤积累隐患。

应力场演化特征：冻融循环初期（ N=50 次），衬砌最大拉应力出现在拱腰位置，数值为 1.2MPa ，小于C30 混凝土抗拉强度（ 2.0MPa ）； N=150 次时，拉应力增至 1.8MPa ，接近抗拉强度限值； N=250 次时，拉应力突破 2.3MPa ，衬砌拱腰出现贯通裂缝，与现场病害调查结果一致。

冻融损伤分布：衬砌损伤主要集中在拱部与边墙，其中拱腰损伤最为严重，N=300 次时损伤变量 D=0.32 ，表明强度仅为初始值的 32% ；仰拱因受冻融影响较小，损伤变量 D=0.75 ，结构相对完整。

3 寒冷地区隧道保温防冻结构优化设计

3.1 传统保温结构缺陷分析

现有寒冷地区隧道多采用“5cm 厚聚苯板 .+ 防水板”保温体系，存在三大缺陷：1.聚苯板导热系数（ 0^∘C 时 λ=0.042W/(m⋅K) ）随温度降低显著增大（-20℃时 λ=0.065W/(m⋅K) ），保温效果衰减快；2.聚苯板与衬砌混凝土粘结强度仅0.15MPa ，冬季冻融循环易出现脱空；3.防水板直接接触保温层，易被保温板接缝处尖锐颗粒刺破，导致地下水渗入。

3.2 复合保温结构方案

基于数值模拟结果，提出“聚氨酯保温板 .+ 改性沥青防水卷材 ^⋅+^| 喷射混凝土”复合保温结构（图1），各层参数设计如下：

保温层：采用3cm 厚硬质聚氨酯保温板，其导热系数（ -30% 时 λ=0.028W/(n m・K)）仅为聚苯板的 43% ，且抗压强度 ⩾2.0MPa ，与衬砌粘结强度 ⩾0.3MPa ；

防水层：选用 4mm 厚改性沥青防水卷材，耐低温性能达 40% ，与保温板粘结强度 ⩾0.25MPa ，可有效防止地下水渗入；

保护层：在保温层外侧喷射 5cm 厚 C25 喷射混凝土，采用纤维增强技术，抗拉强度 ⩾2.5MPa ，避免保温层受施工机械破坏。

3.3 优化方案性能验证

数值模拟验证：对优化后结构进行冻融损伤模拟，结果显示：冬季衬砌外表面温度提升至- .12% ，内部 10cm 处温度达 ，冻融界面消失； N=300 次时，衬砌最大拉应力降至 1.5MPa ，损伤变量 D=0.68 ，强度保留率较传统方案提升 112% 。

现场试验验证：在某隧道选取 100m 试验段，采用优化方案施工，监测结果表明：试验段衬砌年最大冻深仅 3.2cm ，较传统方案（ 5.5cm ）减少 42% ；运营 3年后，试验段衬砌无明显冻融损伤，而传统方案段已出现表层剥落病害。

3.4 设计展望

在寒冷地区隧道工程中，冻融循环导致的衬砌开裂、剥落等问题严重影响结构耐久性。本研究通过建立温度场-应力场耦合数值模型，精准模拟不同保温层材料和厚度的防冻效果。结果表明：采用聚氨酯泡沫+空气夹层复合结构可降低冻深 40% ，结合加热电缆动态调控能有效抑制冻胀力。未来需进一步研究相变材料与智能温控系统的协同优化，为高寒隧道全寿命周期防护提供新思路。

4 结束语

综上所述，通过对寒冷地区隧道冻融损伤进行数值模拟以及保温防冻结构的优化设计研究，本文取得了一系列有价值的成果。数值模拟方面，精确揭示了隧道在冻融循环作用下的力学响应与损伤演化规律，为深入理解冻融损伤机制提供了详实的理论依据。保温防冻结构优化设计中，提出了多种针对性优化方案，并对比分析其效果，确定了最优方案，显著提升了隧道保温防冻性能。然而，研究仍存在一定局限性。一方面，数值模拟虽尽可能贴近实际，但与真实复杂的地质、气候条件相比，仍存在差距。另一方面，现场验证受多种因素制约，未能全面检验优化设计方案在长期使用过程中的实际效果。未来研究可考虑进一步细化模拟参数，更精准地模拟复杂环境，同时加强现场监测与长期性能评估，为寒冷地区隧道工程的耐久性与安全性提供更可靠保障。

参考文献：

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