为研究寒区隧道非冻土段在冻融循环条件下的底部融沉规律以及洞内不同的气温对隧道底部融沉变形的影响。利用温度场解析解确定非冻土段范围,采用有限元进行建模计算。计算结果显示:在冷空气作用下,原来处于非冻结状态的围岩开始发生冻结,并产生向上的冻胀位移,表层围岩的冻融位移最大,初期最大冻胀位移可达8 mm,随着洞内气温的周期性变化,底部围岩出现周期性的冻融,最大融沉位移逐年增加,第8年开始冻融变形达到稳定,最大融沉位移可达20.0 mm,冻胀位移则稳定在5 mm左右。总体来说,随着围岩温度周期性变化趋于稳定,其冻融位移的周期性变化也趋于稳定。在不同气温影响下,随着隧道进深的增加,隧道底部的最大冻胀位移和融沉位移均减小。
寒区隧道工程中,铺设隔热保温层可以减轻隧道冻害。隔热保温层的铺设位置不同,起到的隔热或保温效果也不同。采用有限元计算法对不同类型冻土中隔热保温层表面铺设、夹层铺设以及离壁式铺设下的围岩温度场进行了模拟,从隔热保温效果方面对3种隔热保温层铺设方式进行了对比。季节冻土受洞内与外界气温的双重影响,铺设隔热保温层无法阻止围岩冻融循环的产生;多年冻土中隔热保温层夹层铺设以及表面铺设隔热效果相差不大,但夹层铺设时,隔热保温材料遇水以及受挤压后隔热保温效果将降低,应优先采用表面铺设方式。非冻土中隔热保温层离壁式铺设的防冻效果最好,当无法采用离壁式铺设时,将隔热保温层铺设在二衬表面的防冻效果要好于隔热保温层夹层铺设,但应对拱脚位置处的防排水系统进行保温处理。
为了给寒区隧道工程中隔热(保温)层的设计提供参考,采用理论分析、温度场数值模拟计算等手段,对不同类型冻土段隔热(保温)层厚度的初步计算方法进行研究。结果表明:洞口浅埋季节活动层段的保温层无法阻止围岩的冻融循环,在进行保温层设计计算时可不予考虑;多年冻土段隔热层厚度的计算应综合考虑围岩的初始地温、施工期间二衬混凝土水化热以及施工期间的洞内气温等因素,以保证计算结果的合理性;洞口年平均气温大于0℃和小于0℃两种情况下,非冻土段保温层厚度的计算方法也不同,应根据工程实际情况选择相应的计算方法。