寒区隧道防冻保温设计是影响隧道运营安全的关键。设置保温层是寒区隧道防冻保温的重要措施，保温层设计要点包括保温材料的选择、保温层设置方式、保温层长度等。结合河北地区隧道保温层设计应用情况，对保温层设计方法进行详细介绍，分析隧道冻害主要原因，明确了保温层设置位置、材料选择和设计理念，可为寒区隧道保温层设计提供参考。

针对西宁至成都高铁若尔盖湿地段路基工程，基于传热方程、水分迁移方程与力场平衡方程建立季节冻土区高铁路基冻胀的水热力耦合模型，对比分析普通路基和保温路基的温度、水分和位移特征差异。结果表明：保温层有效降低路基的冻胀量，同时减小左右路肩的冻胀量差；保温路基与普通路基的总含水量分布相似，由于保温层将冻结锋面完全阻止在保温层内，其冻深远小于普通路基。

文章使用数值模拟方法,结合ABAQUS有限元模拟分析手段,对某公路设置泡沫轻质混凝土保温层路基的温度场变化进行分析并处理,对泡沫混凝土应用在季节性冻土区公里路基工程的情况进行研究。结果显示,路基温度场分布不是和路基中心线呈轴对称分布,从路基中心线向左右两侧路肩保温效果逐渐降低,保温效果较低的位置主要为左右两侧路肩。将铺设长度设置为路基面+路肩下1/3路基边坡长度时,将会改变路基土中温度,并出现最高幅度的冻结线抬升。左侧路肩下部土体地温会随着泡沫混凝土保温层长度的增长而提高,同时后者还会提升冻深线。与此同时,左右路肩下部及路基中线土体冻结范围会随着路基面层铺设泡沫混凝土保温层厚度的增长而减小。按照路基边缘路肩向下延长1.35m的位置铺设泡沫混凝土保温层,厚度为75mm。该优化方案能够尽可能避免出现路面和路基的冻害,同时节约材料,成为同等地域环境下施工的有力支撑。

多年冻土区隧道在施工过程中围岩受施工热源的影响形成融化圈,在季节性冻融作用下,会造成衬砌表面开裂、剥落、覆冰等冻害。因此,减少施工对冻土原始地温场的扰动是寒区隧道施工的重要控制因素之一。本文以青藏高原风火山隧道为背景,结合实际施工工况、环境温度及地温数据,基于传热学理论,利用数值仿真开展隧道开挖暴露时间、初支施作时机、贯通后有无保温层、气候变暖等因素下隧道围岩融化圈变化规律研究。结果表明:与无支护阶段相比,有初期支护隧道围岩融化圈深度在30 d内减少了25.6%,融化圈发生时间推迟了6 d左右,及时施作初支可有效减小隧道融化范围;隧道围岩融化圈呈月牙形分布,内侧线扩大速率大于外侧线减小速率,施工引起的热扰动对隧道围岩的回冻有显著影响。考虑气候变暖因素,提出铺设5 cm厚保温层能有效抑制围岩出现季节性冻融圈。

基于某穿越公路埋地原油管道工程,对其在冻土区的热力变形规律进行了研究,结果表明,冻土类型不同,在管道周围,土壤温度场具有较大差异,管道对高温冻土区的热油管道具有较大影响,对冻土有较大破坏;在高温冻土区,其融化速率均大于低温冻土区;通过保温材料的铺设,高温冻土区的最大融化深度可得到有效减小。在高温冻土区,减小管道顶部埋置深度,管道底部的最大融化深度可有效减小,对冻土区效果更好。随着时间的延长,外层等温线距管道中心的距离变化较小,且由于管道向外不断进行热量散发,最外层温度会逐渐升高,保温层越厚,冻土受到铺设输油管道的破坏性越小。通常情况下保温层铺设厚度为5.2-8.2cm,在高温冻土区,管道对其扰动较大,保温层大于8.2 cm时,在热油管道外铺设保温材料,减少管内油品热量损失,减少管道对冻土的扰动,确保管道安全运行,同时将输送成本降低。

为了满足交通的便捷和时效性,我国修建在寒区的隧道工程越来越多。针对困扰季节性寒区隧道工程的冻害问题,以季冻区桦皮岭隧道为依托,开展寒区隧道保温层御寒保温技术研究。首先,开展现场环境温度和竖直钻孔隧道洞口段围岩温度场变化监测,获得计算模型所需精准温度荷载及地表活动层围岩温度场受影响范围;其次,建立基于Fluent流体计算软件的"围岩-衬砌-保温层-空气"气固耦合计算模型,并通过对比现场地勘资料验证计算模型的合理性;最后,对不同保温材质、不同铺设厚度和铺挂方式进行了对比分析。结果表明:围岩温度场随外界大气温度呈近似三角函数周期变化,但"滞后效应"明显;地表活动层围岩温度受影响范围约为8 m;设置保温层处内外温度存在"跳跃"现象,内外温差最高达8℃;硬质聚氨酯保温材料较聚酚醛泡沫塑料和泡沫玻璃御寒保温效果分别提高了近20.6%和80.9%;最优保温层厚度为5 cm,最优铺挂方式为衬砌内表面铺设。

研究目的:近年来,在我国西北、东北等高纬度季节冻土区,短隧道或长隧道洞口段冬季衬砌开裂、春融期渗漏水等病害时有出现,严重影响隧道结构和列车运营安全。本文以东北地区某铁路线ZEST隧道为例,采用现场试验、数值模拟等手段研究案例隧道冬季洞口段衬砌开裂、春融期渗漏水的发生机理,比较不同整治措施后,提出适合该类隧道病害的整治措施。研究结论:(1)隧址区每年冰冻期约5个月,极端温度年较差60℃以上,年平均气温2℃,属典型季节冻土区;(2)衬砌开裂段主要穿过粉质黏土层,含水率大,衬砌开裂主要由围岩冻胀力荷载作用所致;(3)建议采用喷涂12～13 cm厚保温层+防火砂浆,水沟中铺设电伴热电缆,并对既有损伤衬砌结构进行锚杆补强和对衬砌裂缝进行环氧树脂嵌补处理的整治措施;(4)从隧道病害整治效果来看,本文提出的整治措施效果显著,衬砌开裂、春融期渗漏水等问题得以解决。

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。

我国冻土地区村镇给水管道冬季时常发生冻胀的现象,严重影响供水安全,对农民生产生活造成危害,亟需开展防冻技术研究.本文针对东北地区村镇供水实际情况,提出直埋管道外加保温层的防冻胀技术方法,并通过理论数值计算,确定出常用管材在不同埋深情况下的保温层厚度.

通过对冻土区管道运行研究,提出针对管道安全运行的措施.采用有限容积法,得到多年冻土多孔介质水热耦合数学模型,地表面温度采用随年周期性变化条件,应用SIMPLER算法对模型进行数值求解.通过对无保温层和有相同厚度两种保温材质的管道在春季、夏季和冬季的土壤温度场进行数值模拟,显示在地表温度波动的条件下,热流密度随土壤温度波动呈现周期性变化.在长期运行管道中,无保温措施的管道周围冻土融化剧烈,管壁热流密度大且振幅波动大.使用厚度为40mm的两种保温材料中,40 mm聚氨酯保温效果较好.冻土区运行管道应加敷导热系数较小的保温材料,可极大降低融化深度,保护管道安全运行.