随着国家西部开发战略和振兴东北的实施,青藏铁路、青藏高速公路、西气东输工程以及南水北调西线工程等一批重大工程项目建设启动,寒区隧道工程将越来越多。目前国内外在寒冷地区修建的寒区隧道,都有不同程度的冻害,这些冻害严重影响行车安全、威胁隧道结构稳定、降低隧道的使用年限以及增加隧道的维护费用。可见,寒区隧道的冻害是普遍存在的问题严重影响了行车安全。因此,对寒区隧道的冻害预报是至关重要的。要对这些冻害进行预报分析,首先必须知道隧道内的温度边界条件,即隧道内的空气温度分布规律。而隧道内的气温一般通过两种办法得到:一种是通过现场观测直接得到,这种方法虽然准确可靠,但是一方面费用较大,一方面观测结果滞后于设计,即观测结果只有在隧道建设过程中或者在隧道已经建设后才能得到,所以不能指导该隧道的设计工作;另一种是通过隧道内空气与围岩对流换热的计算分析得到,这种方法可以直接指导隧道工程的设计,而且费用较少,但是这种方法的关键在于能否建立可靠的对流换热数学模型来准确地预测寒区隧道内的气温分布。因此进行寒区隧道内气温分布规律方面的研究是非常必要的,而且也是急需解决的课题,不仅具有较高的学术理论价值,同时也具有重要的工程实践意义。论文以国家自然科学基金“寒区隧道冻害预报模型及优化设计理论”项目为依托,运用传热学和计算流体动力学的基本理论,考虑隧道内空气和隧道围岩的耦合影响,推导了其流体动力学控制方程,得到了数值计算公式,运用C语言在FLUENT大型流体软件平台基础上编制了二次开发程序。在风火山隧道基础资料的基础上,分别进行了寒区隧道在不同流动状态、长度、气温、流速、围岩初始温度和断面大小下的空气与围岩对流换热耦合问题的非线性分析,总结出了寒区隧道长度、气温、流速、围岩初始温度、断面大小以及内空气流动状态对其围岩温度以及沿其高度、周边、轴向的气温分布的影响规律,为寒区隧道工程的设计、施工及研究提供理论依据和参考。通过综合分析得到了如下结论:①寒区隧道内空气流动状态——层流和紊流对隧道围岩温度和沿隧道轴向与高度方向的气温分布规律影响较大。例如:在隧道内空气为层流状态下,隧道进出口断面年平均气温相等并且高于隧道内,在中间断面处最低;而在紊流状态下,年平均气温从进口到出口为递减规律,且进出口断面与其相邻断面之间存在突变。因此建议在寒区隧道设计计算时,应根据隧道的实际条件选择相应的空气流动状态进行计算。②寒区隧道长度——250m、500m、1338m、3000m、6500m、10000m隧道对隧道围岩温度和沿隧道轴向与高度、周边方向的气温分布规律影响较大。例如:隧道内年平均气温沿进深总体呈递减的趋势,在进口断面最高接近出口断面最低。同时隧道越长沿隧道进深后段呈水平趋势越明显,且进出口断面与其相邻断面之间年气温突变越小。因此建议在寒区隧道设计计算时,应根据隧道的实际长度进行计算。③寒区隧道气温——洞口年平均气温-4℃、-2℃、0℃、2℃、4℃对隧道围岩温度和沿隧道轴向与高度、周边方向的气温分布规律影响较大。例如:洞口的年平均气温为-4℃时,隧道内空气沿进深呈递减的趋势,进口断面最高接近出口断面最低。其他4种情况都是隧道中间段高于进出口断面,洞口年平均气温为-2℃和0℃时,进口断面低于出口断面,中间段沿进深递增,2℃和4℃时,进口断面高于出口断面,中间段沿进深递减。在五种情况下,进出口断面与其相邻断面之间都存在突变。因此建议在寒区隧道设计计算时,应根据隧道洞口实际的年平均气温进行计算。④寒区隧道内空气流速——月最低流速1m/s、4m/s、6m/s、8m/s对隧道围岩温度和沿隧道轴向与高度、周边方向的气温分布规律影响较大。例如:隧道内空气沿进深呈递减规律,在进口断面处最高接近出口断面处最低,且进出口断面与其相邻断面之间存在突变。然而流速越大,中间断面之间的年平均气温变化越小。因此建议在寒区隧道设计计算时,应根据隧道内空气实际流速进行计算。⑤寒区隧道围岩初始温度——-4℃、-2℃、-1℃、0℃、2℃、4℃对隧道围岩温度和沿隧道轴向与高度、周边方向的气温分布规律影响较大。例如:隧道内气温沿进深呈递减规律,在进口断面处最高接近出口断面处气温最低,地温越高隧道后段断面年平均气温变化越小。因此建议在寒区隧道设计计算时,应根据隧道围岩实际初始温度进行计算。⑥寒区隧道断面大小——30m2、50m2、75m2、100m2、120m2对隧道围岩温度和沿隧道轴向与高度、周边方向的气温分布规律影响较大。例如:隧道内气温沿进深总体呈递减的趋势,在进口断面处最高接近出口断面处最低,且进出口断面与其相邻断面之间存在突变。因此建议在寒区隧道设计计算时,应根据实际隧道断面面积进行计算。