【摘 要】
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随着我国高寒、高海拔地区铁路和公路工程建设规模的日渐扩大,寒区隧道工程的数量也逐渐增多。长期以来,寒区隧道工程冻害一直是冻土工程领域内研究的热点科学问题,也是必须解决的关键工程技术难题。气候变暖对寒区隧道的长期稳定性及可靠性造成了显著影响,研究不同升温条件下隧道可靠性的变化规律及特点,对寒区隧道工程设计和运营管理等具有十分重要的理论意义和工程应用价值。本文以青藏高原寒区隧道为研究对象,根据IPCC
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随着我国高寒、高海拔地区铁路和公路工程建设规模的日渐扩大,寒区隧道工程的数量也逐渐增多。长期以来,寒区隧道工程冻害一直是冻土工程领域内研究的热点科学问题,也是必须解决的关键工程技术难题。气候变暖对寒区隧道的长期稳定性及可靠性造成了显著影响,研究不同升温条件下隧道可靠性的变化规律及特点,对寒区隧道工程设计和运营管理等具有十分重要的理论意义和工程应用价值。本文以青藏高原寒区隧道为研究对象,根据IPCC及国内外专家学者对青藏高原未来50年气温变化的预测结果为基础,开展了相关研究工作。主要研究内容包括:（1）归纳了结构可靠度的基本原理,总结了一次二阶矩法、蒙特卡罗法等计算方法;总结了寒区隧道衬砌结构的冻害机理;分析了水热力耦合的基本原理及耦合控制方程。（2）以巴哈达坂隧道为研究背景,建立了水热力耦合数值模型,模拟分析了隧道建成后50年内的温度场、应力场和位移场的变化规律。研究结果表明:保温层能够明显降低寒区隧道冻融圈层厚度;当温度升高2.6℃和3.0℃时,40年内隧道仰拱与边墙相交处围岩冻融圈层厚度为0,可以保证隧道围岩在前40年内的热稳定;在温度升高4.0℃时,第30年隧道拱与边墙相交处围岩出现0.03m融化圈层,只能保证隧道围岩在前30年内的热稳定。温度升高2.6℃、3.0℃和4.0℃时,第50年巴哈达坂隧道最大压应力均发生在隧道仰拱与边墙相交处;最大竖向位移均发生在隧道拱顶位置;且随着时间推移,隧道各处的应力和位移值不断增大,前30年变化比较明显,其后逐渐趋于平缓。（3）采用蒙特卡罗法、响应面法和一次二阶矩法计算分析了隧道建成后50年内的失效概率和可靠度指标,并结合敏感性分析计算了50年后保证隧道靠度在90%以上的二次衬砌和保温层厚度的最小值。计算结果表明:第50年气温升高2.6℃、3.0℃和4.0℃时,蒙特卡罗法计算的失效概率分别为12.5%、14%和17.8%;响应面法计算的失效概率分别为13%、14.6%和18.3%;一次二阶矩法计算的失效概率分别为17.5%、19.4%和22.8%。若将50年后隧道可靠度保持在90%以上,气温升高2.6℃时二次衬砌和保温层最小厚度为42.3cm和7cm,比现有设计分别提高了6%和40%;而气温升高4.0℃时二次衬砌和保温层最小厚度分别达到45.2cm和9cm,比现有设计提高了13%和80%。根据IPCC结论,如果未来50年将第三极升温控制在3.0℃内,当二次衬砌厚度为42.7cm,保温层厚度为8cm时,隧道可靠度即可达90%以上。
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