川藏铁路建成后,将新增多条寒区隧道,根据以往寒区隧道的建设经验,在隧道建设完成之后,在使用过程中会出现多年冻土隧道的非冻土段和非多年冻土隧道的冻结锋面随着时间的推移向隧道全长扩散冻结的灾变现象(本文简称渐冻现象),引发衬砌壁面的脱落,导致隧道的结构和使用功能受到损害,甚至造成隧道报废,给灾区人民的生命和财产安全构成严重威胁。本文基于国家自然科学基金课题“渐冻隧道的演化及灾变控制方法研究”,以隧道渐冻灾害现象为背景,根据传热基本方程和能量守恒定律等传热学基本理论,运用模型实验中的普遍采用的量纲分析法对隧道传热模型开展了温度场传热过程相似准则的推导,获得了渐冻隧道几个主要传热过程指数的相似准则数,并得出了相应物理量的相似比,确定了隧道渐冻的判据;自行设计研发了渐冻隧道室内物理模拟试验设备,按照国内相关典型发生渐冻灾害的寒区隧道非冻土段某断面围岩的热物理参数制备了相似围岩材料,在通风和渗流条件下开展了相似模拟模型试验,对隧道渐冻过程温度场进行了研究,研究发现:(1)在全球变暖恒定升温的环境条件下,隧道径向渐冻模式:隧道围岩内径向冻结锋面主要沿着隧道埋深增大的方向推进,进而形成由内向外逐渐冻结增厚的冻结壁。拱顶、左右拱腰和仰拱处的冻结模式稍有不同,主要体现在冻结模式分界面的埋深;长周期条件下隧道径向渐冻模式:隧道围岩内径向冻结锋面主要沿着隧道埋深增大的方向推进,进而形成由内向外逐渐冻结增厚的冻结壁,这个过程持续到600个月,也就是说第50年后,整个围岩盘面上降温过程基本结束,转而变为升温过程,最终将上升到围岩冻土全部融化的状态;(2)在全球变暖波动升温的环境条件下,隧道径向渐冻模式:渐冻隧道径向渐冻模式主要为围岩沿着埋深增长的方向发生渐冻;(3)在全球变暖波动升温条件下,寒区隧道渐冻时径向围岩温度分布演化规律:隧道深部围岩的温度梯度、热流密度和热流量的变化过程大致分为两阶段,在第一阶段,围岩温度从未完全扰动到完全扰动,温度梯度、热流密度和热流量逐渐增加,直至达到峰值;在围岩温度完全扰动后的第二阶段,温度梯度、热流密度和热流量呈现逐渐减小。从第一年的各地层温度变化情况和后期60年的渐融的升温过程中,不同埋置深度处围岩温度随着隧洞内气温的变化而呈现出波动上升的趋势,随着距离围岩表面距离的增大而其波动的振幅不断降低,但其升温规律较为接近,原先温度差距较小的地层中的温度将在升温过程中逐渐趋同,从而引发了寒区隧道沿着径向的渐冻;隧道在全球变暖升温的过程中,隧道隧道围岩温度场呈现出明显的周期性,隧道进口的最大冻深出现在隧道贯通运营后的第50个月(4.2年),其最低温度达到-3.2℃;距离隧道进口越远,其最低点有所滞后,进口到400米后的出口处的温度最低点大致要延后24个月(2年),温度最低值0.2℃。(4)在全球变暖波动升温条件下渐冻隧道纵断面渐冻模式为:隧道从进洞口向出洞口逐渐发生冻结,当经过固定的时间间隔(不同埋深处时间间隔不同,以埋深4m处为例,每隔100个月,隧道将发生为期200个月的渐冻灾害,埋深越小,渐冻灾害的持续周期越长)在围岩中将发生渐冻渐融灾害,且循环往复发生。(5)在全球变暖波动升温条件下渐冻隧道纵断面演化规律为:在自然小温度振幅气温的影响下,在隧道入口位置将发生周期性的渐冻渐融灾害,渐冻灾害的发生时间间隔和持续时间随着埋置深度的增大而减小;(6)本研究所得的监测结果通过与其他专家学者的理论和数值模型对比分析可得,与其他专家学者的结果吻合较好,证明该套试验装置能对寒区隧道建设过程中温度场的实测验证起到比较好的模拟作用,其具有的自生型的温度控制系统能够模拟任意热力学工况的温度分布情况,结合现场围岩的基本热力学参数,可对青海周遭类似高寒地区的隧道工程建设提供可靠的指导。