通风与对流条件下寒区引水隧道支护变形响应研究

冬季隧道形状为何重要

在高山与冰冻高原，长隧道默默地将水和交通输送穿越经受极端寒冷、厚雪与强风的岩体。在这些地区，穿行隧道的空气和周围渗入的地下水所带来的影响，不仅改变了旅人的寒冷感受——它们会慢慢弯曲、开裂并削弱隧道的混凝土护壳。本研究考察了温度、含水量与通风如何共同作用导致寒区引水隧道的变形，并探讨工程师如何通过调整通风与排水布置，使这些隐蔽的通道在数十年内保持安全。

冷空气与潮湿岩体如何联手作业

研究者聚焦于海拔高、气候严寒的引水隧道，这类地区冬季温度常低于冰点，地温在冻融之间反复循环。自然通风将外界空气带入隧道，其温湿度随季节波动。当空气穿过隧道时，会与混凝土衬砌和围岩进行热量与水分交换。与此同时，地下水沿岩体裂隙和孔隙流动，携带自身的热量和水分。上述过程共同产生复杂的冻结、融化、湿润与干燥模式，逐步削弱材料并改变作用于衬砌的力学状态。

构建寒区隧道的数字孪生

鉴于在埋地隧道内多年测量每一细节几乎不可能，团队构建了一个详尽的数值模型以模拟真实环境。他们将一个软件平台中的气流计算与另一套跟踪岩体和衬砌中热、水运动及力学应力的模型耦合。为保持问题的可处理性但又贴近现实，模型假定岩体可视为均匀的多孔介质，隧道内空气为理想、不可压缩流体，岩体中的水主要以液相运动。模型包含热传导、湿度扩散与渗流，以及衬砌在温度和含水量变化下的力学响应。实际隧道的空气温度、湿度、壁面温度与气流场的现场测量，联合经典土壤冻结实验的对比，用于验证模拟能否再现现实行为。

通风对隧道的真实影响

借助这一数字隧道，作者考察了不同入口风速与湿度、地下水位以及附近排水隧道间距如何改变温度、含水率、应力与位移。他们发现风速具有双重效应：当空气流动缓慢时，停留墙面的时间较长，会对衬砌产生更强的冷却和增湿作用；当空气流速很高时，交换时间缩短，但更强的流动力仍能驱动更大的应力变化。在约2米/秒以上，继续增加风速对空气温湿度影响不大，但衬砌的主应力对气流变得更加敏感。入口处空气湿度对含水量的影响大于对温度的影响：约40% 的中等湿度使衬砌拱顶最为敏感，产生最大的垂向位移，而过干或过潮的空气则使行为更稳定。

地下水与排水布置的隐性作用

地下水的重要性不亚于空气。高水位、岩体近饱和时，通常会平滑温度波动但提高湿度，促使水分迁移更活跃。相较之下，浅埋的地下水在冻融循环中会在隧道拱顶产生更大的应力和位移峰值。主洞与排水洞之间的距离也很关键：当隧道过近时，水温场与温度场相互作用会导致衬砌出现大的周期性位移；当间距过大时，拱顶应力可能升高并强烈波动，增加开裂风险。适中的间距可同时减少变形幅度与应力集中。

入口处的不安静地带

隧道入口成为一个特殊的薄弱点。那里，衬砌与围岩承受外界天气变化、气流波动与强烈温湿梯度的全面影响。模型显示，靠近洞口时应力和位移幅值增加，拱顶沉降与侧墙膨胀并存的模式最为明显。深入隧道内，空气更为平稳，岩体作为热缓冲器，条件更稳定，应力分布也更均匀。

对更安全隧道的启示

对非专业读者而言，核心信息是：寒区隧道的安全不仅取决于混凝土本身的强度，还取决于如何管理空气与水。研究表明，通过谨慎选择自然通风风速、避免入口湿度处于最敏感区间、将排水洞与布孔置于合适距离并考虑季节性地下水位，可以显著降低衬砌的变形和应力——尤其是在洞口附近。尽管模型对某些材料行为做了简化，它仍为工程师提供了一个实用框架，用以预测寒区隧道最可能发生变形的时间和地点，并指导设计与运行调整，从而使这些重要的地下通道长期安全运行。

引用: Chang, X., Qiao, J., Ren, J. et al. Study on the deformation response of support for water diversion tunnels in cold regions under ventilation and convection conditions. Sci Rep 16, 9391 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34234-6

关键词: 寒区隧道, 隧道通风, 冻融损伤, 地下水渗流, 衬砌变形