高寒高海拔特长公路隧道温度场分布效应

为了深入分析高寒隧道的温度场分布规律,依托西藏高寒高海拔珠角拉山特长公路隧道,采用数值模拟与数理统计的方法,重点探讨了隧道通风时间、围岩初始温度和隧道埋深3个变量下的围岩温度场分布规律,并引入调热圈概念,得到珠角拉山特长公路隧道调热圈深度与隧道通风时间函数关系式。研究结果表明:不同围岩初始温度下的调热圈是一样的;围岩径向深度越大,其温度变化对围岩初始温度变化越敏感;围岩初始温度越高,监测点的温度变化速率峰值越低,且整体温度变化速率也较小;根据Pearson相关系数分析,调热圈深度与隧道埋深、围岩初始温度无关。     

高寒高海拔隧道保温层敷设方式及设计参数优化

为了深入探究高寒隧道保温层敷设方式及其设计参数优化的问题，以高寒高海拔特长珠角拉山隧道工程为背景，通过数值模拟重点研究了保温层敷设方式、设计厚度及导热系数参数的选择，并讨论了当地气温变化与保温层设计参数的关系。研究结果表明：在寒区隧道保温层设防区段，贴壁式敷设方式最佳；随着保温层厚度的增加，洞内冷空气影响范围逐渐减小，调热圈径深随保温层厚度变化的趋势用公式表达为f（x_h）=3.039e^{-0.280 9x_h}+13.8e^{-0.009 322x_h}；基于调热圈径深随保温层厚度增加的变化速率曲线及隧道结构安全，建议保温层厚度设计为5~10 cm；随着保温材料导热系数的增大，洞内冷空气影响范围逐渐增大，调热圈径深与导热系数关系趋势用公式表达为f（x_λ）=15.47e^{0.287 4x_λ}-3.829e^-39.05x_λ；基于调热圈径深随导热系数变化速率曲线及隧道结构安全，建议保温材料导热系数取0.020~0.035 W·（m·K）^-1；在假定保温层厚度为5 cm，导热系数为0.022 2 W·（m·K）^-1，通风时间4个月的情况下，只有当洞内气温大于-15℃时才能保证支护结构和围岩不受冻害影响。研究成果可为川藏铁路建设提供指导作用。     

地质因素对隧道围岩松动圈的影响分析——以重庆某隧道为例

为了分析地质因素对隧道围岩松动圈的影响,以重庆某深埋特长隧道为工程背景,根据该隧道埋深和围岩级别多变等特点,运用数值模拟、正交试验和现场实测相结合的方法,研究该隧道围岩松动圈产生、发展和分布的规律。结果表明： 该隧道围岩的内摩擦角和黏聚力与松动圈大小呈负相关关系,侧压系数和埋深与松动圈大小呈正相关关系,且内摩擦角和埋深是影响该隧道围岩松动圈大小的主要因素。依据研究结果,可以确定该隧道不同地质条件下的围岩松动圈分布情况,及时优化支护参数,以指导隧道安全高效地施工。     

寒区隧道温度场测试及其影响因素的正交试验

为探究多年冻土及季节性冻土区隧道环境及围岩温度的分布规律及其影响因素,依托吉林省图珲高速公路东南里隧道工程,现场开展隧道洞外、洞内气温测试及围岩温度测试,采用三角函数对温度测试结果进行拟合;通过ANSYS建立数值模型,对年平均气温、年温度振幅、隧道埋深和围岩的热物理参数及对流换热系数等温度场影响因素进行了正交试验。研究结果表明,隧道内气温随着距洞口距离的增大而增加,隧道洞口最大冻结深度不超过2.4m,隧道内温度及围岩温度随着时间的变化规律大致符合正弦曲线;年平均气温、年温度振幅、隧道埋深是隧道温度场的主要影响因素,而围岩的热物理参数是隧道温度场的次要影响因素。     

考虑通风与围岩条件的寒区隧道温度场模型及作用规律研究

为了解决寒区隧道温度场的预测问题,为寒区隧道抗冻设防提供指导,结合传热学、流体力学的基本方法,根据能量守恒原理,推导寒区隧道风流温度场的传热模型,并在此基础上,借助有限差分方法,探讨通风和围岩条件对寒区隧道温度场分布的作用规律。研究结果表明: 1)入口风温越低,风流速度越大以及断面越大,相同位置处洞内温度越低,这是由于进入洞内的冷空气更多,入口风温每降低5 ℃,同位置洞内风流温度平均降低3. 8 ℃; 2)风流温度决定了离壁面一定范围的围岩温度大小,风流温度越低,冻结深度与受到影响的围岩范围更大; 3)初始岩温越大,围岩温度分布曲线越陡峭,围岩导热系数则相反,且初始岩温每增加 5 ℃,冻结深度减少0. 24 m,受影响的围岩径向深度减少0. 32 m。     

季节冻土区公路隧道三维温度场时空分布规律

季节性寒区隧道温度场随时间和空间不断变化,为明确季节性寒区隧道温度场的三维时空变化规律,为季节性寒区隧道防冻保温设计提供依据,依托某季节性寒区公路隧道设计了现场监测方案,在隧道洞口段一定范围内布置了5个环境温度场测试断面和2个围岩温度场测试断面,采用现场监测方法获取了隧道洞内环境温度场和围岩温度场随时间和空间的变化规律,在此基础上分别建立环境温度场和围岩温度场时空分布的统计模型,并推导了围岩冻结深度随时间和空间的变化规律。结果表明:隧道环境温度与时间和隧道进深具有三维变化关系,同一个监测断面温度与时间呈正弦函数变化,多个断面平均温度随着隧道进深呈近似线性变化,多个断面的温度振幅随隧道进深呈对数函数变化;隧道围岩径向温度与时间、隧道进深和围岩径向深度3个指标均有关系,同一断面围岩温度随时间也具有正弦变化特征,围岩温度幅值随围岩径向深度增大呈指数规律降低,达到一定深度后温度幅值为零,围岩平均温度呈对数规律变化;围岩冻结深度随时间呈周期性变化,随隧道进深增加呈减小趋势。研究结果可为季节性寒区隧道防冻保温设计提供指导。     

多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律

针对高温多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律开展深入的理论分析、数值模拟和现场监测研究。首先，基于热传导理论，建立隧道衬砌和围岩径向传热模型，利用叠加原理和拉普拉斯变换法求得寒区隧道衬砌和围岩的温度场理论解；其次，建立洞内空气的传热微分方程，根据能量守恒原理，建立隧道纵向洞内空气与洞壁的气-固耦合传热模型，结合径向温度场理论解，提出多年冻土区隧道衬砌、围岩及洞内空气的三维温度场计算方法，该计算方法可考虑围岩、衬砌、保温层等多层传热介质及隧道沿洞轴线的不同埋深；最后，根据依托工程现场实测数据，反演围岩的热物性参数，并运用推导的隧道纵向传热模型和横向传热模型，分析姜路岭隧道不同冻土区内衬砌和围岩中的温度场分布规律。研究结果表明：在隧道径向，多年冻土和非冻土围岩温度都会随洞内气温的变化而产生波动，距离围岩表面越近，温度振幅越大，且热量在围岩径向传递过程中有一定的滞后性；在隧道纵向，在一年中最冷时刻，隧道衬砌及围岩温度呈“两端低，中间高”，此时姜路岭隧道围岩、二衬表面最高温度分别为-2.72℃，-7.80℃；在一年中最热时刻，衬砌温度呈“两端高，中间低”，此时姜路岭隧道二衬表面最低温度为1.92℃，但由于受围岩初始地温的影响，围岩表面的温度呈倒V形，最低温度为-1.22℃。     

雪峰山特长公路隧道火灾通风数值仿真分析

利用三维计算流体动力学模拟软件,模拟雪峰山特长公路隧道火灾工况下火灾区域不同时期的风速场、压力场和温度场分布,为雪峰山隧道火灾通风设计提供科学指导。     

火灾模式下公路隧道竖井温度场分布试验研究

公路隧道发生火灾时,高温和热烟气对隧道威胁巨大,竖井的烟囱效应严重影响温度和烟气的扩散,目前对竖井内温度发展情况的研究甚少。为分析火灾发生后竖井内的烟流特性及温度场的分布规律,利用大比例模型试验,以秦岭终南山公路隧道为研究对象,考察了不同火源点位置、通风工况、火灾规模情况下竖井内温度场的分布规律,对分析其它长大公路隧道火灾时竖井内温度场的分布也有一定的借鉴意义。     

寒区隧道结构抗防冻试验研究及仿真分析

高寒地区修建交通隧道的主要技术难题是隧道主体结构尤其是洞口带的结构抗防冻能力、运营期间的安全性及结构的长期寿命等问题。根据鹧鸪山隧址区水文、地质条件,进行隧道主体结构及围岩温度的现场测试研究,得出了隧道区环境温度、隧道结构体和围岩的温度场变化规律,并结合结构和围岩的热力学试验,对围岩及隧道结构的温度场分布进行仿真模拟分析,分析3种不同保温材料的隔热保温性能,从而为隧道的抗防冻设计提供参考。     

延崇高速公路金家庄特长螺旋隧道温度场分布规律及保温层研究

为揭示寒区螺旋隧道温度场时空分布规律，依托金家庄特长螺旋隧道，采用现场监测方法研究寒区螺旋隧道温度场变化规律。基于此，通过数值模拟建立三维模型探究进口风速风温对温度场的影响，并拟合结果数据获得保温层敷设长度计算公式。研究表明： 1）随着进洞深度的增加，进、出口洞壁处空气年平均温度上升，而年温度振幅减小； 出口年温度振幅变化幅度略小于进口。2）隧道贯通后，洞内温度受两侧洞外相对低温的共同作用，同一断面处年平均温度下降，年温度振幅增大。3）隧道在直线段温度场分布规律与同条件的直线隧道一致，从曲线段开始内外径温度曲线发生分叉，外径侧温度较直线隧道温度大；而内径侧温度反之。4）进口风速越大、风温越低，对隧道温度场越不利，通过拟合公式，金家庄特长螺旋隧道进口的保温层长度至少需要1 239 m。     

软弱地质小净距隧道围岩压力计算方法及受力特征研究

为研究软弱地质小净距隧道围岩压力计算方法及不同隧道净距和埋深对围岩压力的影响规律,引用三塌落拱理论,确立深浅埋隧道分界深度,基于公路隧道设计规范,建立隧道荷载计算模型,推导出围岩压力理论计算公式,并讨论不同的隧道净距和埋深对隧道内外侧围岩压力的影响规律。最后,结合工程实例,针对受力薄弱的中夹岩柱部位提出有效的加固措施。结论如下:1)极浅埋和浅埋小净距隧道围岩压力采用规范法中的全土柱和谢家烋理论公式,深埋隧道采用修正后的比尔鲍曼计算方法更为安全合理;2)小净距隧道施工过程偏压特性显著,围岩压力与埋深近似呈线性关系;3)左右洞室施工相互影响随净距增大而呈现减弱趋势,当净距大于1倍洞跨时,围岩压力可按单洞计算;4)中夹岩柱是软弱地质小净距隧道受力的关键、薄弱部位,采用中空注浆锚杆并合理确定锚杆长度,能有效抑制中夹岩柱塑性应变发展,提高围岩抗拉及抗剪强度。     

西藏珠角拉山隧道浅埋段结构数值模拟分析

基于浅埋段隧道的特殊性,对结构的可靠性提出了更高要求,以确保隧道在施工及运营过程中的安全。为验证隧道衬砌结构设计的安全可靠,以西藏珠角拉山隧道V级围岩浅埋段为例,采用荷载结构法(考虑地震荷载)进行结构分析验算,通过安全系数验证结构的强度,实际应用证明该方法是可行的。     

软弱围岩浅埋小净距隧道合理净距影响因素探讨

考虑不同跨度、埋深、高度和初始地应力等条件对软弱围岩浅埋小净距隧道进行数值模拟,以中间岩柱塑性区是否贯通为判别标准,对小净距隧道合理净距影响因素进行分析。结果表明:小净距隧道合理净距随着隧道埋深加大而逐步增大,随围岩侧压力系数减小而增大,相同埋深、相同跨度的小净距隧道,其合理净距随隧道高度增大而增大,而偏压对合理净距的影响不明显,此外不同条件下的围岩初始应力场和重分布应力场的差异导致围岩破裂角改变,设计计算围岩压力也会随之改变,进行小净距隧道设计优化或变更时应当考虑这些因素的影响。     

单井两分结构的滑模施工技术

秦岭终南山特长公路隧道为世界规模最大的公路隧道,其运营通风竖井的深度及直径也为行业罕见。该隧道的3座运营通风竖井均采用单井两分技术,目前竖井的滑模施工工艺相对比较成熟,而如此规模的两分竖井的滑模施工国内尚未遇到。本文简要介绍了该项目深大两分竖井的滑模施工工艺,旨在结合其具体施工,探讨通风竖井的设计与施工技术。     

寒区隧道含相变围岩传热渗流耦合数值分析

为研究寒区隧道围岩在冻融循环过程中的水-冰相变现象和渗流速率对围岩温度场分布的影响,基于COMSOL Multiphysics 多物理场分析软件,建立含相变的围岩温度场与渗流场耦合模型,通过改变模型中的渗流速率、已冻区和正冻区的边界温度Tm,对寒区隧道的围岩温度场进行数值分析。数值分析结果表明： 边界温度Tm影响正冻区的范围和不同深度处围岩水-冰相变发生的时刻,但不同的边界温度Tm对围岩温度场的影响较小; 当渗流速率高于1×10-6 m/s时,渗流速率的改变对围岩温度场具有明显影响,但当渗流速率低于1×10-6 m/s时,渗流速率的改变对围岩温度场无明显影响。因此,在地下水渗流速率较高的地区,应同时考虑水-冰相变现场和渗流速率对寒区隧道围岩温度场的影响。     

季节性寒区隧道温度场规律数值分析

为研究季节性寒区隧道围岩温度场的变化规律,以吉林图珲高速东南里隧道为依托,通过ANSYS建立数值模型,分析了深埋和浅埋条件下围岩的温度随保温层厚度的变化规律。结果表明,相同时刻沿衬砌表面从拱脚到拱顶路径的温度值不断减小,在拱顶位置处达到最小值;隧道衬砌及背侧一定深度内围岩各点的温度时程曲线呈正(余)弦函数变化,并且随着距衬砌表面距离的增大,围岩温度时程曲线呈现出的正(余)弦波动趋势越不规则,振动幅度也逐渐减小;保温层安装位置对围岩温度场的影响较小,而围岩最低温度的变化则主要集中于前5年内。在隧道防抗冻设计中,保温层厚度不能一味增大,应根据现场的岩体和温度选取经济有效的保温方法。     

寒区隧道浅埋富水区深孔注浆堵水加固工艺研究

目前,对于青藏高原地区海拔4 000 m以上寒区长大公路隧道在浅埋富水区注浆堵水工艺的研究国内还尚未见相关报导。针对珠角拉山隧道出口段强-全风化泥质砂岩地层具有强渗透性、弱胶结性和地下水发育的特点,基于袖阀管深孔注浆堵水技术,采用"先约束后发散"型注浆模式,应用水泥-水玻璃双液浆和硫铝酸盐单液浆2种浆液相互配合、周边约束孔和内部挤密孔分批次、分阶段试验注浆方案,对洞口段底层地下水封堵进行试验研究。试验结果表明:以地层堵水加固为主的分段式袖阀管深孔注浆可有效封堵隧道洞身范围内地层的地下水通道,控制隧道掌子面渗漏水,提高围岩的整体稳定性。     

华蓥山特长公路隧道通风竖井设计与施工

目前国内公路隧道竖井的设计和施工方面尚无较成熟的经验,仍需作进一步的研究与探讨。结合在建的南—大—梁高速公路华蓥山特长公路隧道通风竖井的设计及施工方案,阐述当前较为成熟的深竖井围岩压力秦氏计算理论,介绍采用的竖井围岩压力的计算方法,探讨公路隧道竖井施工方法的特点及适用条件,并对公路行业竖井设计与施工的规范与规程的迫切需要、秦氏竖井地压计算理论的参数取值问题及反井钻机设备的亟待研发等提出几点建议。     

寒区隧道浅埋段温度场解析解

依据传热学中的固体热传导理论,结合寒区隧道浅埋段传热特征,建立了考虑地表和洞内气温联合作用下的浅埋段隧道传热数学模型。为便于求解,根据空气温度周期变化的特点,运用热叠加原理把复杂温度边界条件下的隧道瞬态传热问题分解为温度周期变化下的瞬态传热问题和恒温边界作用下的稳态传热问题,综合运用分离变量法与Laplace变换法相结合,理论推导隧道浅埋段温度场的解析解,并将其与隧道温度场实测数据进行对比验证,理论解与实测值的误差为4.5%,理论解达到了工程精度要求。分析隧道埋深、洞内气温和保温层厚度对隧道温度场的影响规律,并建立了寒区隧道浅埋段保温层厚度的设计计算方法,可为工程人员提供指导。