青藏铁路多年冻土隧道隔热保温研究

从冻土隧道冻害产生的基本因素、冻融圈的变化规律分析,提出青藏铁路多年冻土隧道隔热保温的设计思路及“防水板+隔热保温层+防水保护层”的隔热保温结构形式,并结合围岩温度变化进行现场测试,分析得出围岩地温在逐渐回冻,从而验证了隔热保温设计的合理性,其设计方法及思路可为以后相关类似工程的设计提供参考。     

寒区隧道保温层铺设方式与材料选型优化研究

为了改善寒区隧道的冻害问题,对寒区隧道的保温防冻进行研究尤为重要。该文基于改进层次分析与灰色关联分析理论,优选出适用于不同保温铺设方式且保温效果良好的保温材料;其次,利用数值模拟方法分别对采用不同保温材料及铺设方式时的隧道温度场进行计算与分析,得出保温材料与铺设方式相互组合时的温度场,根据“组合温度场”对比结果,得出最佳的保温方案。研究表明：采用“离壁式铺设+福利凯保温板”的形式为最佳保温方案,其优势在于离壁式铺设形成的空气隔热层与福利凯保温板层组成的双保温隔热层能有效抵挡负温的传递,进而降低对衬砌结构与围岩的影响,而且铺设时施工便捷、维护成本低。研究成果可应用于工程实际,减小冻害发生概率,为寒区隧道保温防冻设计提供参考。     

考虑隔热层的寒区隧道围岩温度径向传播规律及相关参数研究

寒区隧道围岩径向温度传播规律对隧道保温设计具有重要的指导意义。目前寒区温度场的研究多为现场实测与理论分析2个方面。为得到寒区隧道支护结构与围岩温度沿径向变化的规律,自行研制了温度模拟足尺试验仪器,并在此基础上开展了无隔热层与有隔热层2种条件下的模拟试验,分析了隧道围岩径向温度场变化规律。结果表明： 模拟环境温度为-12.5 ℃条件下,无隔热层时,90 h时环境温度降到-9 ℃,初喷混凝土层与围岩的交界面处的温度降低至0 ℃,当温度进一步降低时,围岩出现冻结状态,且随着时间的推移,冻结范围逐步扩大,192 h时环境温度降低到-12.5 ℃,各界面温度基本达到稳定; 设置4.5 cm隔热层时,由于隔热层作用,450 h时支护结构混凝土及围岩内的温度均大于0 ℃。结合试验最后确定了隔热层、隧道支护混凝土与围岩的导热系数与导温系数,结果可为寒区隧道保温设计提供依据。     

含多年冻土层的公路隧道排水设计

为解决含多年冻土层的公路隧道排水系统现有规范和设计中存在的问题,结合现行规范中隧道排水系统的一般规定和设计 原则,通过调研含多年冻土层的公路隧道的冻害情况,并考虑多年冻土区公路隧道可能穿越不同类型冻土段的复杂情况,分析现行 规范和设计中的潜在问题,提出含多年冻土层的公路隧道不同类型冻土段排水设施的分段设计及各分段之间的衔接技术。结果表 明: 1)多年冻土区隧道由于埋深不同,所穿越的冻土类型也不同,不同类型冻土段的排水系统不同; 2)各冻土段的排水系统应相互 衔接,并应结合隧道坡度情况进行合理选择; 3)多年冻土段与非冻土段连接时,可根据山体形貌或隧道左、右线间距情况,通过地 下排水洞将左、右线中心深埋水沟中的水直接排出或沿隧道轴向排出洞外。     

寒区高速铁路长大隧道温升问题研究

为了解决寒区高速铁路长大隧道由于列车运行导致隧道内环境温度的上升,从而对隧道安全运营产生不利影响的问题,针对多年冻土地区隧道围岩温度场具有导热与对流换热耦合边界并伴有相变的非稳态温度场的特点,联合应用有限体积法及有限单元法,进行围岩温度场的有限元分析。结果表明,对于寒区高速铁路长大隧道而言,列车的高速运行和特长隧道通风散热不畅所导致的隧道内热量集聚,将使隧道空间温度在未来几十年内缓慢上升,虽然数值不大;但引起了隧道周围冻土区温度场较大的改变,增大了冻土的融化范围,加深了地基土的融化深度,必将对隧道结构的稳定性及高速列车的运行安全造成不利影响。     

寒区铁路隧道保温排水设施设计标准研究

针对目前寒区隧道保温排水设施缺乏系统设计标准的问题,结合寒区分区及隧道保温排水技术现状,通过调研东北及华北北部地区寒区铁路隧道冻害情况,提出按气温条件的寒区铁路隧道设计分区方法;通过分析保温排水设施的适用条件,结合运营铁路隧道内及排水设施内的温度实测分析,提出不同分区的寒区隧道保温排水措施设置建议长度。结果表明:1)寒区铁路隧道可按年平均气温和最冷月平均气温划分为5个分区; 2)高式保温测沟仅在温度较高的寒区适应; 3)洞口一定范围段的水沟埋置于结构以下是寒区保温排水的有效手段; 4)长隧道洞身段采取保温措施后可以将水沟置于结构内; 5)有条件时长隧道宜采用人字坡,并加大隧道内的纵坡坡度,有利于改善排水条件,防止水沟冻结。     

寒区隧道冻害防治研究进展

冻害防治长期困扰寒区隧道,传统方法主要从加强支护衬砌结构、改善防排水效果、采取保温隔热措施等几方面着手,效果仍不理想。论文通过梳理以往寒区隧道冻害防治的基础理论与工程措施,提出供热防冻是解决寒区隧道冻害问题的根本方法,并从节能、环保的角度对衬背U型供热管方法和施工缝衬背双源供热排水防冻方法进行了探讨,可供进一步研究和试验参考。     

多年冻土区宽幅公路路基的温度特性模拟分析

为研究多年冻土区G214高等级公路中隔热层、片石层对24 m宽路基的热影响效果,根据多孔介质的热对流及考虑相变的传热理论,分别对两种结构路基的温度场进行了模拟分析。计算结果表明:当路基宽度从12 m增加到24 m时,隔热层厚度应从10 cm增加到30 cm才可确保路基下冻土上限的稳定,但保温层所产生的热积累效应将使路基下冻土温度明显升高,且高温冻土核范围较大。从工程措施的可靠性及工程费用角度考虑,EPS隔热层不适用于G214宽幅路基中。如采用厚度大于1.8 m的片石层,则可稳定路基下冻土上限和增加冻土的冷储量,但同时要加强对路基边坡的热防护。     

隧道围岩温度分析解及隔热层对衬砌温度的影响分析——以大瑞铁路高黎贡山隧道为例

高岩温会降低隧道衬砌结构的稳定性并恶化施工环境,在隧道结构中设置隔热层是一种较为有效的应对措施。为分析隔热层对衬砌温度的影响,基于隧道径向及轴向二维轴对称的围岩温度导热模型,引入第三类边界条件和莱维级数法推导得到隧道围岩温度分布的分析解,计算结果与已发表文献数据一致。以高黎贡山越岭段铁路隧道为工程背景,分析影响衬砌内外表面温度的主要因素。研究结果表明:1)利用分析解不仅能够方便地量化不同隔热层敷设方式对衬砌的降温效果,还能确定不同内表面对流换热系数条件下衬砌内外表面温度及其梯度与隔热层导热系数之间的连续变化关系,例如对流换热系数取0. 25 W/(m2·℃)工况下,采用夹心式敷设方式时衬砌平均温度比贴壁式低了约1. 6℃; 2)当对流换热系数较大时,隔热层导热系数减小对降低衬砌内外表面温度的作用减弱,表明洞内通风条件较好时选择热阻较小的隔热材料也能满足隔热要求。     

寒区隧道侧吹式空气幕保温系统及模型试验研究

冻害问题引起寒区隧道结构出现病害,不利于隧道的通行安全。为预防和控制关山隧道冻害的发生,提出一种新型的寒区隧道侧吹式空气幕保温系统。首先,构建空气幕阻隔效率的控制方程,并优化该系统的主要设计参数; 然后,设计并研制空气幕作用下保温装置内空气流场和温度场的试验系统,探究射流角度、射流风速、外界风速与阻隔效率之间的变化规律。试验结果发现： 1)空气幕射流角度最优值为55°~75°; 2)阻隔效率与外界风速呈反比,与射流风速呈正比; 3)侧吹式射流保温系统保温效果良好,可有效预防隧道冻害的发生。     

基于高分五号和MODIS卫星遥感的青藏公路典型路段冻土分布反演

冻土的冻融变化对寒区道路路基和路面等的修建具有重要影响。由于寒区地面观测数据较少,因此需发展基于遥感的高分辨率冻土分布估算模型。中国新一代高分五号卫星(GF-5)搭载的全谱段成像光谱仪有4个40m空间分辨率的热红外波段,为高空间分辨率的地表温度反演提供了可能。以青藏公路典型路段作为研究区,采用劈窗算法,利用GF-5热红外数据反演地表温度,并将结果与同期的MODIS地表温度产品和站点实测数据进行了比较。结果表明,该方法反演出的地表温度与实测结果的平均误差为-2.34℃,相关系数为0.86,表明结果具有较好的精度。以遥感地表温度作为输入,基于TTOP模型计算出了研究区的冻土分布图,得出研究区现状多年冻土面积为0.963×10~4 km~2、季节性冻土面积为2.543×10~4 km~2,与已有研究给出的研究区冻土分布图结果较为接近,表明建立的冻土分布反演模型具有可靠性和进一步应用的潜力。此外,还基于Stefan公式计算了研究区2018年～2019年的季节性冻土最大冻结深度和多年冻土活动层厚度,结果表明研究区内多年冻土活动层厚度在11cm～260cm之间,季节性冻土最大冻结深度在36cm～249cm之间。季节性冻土最大冻结深度随高程增加而增大,多年冻土活动层厚度随高程增加而减小。以上结果对研究区公路工程的建设和安全监测具有参考价值。     

XPS板隔热层在多年冻土区公路路基中的应用

隔热层路基作为调控冻土路基稳定的工程措施已在青藏高原多年冻土区应用。为了完善该工程措施的设计、施工及质量控制,在总结青藏公路多年冻土科研成果的基础上,结合“共和至玉树高速公路项目”设计与施工实际,指出了隔热层路基在应用过程中需要注意的问题。     

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℃。     

寒区隧道围岩温度场变化规律及防冻保温分析

为解决寒区隧道的冻害问题,通过对现有寒区隧道保温措施调查分析,以青海省红土山隧道为依托,建立寒区隧道围岩温度场有限元分析模型,引入隧道环境温度实际监测数据作为模型分析温度参数与边界条件。分析了不同环境温度条件下保温层厚度对隧道围岩温度场的影响,计算了不同隧道环境下应铺设的保温层厚度,得到了不同风速、风温条件下隧道围岩温度场变化规律,探讨了沿隧道纵向分区段设置不同厚度保温层的效果。研究成果可为寒区隧道的保温防冻提供理论依据,并可为类似工程提供借鉴。     

寒区公路隧道消防管道放水保温模式优化研究

寒区公路隧道消防系统保温关系着隧道运营消防安全。为了优化寒区隧道消防管道放水保温方案,建立了管道保温计算模型,根据传热学原理,采用多工况对比优化分析的方法,分别计算了消防主管和消防支管的放水时间和放水量,并确定了合适的保温层厚度;运用ANSYS软件对消防支管在无保温层和确定保温层厚度下进行了管道温度模拟分析。结果表明: 保温层越厚保温效果越好,但厚度达到一定值时,保温效果增长不明显,其厚度合适取值为0.06～0.08 m;环境温度和保温层厚度相同时,消防系统不冻,消防主管控制着放水量,消防支管控制着放水时间,应遵循“消防支管勤放水,消防主管控制放水量”的原则;数值模拟结果验证了消防支管在0.08 m保温层时,间隔8 h放水能够满足管道不冻的要求。结果可为寒区隧道消防管道保温设计提供依据。     

昆仑山隧道防排水设计与施工

青藏铁路昆仑山隧道位于青藏高原昆仑山北麓乱石沟西测,海拔高度4000m以上,属多年冻土地区,隧道全长1686m,目前为世界最长的多年冻土隧道,于2003年9月建成。隧道贯穿多年冻土层,为减少隧道贯通后衬砌内外侧的热交换,使围岩中的水处于冻结状态,避免大量漏水,采取以堵为主,防、截、排、隔热、保温等多项措施。故多年冻土隧道的防、排水处理,具有一定的特殊性,也是重要的技术问题之一。结合工程实践,介绍多年冻土隧道防、排水有关设计和施工工艺。     

青海227国道景阳岭垭口多年冻土发育特征

以拟建青海扁都口至门源段高速公路景阳岭隧道工程为依托,采用踏勘、钻探、体积含冰量试验和地温测试等手段,对区域内冻土分布、上限、下限、年平均地温和影响冻土分布的因素进行对比分析研究。研究表明:研究区域内阴坡普遍发育多年冻土,为冻土高温不稳定带;阳坡冻土呈岛状发育,阳坡为冻土高温极不稳定带。且冻土发育及分布规律与海拔、地形地貌、光照条件、地层岩性、含水量等因素密切相关。针对区域冻土发育特征,提出工程建设中的应对措施。     

多年冻土地区隔热层路基研究

多年冻土路基的破坏主要是由于卧多年冻土层上限下移层致不均匀热融热陷造成。通过对隔热层路试验工程设计、施工及使用效果观测分析，取得了在冻土地区道路工程中应用工业隔热材料的实践经验，可供该类地区道路设计、施工参考。     

高地温隧道考虑二次衬砌水化热的隔热层厚度优化

为揭示高地温隧道施工时二次衬砌浇筑的水化热对隔热层服役性能的影响,优化隔热层的厚度,采用数值分析方法研究高地温隧道施工期间水化热与高岩温共同下隔热层的传热规律,对比现场实测与数值模拟初期支护背后岩温变化规律验证模型合理性,并在此基础上讨论隔热层厚度与对流换热系数对二次衬砌温度场的综合影响。研究表明:1)在浇筑二次衬砌后,隔热层的主要热量传递分为3个阶段,隔热层处于两侧受热状态,即岩体中热量与水化热同时向隔热层传热、水化热由二次衬砌侧穿过隔热层流向初期支护侧、岩体中热量由初期支护侧穿过隔热层流向二次衬砌侧。2)靠近二次衬砌侧隔热层部分温度总体先上升后下降,在第2阶段内达到最大值近57℃;靠近初期支护侧隔热层部分温度总体呈上升趋势至稳定值约58℃。3)由于隔热层的存在,使得二次衬砌浇筑产生的水化热难以通过围岩来传导热量,大部分热量仅能通过与洞内空气的对流换热来散发热量。而且二次衬砌越靠近隔热层的位置其温度峰值延后出现且峰值更高。4)采用9cm的隔热层,并配合能额外提供2274.3424m~3/min需风量的通风设备,能起到相对较优的降温效果。     

寒区隧道冻害成因与若干防治新技术

对寒区隧道冻害进行了分类并探讨了其成因,特别是对衬砌结构因冻损伤的原因进行分析,并将其分为衬砌结构因壁外冻胀损伤和因壁内冻胀损伤两种类型。分析表明,前者对结构的影响较小,后者对结构的威胁较大。针对寒区隧道衬砌结构容易发生裂缝的现象,提出了减少温变过程中的不利约束,预防衬砌出现较大温度应力,进而预防衬砌裂缝发生发展的工程措施。在寒区采用背贴式止水带预防衬砌施工缝渗漏的方法存在不足,宜以中埋式可排水止水带取代。环向排水管应直通中央排水管,在围岩富水且衬砌壁后中、下段环向排水管易冻的隧道区段,沿环向排水管宜设置条带状局部保温层。在隧道潜在冻害威胁较大的区段,通过在衬砌壁后设置电热带穿线管,可提供电热融冰的隧道防冻预案。试验工程表明,可排水止水带、直通中央排水管的环向排水管、电加热融冰等技术在寒区隧道中应用效果良好。