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。     

季节性寒区隧道施工期围岩温度影响深度研究

季节性寒区隧道在冬季通常气候条件恶劣,常面临冻害问题,进而对隧道的施工和运营的安全造成威胁。通过数值模拟探究了某季节性寒区隧道冬季施工期温度分布规律及围岩温度影响深度的影响因素。研究结果表明:隧道已施作二次衬砌区段和未施作二次衬砌区段的围岩温度影响深度分别为9m、10m,未施作二次衬砌区段围岩对温度变化较敏感。对于已施作二次衬砌区段,温度影响深度大致相同,并且随开挖长度增加而减小,随进口风速的增大而增大,随围岩与外界温差增大而增大。对于没有施作二次衬砌区段,围岩的温度影响深度随隧道开挖长度增加减小,随围岩与洞外温差增大而增大,但不受进口风速影响。     

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。     

寒区冻融环境下隧道衬砌结构耐久性分析

寒区冻融环境下,隧道衬砌普遍存在开裂、剥落、挂冰以及路面冒水、结冰等冻害,严重危及隧道的运营安全.结合大坂山隧道的实际工程情况,从隧道的冻害成因和冻胀机理出发,分析了围岩的冻胀膨压力对衬砌结构的作用特性和规律,以及衬砌混凝土在冻融作用下的损伤情况,得出主要结论有:围岩冻胀膨压力是影响隧道衬砌耐久性的主要因素;拱脚在断面内最先达到最不利状态,混凝土自身的特性直接影响其抗冻融破坏能力.并据此提出可行、有效的技术对策,对提高寒区冻融环境下隧道衬砌耐久性具有参考意义.     

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。     

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。     

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。     

青藏寒区隧道及隧道群事故成因与对策探讨

随着青藏寒区隧道建设的快速发展,寒区隧道及隧道群的安全运营问题逐步显现.隧道安全运营的影响因素包括环境、道路、车辆、管理及人为因素.文中根据青藏寒区隧道的特点,分析各因素的影响机理,提出设计阶段在主体结构、管养和交通安全设施、隧道机电等方面应注意的问题及运营阶段在日常运营管理、应急状态下的应对措施.     

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。     

寒区隧道冻胀力计算方法研究进展与思考

近年来，随着中国西部及青藏高原地区交通网的建设，修建了越来越多的寒区隧道，然而寒区隧道冻害也频繁发生。隧道冻胀力计算是寒区隧道防抗冻设计亟待解决的难题之一。首先将现有的冻胀力计算方法分为基于含水风化层冻胀模型、衬砌背后积水冻胀模型、冻融圈整体冻胀模型3类。含水风化层冻胀模型利用侧压力代替冻胀力作用，衬砌背后积水冻胀模型将冻胀力归结于衬砌与围岩之间的局部积水冻结膨胀，冻融圈整体冻胀模型则认为冻胀力系冻融圈围岩含水冻结后整体膨胀所致。然后对这些方法及其基于的假定与适用性进行了系统的分析和总结。最后重点分析了基于冻融圈整体冻胀模型的冻胀力计算方法，并归纳出3种考虑冻融圈冻胀变形的方式：①假定冻结圈冻胀位移模式；②假定冻结圈围岩各向均匀冻胀；③考虑冻结圈围岩非各向均匀冻胀。剖析了不同冻融圈冻胀变形处理方法的区别和联系，并通过工程案例对比分析了不同冻融圈冻胀变形处理方法对冻胀力计算结果的影响，分析了考虑围岩非各向均匀冻胀时冻胀力解的适用性。研究结论可为寒区隧道工程设计提供借鉴。     

我国寒区山岭交通隧道防冻技术综述与研究展望

首先,回顾我国不同时期典型寒区山岭交通隧道的气象条件、建设与运营期冻害现象及防治技术,展现我国寒区山岭交通隧道防冻技术的发展历程;其次,梳理寒区山岭交通隧道冻害发生的影响因素,从现场测试和耦合理论研究2个方面总结目前国内寒区山岭交通隧道温度场时空分布规律研究现状,分析列车活塞风和自然风对寒区铁路隧道温度场的不同影响,得出寒区铁路隧道温度场的分布规律;然后,从微观、细观和宏观层面深入论述土体、岩体和混凝土在水冰相变和水分渗透、迁移条件下发生的冻害损伤机制及研究现状,得出冻害防治应遵循减少地下水和控制洞内温度场2大技术原则和采取主动与被动2类冻害防治措施的结论;最后,展望我国寒区山岭交通隧道防冻技术在温度场规律、冻害机制、短周期冻融、防冻材料和清洁能源利用研究等方面的发展方向。     

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。     

隧道涌水对围岩特性影响分析

地下水渗涌是影响隧道施工及建成运营的一个重要因素,隧道涌水引起力学、物理和化学作用,并影响围岩水力学和变形特性。隧道涌水将导致强度降低、膨胀、变形,以至于围岩失稳破坏。以长大深埋特长隧道为例,在分析隧道涌水特性的基础上,结合室内试验与现场监测,系统分析隧道涌水对围岩特性的影响,包括强度、围岩变形、膨胀性等。结果表明,隧道涌水量越大、岩体越破碎,其对围岩特性的影响越显著。     

西藏墨脱公路嘎隆拉特长隧道防排水方案设计

嘎隆拉隧道是高海拔寒区隧道,处于两大区域活动性断裂带影响内,洞身地质条件复杂,隧道区岩石片理、节理及裂隙发育,断裂带及影响范围内围岩极为破碎,自稳性极差,隧道地下水极发育,并成为隧道施工中最为严重的地质灾害.因此,合理的防水排水设计是保证隧道顺利贯通和日后运营安全的关键.介绍了嘎隆拉隧道特殊的地理地质环境下的防排水方案设计,并通过动态设计及时处理施工中遇到的问题,为同类隧道设计提供了有益的借鉴.     

浅埋偏压隧道围岩松动圈的影响因素分析

浅埋偏压隧道存在较为不利的非对称压力,易造成隧道发生塌方等事故,建设过程中采用合理的隧道支护力学参数显得尤为重要。围岩松动圈理论为隧道支护提供了可靠依据,但浅埋偏压隧道围岩松动圈的影响因素较多、原因复杂;通过对隧道现场充分的调查分析,遴选4个主要的影响因素:地下水、隧道岩层产状、隧道地形偏压情况以及隧道埋深;基于二次正交组合设计原理,采用4因素5水平试验方案,通过声波测试,按照对应设计水平进行了17次隧道现场围岩松动圈测试。经过计算分析得出显著性最大者为围岩含水情况,其次为隧道埋深和偏压率,岩层产状对围岩松动圈影响最小。     

小净距隧道稳定性影响因素的数值模拟

运用ANSYS数值模拟手段,对不同埋深、净距、围岩等级的小净距隧道进行三因素四水平的正交试验,通过对不同因素组合下隧道帮部、顶底板应力及位移的综合分析,结果表明:埋深对隧道围岩的应力影响最大;围岩等级对隧道顶底板的位移影响最大;埋深对远离中夹岩柱的帮部位移影响最大,而围岩等级对靠近中夹岩柱处的帮部位移影响最大.     

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。     

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀力演化规律研究

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀演化机制是影响其运营安全的关键科学问题。为探究冻结圈围岩的冻胀力演化规律,开展含水围岩低温冻结作用下三维地质力学缩尺模型试验；采用环境冷气进入洞内降温的方式,模拟隧道洞口段围岩温度场分布特征；利用微型压力传感器对含水围岩在低温冻结过程中的冻胀力进行实时动态监测,以获取不同含水率和冻结圈厚度围岩下的冻胀力时空演化曲线。采用多元回归分析方法,建立围岩冻胀率、冻结圈厚度与含水率等参数的拟合计算式；据此建立平面应变状态下考虑围岩含水率和围岩比重指标的冻结圈围岩冻胀力理论解。采用热应力方法模拟冻胀力演化特征,对冻胀力的理论计算值和模型试验测试值进行对比分析,进一步验证试验方法和理论解的合理性。研究结果表明：围岩温度场呈三阶段变化特征以及类似带柄状“正勺”形状分布规律；含水围岩温度场的下降阶段呈非线性分布特征；围岩温度表现出滞后于环境温度变化的趋势。不同含水率和冻结圈厚度下的冻胀力演化规律曲线形态类似,表现为孕育-发展-稳定变化特征。冻胀力理论解与现场实测数值偏差19.7%,与数值解、试验值偏差均在0~20%之间,所提出的冻胀力理论计算方法可为围岩含水率为0~60%范围和冻结圈厚度为0~8.0 m范围冻胀力取值提供参考。研究结论可为寒区富水隧道冻结圈围岩的冻胀力设计及预测研究提供支持。     

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。     

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。