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。     

公路隧道设计环形封闭理念的探讨

隧道裂缝的普遍,既有施工方面的原因,也有设计方面的因素.提出了隧道设计方面的疑惑:如围岩应力模型的失真、不完整,围岩体和围岩应力动态变化过程的不确定性,隧道结构轴线与围岩应力轴线的不吻合,直墙式隧道和无仰拱隧道的设计缺陷等等.在隧道结构设计上提出了一些新的思路:建立隧道组合荷载的动态应力模型,二衬混凝土与初期支护、围岩体共同承担围岩应力,隧道衬砌采用环形封闭设计,提倡曲墙+仰拱+施工缝强化设计的隧道结构设计模式.     

基于对流-导热耦合作用的寒区隧道保温隔热层研究

寒区隧道的抗冻措施研究对隧道建设有重要意义,基于对流-导热耦合作用的非稳态传热有限差分计算模型,计算分析寒区隧道多年冻土和非冻土段外贴式及中隔式保温隔热层的保温隔热效果,并对寒区隧道纵向铺设保温隔热层后的抗冻效果展开研究。结果表明:1)在非冻土地层外贴式保温层保温效果较佳,在多年冻土地层中隔式隔热层隔热效果较佳,两者效果相差不大;2)受周期性入口风温的影响,隧道衬砌背后温度呈现周期性变化,变化幅度逐年递减。在材料、施工允许的前提下,建议采用外贴式保温隔热层;设计时,保温隔热层厚度应作经济技术比选。本文研究成果可供寒区隧道设计者与研究者参考。     

寒区隧道拱墙铺设防水保温层施工方法

拉法山隧道工程采用拱墙铺设双层防水板中间加保温板的防水保温设计方法,为解决如何采用无钉法依次铺设“防水层+保温层+防水层”的问题,在施工现场先后试验了胶结法、吊绳吊挂法、环向钢筋固定法和防水板连接带环向张拉连接法4种铺设方法。在可行性和实用性等方面对这4种方法进行综合分析比较后,总结出防水板连接带环向张拉连接法最经济、环保,并且符合设计要求和便于现场操作。     

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。     

青藏铁路昆仑山隧道防冻胀结构研究

结合青藏铁路昆仑山隧道,分析了多年冻土地区隧道冻胀产生的原因,提出了“一次衬砌+防水隔热层+二次衬砌”的新型防冻胀结构型式。通过对昆仑山隧道现场气温、地温和洞内围岩温度、冻胀力、初期支护和二次衬砌应力等一系列的测试表明,该结构安全可靠,昆仑山隧道的建成使多年冻土隧道的修建技术取得了长足的进步.     

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。     

天(水)定(西)高速关子隧道防排水设计

黄土隧道与普通岩质隧道防排水设计有较大差别,关子隧道穿越地层围岩为黄土、泥岩和砂砾岩,通过对不同围岩段防排水分类设计和协调统一,以求达到隧道防排水系统排导通畅、防水效果可靠、结构耐久、不留后患。     

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。     

厦门海底隧道防排水系统研究与工程应用

为了对中国海底隧道防排水系统设计提供理论依据,针对厦门海底隧道防排水系统设计问题进行了研究.通过对隧道涌水量进行计算,对堵水注浆圈作用进行分析并结合工程类比后,分析确定了厦门海底隧道的防排水设计原则及方案,即在主隧道不良地质地段和整个服务隧道采用全封堵方案,水压按全水头计算;在主隧道完整围岩地段采用限量排放方案,水压可进行一定折减.用堵水注浆圈、自防水衬砌结构、分区防水系统和隧道排水系统共同构成厦门海底隧道的防排水系统.现场工程实践表明:该防排水系统达到了预期效果,可供类似隧道工程参考.     

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。     

基于BP神经网络的隧道渗漏水等级评定模型研究

由于隧道渗漏水的普遍性和严重危害性,隧道渗漏水已成为隧道工程建设和维护的一大关键课题。针对我国隧道渗漏水的现状,通过综合分析影响隧道渗漏水的各种因素,找出影响隧道渗漏水的主要因素,提出包括隧道设计施工因素、防排水工程措施、围岩及地下水情况、自然地理情况4个一级指标共10个因素的评价指标集,构建基于BP神经网络的评价模型,并验证该模型的可靠性。该方法为进一步提高隧道渗漏水等级评价的精确度提供新的思路。     

隧道新奥法原理与发展

首先探讨了围岩自承能力的力学机制,认为围岩自承能力来源于强度,围岩塑性强化区和弹性区是主要的承载结构。新奥法“充分发挥围岩自承能力”的观点可进一步表述为“基本维持围岩原始状态”,这是一种“显性”表述,提出了技术方向,具有可操作性。将能量最小原理分别应用于石质隧道和土质、破碎围岩隧道,对其具体含意进行了深入阐述,提出此原理可以作为判断各种施工方案优劣的依据。     

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。     

砂板互层岩体中隧道围岩力学特性研究

通过建立可反映互层岩体中砂岩与板岩组成、岩层倾角、岩层走向等因素变化对岩体变形影响的互层岩体本构模型,研究了砂板互层岩体中隧道围岩的力学特性。研究结果表明:岩体中板岩体积含量越高,围岩最大变形及破坏范围越大,隧道周边围岩变形不对称性也越明显,板岩结构面的内摩擦角大小对岩体变形及破坏范围影响很大,板岩沿结构面破坏为砂板互层岩体的主要破坏形式之一;砂板互层岩体的倾角变化将影响隧道周边围岩变形的对称性及破坏区域的分布,倾角在40°～60°时,围岩变形的不对称性最明显,板岩含量较高时,砂板互层岩体的最大变形随倾角的增大而降低;岩层的走向与洞轴线交角越大,围岩变形越小,隧道周边围岩变形也越趋于对称,在陡倾砂板互层岩体中,洞轴线应尽可能沿与岩层走向大角度相交的方向布置以利于围岩的稳定;随着埋深的增加,围岩变形及破坏范围均增长,因岩层倾角、走向变化引起的隧道周边围岩变形不对称性也越明显。     

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。