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.     

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.     

公路连拱隧道冻胀结构力学分析与防冻措施

针对目前我国中原以北地区公路连拱隧道在运行中越来越突出的衬砌冻胀破坏问题,文中根据隧道在冻胀条件下温度和结构的相应作用,初步探讨了冻胀力的计算方法并运用ANSYS有限元分析,模拟在冰冻环境温度作用下隧道的冻胀过程及持续低温和冻胀作用对隧道衬砌结构的影响,最后在分析公路连拱隧道特点的基础上提出了抗、防冻措施。     

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。     

基于夹杂体本构理论的混凝土渠道冻胀模拟

研究独立参数少且能够满足生产实际的冻土本构模型,对科学指导寒区混凝土衬砌渠道的建设非常必要。在冻土属横观各向同性材料的基础上,基于复合材料夹杂理论提出一种新型冻土本构模型,将冻土分别视为各向同性、横观各向同性线弹性材料,把渠基冻土和渠道衬砌作为一个整体结构,应用元通用软件ADINA,对甘肃靖会梯形混凝土衬砌渠道冻胀进行热应力耦合数值模拟,计算渠道冻胀的温度场、应力场和变形场,研究衬砌板冻胀受力和变形规律,并对结果进行对比分析。结果表明,该模型能较好地反映梯形混凝土衬砌渠道的冻胀机理和冻胀温度场、应力场及变形场的基本规律,与实测成果吻合较好。     

公路隧道衬砌背后空洞积水冻胀的力学简化模型研究及误差分析

为解决高寒地区公路隧道衬砌背后积水冻胀问题,针对特定的环向长条形空洞,建立了2种不同的简化计算模型,即将衬砌结构简化为拱脚为铰支座约束和弹性固定端约束的半圆拱模型。采用荷载-结构法,推导衬砌结构在冻胀力作用下的内力公式,利用MATLAB计算不同参数下的理论值,并绘制内力变化曲线,确定整个衬砌结构在空洞不同大小时的内力分布规律。计算结果表明： 冻胀力引起的衬砌弯矩和轴力极值位于不同的衬砌位置,仅仅考虑弯矩或轴力对衬砌的影响具有一定的误差。对衬砌背后冻胀力的内力影响规律以及2种简化模型的误差进行定量分析,为公路隧道施工和运营维护提供了一定的参考价值。     

乌鞘岭高海拔地区隧道冻胀机理及防冻措施研究

研究了围岩、混凝土的冻胀特性以及地下水对寒冷地区隧道的危害程度,揭示了隧道冻害发生的机理;以G30连霍高速公路永登至古浪段乌鞘岭隧道为依托,提出了防止隧道冻害的措施,并介绍了隧道加热新技术。     

季节冻土区高速公路路基冻胀试验观测研究

在季节性冻土区的路基工程中．冻胀是冻害的主要形式之一．冬季较强烈的冻胀也预示着春季可能要产生较严重的融沉和翻浆。根据2000～2002年间对吉林省长余高速公路路基冻张观测所获得的资料．描述了冻胀引起的路面变形破坏特征,对影响冻胀的因素进行了分析．并阐明了路基冻胀量沿冻深的分布状况。     

围岩冻胀对隧道结构影响及锚杆整治对策

根据最近文献资料统计,季节冻土区隧道衬砌边墙出现纵向裂缝的案例越来越多,给隧道运营安全带来极大危害.采用理论分析和数值模拟方法研究了季节冻土区隧道冬季边墙衬砌开裂的原因及相应整治对策.结果 表明:(1)仅考虑嗣岩冻胀力荷载时,当冻胀力达到一定量值时,边墙中间位置会产生较大弯矩,会导致边墙混凝土衬砌产生裂缝,当考虑冻胀力荷载和围岩荷载共同作用时,围岩荷载会进一步加剧衬砌裂缝的发展程度;(2)计算得到的边墙拉应力最大值对应位置通常在轨面以上2～3 m处,与现场某隧道由围岩冻胀荷载导致衬砌开裂现象位置吻合;(3)当既有隧道内轮廓没有富余,不允许侵限的情况下,利用设置"被动型"抗拉全长锚同锚杆整治冻胀隧道病害的措施,可以有效抵抗围岩季节冻胀力荷载,防止边墙衬砌开裂现象的发生,确保隧道的运营安全.     

存在衬砌背后空洞的隧道计算模型研究及应用

本文根据公路隧道衬砌背后空洞病害特征，在病害成因、病害形成过程与机理分析的基础上，利用接触方法建立了包含衬砌背后空洞的隧道计算模型，并初步分析了空洞形状参数对衬砌结构围岩压力和安全系数的影响。     

不同冻胀模式下冻结隧道施工引起的地表竖向位移时空解

为了更加科学地预测水平冻结法隧道施工引起的地表竖向位移，从冻结管周围土体与地层冻胀相互作用机理和试验现象出发，提出了冻结管周围冻结土体在地层约束作用下的2种不同冻胀模式；基于热传导理论得到了冻结锋面随时间变化的移动规律，进一步联合镜像法和叠加原理，推导了均匀冻胀模式和非均匀冻胀模式下水平冻结法隧道施工时多个冻结管共同引起的地表竖向位移时空预测计算公式，并依托MATLAB软件编制了求解程序。结合工程实例，将理论解与实测数据进行了对比，此外，还针对隧道埋深、冻结壁厚度、不均匀冻胀性进行了参数影响分析。研究结果表明：不同冻胀模式计算得到的位移分布规律与实测值在整体趋势上基本相似，且实测值介于均匀冻胀模式和非均匀冻胀模式所得理论值之间，证明了所提理论模型的合理性；均匀冻胀模式与非均匀冻胀模式计算得到的地表最大竖向位移均出现在隧道中心正上方地表位置处，但不同冻胀模式下的隧道中心正上方地表竖向位移峰值有明显差异；当其他参数相同时，隧道埋深越浅，地表冻胀位移分布越窄而高，土体冻胀模式对地表位移分布影响越大；冻结壁越厚，地表竖向位移越大；不均匀冻胀程度常数越大，地表竖向最大位移也越大。建议根据工程具体情况，选用所提出的不同冻胀模式来预测水平冻结隧道施工引起的地表变形，以确保工程安全稳定。     

联络通道冻结法施工三维力学分析

应用人工冻结土体技术开挖隧道的联络通道,涉及到土体冻结的热力学作用以及冰冻土体与隧道结构相互影响等一系列复杂的物理力学过程。采用FLAC3D建立主隧道、联络通道及冻结管的三维数值模型,综合考虑了温度计算、冻土与非冻土的转变及土体的冻胀作用,研究了人工冻结法对隧道管片及周围土体的力学响应。通过对冻胀率参数敏感度分析,研究土体冻结变形、冻胀力及隧道管片内力的变化,所得到的初步结果对冻结法施工有着实际的工程意义。     

寒区隧道洞口衬砌开裂和道床冰害原因分析及整治

为解决寒冷地区隧道内部产生的冰害问题,以东北地区某铁路隧道为例,采用综合分析的方法,对案例隧道洞口衬砌开裂、渗水以及道床冰害产生的原因进行研究,并提出相应的整治措施。研究结果表明:1)隧道洞口围岩衬砌开裂主要由围岩冻胀力引起,采用喷涂保温层+防火砂浆的保温措施以及锚杆补强和裂缝嵌补的结构措施可以有效避免衬砌的开裂;2)引起道床冰害的洞内水主要来源于洞口路堑的积雪融化水和仰拱局部渗水,采用双侧水沟布设电加热设施、洞口道床底部设置小型挡水坝并加设横向电加热设施和进口路堑位置及路堤零填段设置挡雪设施的措施可以有效解决道床冰害问题。     

冻融循环对压实黄土湿陷变形影响的过程和机制

为研究冻融循环对压实黄土湿陷变形影响的过程和机制,对压实黄土进行补水条件下的冻融循环试验,测试了冻融循环前后压实黄土的温度、水分、变形、干密度、孔隙比和湿陷变形。结果表明:反复的冻融循环引起了压实黄土反复的冻胀和融沉变形,土样中水分不断增加且向中上部聚集,干密度减小,孔隙比增加,最终导致黄土湿陷变形增加;冻融循环和增湿作用引起的压实黄土结构疏松和强度弱化是黄土地基和路基湿陷变形增加的主要原因。研究成果为季节冻土区黄土湿陷产生的原因和机制研究提供了一种新的思路和解释,为黄土湿陷灾害防治提供了科学依据。     

城市富水地层大型地下空间管幕冻结规律模型试验研究

为解决管幕+冻土复合结构在大体量冻结工程应用时冻胀规律不明确、控制效果不稳定等难题，基于上海轨道交通18号线江浦路车站管幕冻结暗挖工程进行了开放系统下的模型试验。通过对不同影响因素下的管幕冻结冻胀特性和管幕受力规律进行试验研究，得出以下结论： 1）管幕可以对冻胀产生较好的约束作用，管幕+错峰冻结可以有效避免上覆土体及结构抬升； 2）间歇冻结后管幕受力曲线根据间歇时间呈现规律性锯齿波动，停冻3、5、7 d后，管幕所受冻胀压力分别可以减少约40、50、60 MPa，表明采用间歇冻结可以有效降低冻胀压力； 3）上覆地层压力越大，管幕受冻胀压力越小，较大的上覆压力可以约束冻胀的发展。     

人工地层冻结的环境效应及其工程对策

以应用较广泛的人工地层冻结法为例,从人工冻土环境效应的角度,分析冻土的重要物理力学特性如冻胀、冻胀力和融沉的作用机理,探讨适当的工程对策以控制或减少这些因素对环境的影响,最后通过地铁工程实例进一步说明这些因素与环境相互作用的规律,为拓宽人工地层冻结法在复杂环境中的应用提供参考。     

拱北隧道管幕冷冻施工中的冻胀控制技术研究

以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道为工程实例,研究管幕冷冻法工艺中地层的冻胀控制原理和技术。基于热力耦合原理,采用有限元预测人工冷冻过程中的土体温度变化及地表冻胀位移,比较和分析管幕周围土体预注浆和采用限位管模式对地表冻胀的控制效果。结果表明： 管幕周围土体的预注浆降低了土体的渗透系数及冻胀率,抑制了土中水分迁移,是冻胀控制技术的主体;限位管有效地降低了冻土的发展速率,加强了冻胀控制效果,是冻胀控制技术的有效补充。通过对现场地表冻胀实测数据与有限元模拟结果的比较分析,从地层温度和地表位移分布规律说明了冻胀控制技术的工作原理。研究结果为拱北隧道的顺利实施提供了技术保障,提高了我国复杂条件下超大断面隧道建造的总体技术,还可为类似人工冷冻法隧道施工提供技术参考。     

浅埋大直径盾构隧道施工期衬砌上浮及地表隆起的模型研究

为解决大直径盾构隧道施工过程中出现的浅覆土段隧道衬砌上浮与地表隆起问题，以上海虹梅南路越江隧道工程为背景，对该问题开展理论研究。将引起隧道上浮的上浮力作用分解为基于浆液时变性的静态上浮力和由注浆压力产生的动态上浮力；分别定义上浮力分布段及浆液凝固段的等效地层弹簧刚度系数，基于Winkler地基梁理论建立衬砌上浮模型；由衬砌上浮位移量计算开挖面上部土体的挤压宽度，土体经挤压隆起引起地层“反向损失”，继而求解隧道轴线上方地表横断面隆起曲线及沿隧道长度方向地表位移曲线。结果表明： 1)模型计算所得地表横断面的隆起曲线呈正态分布，与实测数据吻合较好；2)沿隧道长度方向地表位移计算值能够较准确地预测地表最大上浮位移，且在地表上浮位移隆起量减少前与实测数据吻合较好；3)地表隆起位移只在盾尾离开后一段时间内存在，其值先增大后减小，最终趋于0。