高黎贡山隧道1#高地温斜井降温处理技术研究及比选

为解决高地温隧道工程中存在的作业环境差、机械设备故障多、劳动生产率低等高温热害问题,以大瑞铁路高黎贡山隧道1#长大斜井为背景，进行技术研究和降温方案比选。首先,分析热水源、监测隧道洞内外气象条件，通过加强通风措施改善人体的舒适度。其次，采用注浆封堵热水源，减少热水流量，控制施工环境的湿度和温度；采用冰块+射流风机+快热交换的处理措施，冰块吸收隧道内热量，降低局部环境温度；采用机械制冷设备进行强制降温，改善热害隧道施工环境；综合优化资源配置，采用增加作业人员和设备数量，倒班作业，缩短人员和设备作业时长等多种处理措施。最后，分析各种降温措施能够达到的施工效果。结果证明，针对以围岩、热水为主要热源的高地温隧道施工，采用“通风降温+注浆堵水+机械降温+合理施工组织”的处理方案，符合高地温隧道施工的技术要求。     

考虑环境湿度条件下高地温隧道喷雾降温研究

为了解决高地温隧道施工环境的热害难题,探究喷雾降温辅助手段降温效果并确定其设计参数,以我国西南地区某隧道工程为依托,采用现场实测和数值模拟方法,就不同雾滴温度、喷头位置和流量对高地温隧道中不同截面位置温度场湿度场分布影响问题进行了深入分析。研究结果表明：喷雾系统弱化了围岩加热新鲜风的过程,使各截面气温显著降低2～3℃;处于喷头后方的隧道截面降温幅度更大,该范围为30 m左右,超出此范围,改变喷头位置不会对其后方隧道气温和湿度产生明显影响;围岩温度35℃、新鲜风25℃的条件下,设置喷雾流量和雾滴温度为0.005 kg/s和20℃可以将掌子面附近100 m范围内气温和相对湿度控制在27℃和47%左右;增加喷头流量是降低隧道环境气温的有效方式,而改变雾滴温度的影响作用较小。     

高地温尼格隧道综合降温体系研究

为解决高地温隧道因高温引发的热害问题,以红河州建水—元阳高速公路的尼格隧道为依托,基于能量平衡原则设计各降温措施的适用区间。采用CFD软件模拟进行对照分析,研究尼格隧道现场采用降温措施的效果,构建高地温隧道综合降温体系。结果表明： 1）围岩温度T<32 ℃时采用单通风管道,在围岩温度32 ℃≤T≤40 ℃时采用双通风管道,在围岩温度40 ℃<T≤48 ℃时增设局部雾炮车喷雾降温,在围岩温度T>48 ℃增设冰块降温,且在实际应用中温降可达到理论计算值。2）增大通风量对降温速率的影响最大,可提升37.7%;冰块降温次之,可提升11.6%;喷雾降温提升效果最差,仅提升3.2%;但是对于降温幅度,冰块降温>增大通风量>喷雾降温。3）增大通风量可以加快洞内空气的置换流通,宜作为基础降温措施;冰块降温通过融化吸热可实现大规模的温降,可用在热害等级较高的隧道;喷雾降温可实现局部区域的降温、除尘和加湿,可作为掌子面辅助降温措施实现对隧道的局部降温。     

隧道运营期内部空气温度的预测分析

运营隧道内空气温度的合理预测有助于改善隧道内部环境。为了准确预测分析运营隧道内气温，引入传热第三类边界条件，耦合隧道径向及轴向二维轴对称的围岩温度导热方程与洞内气流温度方程，推导出隧道空气温度和内壁面温度的分析解，该分析解法与文献报道数值解法计算得到的巷道内气温差值在０．５℃以内。以武汉长江隧道为例，对运营隧道内的空气温度进行计算分析。结果表明：洞内气温的计算结果与实测数据的差值大多在１℃以内，且温度变化趋势一致，进一步验证了本文分析解的正确性；随着风速的增加，出口气温不断降低且降幅逐渐减小，即降温效果已逐渐不明显，表明运营隧道内的风速控制需综合考虑降温效果和动力消耗。     

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℃。     

大瑞铁路高黎贡山隧道原岩温度预测

随着深埋长隧道需求数量的增加,高地温热害问题越来越突出,严重影响到施工人员的安全及工作效率,需要根据地温的分布特征来对隧道高温地段采取必要的降温措施。结合大瑞铁路高黎贡山隧道的地质、地温实测资料及通过“谷地地理信息系统”获取的地形数据,采用基于地质演化历史计算原岩温度的数学模型,编制相应的计算程序对高黎贡山大瑞铁路隧道进行原岩温度预测,并对隧址区的温度场沿洞线方向进行简单划分,为隧道采用有效的降温措施提供必要的地温场数据。通过计算分析可以得出： 1）沿隧道向瑞丽方向,隧道原岩温度有先增大后减小的趋势,最高点温度为31.73 ℃; 2）隧道开始大约2.5 km以内及18 km至隧道终点段,隧道岩温在28 ℃以下; 3）2.5~18 km段隧道岩温为28~31.73 ℃,其中高于28 ℃区域需要采取实时温度监控措施。     

彩虹岭特长公路隧道施工环境通风方案设计

公路特长隧道施工的通风是隧道施工中的一大技术难题。根据南方地区雨季较多,全年湿度较大,洞内和洞外温度相差不大,洞内空气流动相对困难的环境条件,从工程施工通风设备的实际出发,通过几种方案的比较,本着“安全、可靠、经济、合理”的原则进行通风方案的优化设计。     

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。     

高黎贡山隧道施工热环境通风降温计算方法应用研究

为解决高地温隧道施工热环境难题、掌握隧道中的热源和冷源的能量平衡控制方法，以传热学原理为基础，通过能量守能定律，推导得出无高温水出露和有高温水出露2种工况下的新风量计算公式。以大瑞铁路高黎贡山隧道为例进行研究，得到以下结论： 1）推导得出的理论公式具有一定的可靠性，计算误差可控制在6%左右； 2）增大通风量可使洞内相对湿度大幅度降低，通风降湿效果明显； 3）低温、低湿新鲜风可以有效改善隧道内环境质量，但存在局限性，应因地制宜地选取热环境控制方法。     

隧道爆破振动试验研究

由于某隧道从水库斜下方穿越且存在断裂破碎带,为确保隧道施工不会引起F3断裂破碎带孔隙变大、同时保证隧道爆破施工不危及水库大坝的安全运营,必须进行爆破振动试验及监测分析。通过对水库坝体及隧道洞内进行爆破振动监测与试验,数据结果表明,大坝坝体两测点监测的爆破振动速度均小于爆破振动控制预警标准2.5cm/s,表明隧道洞内掌子面爆破未对水库大坝坝体造成不利影响,隧道洞内拱腰位置水平切向振速较大。并通过爆破振动监测,了解地下工程爆破振动规律。     

齐热哈嗒尔高地温引水发电隧洞施工影响分析及降温措施研究

齐热哈塔尔水电站工程发电引水隧洞实测掌子面温度达到110℃,对工程的建设产生严重的影响。为保证工程施工的顺利进行,对隧洞高地温的成因及对隧洞施工的影响进行分析,研究高温环境的降温措施。研究结果表明:1)本区域具有高热流值,高地温是热流密度沿断层等地质构造传导至地表的结果;2)通过采用隧洞通风与局部通风相结合,低温冷水与人工制冰相结合的降温技术,较好地解决了隧洞的高温施工问题。     

基于圆形断面的隧道温度场有限差分计算模型

除了少数圆形隧道外,大部分山岭交通隧道断面采用马蹄形或端墙式等形状。在隧道温度场的预测中,圆形断面模型能否代替马蹄形等实际隧道模型,其适应性值得研究。应用基于空气－衬砌－围岩的对流－导热耦合作用控制方程的有限差分方法,建立圆形断面模型对东北寒区马蹄形隧道温度场进行计算,并与现场实测温度场进行对比。结果表明： 1) 圆形断面隧道模型有限差分计算方法克服了通用有限元软件建模复杂、对硬件要求高的弊端,考虑了隧道内风流速度和入口风流温度的影响,在隧道温度场的预测计算中能够满足工程使用要求。2）隧道内风流速度和入口风流温度对隧道温度场影响较大。本文算例中,入口风流温度每升高10 ℃,二次衬砌表面温度升高约7.2 ℃,增幅均匀;从1～5 m/s,洞内风流速度每增大1 m/s,二次衬砌表面温度降低的幅度为6.6、2.7、1.5、0.9 ℃,降幅越来越小。     

TBM施工引水隧洞降温技术研究

TBM施工时,岩温和机械发热所产生的大量热量会导致隧洞内的温度环境恶化,TBM掘进面附近的温度控制是影响连续长距离掘进的重要因素之一。为制定合理的TBM施工段降温措施,采用传热学理论,对采用压入式独头通风的TBM施工隧洞内的温度分布规律进行研究,并以引汉济渭岭北段TBM 5#斜井工区为例进行验证。通过引入空调工程中焓值的概念,确定TBM隧洞人工降温的冷负荷,对常见的降温措施进行对比讨论,进而确定TBM施工隧洞的降温措施。研究表明： 隧洞内的空气温度与隧洞壁温、通风风温、通风风量、盾构的发热功率、隧洞周长、通风长度、风管侧壁传热系数和隧洞侧壁的换热系数等参数有关;对于TBM掘进面附近高温、高湿的环境,只能采取人工制冷降温措施进行降温     

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。     

新建钻爆法隧道穿越既有输水隧洞实施方案

以某钻爆法市政隧道项目穿越既有输水隧洞为例，阐述了市政隧道实施方案中关于设计、施工、监测等方面的应对措施。市政隧道采用全包防水+CD法分部开挖，可有效减少隧道施工期及运营期对输水隧洞的变形影响，通过三维数值模拟，输水隧洞在隧道施工期最大隆起量为3.57 mm，在隧道运营期基本无变形；隧道施工过程中对洞室内坚硬岩体采用“水磨钻取芯+静态破碎”的施工方式，避免了爆破振动对输水隧洞结构的损伤；除加强隧道施工期的监控量测外，在隧道内布设了健康监测点，为隧道及输水隧洞的健康状态评估提供了可靠依据。     

组合式测点装置在龙泉山隧道施工监控中的应用

在隧道施工监控技术现状分析基础上,根据不同变形阶段对监测方法及精度要求,针对隧道分步开挖法,提出采用“隧道位移变形监测专用多功能组合式测点装置”开展隧道施工监控量测。介绍了组合式隧道监测新方法的原理及数据分析。通过龙泉山隧道工程监测实践表明:该监测方法解决了常规监测中分步开挖数据采集不连续的问题,监测精度满足规范要求。