寒区铁路隧道结构抗冻技术探讨

研究目的:受温度变化影响,寒区隧道衬砌结构易出现开裂、酥脆、剥落等病害。本文通过分析寒区隧道的环境作用,并通过调研我国寒区铁路隧道的结构冻害情况,归纳隧道结构的冻胀机理,提出寒区隧道结构的抗冻措施,探讨保温层在铁路隧道的适用性及设计方法、施工工艺,从而明确今后需要进一步研究的寒区隧道结构抗冻技术。研究结论:(1)寒区隧道衬砌结构冻害可分为特殊地层隧道围岩冻胀型冻害和结构缺陷型冻害,需采取相应措施进行控制;(2)负温差引起的温度应力作用,易导致寒区隧道衬砌开裂,需采取变形缝等构造措施;(3)季节性冻土区铁路隧道应慎用保温层;(4)本研究成果可为寒区隧道结构抗冻提供参考。     

寒区隧道温度场分布规律及保温层适应性研究

为了研究寒区隧道的防寒保温设计问题,采用数值分析方法探讨不同外界气温、围岩地温以及有无保温层等条件下寒区隧道温度场的分布规律和保温层适应性研究,并采用叠加原理、分离变量法和贝塞尔特征函数建立列车风影响下寒区隧道温度场的计算模型,分析有无列车运行条件下寒区隧道温度场的变化规律。研究结果表明:由于二衬后出现负温分布对隧道衬砌结构安全性影响较大,因此建议将二衬后不出现负温分布作为寒区隧道保温措施的控制指标;在不考虑列车风影响条件下,保温层法最佳适用于最冷月平均气温为-2~-15℃的地区,当最冷月平均气温低于-15℃、围岩地温低于5℃时,保温层法应与主动保温措施相结合;当列车运行速度为300km/h、运行间隔为30 min时,通车与不通车相比隧道洞内中间位置平均气温下降约1.22℃,二衬后沿隧道进深方向出现负温的距离约增加36.8%。     

季节性冻土区隧道保温层御寒保温技术研究

为了满足交通的便捷和时效性,我国修建在寒区的隧道工程越来越多。针对困扰季节性寒区隧道工程的冻害问题,以季冻区桦皮岭隧道为依托,开展寒区隧道保温层御寒保温技术研究。首先,开展现场环境温度和竖直钻孔隧道洞口段围岩温度场变化监测,获得计算模型所需精准温度荷载及地表活动层围岩温度场受影响范围;其次,建立基于Fluent流体计算软件的"围岩-衬砌-保温层-空气"气固耦合计算模型,并通过对比现场地勘资料验证计算模型的合理性;最后,对不同保温材质、不同铺设厚度和铺挂方式进行了对比分析。结果表明:围岩温度场随外界大气温度呈近似三角函数周期变化,但"滞后效应"明显;地表活动层围岩温度受影响范围约为8 m;设置保温层处内外温度存在"跳跃"现象,内外温差最高达8℃;硬质聚氨酯保温材料较聚酚醛泡沫塑料和泡沫玻璃御寒保温效果分别提高了近20.6%和80.9%;最优保温层厚度为5 cm,最优铺挂方式为衬砌内表面铺设。     

京沈高速铁路支线天秀山隧道洞口段的防冻保温技术

针对寒冷地区隧道洞口段因受洞外气候影响严重而对防冻保温设计要求高的问题,以京沈高速铁路支线天秀山隧道为背景,采用数值模拟方法研究了寒冷地区隧道洞口段温度场及防冻保温措施。研究结果表明:在中心深埋水沟顶部和边墙碎石盲沟外侧设置保温板可以防止负温影响到中心深埋水沟和边墙碎石盲沟;仰拱混凝土无法隔绝负温,仰拱底部的横向排水管、二次衬砌背部的环向透水盲管冬季受负温影响易发生冻结。提出对横向排水管包裹防冻保温层,并将保温板厚度增到8 cm的优化方案。优化后横向排水管和环向透水盲管不再出现负温,满足寒冷地区冬季正常工作要求。     

寒区隧道洞内温度场分布规律及防寒设计探讨

为探究寒区隧道冻害机理,以吉图珲高铁沿线10座隧道为依托,结合现场长期实测数据和数值模拟实验,提出寒区隧道洞内温度场分布规律及计算方法。研究结果表明：隧道洞内空气温度场可采用二次抛物线来拟合和计算,其主要控制参数包括隧道长度、隧道洞口基准温度、隧道洞口温度增长梯度和隧道洞内平均风速;隧道衬砌结构具有较好的短波滤波特性,能够很好地过滤掉衬砌表面日温度的波动变化;隧道衬砌背后温度与衬砌表面5日平均温度曲线基本一致,可据此确定隧道钢筋混凝土衬砌设置长度;无保温层情况下,隧道二衬壁面温度与初支-二衬接触面温度平均差值为2.2℃,当隧道内二衬壁面温度低于-2.2℃时,需设置保温层;有保温层情况下,隧道二衬壁面温度与初支-二衬接触面温度平均差值为10℃,当隧道内二衬壁面温度低于-10℃时,保温层的保温效果会将难于满足隧道防寒的要求,此时需与其他保温措施相结合。     

季节冻土隧道边墙开裂原因及影响因素研究

研究目的:近年来,在我国高纬度季节冻土区,围岩冻胀导致隧道衬砌开裂、春融期渗漏水等病害时有出现,严重影响隧道和列车运营安全。本文以我国西北地区某铁路线隧道为例,采用现场测试、室内试验、数值模拟等手段研究季节冻土区隧道冬季边墙纵向开裂原因及其主要影响因素。研究结论:(1)修建在强风化砂泥岩地层中的隧道,当围岩含水率为12. 3%、围岩冻结深度达60 cm时,在冬季持续负温作用下,边墙最大拉应力为2. 28 MPa,大于C30混凝土的极限抗拉强度,边墙会出现水平冻胀裂缝,若考虑衬砌承担部分围岩荷载,边墙纵向开裂程度会加剧;(2)冻胀力荷载作用下,衬砌开裂具有对称性、季节性、积累性等特点,裂缝在冬季出现,分布在边墙中间位置,气温回升后,具有收缩性;(3)季节冻土区围岩冻胀力荷载计算宜以围岩冻结圈厚度和含水率为主要指标;(4)本研究成果可供季节冻土区隧道设计、运营维护参考。     

考虑随机裂隙的高寒隧道温度场和保温层研究

研究目的:为进一步探究温度场的变化规律和保温层敷设厚度问题,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和水头对温度场的影响,并基于温度场进一步对比解析解和数值模拟的保温层设计厚度。研究结论:(1)径向温度值及其变化速率随围岩孔隙率和渗透率的增大表现为增大趋势,随着随机裂隙孔径和下边界水头的增大,径向温度值表现为增大,变化速率则表现为减小的趋势,孔隙率对温度场影响最大,渗透率对温度场影响最小,径向温度分布规律可用Asymptotic1模型表示;(2)由于随机裂隙和渗流的影响,衬砌和围岩接触面的温度值不完全对称,但总体表现为从拱顶到仰拱逐渐升高;(3)孔隙率和渗透率对冻结深度的影响可用Exp3P2模型表现,随机裂隙孔径和下边界水头对冻结深度的影响可用Exp Dec1模型表现,理论分析和数值模拟结果说明保温层厚度的解析解较数值模拟大;(4)本研究结论可为相关寒区隧道的温度场发展、分布规律和保温层厚度设计提供借鉴或参考。     

气候变暖条件下寒区隧道可靠性分析全文替换

气候变暖将对寒区隧道长期稳定性和可靠性产生显著影响,也对寒区隧道工程防灾减灾提出了新课题。为探究气候变暖条件下寒区隧道可靠性的演变规律,以巴哈达坂隧道为对象,建立热力耦合数值模型,研究未来50年青藏高原气温升高2.6℃,3.0℃和4.0℃时,围岩温度场和变形场等的时效变化特点。采用蒙特卡罗法研究隧道可靠性及敏感性的变化规律,并提出增强隧道可靠度的技术措施。研究结果表明：当二次衬砌和保温层厚度分别为5 cm和40 cm时,50年后气温升高2.6℃和4.0℃时隧道可靠度分别为87.5%和82.2%;如果要将50年后隧道的可靠度确保在90%以上,气温升高2.6℃时二次衬砌和保温层的最小厚度为42.3 cm和7 cm,比现有设计提高了6%和40%;而气温升高4.0℃时二次衬砌和保温层最小厚度达到45.2 cm和9 cm,比现有设计分别提高了13%和80%。根据IPCC结论,如果未来50年能将第三极升温控制在3.0℃内,当保温层厚度为8 cm,二次衬砌厚度不小于42.7 cm时,隧道可靠度即可达90%以上。     

高寒地区围岩冻胀对已有裂缝隧道安全性的影响

通过分析隧道工程中围岩冻胀机理,结合衬砌内力分析,建立已有裂缝隧道的弹性冻胀计算理论。以张家口市一隧道为例,通过与数值分析的对比,验证了该计算理论的准确性。综合考虑围岩岩体的局部冻胀分布、相对冻结深度、含水率、衬砌初始裂缝深度等因素,研究已有裂缝隧道安全的影响规律、内在机制和预防措施。结果表明:弹性冻胀理论可以较精确地计算裂缝衬砌受冻胀后的部分应力和位移量,分析隧道不稳定状态,为高寒地区隧道设计提供借鉴。     

后安山隧道保温层优化设计仿真分析

以高寒地区吉图珲客运专线后安山大断面隧道为研究对象,采用ABAQUS有限元建立计算模型,讨论隧道贯通前后保温层厚度对温度场的影响和保温设防段,分析结果表明:(1)距离隧道洞口越远,防止围岩出现冻结所需的保温层厚度越小;随着保温层厚度的增加,围岩的冻结深度会相应变小;(2)隧道贯通前的保温设防段长度为450~500m,隧道贯通后的保温段长度为720~830m,较隧道贯通前增加了近300m;(3)验证了后安山隧道在距洞门721 m范围内铺设5 cm厚的聚氨酯保温板的保温方案。     

冰-水相变对寒区隧道动态温度场影响研究

为了揭示冰-水相变对寒区隧道动态温度场的影响,通过建立隧道有限元模型,对比分析考虑相变与否两种情况下隧道温度场的动态变化,研究隧道在内部气温变化作用下的冰-水相变发展过程。研究表明:围岩内部温度随深度增加而升高,年变化幅度逐渐减小,变化相位逐渐滞后;考虑冰-水相变后,隧道温度场年动态变化过程改变较大,温度年变化幅度显著减小;在外界低温的作用下,主洞与导洞部位均有结冰现象,衬砌和围岩内部在1月份开始结冰,4月份之后完全冻结区消失,仅在衬砌和围岩存在冰水混合区,至7月份完全解冻,解冻后重新冻结的月份为10月份,之后冻结范围逐渐扩大,全年冻结发展最快的时间为11月份。     

寒区隧道衬砌结构可靠性分析

为了研究寒区隧道在运营阶段衬砌结构的可靠性,考虑到冻胀力、围岩压力和结构自重应力对围岩衬砌结构的影响,以昆仑山寒区隧道工程为背景,采用ANSYS中的PDS(概率设计)模块和蒙特卡洛拉丁超立方抽样方法,对影响寒区隧道衬砌结构可靠性的主要因素以及保证隧道结构安全的可靠性指标进行研究。结果表明:基于ANSYS数值模拟,通过研究冻土围岩温度场和应力场的耦合结果,得到冻胀对衬砌结构产生的最不利的位置;以概率论和数理统计相结合的方式,对衬砌结构最不利位置的可靠性进行定性和定量的分析,得到衬砌结构的可靠性指标;蒙特卡洛法中的拉丁超立方抽样提高了抽样概率的精确性,概率设计的敏感性和设计变量之间的散点图分析,有利于确定影响衬砌结构可靠性的主控因素,进而针对可控因素采取措施,以此提高衬砌结构的可靠性。     

寒区隧道冻胀力的粘弹性解析解

利用弹性粘弹性相应原理，导出了衬砌－正冻围岩－未冻围岩系统冻胀力在拉氏象空间中的有关算式，然后采用数值逆变换的方法，求得了寒区隧道的冻胀力和衬砌应力。算例表明考虑了冻胀因素时的衬砌应力比未考虑冻胀因素时的衬砌应力大得多。     

季节冻土地区强风化砂泥岩隧道边墙开裂原因分析及整治对策研究

采用理论分析、数值计算、室内及现场试验等方法,结合准格尔至朔州铁路梁家坪2号隧道的工程实际,对季节冻土地区强风化砂泥岩季节性冻胀对隧道结构的影响进行了研究。该隧道边墙纵向开裂是由于隧道含水围岩的季节性冻胀所致,对此提出了锚固、注浆、挂网喷混凝土的衬砌开裂整治措施,并指出了现行规范中的不足,即应根据含水围岩冻胀率和围岩冻结深度来综合确定是否考虑冻胀力。     

我对隧道冻害的基本认识

以日本隧道冻害研究成果为背景,介绍隧道围岩含水量与冻害的关系、发生冻害的围岩(地质)条件和温度条件,阐述冻胀力与冻害的关系,围岩冻胀性的判定条件,认为隧道初期缺陷是发生冻害的重要因素,提出隧道防冻害设计的基本原则和设计方法。     

寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究

为了研究寒区隧道衬砌背后积水位置不同时结构的受力变化规律和破坏形式,进行冻胀力的室内模型试验。模型试验采用不同水囊大小和分布位置来模拟衬砌背后积水情况,通过模型试验箱外界环境整体降温和隧道底部局部降温的方式,模拟隧道外界的低温环境。试验结果表明:衬砌背后冻胀力在拱顶处较小,在边墙和拱脚处较大;在相同的冻胀压力作用下,拱顶处更容易破坏。最后采用数值计算,对比分析围岩注浆前后3种试验工况下隧道衬砌结构的可靠度。结果表明:仅靠提高衬砌结构的厚度和强度来预防或消除衬砌结构冻害的方法是不可取的,在富水区的寒区隧道采用围岩注浆加固具有较好的效果。     

地震作用下盐水沟隧道破坏成因研究

针对2009年库车县地震过后盐水沟隧道产生的震害现象,通过现场调查、386组围岩的动三轴试验、理论推导及数值分析,研究隧道衬砌开裂破坏的成因。现场调查结果表明,衬砌中产生的各种裂缝以交叉裂缝为主,其次是斜向裂缝、纵向裂缝和地面裂缝,并且裂缝数量的分布在地形的起伏较大地段和围岩变化段比较密集,洞口段破坏最为严重。数值分析和室内试验结果表明:低频地震波、起伏较大的地形地貌、隧道内围岩等级的差异以及地震过程中围岩动力特性的变化是造成盐水沟隧道衬砌发生破坏的主要原因;随着输入地震波频率与隧道自振频率之间的差异逐渐增大,隧道衬砌的变形逐渐减小且向刚体位移发展;隧道拱顶的竖向位移、加速度等地震响应与围岩等级呈负相关关系;随围岩动剪切应变的增加,围岩的动剪切模量比减小,动阻尼比增大;埋深在2 H~5 H(H为隧道高度)时,隧道衬砌的变形较大,埋深在5 H~30 H时,衬砌变形随着隧道埋深的增加而迅速降低,大于30 H时,衬砌变形趋于平缓。     

吉珲客运专线典型隧道温度场分布规律研究

结合吉珲客运专线隧道建设,选择具有代表性的中、长和特长隧道,在一定隧道进深拱腰位置的二衬表面和二衬背后围岩径向设置测温传感器,连续监测整个冬季隧道内空气和围岩温度变化情况,分析隧道纵向和围岩径向温度梯度变化规律,探究隧道长度、埋深、自然风、列车活塞风等因素对隧道温度场的影响,通过现场试验获得寒区隧道围岩冻结范围,为隧道防排水设施和保温措施的设计以及隧道冻害诊断分析提供理论依据。研究表明,隧道温度场受自然风影响显著,受列车活塞风影响较弱;自迎风一侧隧道口沿隧道轴向进深增加,隧道内空气温度逐渐升高,温度变化梯度与风速密切相关,在背风侧隧道口较短范围内温度逐渐趋近环境温度;隧道围岩温度沿径向总体呈现上升趋势,具体温度梯度变化受隧道埋深、围岩性质和山体内水流影响较大。     

季冻区深基坑温度场及冻胀变形研究

考虑热对流和热传导作用,结合Laplace变换和Laplace反演推导基坑土体温度场解析解,并采用Matlab编程求解、分析其温度分布规律。依托哈尔滨某越冬施工的深基坑工程实例,采用有限元数值分析方法,分析冻胀对基坑影响及安全措施控制效果。研究结果表明:基坑暴露在低温环境下的时间越长,土体的冻结深度越深,但冻结深度增加速率随时间逐渐变慢;受冻胀影响基坑围护结构裸露段水平位移增加了11.5%～35.7%,且围护结构角隅位置受冻胀影响最大,冻胀对基坑影响不容忽视;较未设置保温层工况,保温层的设置使围护结构水平位移降低了11.6%～22.6%,保温层隔热效果明显。     

吉图珲客运专线后安山隧道温度场分布规律测试及分析

以寒区后安山隧道工程为依托,通过对试验段温度场的测试,分析衬砌围岩温度分布规律、洞内纵向温度分布规律,并在此基础上,对保温板的保温效果进行探讨,分析结果表明:(1)边墙、拱腰、拱顶部位各测点随时间的变化规律成正弦函数,并和外界气温同步变化;距离衬砌表面60 cm内温度变化最为剧烈;在径向3 m范围内,围岩内温度呈线性变化趋势;围岩径向存在一个比较稳定的温度边界条件;隧道贯通后,各测点的温度下降3℃左右。(2)隧道纵向温度场沿路线呈抛物线分布,寒季为开口向下的抛物线,暖季则相反;进入隧道500 m后洞内气温受洞外气温的影响逐渐减弱,温度分布也逐渐均匀。(3)保温板内外两侧温度差最大9.21℃,证明其具有良好的保温效果;建议在隧道防寒保温段采取非等厚保温板的铺设方法更为经济合理。