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。     

基于模糊综合评判法的寒区铁路隧道冻害评价体系研究

寒区隧道冻害严重影响运营安全,冻害防治是寒区隧道研究的焦点问题之一。目前寒区隧道冻害防治大多参考既有隧道,以经验为主,缺乏理论基础,也未形成系统的规范性设计条文。鉴于此,在东北三省和内蒙古等地区122座寒区隧道冻害资料基础上,以温度条件、水文条件、围岩条件和工程措施这4个基本影响因素为准则层,采用模糊综合评判法建立评判模型,并利用层次分析法对各因素的权重进行计算,从而建立寒区铁路隧道冻害评价体系,最后以杀虎口隧道为例进行分析验证。研究结果表明:该寒区铁路隧道冻害评价体系能有效识别冻害的主要影响因素,实现从定性分析到定量指标计算的过程,避免工程类比法施工的盲目性,有利于提高冻害整治措施制定的科学性,为寒区隧道冻害防治的规范化提供参考。     

季冻性寒区隧道波纹钢排水沟性能研究

寒区隧道施工中,排水沟防冻害保护措施至关重要。本文依托太锡铁路太崇段崇礼隧道工程,对季冻性寒区隧道波纹钢排水沟的适应性进行相关研究,通过数值计算对波纹钢排水沟结构强度及防冻害性能进行分析,结果表明波纹钢排水沟在正常荷载作用下最大应力约153 MPa,管体水平和竖直变形约6 mm;在保温方面当波纹钢排水沟埋深2.5 m时可以保证其内温度不低于0℃,可以满足铁路正常运营。本文研究方法对今后工期紧张的寒区隧道排水沟施工建设具有一定工程价值和现实意义。     

高海拔寒区铁路隧道保温排水技术研究

针对处于高海拔寒区的川藏铁路隧道的保温排水问题,本文总结了国内多行业的寒区分类以及国内外寒区隧道保温排水技术现状,通过调研高纬度寒区铁路隧道的冻害情况,分析了高纬度寒区铁路隧道按最冷月平均气温和年平均气温的设计分区方法。结合川藏铁路工程特点,提出了川藏铁路高海拔寒区隧道设计分区和保温排水设施的设防标准建议,同时分析了各类保温排水设施的适用条件。结果表明:(1)川藏铁路高海拔寒区隧道按年平均气温和最冷月平均气温可划分为3个设计分区;(2)高海拔寒区隧道洞口段的排水沟槽设计,可结合工点特点,按设计分区采用不同的保温长度和不同的结构形式;(3)保温排水沟的检查井及出水口宜采取保温措施。     

寒区铁路隧道衬砌电热导流板研发及应用

寒区铁路隧道衬砌冬季易出现冻害。对冻害现状及其形成原因进行了分析,提出安装电热导流板的措施来预防衬砌冻害,并在扎尔斯台隧道进行安装和试用。结果表明:电热导流板的安装能有效地防止衬砌渗漏水,进而避免了隧道衬砌冻害的发生,整治效果良好,可为类似的寒区铁路隧道衬砌冻害整治工程提供借鉴。     

川西高海拔寒区富水隧道温度测试与冻胀分析

寒区隧道冻害问题与围岩温度及水压分布关系密切,采用铂金属热敏电阻元件与渗压计测试某寒区隧道的围岩温度与水压分布,以此为基础结合隧道实际,采用数值方法系统分析考虑渗流条件的温度场及冻胀力。研究结果表明:围岩水压力随时间变化基本稳定,在隧道边墙处约为60 k Pa,在隧底处约为80 k Pa,且在测试段落内水压沿隧道结构分布一致,地下水补给与排放处于平衡状态,基于实际入渗状态下的隧道洞口最大冻深达6.1 m,得到了最大冻深条件下冻胀力沿洞身的大小与分布。研究结果可为类似寒区隧道工程的设计与施工提供参考。     

利用热管技术和地源热泵技术防治隧道冻害的研究

近年我国寒区隧道数量不断增加,而目前隧道冻害整治措施中的保温防寒等被动性措施效果不理想,因此研发高效、节能、环保的主动工程措施显得十分必要。对利用自然能源加热隧道衬砌的热管技术和地源热泵技术的原理及其在防治寒区隧道冻害的应用进行研究,并提供了若干国内外工程实例。建议交通工程管理部门就热管技术和地源热泵技术防治隧道冻害方面进行技术研发,形成定型新产品,制定生产安装维护技术规范,推广应用。     

寒区隧道围岩冻融影响数值分析

根据带相变瞬态温度场问题的热量平衡微分方程,应用伽辽金法推导出有限元计算公式,通过对一寒区隧道在不同施工季节,不同初始条件下以及不同保温材料厚度和导热系数的温度场分析,得出了一些有意义的结论和规律,可以为寒区的实际隧道工程设计提供依据和参考。     

寒区隧道隔热层设计参数的实用计算方法

根据冻土学基本理论推导寒区隧道围岩的季节冻结深度和季节融化深度计算公式.根据传热学的热流连续定律,分别计算隧道围岩的热流量及含隔热层和衬砌隧道围岩的热流量;采用当量换算法推导出寒区隧道隔热层厚度及导热系数的计算公式.以青藏铁路风火山隧道为例,采用推导的隔热层厚度及导热系数公式进行计算.结果表明:隧道DK1 159+046断面在2004年需要的隔热层厚度为4.1 cm,导热系数为0.03 W·(m·℃)-1;考虑未来50年升温2.6℃,全隧道铺设厚度为5cm、导热系数为0.03 w·(m·℃)-1的隔热层,在前20年基本保证围岩不融化,在之后的30年围岩可能会融化.隧道实际的隔热层厚度为5 cm,导热系数为0.03 w·(m·℃)-1,2004年实测地温资料表明隧道围岩没有融化.此计算公式在寒区隧道设计的初始阶段,可用于指导隧道隔热层厚度和导热系数的参数设计.     

寒区隧道三维温度场数值分析

根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出三维有限元计算公式并编制了计算程序,对一座已经建成的寒区隧道进行了算例分析。分析表明沿隧道轴向的初始温度不是均匀的,并且沿轴向也有热量传递,隧道围岩冻结深度沿轴向分布与隧道内大气平均温度沿轴向分布的规律不同,因而,对寒区隧道进行三维温度场分析是必要的。为了保持寒区隧道围岩的原始热状况,防止因冻胀和融沉而发生破坏,采用铺设合理保温材料的方法是行之有效的。从而,为寒区的实际工程设计提供理论依据和计算方法。     

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。     

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。     

既有线铁路隧道温度场特征及防冻胀措施

针对寒区铁路锡(林浩特)—乌(兰浩特)线扎尔斯台隧道出现的冻害问题,分析了冻害产生的原因。利用ANSYS有限元软件对隧道温度场进行了数值模拟,分析了隧道结构及围岩内部的温度场分布规律。通过方案比选,确定采用衬砌表面喷射硬质聚氨酯保温层的整治方案,并对该方案的效果进行了数值分析。结果表明:在隧道衬砌未设置保温层时隧道内冻结深度达到了210 cm,围岩内容易出现冻胀现象;设置保温层后15 cm厚度的保温层内全部出现负温,二衬混凝土内部5 cm范围内出现负温,在围岩内没有出现负温及冻胀现象;随着径向距离的增加,围岩温度逐渐升高,但变化逐渐减缓并趋于稳定。     

寒区隧道玻化微珠保温砂浆保温隔热效果分析

对于当前寒区隧道普遍采用的保温隔热材料存在的诸多不足,根据玻化微珠保温砂浆的物理力学性能,提出将玻化微珠保温砂浆应用于寒区隧道隔热层。结合工程实例,通过有限元计算,对玻化微珠保温砂浆在寒区隧道保温隔热效果进行分析,并对隧道围岩温度场的影响因素进行评定。结果表明,8cm厚的玻化微珠保温砂浆具有良好的保温隔热性能,可以减少自然气候对隧道围岩温度场的影响,为其在工程中的应用提供相应的依据。     

铁路隧道洞门目标可靠度及分项系数确定方法

研究目的:铁路隧道洞门受力复杂、断面变化大,洞门可靠度研究少。研究隧道洞门目标可靠度及分项系数计算方法可为铁路隧道洞门的可靠度设计提供参考。研究结论:(1)目标可靠指标由各极限状态中最小的可靠指标决定,目标可靠度分项系数基于目标可靠指标求得;(2)目标可靠指标计算中,不同计算方法计算结果有差异,通过对三种适用于铁路隧道洞门目标可靠指标计算方法进行分析比较和结合实例计算,认为分位值法相对比较简便实用,可用于隧道洞门目标可靠指标的计算;(3)明确了分位值法计算铁路隧道洞门目标可靠指标分项系数的详细计算过程,并通过实例计算验证了分位值法计算分项系数的可行性;(4)土压力分项系数对铁路隧道洞门各极限状态均有影响且最大,因此应加强隧道洞门土压力统计特征研究;(5)本文提出的铁路隧道洞门目标可靠度及分项系数确定方法,可直接用于铁道隧道洞门结构设计。     

寒区隧道电热膜加热保温技术研究

针对我国寒区隧道冻害问题,以吉林省东南里隧道为例,通过现场温度实测和数值模拟,分析保温层的设防长度、设置厚度和适应范围,并提出寒区隧道电热膜加热保温系统.采用等效厚度法,给出保温层厚度的计算方法和保温层变截面厚度的设置方法.结果表明:被动保温措施保温层法具有一定的温度适应性,当隧道外界气温低于-18.5℃时,应考虑其他...     

下穿砂土地层掌子面盾构推力大小的极限分析

研究目的:确定掌子面推力大小是保障周边土体稳定的重要前提,在下穿既有隧道工程中更为关键。基于极限平衡法和筒仓理论,考虑既有隧道的荷载作用,推导砂土地层中下穿既有隧道工况下掌子面盾构推力计算公式,通过数值模拟和实际工程验证公式的正确性。在此基础上讨论考虑既有线和不考虑既有线两种计算方式的适用性,最后分析土体内摩擦角、两线距离及覆土厚度等参数对掌子面极限推力的影响。研究结论:(1)筒仓理论适用于下穿既有线工程掌子面极限推力计算,推导所得公式计算结果更精确;(2)砂土地层中盾构下穿既有隧道时,掌子面盾构极限推力随着与既有隧道间距、覆土厚度增加而增大,随着土体内摩擦角增大而减小;(3)本研究成果为新建隧道盾构安全下穿既有隧道工程提供理论参考。     

寒区隧道应力和位移弹塑性统一解及对比分析

选择合理的屈服准则分析寒区隧道弹塑性解能为寒区隧道稳定性分析提供理论基础。为此，结合Mohr-Coulomb准则(即M-C准则)和外接圆Drucker-Prager准则(即D-P准则)分析得到考虑中间主应力效应的统一强度准则，建立寒区隧道弹塑性力学计算模型，基于线性非关联准则推导得出考虑围岩不均匀冻胀特性的寒区隧道应力场及位移场的弹塑性统一解，并对所得统一解答式进行算例及参数分析。研究表明：采用M-C准则计算偏于保守，而利用外接圆D-P准则计算偏于危险，考虑中间主应力效应能充分发挥围岩承载潜能，有效缩小塑性半径，缓解衬砌冻胀变形；统一强度理论参数b保持常数时，初始地应力、衬砌强度、不均匀冻胀系数及围岩体积冻胀率等参数的变化对寒区隧道应力及塑性半径变化影响显著。该研究成果可丰富寒区隧道工程设计理论。     

寒冷地区铁路隧道排水设施电热防冻技术

结合工程实例详细介绍了在排水沟底部敷设专用加热电缆并运用远程监控技术实时对现场设备运行状态进行监控,实现排水设施防冻害的技术。对现场排水设施监测数据的分析显示,隧道内环境日平均温度低至-15℃,排水沟水温仍可基本稳定在5℃左右,保证隧道排水通畅无冻结。电热辅助防冻害技术能够有效解决严寒地区既有铁路隧道浅埋排水沟的冻害问题。