高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望

随着我国西部大开发战略持续深入,“一带一路”倡议稳步推进,以及交通强国重大战略的部署和实施,在高海拔寒区建设和运营的隧道逐年增多。近些年来,虽然寒区隧道修建技术,特别是在防寒抗冻技术方面取得了长足进步,但冻害发生比例仍然较高,受严寒复杂气象条件影响,隧道洞内挂冰、侧沟溢冰、路面结冰、衬砌开裂及排水系统冻结失效等冻害现象时有发生,严重影响衬砌结构的安全性和耐久性,造成巨大经济损失,寒区隧道建设和运营面临挑战。围绕高海拔寒区隧道防寒抗冻关键技术问题,对保温层厚度和保温设防长度参数确定、保温形式及适用性、防排水技术、围岩冻胀力计算、衬砌结构抗冻技术等的应用现状进行归纳,指出今后寒区隧道建设和运营过程中仍需重点关注和解决的问题,展望高海拔寒区隧道防寒抗冻技术的发展方向,以期为高海拔寒区隧道成功修建和安全运营提供参考。     

寒冷地区隧道衬砌壁后冻融及其影响分析

文章在考虑围岩冻结渐进性和围岩渗水开放性的基础上,研究分析了冻胀过程以及伴随的融冻过程对隧道衬砌结构、初期支护喷混凝土和围岩自身强度等的影响.分析结果表明,对于按现行规范修建的隧道,发生在衬砌壁后的积水冻胀和围岩冻胀对衬砌结构施加的压力不大,设计时可不予考虑;发生在混凝土内部的反复冻融对初期支护的喷混凝土损伤显著、设计施工应予注意;寒区隧道宜重视对常见的因渗漏水引起的冻害的设防.     

寒区隧道不同排水系统结构形式下保温层作用效果及适用性研究

以哈牡高速铁路鲜丰隧道为例,探究施作保温措施后洞内环境温度以及隧道围岩温度等变量综合影响下的隧道温度场。基于不同的围岩初始温度以及洞内温度,提出相应的寒区隧道排水系统结构形式选择建议,以保障寒区隧道排水系统的安全与稳定。研究表明,同一条件下,设置保温层后排水系统各测点的温度值均有不同程度的提高;设置保温层后,对衬砌背后水管保温效果较好,而对侧边水沟及纵向水管保温作用效果有限;排水系统结构形式的主要区别体现在中心（深埋）水沟内的温度;根据洞内环境温度以及隧道围岩温度,可将寒区隧道排水系统结构形式选择划分为3个区域,分别为A区（无保温）、B区（中心水沟-保温）以及C区（中心深埋水沟-保温）。     

寒区公路隧道温度场及保温层的研究

随着寒区公路隧道的不断增多,寒区隧道的保温问题也受到广泛重视。为了分析计算此类隧道施工过程中的温度场,验证寒区隧道保温设计的必要性,确定保温设计的经济性和有效性,文章以某市西山隧道为背景,结合东北冻土的热力性质特点,利用大型有限元计算程序Ansys,对寒区隧道进行了模拟分析,并且将计算的理论数据与实际测定的数据进行对比,分析隧道开挖后围岩温度场的分布、初期支护以及二次衬砌的温度变化过程,对隧道保温效果进行评定。数据对比表明,将保温层设置在二次衬砌外侧是比较合理的,但在东北寒区,对于断面半径达7m的大断面隧道,仅使用40 mm厚的PU硬质聚氨酯泡沫板作为保温材料是不合理的。为使设计经济合理,保温材料在径向上可以采用不同的厚度。     

季节性冻土隧道冻害机理分析及防冻探索

在季节性冻土地区,新建隧道受温度、水、空隙等外界条件的影响,会在衬砌与围岩之间形成冻融圈。随着季节的变化,冻融圈在衬砌与围岩的约束下产生冻胀力,造成衬砌受损开裂,进而引发冻害。虽然我国学者针对冻胀机理与冻害影响因素进行了多年研究,完善了3种冻胀学说,并从微观和宏观层面提出多种防冻措施,但冻害问题仍然层出不穷。文章通过总结国内外季节性冻土地区隧道冻害现象、冻害机理及防冻措施,从温度、水、空隙等冻害必要条件出发,提出寒区隧道防冻减灾建议,以期对日后季节性冻土地区隧道的建设提供帮助。     

姜路岭隧道温度场特性分析

对于青藏高原海拔4 000 m以上多年冻土区的长大公路隧道温度场特性的研究,国内尚未见文献报导。文章针对青海省G214线控制性工程姜路岭隧道出口段的围岩、支护结构及洞内外环境温度进行了为期一年的现场实测,运用数理统计的方法,分析研究了沿隧道径向、纵向一定范围内围岩和衬砌结构温度变化规律,并采用正弦函数回归法对隧址区洞内外环境气温进行了拟合分析。结果表明:(1)多年冻土区隧道洞内外气温的相互关系和隧道内围岩及衬砌结构温度的纵向分布规律两方面的变化情况是基本一致的;(2)在隧道施工中,各断面径向温度场伴随着洞外大气温度的变化而不断变化,同时在纵向方向上也发生了变化;(3)多年冻土隧道围岩温度沿径向变化幅度较大的深度约为2.7~3 m,而在季节性冻土隧道中约为10 m。     

寒冷地区隧道温度、渗流规律与冻害预防

根据试验隧道的温度和水流量测试成果,得出了寒冷季节隧道水流量和隧道衬砌后浅层围岩温度随时间的变化规律。预防隧道冻害应有系统观念,一味提高隧道内温度或衬砌壁后温度未必有利于问题的解决。在试验隧道中采用了冻害综合防治措施,即:(1)加强拱顶围岩注浆;(2)选用低温柔性好的防水板;(3)喷射混凝土表面降糙;(4)采用LV法铺设防水层;(5)施工缝设置可排水止水带;(6)采用直接通至中央排水管的环向排水管并进行局部保温;(7)在衬砌下隅角背后设置保温层;(8)在衬砌壁后预埋电热带穿线管等,取得了良好的综合防冻效果。     

季冻区隧道离壁式波纹钢板保温套衬及其保温效果研究北大核心CSCD

为防治季冻区隧道中频繁出现的冻害问题,提出一种新型离壁式波纹钢板保温套衬,该套衬具有施工简便、防水性能可靠、防止混凝土掉块、提高聚氨酯使用寿命等优势,采用数值仿真对季冻区施作离壁式波纹钢板保温套衬隧道的温度场及其保温效果进行研究。结果表明:季冻区隧道施作新型离壁式波纹钢板保温套衬后,阻隔了寒冷空气对衬砌结构的影响,围岩正温区范围增大,隧道冻结线由距衬砌0.48 m围岩处前移至保温套衬,有效防止了季冻区隧道冻害的发生;季冻区隧道贴壁式聚氨酯保温层的保温效果为89.90%~96.43%,新型离壁式波纹钢板保温套衬的保温效果为101.94%~107.14%,离壁式波纹钢板保温套衬的保温效果要优于贴壁式聚氨酯保温层。     

软弱围岩隧道抗震设防措施

隧道的抗震设防一直只注重结构的强度,而忽视了结构的变形能力和软弱围岩的抗震能力.对软弱围岩隧道震害机理和抗震设防措施的分析表明:锚杆(锚管)和围岩注浆加固措施能提高软弱围岩的抗震性;合理的结构刚度、高性能的建筑材料和高阻尼结构能改善衬砌结构适应地震位移的能力;减震层、抗震缝和预留错台能减轻震害影响.     

汶川地震公路隧道震害规律研究

结合汶川地震灾区公路隧道震害资料,文章制定了公路隧道震害量化指标并进行分级,对汶川地震公路隧道震害规律进行了研究。研究结果表明:隧道衬砌开裂长度占隧道总长度比例最高,二次衬砌垮塌及仰拱错台长度次之;多数震害类型在V级围岩中发生的比例均高于其它级别围岩;X、XI度地震烈度区,断层段破坏程度最严重,其次是洞口段;震害严重程度随震中距增加而迅速衰减,发生严重以上震害的隧道集中于10 km以内,近三分之二发生于20 km范围;坚硬岩体中的隧道,震害程度随埋深增加而减轻,软弱围岩中的隧道,震害程度与埋深关系不明确;发生严重以上震害的隧道,实际地震烈度均高于设防烈度,出现中等震害的隧道,近三分之二的隧道实际地震烈度高于设防烈度;隧道轴线与发震断层交角为60°~90°,震害严重,轴线与发震断层交角为30°~60°,震害相对较轻;防水板致使初期支护和二次衬砌在地震时不能协同工作,增加震害风险。     

寒区隧道春融期渗漏水原因分析及预防方法

寒冷或严寒地区的隧道常在春融期出现渗漏并引发各种冰冻,造成隧道病害.文章在隧道围岩温度实测的基础上,分析了隧道在春融期发生渗漏的原因,并根据隧道横断面上冻结线与防水层的相对位置,将春融期分为三个阶段,寒区隧道的渗漏主要发生在冻结线位于防水层上的时段.此外,针对目前设计与施工中存在的同题,探讨了预防隧道春融期渗漏的若干措施.     

高地应力软岩隧道施工动态控制与优化研究

根据兰渝铁路毛羽山隧道出口开挖过程中出现严重大变形的工程实例,利用FLAC3D建立三维数值模型,对不同台阶长度、仰拱闭合时机、锚杆长度以及二次衬砌浇筑时机的隧道施工进行了动态模拟。计算结果表明:台阶长度对大变形控制至关重要,应尽可能减小上台阶长度,采用超短台阶法施工;仰拱对于挤压性围岩隧道大变形控制具有显著的效果,应尽早封闭成环;随着锚杆长度的增加,隧道变形逐渐减小,但是当其长度大于8m时,再增加锚杆长度对控制大变形所起作用不明显;开挖后立即施作二次衬砌,可有效控制围岩蠕变变形。     

高寒地区隧道围岩及洞内气体温度分布规律研究

文章依托内蒙古自治区绥满国道主干线博牙高速林场隧道工程,通过设置温度监测断面,对隧道洞内气温及不同部位、不同深度的围岩温度进行了监测分析。结果表明：（1）隧道洞内气温随时间呈三角函数变化;（2）离隧道洞口越远,洞内气温年平均值越高,年温度振幅越小;（3）隧道拱脚处的温度低于边墙、拱腰和拱顶的温度,在隧道未贯通时,拱脚与拱顶最大温差可达3℃。     

柔性比对隧道地震动力响应影响研究

地震作用下隧道与围岩动力相互作用的强弱与隧道和围岩的相对刚度关系密切,为分析地震作用下隧道衬砌与围岩相对刚度对结构内力的影响,文章引入柔性比的概念进行抗震数值计算分析。通过对地震波、边界条件进行处理,建立计算模型分析在不同围岩等级、衬砌厚度、混凝土强度等级、隧道直径情况下结构内力的变化情况,并给出了不同柔性比条件下隧道衬砌地震反应的基本规律。结果表明,柔性比越大,地震作用下隧道的内力越小;在进行隧道结构多道设防时,相邻结构的刚度应逐渐变化,且每一层的厚度不应过大。     

青藏铁路昆仑山隧道冻胀压力计算

隧道衬砌的冻害一直都是人们密切关注的问题,但对作用在衬砌上的冻胀压力大小及模式很少有人进行较深入的研究.文章试图以青藏铁路昆仑山隧道为例,分析隧道衬砌冻胀压力的作用规律,旨在为冻土地区隧道的设计及施工提供参考.     

乌鞘岭特长隧道F7断层围岩大变形段二次衬砌安全度分析

乌鞘岭特长隧道11#斜井处正洞在穿越F7断层时,由于隧道埋深大、断层岩体破碎、岩体完整性差、围岩自稳能力弱、受挤压影响等,开挖后围岩变形长时间不收敛,50天后的变形仍为2～4 mm/d,累计最大变形量已超过60 cm,部分地段严重侵限,不能满足<铁路隧道设计规范>关于施做二次衬砌的规定.如果二次衬砌及时施做,在软岩大变形条件下其安全度问题值得进一步深讨.文章通过现场量测和监测手段,并结合理论计算与分析,对已施工完毕的二次衬砌段的结构安全度进行了探讨,结果认为,目前乌鞘岭隧道F7断层二次衬砌结构的设计参数是可靠的和安全的,满足<规范>所规定的在软弱围岩地段的要求,建议及时施做二次衬砌.     

双连拱隧道施工阶段衬砌裂损状态成因的研究

文章针对双连拱隧道施工期间衬砌裂损出现的过程、状态、分布特点及现场处置,综合现场勘查、施工过程分析、地形地质等因素,定性研究了衬砌致裂成因,建立了隧道进口衬砌裂损区段施工过程数值分析模型;考虑隧道所处位置实际地形条件、围岩构造参数、实际施工工序等,重点研究了衬砌结构内主应力的分布规律.研究结果表明,衬砌裂损的主要成因是偏压荷载作用造成局部应力大于正常设计承载力;由于地质构造复杂,施工中考虑不周、对塌方区处理固结不充分,加之施工中多次扰动、左右线相互影响等,使围岩松动软化.文章从理论上解释了该隧道衬砌裂损产生的机理,其结果与现场实际相吻合.     

寒区隧道局部渗漏水冻害处治的产热集水装置及应用

寒冷或严寒地区的隧道常在春融期出现渗漏并引发各种冰冻灾害,另外寒区隧道的排水管道会因为冰冻堵塞而失效,造成隧道病害。基于此,文章依托吉林省图们至珲春高速公路东南里隧道工程,采用现场调查和收集相关文献资料等方法,分析了寒区隧道局部渗漏水导致隧道局部冻害的状况,并根据隧道衬砌渗漏水点的病害状态,提出了采用局部加温、设计配套装备和明确施工操作工艺流程的方法。实际工程应用效果表明,采用该方法处理的隧道衬砌渗漏水点未发生冻胀现象,防冻害效果较好;与传统的隧道防渗漏方法相比,避免了不必要的材料、资金的浪费,以及大量人力物力的消耗。     

隧道单层衬砌结构水压力特征研究北大核心CSCD

针对隧道单层衬砌材料性能、结构受力状态等的研究成果较多,但对于水压力分布特征的研究较少。基于此,以单层衬砌喷混凝土单一结构和复合式夹心结构为研究对象,基于渗流连续性方程和达西定律,推导了水压力计算公式,分析了喷混凝土层渗透系数、单层衬砌厚度等因素对水压力的影响规律。研究结果表明:(1)进行单层衬砌设计时,应采用围岩注浆等措施减小围岩渗透系数,设置必要的排水措施,不宜特别强调外层喷混凝土层的抗渗能力,以降低单层衬砌结构水压力;(2)单层衬砌厚度在满足围岩荷载和自重荷载作用的前提下,宜尽量减小厚度,建议厚度不超过40 cm;(3)复合式夹心结构的内层厚度应小于外层厚度的4/5。     

乌鞘岭特长隧道F7断层围岩大变形段二次衬砌安全度分析

乌鞘岭特长隧道11#斜井处正洞在穿越F7断层时,由于隧道埋深大、断层岩体破碎、岩体完整性差、围岩自稳能力弱、受挤压影响等,开挖后围岩变形长时间不收敛,50天后的变形仍为2～4 mm/d,累计最大变形量已超过60 cm,部分地段严重侵限,不能满足<铁路隧道设计规范>关于施做二次衬砌的规定.如果二次衬砌及时施做,在软岩大变形条件下其安全度问题值得进一步深讨.文章通过现场量测和监测手段,并结合理论计算与分析,对已施工完毕的二次衬砌段的结构安全度进行了探讨,结果认为,目前乌鞘岭隧道F7断层二次衬砌结构的设计参数是可靠的和安全的,满足<规范>所规定的在软弱围岩地段的要求,建议及时施做二次衬砌.