寒区隧道温度场和排水沟埋置深度研究

研究目的:寒区隧道冻害问题时有发生,防排水对策是冻害防控措施的重要组成部分,其中尤以排水沟的合理埋置深度最为重要,该深度受温度场控制,被气象环境、地质环境和工程措施三个因素影响。鉴于国内外对考虑热流固耦合效应的寒区隧道温度场和排水沟埋置深度的研究较少,本文结合实际工程对此问题进行研究,以期为寒区隧道冻害防治提供技术支撑。研究结论:本文采用理论分析、数值试验、现场测试三种手段,基于流固耦合传热理论,对寒区隧道温度场和排水沟的埋置深度进行研究,得到结论如下:(1)揭示了寒区隧道温度场的时空分布规律,发现了区域冻结深度与隧道排水沟埋置深度的差异性;(2)研究寒区隧道排水沟埋置深度时,应以热扩散系数作为控制指标,密度、导热系数、比热容均为二级指标;(3)提出了排水沟埋置深度计算公式,该公式基于最冷月平均温度,考虑了地表岩土体和隧道围岩的热扩散系数的差异性,为寒区隧道排水沟设计提供了依据;(4)通过对东北某隧道温度场监测数据的深入分析,验证了该计算公式的正确性,可为后续类似隧道工程的防寒工作提供借鉴或指导。     

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。     

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。     

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。     

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结构选型研究

寒区铁路隧道由于水文地质条件、地形、施工等原因衬砌常出现渗漏水、结冰等病害,威胁列车行驶安全,不断增加工务部门养护维修成本。综合考虑隧道衬砌冻害现状及施工要求,在分析导流板的选型及电热结构选型的基础上,研发出4种电热导流板结构形式。根据各种类型隧道衬砌冻害整治需求各种形式的电热导流板能在设计范围内任意搭配组合,使导流板紧密地贴合在隧道壁上,达到较好的防冻害效果。     

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。     

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。     

高寒地带生态敏感区铁路隧道洞口工程设计优化研究

随着西部大开发的推进，我国在高海拔寒区及生态环境敏感地带修建的隧道会越来越多，隧道洞口段施工的顺利与否直接关系到后续整体工程进展，而目前关于这方面的研究比较少。针对生态敏感区高寒地带铁路隧道工程洞口工程设计和施工难题，依托成兰铁路红桥关隧道，分析原设计方案存在的问题，提出了综合洞口优化、隧底加强、明洞接长、防排水优化四种手段的洞口工程优化方法，同时采取合理的施工工序和质量控制措施，经过现场应用，上述措施显著改善了生态敏感区高寒地带铁路隧道洞口环境，保证了隧道施工及运营安全，可为相关工程提供参考。     

严寒地区铁路隧道中心深埋水沟设置长度计算方法

严寒地区铁路隧道防寒措施的合理设置直接关系到铁路运营安全。通过对已建成严寒地区隧道排水通道局部结冰情况和太阳辐射对应关系进行分析,隧道洞口的太阳辐射大小是影响隧道排水通道局部结冰的关键因素。为降低隧道冻害在铁路安全运营中产生的危害,量化计算严寒地区铁路隧道中心深埋水沟的设置长度,建立了隧道洞口太阳辐射评价标准,并基于已建成的位于严寒地区铁路隧道优化后的中心深埋水沟设置长度,结合太阳辐射指标、最冷月平均气温,采用麦夸特法(Levenberg-Marquardt)非线性回归计算出公式待定参数,得到了严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式。     

电伴热系统在浩吉铁路隧道冻结防治中的应用

隧道穿越寒冷、严寒地区,在含水环境下易发生冻结现象,严重威胁行车安全.随着我国寒区隧道的大规模建设,寒区隧道冻结防控大多采用"防、排、保温结合"的方式,保温排水系统设计包含侧沟式或中心埋置式保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞等方式.以浩吉铁路寒区隧道为例,在前期既有聚氨酯保温侧沟措施下,结合现场出现的侧沟冻结、仰拱填充...     

联络通道冻结施工近隧道端土体温度场分布及管片保温措施优化

为了研究人工冻结法施工联络通道中近隧道端土体温度场的分布规律以及管片散热对土体温度场的影响,采用现场实测和数值计算的方法,对土体温度场分布、冻结壁厚度和管片保温措施进行分析。结果表明:土体温度、冻结壁扩展厚度均随深度的增加呈指数型变化,当深度大于2.2 m时冻结壁厚度和冻土温度场基本稳定;联络通道的冻结壁沿长度方向可划分为2侧交界面段与正常冻结段;冻结管间距是影响交界面段冻结壁厚度的重要因素之一,因此辅助冻结面冻结壁是联络通道施工中的主要风险点之一;管片散热对土体影响范围与冻结时间呈对数关系,随着冻结时间的延长,影响范围将逐步扩大;为保证交界面区域的冻结效果,可在钢管片内部靠近土体一侧增设5 cm夹心保温层或改良管片壁后注浆材料2种管片保温,优化后交界面靠近管片位置冻结壁厚度可提升约24%。     

当金山隧道防寒泄水洞适宜埋设位置数值分析

寒区隧道防寒泄水洞是避免隧道产生冻害的主要措施之一,对隧道的正常使用以及工程造价具有较大的影响;确定当金山隧道防寒泄水洞适宜埋设位置将成为工程施工过程中的重点及难点。利用MIDAS/GTS有限元软件,基于防寒泄水洞与主隧道不同竖向净距及水平净距条件下,从位移、应力及衬砌截面安全系数几方面的变化规律,对主隧道、平导及防寒泄水洞三者布置之间的相互影响进行数值分析。通过对比研究以及综合考虑隧址区最大冻结深度、安全经济要求以及结构影响等因素,最终得出当金山隧道防寒泄水洞适宜埋设位置即位于主隧道下方5 m、左侧19 m处。     

膨胀性地层铁路隧道衬砌结构及防排水措施优化建议

结合膨胀性地层铁路隧道病害概况以及单、双线铁路隧道断面、防排水设计现状,提出相应的衬砌结构及防排水措施优化建议。衬砌结构的优化建议如下:对单线隧道而言,适当增大其边墙曲率、仰拱矢跨比,提高边墙、仰拱的强度和刚度;对双线隧道而言,适当增大其仰拱矢跨比,提高仰拱的强度和刚度;隧道仰拱处二次衬砌应采用钢筋混凝土,同时在隧道仰拱填充中增设格栅钢架或在隧道仰拱填充顶部增设钢筋。防排水措施的优化建议如下:将设置在仰拱填充内的中心水沟下移至仰拱下方,在仰拱下方设中心水沟或改设为排水渗沟,可将隧道衬砌背后积水均引入仰拱下方的中心水沟排出洞外;而改设的中心渗沟主要用于排出仰拱下方积水。     

3种隧道洞口落石防护方案对比分析

为解决既有隧道洞口落石防护问题,比较了钢桁架棚洞、柔性棚洞以及波纹钢板棚洞3种落石防护结构的优缺点,并采用有限元软件对其可靠性进行数值模拟。研究结果表明:3种防护结构均能对能级为100 kJ的落石进行有效拦截;钢桁架棚洞为刚性结构,不利于落石的缓冲及能量吸收,会发生局部变形损伤,适用于洞口坡面陡峭、桥面与地面高差不大、围岩条件较好地段;柔性棚洞以柔克刚能充分吸收落石的冲击能量,适用于洞口场地施工条件差的隧道以及既有工程改造项目;波纹钢板棚洞施工速度快、强度高,更适用于洞口抢修工程。     

京张高铁正盘台隧道立体式多径路排水方案研究

长大富水隧道施工过程中涌水风险高,工期紧张,对排水能力要求高,辅助坑道设置方案及排水方案对隧道施工及运营有着重要影响。根据正盘台隧道的工程特点及涌水涌渣情况,结合排水需求,合理地选择辅助坑道设置方案,采用辅助坑道为正洞,增开工作面,实现"长隧短打",同时充分利用辅助坑道进行可控式排水、洞内储水仓、中心排水管分流等创新设计。多辅助坑道与正洞排水系统一起形成了立体式多径路的排水系统,有效降低了涌水淹井风险,保障了隧道工期,减轻了正洞防排水压力,可为类似工程的排水设计提供参考。     

对东北某铁路隧道冻害产生原因的思考

内蒙古自治区某新建铁路,地处严寒地区,隧道在建设完工后不久,多个隧道即出现不同程度的冻胀病害,前期经过几次对冻害进行整治,效果并不理想。针对隧道冻害产生的机理进行分析,并根据病害情况,验算冻胀力的大小,结合几次冻害的治理经验和教训进行总结,提出采用保温隔热层的方法进行治理,为今后类似工程的设计提供了相应的借鉴经验。     

宜万铁路排水支洞爆破振动对运营隧道影响研究

在不良地质突出的地段进行爆破作业时,爆破振动是影响工程安全的重要因素。文章通过对宜万铁路新增排水支洞爆破施工对相邻运营隧道的振动速度和应变影响进行监测与分析,研究运营隧道振动速度与应变随着排水支洞爆破施工的变化规律,结果表明,运营隧道振动速度与排水支洞爆破单次爆破进尺密切相关,应变则随着爆破次数的增加而小范围波动。