寒区公路隧道保温防冻及节能技术分析

为应对寒区隧道冻害,防寒保暖研究不断朝着节能、绿色环保方向发展。结合现场调查,讨论和分析了主要保温方法的研究成果和应用现状,结果表明,铺设保温层等被动保温措施不能彻底消除冻害;使用电加热初期投资少,但后期运营成本较高,带来污染;地热能作为可重复再生的、清洁环保的一次能源,将其应用于寒区隧道的防冻保暖,可以实现节能减排;并分析了利用地热能进行隧道保温防冻的优化设计方法;进一步提出了未来寒区公路隧道防冻害的发展方向。     

我国寒区山岭交通隧道防冻技术综述与研究展望

首先,回顾我国不同时期典型寒区山岭交通隧道的气象条件、建设与运营期冻害现象及防治技术,展现我国寒区山岭交通隧道防冻技术的发展历程;其次,梳理寒区山岭交通隧道冻害发生的影响因素,从现场测试和耦合理论研究2个方面总结目前国内寒区山岭交通隧道温度场时空分布规律研究现状,分析列车活塞风和自然风对寒区铁路隧道温度场的不同影响,得出寒区铁路隧道温度场的分布规律;然后,从微观、细观和宏观层面深入论述土体、岩体和混凝土在水冰相变和水分渗透、迁移条件下发生的冻害损伤机制及研究现状,得出冻害防治应遵循减少地下水和控制洞内温度场2大技术原则和采取主动与被动2类冻害防治措施的结论;最后,展望我国寒区山岭交通隧道防冻技术在温度场规律、冻害机制、短周期冻融、防冻材料和清洁能源利用研究等方面的发展方向。     

寒区隧道工程防排水现状与思考

伴随着“一带一路”政策的出台，寒冷地区修建公路和铁路的隧道工程也会随之增加。其中，寒区隧道防排水系统的防寒设计和施工是该地区隧道工程修建过程中面临的重点和难点，尤其是隧道建成后的渗漏水与冰冻是寒区隧道的顽症，长期以来一直困扰着我国寒区隧道的安全行车与运营管理。以西部寒冷地区大量隧道工程为研究对象，阐述了目前寒区隧道工程的防排水现状，通过仔细对比与研究寒区隧道工程的冻害情况，分析了寒区隧道工程发生渗漏水的原因，同时，提出了寒区隧道工程防排水的改进性措施与建议。     

寒区隧道保温层应用

冻害是寒区隧道的主要病害，水的冻结会使排水系统阻塞并产生冻胀力破坏衬砌，在洞内形成挂水、淤冰、积水，影响隧道的正常使用，严重的会使隧道报废。青海省大坂山公路隧道在国内首次使用衬砌保温层对冻害进行预防性处理，取得了较好的效果。本根据大坂山隧道的工程实践，论述了寒区隧道保温层的应用。     

寒区隧道冻害防治研究进展

冻害防治长期困扰寒区隧道,传统方法主要从加强支护衬砌结构、改善防排水效果、采取保温隔热措施等几方面着手,效果仍不理想。论文通过梳理以往寒区隧道冻害防治的基础理论与工程措施,提出供热防冻是解决寒区隧道冻害问题的根本方法,并从节能、环保的角度对衬背U型供热管方法和施工缝衬背双源供热排水防冻方法进行了探讨,可供进一步研究和试验参考。     

寒区铁路隧道保温排水设施设计标准研究

针对目前寒区隧道保温排水设施缺乏系统设计标准的问题,结合寒区分区及隧道保温排水技术现状,通过调研东北及华北北部地区寒区铁路隧道冻害情况,提出按气温条件的寒区铁路隧道设计分区方法;通过分析保温排水设施的适用条件,结合运营铁路隧道内及排水设施内的温度实测分析,提出不同分区的寒区隧道保温排水措施设置建议长度。结果表明:1)寒区铁路隧道可按年平均气温和最冷月平均气温划分为5个分区; 2)高式保温测沟仅在温度较高的寒区适应; 3)洞口一定范围段的水沟埋置于结构以下是寒区保温排水的有效手段; 4)长隧道洞身段采取保温措施后可以将水沟置于结构内; 5)有条件时长隧道宜采用人字坡,并加大隧道内的纵坡坡度,有利于改善排水条件,防止水沟冻结。     

寒区隧道围岩温度场变化规律及防冻保温分析

为解决寒区隧道的冻害问题,通过对现有寒区隧道保温措施调查分析,以青海省红土山隧道为依托,建立寒区隧道围岩温度场有限元分析模型,引入隧道环境温度实际监测数据作为模型分析温度参数与边界条件。分析了不同环境温度条件下保温层厚度对隧道围岩温度场的影响,计算了不同隧道环境下应铺设的保温层厚度,得到了不同风速、风温条件下隧道围岩温度场变化规律,探讨了沿隧道纵向分区段设置不同厚度保温层的效果。研究成果可为寒区隧道的保温防冻提供理论依据,并可为类似工程提供借鉴。     

寒区隧道口区域环境温度场演化状态分析探究

依托工程概况;隧道温度场监测方案;案例寒区隧道口区域环境温度场演化状态分析。本研究参考寒区隧道工程案例实用数据,以现场监测数据分析的方式,对寒区隧道口区域环境温度场演化状态开展专题分析探究,探讨该区域范围环境温度场分布演化规律,以为寒区隧道防御近口衬砌冻害工程应用提供研究和技术参考,助力建设安全牢固的寒区公路隧道工程。     

寒区隧道侧吹式空气幕保温系统及模型试验研究

冻害问题引起寒区隧道结构出现病害,不利于隧道的通行安全。为预防和控制关山隧道冻害的发生,提出一种新型的寒区隧道侧吹式空气幕保温系统。首先,构建空气幕阻隔效率的控制方程,并优化该系统的主要设计参数; 然后,设计并研制空气幕作用下保温装置内空气流场和温度场的试验系统,探究射流角度、射流风速、外界风速与阻隔效率之间的变化规律。试验结果发现： 1)空气幕射流角度最优值为55°~75°; 2)阻隔效率与外界风速呈反比,与射流风速呈正比; 3)侧吹式射流保温系统保温效果良好,可有效预防隧道冻害的发生。     

寒区隧道保温层铺设方式与材料选型优化研究

为了改善寒区隧道的冻害问题,对寒区隧道的保温防冻进行研究尤为重要。该文基于改进层次分析与灰色关联分析理论,优选出适用于不同保温铺设方式且保温效果良好的保温材料;其次,利用数值模拟方法分别对采用不同保温材料及铺设方式时的隧道温度场进行计算与分析,得出保温材料与铺设方式相互组合时的温度场,根据“组合温度场”对比结果,得出最佳的保温方案。研究表明：采用“离壁式铺设+福利凯保温板”的形式为最佳保温方案,其优势在于离壁式铺设形成的空气隔热层与福利凯保温板层组成的双保温隔热层能有效抵挡负温的传递,进而降低对衬砌结构与围岩的影响,而且铺设时施工便捷、维护成本低。研究成果可应用于工程实际,减小冻害发生概率,为寒区隧道保温防冻设计提供参考。     

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。     

基于温度效应的隧道二次衬砌混凝土结构力学状态分析

为了研究寒冷地区隧道二次衬砌混凝土结构在环境温度变化情况下的力学状态,基于振弦式混凝土应变计的测试原理,提出温差引起的误差修正公式,并采用数值模拟的方法,对隧道二次衬砌混凝土的温度应力进行了分析。结合陕西省吴堡至子洲段高速公路刘家坪3号隧道现场二次衬砌混凝土应变监测数据,研究了1年内环境温度变化情况下隧道二次衬砌混凝土的结构受力。结果表明:在温度的影响下,混凝土内部在冬季产生了比较大的拉应力,混凝土内侧拱顶产生压应力,其余部位内侧产生拉应力;混凝土外侧拱顶和边墙部位产生了比较大的拉应力,最大值出现在拱顶部位;混凝土的内外侧应力最大值为1.01 MPa,接近C25混凝土的设计抗拉强度1.33 MPa。     

严寒地区拉法山隧道保温型防排水系统设计施工技术探讨

严寒地区隧道结构因为地下水的存在,会长期出现冻胀的问题,经过冻融后,隧道结构易产生破坏,将大大影响结构的使用寿命。严寒地区的拉法山隧道从设计到施工,在"防、排、截、堵相结合,因地制宜,综合治理"的原则指导下,摸索出"先堵水、后排水、再防水"的防排水工程三要素。即先对围岩进行封闭注浆堵水,达到衬砌背后无水、少水的目的,再对衬砌背后增加聚氨酯保温层,保证衬砌背后不结冻;同时,采用在冻结线以下的深埋中央水沟,保证排水的通畅,解决了隧道在严寒环境下的冻胀问题。在施工技术上,开发了挂设聚氨酯保温层的施工方法,同时对止水带施工工艺进行优化,仰拱纵向钢边止水带、中埋式止水带和衬砌中埋止水带均采用了特制的定型钢模板施工,有效地解决了隧道防排水系统施工的质量通病。     

青藏铁路昆仑山隧道回冻预测分析

针对青藏铁路昆仑山隧道围岩多年冻土融化较多的问题，考虑水分迁移和冰水相变耦合影响，根据瞬态温度场问题的热量平衡控制微分方程和质量迁移方程，应用伽辽金法推导出了有限元计算公式并编制了计算软件。运用该计算软件对昆仑山隧道施工期间的融化进行了回冻预测分析。分析结果表明：保温材料对昆仑山隧道的回冻起着阻碍作用。在现场观测寒区隧道围岩的温度和应力时，必须考虑施工期间融化圈的影响，而且观测时间要长一些。否则，测量的温度和应力与隧道稳定后的温度和应力有较大的差异。     

延崇高速公路金家庄特长螺旋隧道温度场分布规律及保温层研究

为揭示寒区螺旋隧道温度场时空分布规律，依托金家庄特长螺旋隧道，采用现场监测方法研究寒区螺旋隧道温度场变化规律。基于此，通过数值模拟建立三维模型探究进口风速风温对温度场的影响，并拟合结果数据获得保温层敷设长度计算公式。研究表明： 1）随着进洞深度的增加，进、出口洞壁处空气年平均温度上升，而年温度振幅减小； 出口年温度振幅变化幅度略小于进口。2）隧道贯通后，洞内温度受两侧洞外相对低温的共同作用，同一断面处年平均温度下降，年温度振幅增大。3）隧道在直线段温度场分布规律与同条件的直线隧道一致，从曲线段开始内外径温度曲线发生分叉，外径侧温度较直线隧道温度大；而内径侧温度反之。4）进口风速越大、风温越低，对隧道温度场越不利，通过拟合公式，金家庄特长螺旋隧道进口的保温层长度至少需要1 239 m。     

京新高速公路旗下营隧道防寒抗冻对策及监控量测

旗下营隧道是京新高速公路重要的控制性工程,文章阐述了该隧道防寒抗冻设计、隧道监控量测、超前地质预报设计及隧道安全风险评估等关键环节,为内蒙古自治区寒冷地区隧道的防寒抗冻设计、隧道监控量测、超前地质预报设计及隧道安全风险评估提供一定的参考。     

基于对流-导热耦合作用的寒区隧道保温隔热层研究

寒区隧道的抗冻措施研究对隧道建设有重要意义,基于对流-导热耦合作用的非稳态传热有限差分计算模型,计算分析寒区隧道多年冻土和非冻土段外贴式及中隔式保温隔热层的保温隔热效果,并对寒区隧道纵向铺设保温隔热层后的抗冻效果展开研究。结果表明:1)在非冻土地层外贴式保温层保温效果较佳,在多年冻土地层中隔式隔热层隔热效果较佳,两者效果相差不大;2)受周期性入口风温的影响,隧道衬砌背后温度呈现周期性变化,变化幅度逐年递减。在材料、施工允许的前提下,建议采用外贴式保温隔热层;设计时,保温隔热层厚度应作经济技术比选。本文研究成果可供寒区隧道设计者与研究者参考。     

高寒高海拔隧道保温层敷设方式及设计参数优化

为了深入探究高寒隧道保温层敷设方式及其设计参数优化的问题，以高寒高海拔特长珠角拉山隧道工程为背景，通过数值模拟重点研究了保温层敷设方式、设计厚度及导热系数参数的选择，并讨论了当地气温变化与保温层设计参数的关系。研究结果表明：在寒区隧道保温层设防区段，贴壁式敷设方式最佳；随着保温层厚度的增加，洞内冷空气影响范围逐渐减小，调热圈径深随保温层厚度变化的趋势用公式表达为f（x_h）=3.039e^{-0.280 9x_h}+13.8e^{-0.009 322x_h}；基于调热圈径深随保温层厚度增加的变化速率曲线及隧道结构安全，建议保温层厚度设计为5~10 cm；随着保温材料导热系数的增大，洞内冷空气影响范围逐渐增大，调热圈径深与导热系数关系趋势用公式表达为f（x_λ）=15.47e^{0.287 4x_λ}-3.829e^-39.05x_λ；基于调热圈径深随导热系数变化速率曲线及隧道结构安全，建议保温材料导热系数取0.020~0.035 W·（m·K）^-1；在假定保温层厚度为5 cm，导热系数为0.022 2 W·（m·K）^-1，通风时间4个月的情况下，只有当洞内气温大于-15℃时才能保证支护结构和围岩不受冻害影响。研究成果可为川藏铁路建设提供指导作用。