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。     

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。     

明挖法隧道衬砌开裂原因分析与预防措施研究

研究目的:混凝土开裂问题一直被人们所关注。某铁路隧道采用明挖法施工,部分工程完成后,衬砌产生开裂现象。通过分析裂缝数量与裂缝形状、裂缝长度、裂缝宽度和裂缝深度的关系,研究发生开裂的原因,从而制定预防措施。研究结论:(1)明挖法隧道衬砌开裂主要是由温差应力、混凝土收缩和施工工艺控制所引起;(2)针对明挖法隧道,通过采取"三时机、三措施、两加强"的综合预防措施,基本上控制了衬砌裂缝的产生;(3)明挖法隧道衬砌施工应选择合理的时机,混凝土浇筑宜选择在每天16:00开盘,至次日8:00前完成;外模、内模拆除宜分别选择在混凝土浇筑完成后12 h、36 h左右完成;外侧拱脚4 m高度范围混凝土回填宜选择在混凝土浇筑完成后7 d内完成;(4)明挖法隧道衬砌施工宜采取外模浇筑、多开窗口、快速浇筑措施,一般情况下混凝土浇筑时间应控制在12 h以内;(5)明挖法隧道衬砌施工应加强振捣、加强养护,确保混凝土质量;(6)本研究成果可在明挖法隧道衬砌施工中借鉴应用。     

东秦岭隧道的防水技术

介绍东秦岭隧道强富水地段的衬砌防水层施工工艺及工艺难点 ,并将隧道初期支护防水和衬砌防水体系相结合 ,层层设防 ,总结出“以排为主 ,排堵结合”的防水原则 ,施工中取得了良好效果     

穿越断裂黏滑带隧道合理抗错断设防长度研究

研究目的:隧道穿越黏滑断层带极易发生错断,其合理的抗错断设防长度一直是业内研究的关键性问题。采用数值计算和黏滑错动模型试验相结合方法,研究隧道穿越断裂黏滑带黏滑错动条件下结构应变、主应力响应特性,探求穿越断裂黏滑带隧道合理抗错断设防长度。研究结论:(1)衬砌主应力最大峰值均出现在断裂黏滑带两侧一定范围内,当远离黏滑断裂带衬砌结构主应力趋于稳定,黏滑错动影响范围在隧道纵向具有显著区域性特征;(2)断裂黏滑错动对活动盘影响范围明显大于固定盘;(3)影响范围内活动盘侧以拉应力破损为主,合理的抗错断设防长度约为(6～7) D;(4)固定盘侧以压应力破损为主,合理的抗错断设防长度(含断层带)约为(4～5) D,且随着断层宽度的增加,固定盘侧影响范围逐渐向断层区域内平移;(5)减错缝的设置可将衬砌结构主应力降至安全范围内,实际工程建议根据衬砌模板台车长度将减错缝与施工缝设置在同一断面;(6)本研究成果可为黏滑错动地质地段隧道抗错断设计和施工提供理论依据。     

运营期间地铁隧道衬砌结构纵向温度应力分析

从北京地铁实际的运营环境出发,通过数值计算,分析地铁区间隧道衬砌结构的纵向温度应力,探讨地铁区间隧道伸缩缝的设置间距和设置宽度.研究结果表明:温降引起的拉应力对隧道结构安全和使用功能影响显著;衬砌结构纵向温度应力与温度荷载、材料弹性模量呈线性关系;水平外约束对隧道端部(或伸缩缝)附近一定长度的衬砌结构温度应力分布产生一定影响;典型设计参数条件下的北京地铁区间隧道,其衬砌结构能承受7℃左右的温降荷载,当温降荷载超过7℃后,混凝土衬砌结构可能产生环向受拉裂缝;在实际工程中,对衬砌结构温度应力可采用环控技术和设置伸缩缝2种方法进行综合控制,以保证结构安全.针对北京地铁情况,建议伸缩缝设置间距取80～120 m、设置宽度取20～30 mm.     

寒区隧道衬砌周边冻胀力及防治措施研究

依托祁连山高寒区隧道工程进行衬砌周边冻胀力数值分析和防治措施研究,探究寒区隧道衬砌周边冻胀力分布规律。基于有限元软件,分析围岩性质、含水率和衬砌弹性模量对冻胀力的影响,以及针对性提出寒区隧道防冻措施。研究结果表明:隧道衬砌周边的冻胀力分布不匀,墙脚附近的冻胀力最大,仰拱中心处的冻胀力最小;围岩性质越差,衬砌周边冻胀力越小,围岩从Ⅳ级变化至Ⅵ级时,最大冻胀力从1.944 MPa减少至0.502 MPa;围岩与衬砌附近的含水率越高,作用在衬砌结构上的冻胀力就越大,当围岩中含水率从10%增加至30%时,最大冻胀力从1.672 MPa增至5.193 MPa;衬砌弹性模量越大,作用在衬砌上的冻胀力越强,弹性模量从8 GPa增至32 GPa时,最大冻胀力从0.878 MPa增至1.269 MPa。最后提出高寒区隧道衬砌抗冻病害设防等级和相应的措施建议,为高寒区隧道建设提供技术支撑。     

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%。     

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。     

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。     

桥隧过渡段无砟轨道无缝线路纵向力学特性研究

由于隧道的遮挡作用,桥隧过渡段无砟轨道无缝线路表现出特殊的纵向力学特性。通过对笔架山隧道内外气温为期2年的监测,得到隧道内外气温分布规律,并建立桥隧过渡段无砟轨道无缝线路纵向相互作用模型,分析桥隧过渡段无砟轨道无缝线路纵向力学特性影响因素。结果表明：(1)监测时间内,笔架山隧道最高和最低气温分别为43℃和-14℃,隧道内外最大气温差为23℃,隧道气温过渡段长50 m;(2)考虑隧道内外温差时钢轨纵向位移显著增大,高温季节应加强对临近隧道洞口简支梁上钢轨爬行量监测,钢轨附加拉力有所增大,在桥隧过渡段无砟轨道无缝线路设计时应考虑隧道内外温差的影响;(3)隧道气温过渡段长度和扣件纵向阻力对钢轨纵向位移和钢轨附加压力影响显著,钢轨纵向位移随过渡段长度和扣件纵向阻力增大而显著减小,钢轨附加压力则随过渡段长度和扣件纵向阻力增大而显著增大。     

基于混凝土强度的高地热隧道隔热层厚度研究

随着“长大深”隧道的发展,越来越多高地热隧道得以建设。高地热作为典型的不良地质之一,不仅会给隧道施工带来不便,还会严重危害隧道结构的安全。为减小高温对高地热隧道的不利影响,首先,调研相关文献,明确了温度与衬砌混凝土强度之间的关系;然后,以西部高原地区某高地热隧道为依托,使用Comsol数值模拟软件建立该隧道的温度场计算模型。通过数值计算得到各工况下衬砌混凝土的平均养护温度,并将其与强度相对应,并从保护衬砌混凝土强度的角度研究了各工况下不同厚度隔热层的作用。研究得到以下结论：(1)根据他人试验结果总结发现,隧道施工时应保证混凝土养护温度低于40℃,否则会严重降低衬砌混凝土的强度;(2)提出高地热环境隧道施工时隔热层的选取方案,55℃以下的地温段,无需使用隔热层;55～65℃地段,推荐使用3 cm隔热层;65～75℃地温段,使用5 cm隔热层;75～85℃地温段,若能保证洞内气温维持在28℃以内,使用5 cm隔热层,否则使用10 cm隔热层;高于85℃的地段,推荐使用10 cm隔热层。     

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...     

铁路隧道衬砌中埋式橡胶止水带安装工艺探讨

中埋式止水带因其结构形式简单、防水效果较好而在隧道设计中得到广泛应用。但中埋式止水带定位、固定难度大,在衬砌混凝土浇筑过程中易产生变位、不居中甚至局部脱落,使其施工质量难以保证,对隧道衬砌防水效果产生较大影响。本文通过对中埋式止水带施工工艺的研究,提出在二次衬砌模板台车端模上采取特别设计并改进安装工艺来解决止水带的施工质量问题,从而提升隧道衬砌施工缝防水效果。     

混凝土水化热对寒区隧道围岩融化及回冻过程的影响

混凝土水化热是导致围岩融化的主要热量来源之一,不同水化热放热方程(不同放热速率)对结果影响较大。本文以昆仑山隧道为例,利用有限单元法计算考虑混凝土水化热及其放热过程和不考虑水化热的隧道围岩融化回冻过程,分析水化热对围岩融化、回冻过程的影响。2种工况计算中均考虑施工过程、隧道衬砌内缘温度变化、防水隔热保温层、入模温度、相变等因素。结果表明:在寒区隧道围岩施工过程中,混凝土水化热增加了围岩的最大融化深度,同时使围岩温度升高;考虑混凝土水化热影响寒区隧道围岩回冻时间比不考虑水化热情况晚1年。     

季节冻土区隧道洞口衬砌开裂机理及防治

研究目的:近年来,在我国西北、东北等高纬度季节冻土区,短隧道或长隧道洞口段冬季衬砌开裂、春融期渗漏水等病害时有出现,严重影响隧道结构和列车运营安全。本文以东北地区某铁路线ZEST隧道为例,采用现场试验、数值模拟等手段研究案例隧道冬季洞口段衬砌开裂、春融期渗漏水的发生机理,比较不同整治措施后,提出适合该类隧道病害的整治措施。研究结论:(1)隧址区每年冰冻期约5个月,极端温度年较差60℃以上,年平均气温2℃,属典型季节冻土区;(2)衬砌开裂段主要穿过粉质黏土层,含水率大,衬砌开裂主要由围岩冻胀力荷载作用所致;(3)建议采用喷涂12~13 cm厚保温层+防火砂浆,水沟中铺设电伴热电缆,并对既有损伤衬砌结构进行锚杆补强和对衬砌裂缝进行环氧树脂嵌补处理的整治措施;(4)从隧道病害整治效果来看,本文提出的整治措施效果显著,衬砌开裂、春融期渗漏水等问题得以解决。     

《铁路隧道设计规范》修订内容评析

研究目的:通过对行业标准《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)全面修订涉及的规范适用范围、设计使用年限、围岩分级、洞口工程、隧道防排水、衬砌配筋、无砟轨道及不良地质衬砌设计等主要内容的介绍和评析,指明今后隧道设计应重视和完善的新内容,使隧道工程设计更好地适应铁路建设发展要求。研究结论:(1)修订了规范适用范围,增加了隧道跨度分类标准,补充了隧道各部分结构设计使用年限要求;(2)引入了围岩基本质量指标BQ,补充了施工阶段围岩亚分级,完善了隧道围岩分级方法;(3)完善了洞口设计规定,增加了掘进机法及盾构法隧道衬砌设计要求,修订了衬砌受力钢筋的最小配筋率及构造要求;(4)优化了隧道防水等级标准及适用范围,补充了防排水措施、隧底排水要求;(5)新增了岩溶、瓦斯、高地应力区、黄土、寒区等不良地质及特殊岩土隧道设计规定,新增了施工方法及措施内容,增加了环境保护设计规定;(6)本研究成果可为铁路隧道设计施工提供借鉴。     

浏阳河隧道全封闭防水施工技术

浏阳河隧道为一座采用防水型复合式衬砌结构的特长隧道,地形地质条件复杂,防水标准高。通过对浏阳河隧道全封闭防水施工技术的介绍,阐述"以防为主、防排结合"和"以防为主、多道设防"的全包型隧道防水理念。     

隧道衬砌水压力计算与控制方法探讨

研究目的:在长期运营过程中,因各种原因,隧道排水系统会逐步堵塞,二次衬砌也会逐步承受水压力作用。现有衬砌水压力的计算方法是基于横断面二维模型得出的,有必要基于防排水系统的空间效应,研究衬砌水压力的纵向分布特征及最大水压力控制方法。研究结论:(1)按现有横断面二维模型计算得到的结构水压力,考虑防排水系统的空间效应后会形成水压力重分布;(2)堵塞段二次衬砌最大水压力大致与地下水"余量"及堵塞段长度的平方成正比,与排水层的总面积及其渗透系数的乘积成反比;(3)建议二次衬砌水压力荷载取值:对于山岭隧道,当排水量小或维护作业难度小时可以不考虑水压力,否则宜控制在0.05~0.15 MPa以内;对于水下隧道,公路隧道宜控制在0.2~0.3 MPa以内,铁路隧道或地铁隧道宜控制在0.4~0.6 MPa以内;(4)在隧道内每间隔一定距离设置"泄压环"可以有效控制结构的最大水压力;(5)本研究结果可为隧道衬砌最大水压力取值与控制提供思路和方法。