高地温尼格隧道综合降温体系研究

为解决高地温隧道因高温引发的热害问题,以红河州建水—元阳高速公路的尼格隧道为依托,基于能量平衡原则设计各降温措施的适用区间。采用CFD软件模拟进行对照分析,研究尼格隧道现场采用降温措施的效果,构建高地温隧道综合降温体系。结果表明： 1）围岩温度T<32 ℃时采用单通风管道,在围岩温度32 ℃≤T≤40 ℃时采用双通风管道,在围岩温度40 ℃<T≤48 ℃时增设局部雾炮车喷雾降温,在围岩温度T>48 ℃增设冰块降温,且在实际应用中温降可达到理论计算值。2）增大通风量对降温速率的影响最大,可提升37.7%;冰块降温次之,可提升11.6%;喷雾降温提升效果最差,仅提升3.2%;但是对于降温幅度,冰块降温>增大通风量>喷雾降温。3）增大通风量可以加快洞内空气的置换流通,宜作为基础降温措施;冰块降温通过融化吸热可实现大规模的温降,可用在热害等级较高的隧道;喷雾降温可实现局部区域的降温、除尘和加湿,可作为掌子面辅助降温措施实现对隧道的局部降温。     

喷雾冷却法应用于雪山隧道降温之研究

在夏季高温国家,隧道内空气温升问题于高车流量长公路隧道为日渐重要之严肃课题,针对台湾雪山隧道研究喷雾降温系统应用于隧道降温之可行性。雾滴粒径为喷雾降温系统的重要设计因子,首先建立喷雾降温系统雾滴之数学模式计算不影响驾驶能见度之雾滴粒径,及以计算机数值分析隧道相对湿度、喷雾水量、水温及隧道风速对喷雾降温系统之影响,同时由模拟结果拟定喷雾降温系统之设计参数,并于雪山隧道内设置喷雾降温设施,进行全尺度试验。实验结果显示,喷雾降温可在不影响驾驶能见度条件下有效降低隧道温度。     

高地温隧道温度场监测及施工降温技术研究

以梅州至潮汕铁路丰顺隧道工程为依托，开展了高地温隧道现场温度和湿度监测，分析了高地温隧道温度场分布规律。监测结果表明:洞内湿度高达85.3%，温度高达32.1℃，大于规范规定的隧道施工期间洞内气温不得高于28.0℃的卫生及安全标准的要求。通过采用通风降温、铺设隔热层等多种施工降温措施，保证了隧道的正常施工。     

考虑通风与围岩条件的寒区隧道温度场模型及作用规律研究

为了解决寒区隧道温度场的预测问题,为寒区隧道抗冻设防提供指导,结合传热学、流体力学的基本方法,根据能量守恒原理,推导寒区隧道风流温度场的传热模型,并在此基础上,借助有限差分方法,探讨通风和围岩条件对寒区隧道温度场分布的作用规律。研究结果表明: 1)入口风温越低,风流速度越大以及断面越大,相同位置处洞内温度越低,这是由于进入洞内的冷空气更多,入口风温每降低5 ℃,同位置洞内风流温度平均降低3. 8 ℃; 2)风流温度决定了离壁面一定范围的围岩温度大小,风流温度越低,冻结深度与受到影响的围岩范围更大; 3)初始岩温越大,围岩温度分布曲线越陡峭,围岩导热系数则相反,且初始岩温每增加 5 ℃,冻结深度减少0. 24 m,受影响的围岩径向深度减少0. 32 m。     

高黎贡山隧道1#高地温斜井降温处理技术研究及比选

为解决高地温隧道工程中存在的作业环境差、机械设备故障多、劳动生产率低等高温热害问题,以大瑞铁路高黎贡山隧道1#长大斜井为背景，进行技术研究和降温方案比选。首先,分析热水源、监测隧道洞内外气象条件，通过加强通风措施改善人体的舒适度。其次，采用注浆封堵热水源，减少热水流量，控制施工环境的湿度和温度；采用冰块+射流风机+快热交换的处理措施，冰块吸收隧道内热量，降低局部环境温度；采用机械制冷设备进行强制降温，改善热害隧道施工环境；综合优化资源配置，采用增加作业人员和设备数量，倒班作业，缩短人员和设备作业时长等多种处理措施。最后，分析各种降温措施能够达到的施工效果。结果证明，针对以围岩、热水为主要热源的高地温隧道施工，采用“通风降温+注浆堵水+机械降温+合理施工组织”的处理方案，符合高地温隧道施工的技术要求。     

隧道运营期内部空气温度的预测分析

运营隧道内空气温度的合理预测有助于改善隧道内部环境。为了准确预测分析运营隧道内气温，引入传热第三类边界条件，耦合隧道径向及轴向二维轴对称的围岩温度导热方程与洞内气流温度方程，推导出隧道空气温度和内壁面温度的分析解，该分析解法与文献报道数值解法计算得到的巷道内气温差值在０．５℃以内。以武汉长江隧道为例，对运营隧道内的空气温度进行计算分析。结果表明：洞内气温的计算结果与实测数据的差值大多在１℃以内，且温度变化趋势一致，进一步验证了本文分析解的正确性；随着风速的增加，出口气温不断降低且降幅逐渐减小，即降温效果已逐渐不明显，表明运营隧道内的风速控制需综合考虑降温效果和动力消耗。     

寒区隧道温度场测试及其影响因素的正交试验

为探究多年冻土及季节性冻土区隧道环境及围岩温度的分布规律及其影响因素,依托吉林省图珲高速公路东南里隧道工程,现场开展隧道洞外、洞内气温测试及围岩温度测试,采用三角函数对温度测试结果进行拟合;通过ANSYS建立数值模型,对年平均气温、年温度振幅、隧道埋深和围岩的热物理参数及对流换热系数等温度场影响因素进行了正交试验。研究结果表明,隧道内气温随着距洞口距离的增大而增加,隧道洞口最大冻结深度不超过2.4m,隧道内温度及围岩温度随着时间的变化规律大致符合正弦曲线;年平均气温、年温度振幅、隧道埋深是隧道温度场的主要影响因素,而围岩的热物理参数是隧道温度场的次要影响因素。     

高地温隧道荷载模式及二次衬砌安全特性研究

为解决高地温隧道衬砌结构受力特性不明晰问题,以川藏线桑珠岭超高地温隧道为工程依托,采用现场试验和热-力耦合数值计算手段,研究二次衬砌在高地温环境下的力学特性和安全特性,提出高地温隧道荷载设计方法。结果表明： 高地温隧道二次衬砌施作后10 d内应力变化较大,20 d后趋于稳定;最大拉应力位于拱顶处,最大压应力出现在边墙处;高地温隧道荷载修正系数可表示为围岩初始温度的多项式关系;衬砌内外侧压应力均随围岩温度升高呈现出增大趋势,但各点增大速率存在一定的差异,拉应力值随温度呈波动增长;最小安全系数出现在拱顶,随围岩温度的升高而降低,当温度高于60 ℃时,存在被破坏的可能性;二次衬砌最大裂缝宽度位于拱顶处,随着温度升高,裂缝宽度增大。     

寒区隧道含相变围岩传热渗流耦合数值分析

为研究寒区隧道围岩在冻融循环过程中的水-冰相变现象和渗流速率对围岩温度场分布的影响,基于COMSOL Multiphysics 多物理场分析软件,建立含相变的围岩温度场与渗流场耦合模型,通过改变模型中的渗流速率、已冻区和正冻区的边界温度Tm,对寒区隧道的围岩温度场进行数值分析。数值分析结果表明： 边界温度Tm影响正冻区的范围和不同深度处围岩水-冰相变发生的时刻,但不同的边界温度Tm对围岩温度场的影响较小; 当渗流速率高于1×10-6 m/s时,渗流速率的改变对围岩温度场具有明显影响,但当渗流速率低于1×10-6 m/s时,渗流速率的改变对围岩温度场无明显影响。因此,在地下水渗流速率较高的地区,应同时考虑水-冰相变现场和渗流速率对寒区隧道围岩温度场的影响。     

多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律

针对高温多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律开展深入的理论分析、数值模拟和现场监测研究。首先,基于热传导理论,建立隧道衬砌和围岩径向传热模型,利用叠加原理和拉普拉斯变换法求得寒区隧道衬砌和围岩的温度场理论解;其次,建立洞内空气的传热微分方程,根据能量守恒原理,建立隧道纵向洞内空气与洞壁的气-固耦合传热模型,结合径向温度场理论解,提出多年冻土区隧道衬砌、围岩及洞内空气的三维温度场计算方法,该计算方法可考虑围岩、衬砌、保温层等多层传热介质及隧道沿洞轴线的不同埋深;最后,根据依托工程现场实测数据,反演围岩的热物性参数,并运用推导的隧道纵向传热模型和横向传热模型,分析姜路岭隧道不同冻土区内衬砌和围岩中的温度场分布规律。研究结果表明：在隧道径向,多年冻土和非冻土围岩温度都会随洞内气温的变化而产生波动,距离围岩表面越近,温度振幅越大,且热量在围岩径向传递过程中有一定的滞后性;在隧道纵向,在一年中最冷时刻,隧道衬砌及围岩温度呈“两端低,中间高”,此时姜路岭隧道围岩、二衬表面最高温度分别为-2.72℃,-7.80℃;在一年中最热时刻,衬砌温度呈“两端高,中间低”,此时姜路岭隧道二衬表面最低温度为1.92℃,但由于受围岩初始地温的影响,围岩表面的温度呈倒V形,最低温度为-1.22℃。     

大瑞铁路高黎贡山隧道原岩温度预测

随着深埋长隧道需求数量的增加,高地温热害问题越来越突出,严重影响到施工人员的安全及工作效率,需要根据地温的分布特征来对隧道高温地段采取必要的降温措施。结合大瑞铁路高黎贡山隧道的地质、地温实测资料及通过“谷地地理信息系统”获取的地形数据,采用基于地质演化历史计算原岩温度的数学模型,编制相应的计算程序对高黎贡山大瑞铁路隧道进行原岩温度预测,并对隧址区的温度场沿洞线方向进行简单划分,为隧道采用有效的降温措施提供必要的地温场数据。通过计算分析可以得出： 1）沿隧道向瑞丽方向,隧道原岩温度有先增大后减小的趋势,最高点温度为31.73 ℃; 2）隧道开始大约2.5 km以内及18 km至隧道终点段,隧道岩温在28 ℃以下; 3）2.5~18 km段隧道岩温为28~31.73 ℃,其中高于28 ℃区域需要采取实时温度监控措施。     

炭质千枚岩隧道围岩松动圈现场测试

研究松动圈的方法可以分为现场探测方法和理论方法。二者相比,现场实测数据更加能反映出围岩松动圈实际情况。为研究炭质千枚岩隧道松动圈范围,考虑到隧道所处的变质软岩环境,在参考以往松动圈相关研究的基础上,采用多点位移计和地质雷达对依托工程的围岩松动圈进行了现场测试。多点位移计位移量随时间变化大说明该测点以内的岩体呈现破裂状态,反之岩体所受扰动较小,因此可找到松动围岩与完整围岩的分界区间。地质雷达发射的电磁波经过松动围岩与完整围岩的分界面时必然发生强烈反射,因此从收集处理的雷达探测剖面图上即可确定围岩松动范围。同时,采用数值模拟的手段对现场测试结果进行了验证,探明了不同施工条件下炭质千枚岩隧道围岩松动圈的分布特征。现场测试结果显示:施工方法对炭质千枚岩隧道围岩松动圈范围影响显著;采用"上下台阶法"施工时,多点位移计法测得围岩松动圈范围在6~8 m左右,地质雷达法测得范围在4.0~6.5 m左右;采用"上下台阶预留核心土法"施工时,多点位移计法测得围岩松动圈范围在4~6 m左右,地质雷达法测得范围在2.5~5.0 m左右。对于炭质千枚岩隧道,其锚杆支护长度应不小于8 m。研究结果可为汶马高速鹧鸪山隧道及其他类似隧道支护参数的设计、施工方法的选择提供一定参考。     

高寒复杂条件下隧道铺面运营环境研究

为了给高寒复杂条件下隧道建设提供更为科学的设计和施工依据,结合赛里木湖隧道调研,通过分析铺面的抗滑性能、温度和湿度检测结果,研究高寒复杂条件下隧道铺面的运营环境。结果表明,隧道进口外约30m和距离出口约50m的隧道内,铺面抗滑性能最差;温度和湿度分别在洞口内50,70m距离处达到稳定。在无隧道照明的条件下,隧道内10~20m位置亮度已接近0cd/m~2。     

深埋长大隧道风流温湿度的预测及应用

深埋长大隧道在施工过程中产生的湿热环境不仅对施工安全有着一定程度的影响,而且还会影响工作人员的身体健康。为了预先改善深埋长大隧道在施工过程中的热环境,根据隧道三维围岩温度场的理论数学模型,并将隧道潮湿围岩壁面在水分蒸发情况下的显热量和潜热量考虑在内,分别推导出隧道内风流在水平流动方向和倾斜流动方向的换热量,进而推导出隧道围岩内部温度的计算模型及隧道内风流温度和风流湿度预测的数学模型。通过数学模型编制出隧道内部风流温湿度的解算程序,并且基于隧道围岩内的热传导及隧道中风流的热湿交换对隧道内部风流温湿度的变化规律进行了模拟。结果表明:基于已知的原始参数并根据编制的解算程序可以分别计算出隧道内部不同时间段、不同隧道推进长度的风流温度和风流湿度;对隧道内部风流温湿度进行预测计算时可以将隧道入风口的温度作为预测计算的输入初值;隧道围岩壁面的潮湿率对风流的温度有着一定的影响;通过对在建隧道风流温湿度的实测与程序结算的结果对比可知解算软件在隧道施工热环境中的实用性和可行性。     

绿汁江大桥非对称隧道式锚碇结构稳定性分析

绿汁江大桥为主跨780 m单塔单跨钢箱梁悬索桥,玉溪岸隧道锚处围岩条件较差且左、右幅锚地质条件存在差异,因此将左、右幅锚设计优化为非对称方案,将右幅锚前锚室与部分锚塞体底面改为弧形,右幅锚塞体长度增加5 m,锚碇中部截面突变处理。为研究优化后隧道锚及围岩的稳定性,采用简化力学模型和数值模拟软件FLAC3D分析优化后隧道锚拉拔稳定系数和围岩稳定系数,以及隧道施工对隧道锚和围岩的影响。结果表明：优化设计后,2种方法计算的隧道锚拉拔稳定系数均大于2.0,围岩稳定系数大于4.0,均满足规范要求;隧道施工对右幅锚各剖面计算点位移影响很小,右幅锚围岩未出现拉应力,围岩塑性区主要集中在边坡开挖的工作面和锚碇后锚室后方,隧道施工对隧道锚的安全影响很小。     

高海拔特长隧道低温大风环境及对围岩-结构温度场的影响

为探明高海拔特长隧道洞外低温大风的成因、特征及对洞内风场、围岩-结构温度温度场的影响,以国道317线雀儿山隧道为工程依托,采用气象站、手持风速仪、红外测温仪、埋入式多点铂电阻温度传感器等,对冬季隧道贯通前后进出口两端隧址区、洞内净空风速、风向、温度以及隧道轴向、径向的围岩-结构温度场进行现场实测,分析低温大风成因和特征、隧道贯通前后负温区范围、风速风向变化规律以及对洞口段和洞深部围岩-结构温度场的影响。研究结果表明：受高原大尺度大气环流产生的高原季风以及雀儿山两侧日照时间、地形引起的小尺度范围内自由大气热力差影响,隧址区冬季风速高、温度低;大风时段主要集中在14：00~21：00,平均风速达10 m·s^-1,负温时段主要在19：00~8：30,隧道进、出口日最大气温差分别为23.5℃和28℃;隧道贯通前,进出口两端负温区段在860 m以内;贯通后,出口端主洞和平导负温区段为1 200,1 280 m,分别比进口端长了340,420 m;贯通前后,隧道深部最低风速分别为1.1,2.2 m·s^-1,洞内风向由两端向洞内方向转化为主要由出口向进口方向;隧道洞口浅埋段围岩和衬砌结构径向负温范围在贯通前为1.20 m,贯通后为0.80 m,且在上述范围内温度变幅较大;低温大风对隧道深部的围岩温度影响不大,但对结构表面温度影响明显,由于变温区主要集中在二衬混凝土结构内部,因此要重视结构内部产生的冻胀作用。     

大跨度小净距隧道爆破振动监测与分析

结合沈海高速公路泉厦段大帽山隧道扩建工程,对大跨度小净距隧道中间岩柱在爆破振动作用下的振动响应进行相关监测,分析振动波在不同级别、不同位置围岩中的传播规律。研究结果表明,隧道中间岩柱振动速度随着围岩质量提高,差别逐渐减小,且拱腰及拱肩部位振动速度大于拱脚部位;最大振动速度出现在迎爆侧边墙测点的径向方向;当隧道净距为6m左右时,爆破振动对中间岩柱的影响范围为爆破面前后10~20m,且随围岩质量提高,影响范围相应减小;同时,宜严格控制爆破总药量和单段最大药量,且分段爆破时,爆破段时差应不小于75ms。     

典型多年冻土区公路地温观测研究

为了研究多年冻土区地温分布及其演化规律,基于国道G314线布伦口-红其拉甫段路基地温现场监测资料,采用热传导理论和非线性分析方法对沿线多年冻土地温数据进行回归拟合,建立了不同地段的地温波动预测模型。研究结果表明:不同监测时段的冻土地温变化规律基本相同,在2~3.5m深度范围内,温度降幅较大;3.5m以下温差变化相对缓慢,在0℃线左右波动,并逐渐趋于稳定。多年冻土地温预测值与实测值相关系数均在0.96以上,预测效果良好。研究成果可为冻土路基地温预测、变形监测和降温措施制定提供参考。     

土岩交错地层隧道爆破施工的振动响应及空洞效应分析

以汕湛高速揭博段水墩隧道为工程背景,运用数值模拟计算的方法,建立上软下硬地层下爆破振动的有限元计算模型,对爆破荷载作用下上部初期支护和围岩的振动响应及空洞效应进行研究。结果表明： 1）掌子面下部基岩爆破施工的振动荷载主要通过支护结构传递给拱顶围岩,而掌子面上部前方围岩（未成洞区）和后方围岩（成洞区）振动分布并不对称,其中成洞区围岩的振动速度和振动范围远大于未成洞区,说明上软下硬地层隧道爆破振动存在空洞效应; 2）成洞区单向约束是造成振动加剧的根本原因,围岩振动的纵向最不利位置为掌子面后方约2 m处,径向为软硬交界结构面与隧道外轮廓的切点处; 3）振动方向以径向为主,即拱顶围岩振动以竖向振动为主,初期支护拱脚以水平振动为主; 4）距离掌子面1倍(洞径)范围的拱顶围岩及初期支护拱脚是控制爆破振动的关键部位。     

高地温区隧道排水管结晶生长室内试验研究

在隧道运营甚至施工过程中常出现排水管结晶堵塞的现象,而我国西藏、云南等地区建设的高地温隧道越来越多,因此需要探究高地温对隧道排水管结晶的影响规律。依据隧道地下水和结晶物的现场取样分析,在实验室配制试验溶液以综合考虑地下水和隧道初支混凝土的相互作用;通过自制水循环和加温试验装置,进行5组水流温度区间的隧道排水管结晶56d生长模拟试验,分析水流温度对宏观结晶体生长规律和微观电镜扫描(SEM)晶体形貌的影响。研究表明:随着水流温度升高,试验管段内的结晶量呈先升高后降低的趋势;当水流温度在40～50℃范围时,试验管段内结晶生成量最多(4.11g)。水流温度高低会对结晶体晶型形貌和晶体间堆积方式产生明显差异,且与温度无明显规律;其中水流温度在40～50℃时,结晶体形态多为规则的块状晶体且晶体尺寸最大,其长边约为7μm。