基于水-热耦合模型的多年冻土隧道隔热层厚度优化研究

为了使多年冻土隧道围岩保持冻结状态,经常选择在隧道衬砌结构中铺设保温隔热层的方法以防止围岩产生冻融破坏。保温隔热层的厚度是影响多年冻土隧道结构的稳定性和工程经济的一个重要参数。针对这一问题,建立了考虑渗流和冰水相变的水-热耦合模型,并将该模型嵌入COMSOL Multiphysics数值软件中加以应用。以青海省某隧道为研究对象,对该隧道洞口段保温隔热层厚度的优化设计进行研究。结果表明:隧道仰拱位置被确定为优化设计的不利位置,隧道开挖在第1年的5月23日温度达到最高,被确定为优化设计的不利时间;不利位置处的最高温度随保温隔热层厚度的增加而下降,通过拟合公式计算出最优隔热层厚度为7.2 cm;在最优保温隔热层厚度下隧道衬砌背后围岩温度均处于0℃以下,不会产生冻融破坏。隧道在设计隔热结构时采用7.2 cm的隔热层厚度提高了围岩隧道结构的稳定性。

不同工况下高原特长隧道洞口边坡稳定性分析

高原冻土区隧道边坡常常发生边坡滑塌、洞口开裂等病害,严重影响隧道施工运营。以圭嘎拉隧道为工程依托,对不同工况下高原地区特长隧道洞口边坡力学稳定性进行了研究。研究结果表明:增加自进式锚杆、钢筋网挂网、喷射C25水下防冻混凝土等施工措施后工况3的边坡塑性值增加32.85%、水平位移增加量有所降低、边坡喷混最大主应力增加25.46%,边坡防护结构层后对边坡抵抗土层冻融循环影响效果显著。研究成果可为相关隧道边坡防护施工提供理论支持。

寒区隧道保温层设置及保温效果数值模拟分析

在寒冷地区,保温层对隧道防冻抗冻起着至关重要的作用。为研究适合高海拔寒区隧道保温层的设计结构,通过有限元数值模拟软件建立了含相变的二维温度场计算模型,对青海省多隆隧道保温层铺设方式、设计厚度、导热系数以及不同保温材料的最优选取进行研究。结果表明:(1)对于拱脚和仰拱,双层铺设和夹层铺设的保温效果优于表层铺设,对于拱顶,3种铺设方法均可有效避免冻结冻害。(2)年平均温度大于0℃时,保温层的厚度宜选取5~9 cm;年平均温度小于0℃时,最佳保温层厚度为13 cm。(3)多隆隧道在运营十年内,保温层厚度为5 cm,保温层的导热系数取值为0.03 W/(m·℃)及以下可以避免衬砌产生冻害。(4)通过对铺设保温层和不铺设保温层的隧道洞壁表面温度进行对比分析,以及对不同保温材料的保温效果进行定量分析,发现保温效果最好的是硬质聚氨酯保温板,聚酚醛泡沫塑料次之,最差的为泡沫玻璃。

盾构隧道下穿既有电力隧道影响分析和控制措施

以重庆市轨道交通15号线二期工程为依托,分析盾构隧道近距离下穿既有电力隧道产生的影响,并提出相应的加固措施。运用有限元软件Midas GTS Nx建立盾构隧道与既有电力隧道三维模型,分析对电力隧道周围土体预注浆加固前后两种工况下盾构施工对电力隧道产生的影响,并将有限元模拟结果与理论计算结果进行对比验证。结果表明:在盾构隧道下穿施工前,对既有电力隧道周围土体采取预注浆加固措施,能够有效降低盾构施工对既有电力隧道产生的影响;隧道贯通后,加固工况土体沉降最大值比未加固工况降低51.9%,降幅明显;两种工况下盾构施工引起的电力隧道侧移累计值降低75.1%;土体沉降理论解和有限元模拟解基本吻合,证明了有限元模拟的合理性以及预注浆加固措施的有效性和可靠性。

高原冻土地区公路涵洞冻融力学特性分析

该文以“一带一路”国家重要项目西藏羊大公路改建工程为依托,研究高原冻土地区涵洞冻融力学特性,采用Midas GTS NX有限元软件建立钢波纹管涵洞与水下防冻钢筋混凝土管涵4种工况下力学模型,通过设置土层温度变化函数,分析两种高原地区常用涵洞管道材料在经历冻融循环前后土层内力变化,管涵等结构层内力、位移变化以及铺设双向HDPE高密度聚乙烯土工格栅内力变化规律。研究结果表明:在经历冻融循环后两种材质管涵塑性区均增加,但是采用水下防冻钢筋混凝土管具有更好的协调变形能力;钢波纹管涵经过冻融循环后中点与两端主应力、剪应力变化率、不同路基边坡测点位移量均比水下防冻钢筋混凝土管涵小,更适宜在高原寒区使用;铺设双向HDPE高密度聚乙烯土工格栅后可以有效降低路面结构层不均匀变形;将建模理论计算值和施工现场检测数据进行比较分析,验证了该文方法的正确性。

高原地区特长隧道洞口冻土冻融力学特性及施工控制技术

以中国"一带一路"重点项目西藏圭嘎拉特长隧道工程为依托,研究了高原地区特长隧道洞口冻土冻融力学特性及施工控制技术。采用有限元分析软件MIDAS-GTS NX建立隧道施工模型,对比分析了经历冻融循环前后隧道洞口围岩内力变化、洞口结构变形以及衬砌变形等力学特性的变化规律,并与施工现场检测数据进行了对比分析。研究结果表明:冻融循环后,两洞拱顶竖向位移均增加30%左右。由于偏压的影响,经历冻融循环后,右洞内力变化值均比左洞大,洞身净空收敛值比左洞增大11%,拱顶竖向位移增加1.6倍。采用超前大管棚与小导管支护综合措施,能有效降低冻融循环后特长隧道洞口结构变形。将建模理论计算值和工程实测值进行比较分析,验证了本文方法的正确性。

高原冻土地区公路路基回填材料优选及施工技术

以中国一带一路重点项目西藏羊大公路(羊八井至大竹卡公路)改建工程为依托,研究了高原冻土地区公路路基施工优化设计,提出了拟采用的4种公路路基回填材料方案,分别为原土基层、天然级配砂砾+水泥稳定砂砾基层、粉质黏土+气泡混凝土基层、人工级配砂砾+宕渣基层,面层均采用中粒式沥青。利用有限元分析软件MIDAS-GTS NX建立路基模型,对比,分析了经历冻融循环前后4种路基回填材料方案内力变化、结构变化。研究及施工结果表明:采用天然级配沙砾底基层+水泥稳定砂砾基层+中粒式沥青混凝土面层的2号施工方案在模拟监测点处的竖向应力值变化率最小为6.04%、水平应力值变化率最小为4.23%,冻融循环后变化率不大,竖向沉降和水平位移更快趋于稳定,分别为30.10 mm和35.16 mm。结合现场施工条件进行2号方案施工优化,降低材料冻融循环对路基稳定性的影响,减少了土体结构变形。而且,将建模理论计算值与工程监测值进行对比,分析验证了该方法的正确性。

高原冻土地区公路边坡稳定性及加固施工技术

以西藏羊大公路改建工程为依托,研究了高原冻土地区公路边坡稳定性及加固施工技术。采用有限元分析软件Midas-GTS NX建立4种公路模型,分析了边坡在增设加固措施前后与冻融循环前后的内力变化和结构变形位移等力学指标变化规律,并因地制宜进行施工优化。研究结果表明:模型经历冻融循环后竖向应力及水平应力值均有效降低;对比分析证明:挡土墙可以有效降低竖向位移值和水平位移值;增设路肩墙后竖向沉降降低50.79%,水平位移变化值更快趋于稳定且均降低至20 mm以下。将建模理论计算值与工程监测值进行对比分析验证了该文方法的正确性。

高原冻土地区柱式桥墩病害分析及防护施工措施

以中国"一带一路"大发展重点项目西藏109线那曲至拉萨公路改建工程第二标段三分部曲果大桥为依托,研究了高原冻土地区柱式桥墩病害产生原因及防护施工措施。采用有限元分析软件Midas-GTS NX建立3种工况桥梁实体模型,分析冻土复杂病害影响下桥梁立柱、桥台、灌注桩等结构面的内力、位移变化、结构变形等力学特性的变化规律,并优化防护施工措施。研究结果表明:采用C30、C40水下防冻混凝土并增设钢护筒后工况3的灌注桩桩侧受到土体水平应力病害影响降低29.78%;桥梁基础构件水平应力值仅增加6.11%;立柱沉降病害量仅增加7.96%;灌注桩沉降增加7.98%,证明钢护筒及水下防冻混凝凝土对基础构件抵抗冻土病害影响效果显著,将建模理论计算值与工程监测值进行对比分析验证了该文方法的正确性。

高原地区特长隧道斜井洞口复杂偏压力学特性研究与施工优化

以中国一带一路重点项目西藏圭嘎拉超长隧道2#斜井工程为依托,研究了高原地区特长隧道斜井洞口复杂偏压力学特性与施工优化.采用有限元分析软件MIDAS-GTS NX建立2#斜井洞口段模型,分析复杂斜交偏压斜井洞口改线优化前后围岩变形、洞口衬砌结构内力等变化的力学变化规律,通过改变斜井出洞口线路布置,提出新的施工优化方案.研究结果表明:改线优化后斜井两洞口围岩塑性值降低25.72%,竖向应力分别减小20.68%和21.36%;衬砌结构内力均有不同程度降低;围岩竖向沉降最大值降低33.18%;左洞口拱顶沉降位移降低57.58%.2#斜井通过线路优化后改进施工方案,有效降低围岩复杂偏压对斜井洞口段结构影响,将建模理论计算值与施工现场监测数据进行比较分析,验证了线路优化后的施工方案最合理.