隧道高地温的地质成因研究

为研究隧道高地温的地质成因,以云南某在建高速公路隧道——尼格隧道为研究对象,该隧道兼有高水温与高岩温,最高水温达63.4℃,最高岩温达88.8℃.从区域地质构造及地震特征、水化学特征、地热储特征等对区域性的热因控制、水源、热源、导热通道等进行了分析,利用氢氧同位素分析法、锶同位素分析法、微量元素分析法、放射性元素分析法等对隧址区的热水来源及演变过程、热源成因进行了研究,并结合隧道工程地质、水文地质条件及开挖揭示状况,对隧道高水温段及高岩温段的地质成因过程进行了剖析.研究结果表明:灰岩段高水温的成因过程与花岗岩段高岩温有所差异,隧道高水温的成因过程为热源(深部热异常体)—主要传热通道(深循环)—次级传热通道—浅表水体混合、水岩作用,其过程伴随着冷热水混合作用、离子交换作用等;隧道高岩温的成因过程为热源(深部热异常体、放射性元素衰变生热)—主要传热通道(深循环)—次级传热通道—热气沿裂隙传至隧道岩体,其过程伴随着S元素的富集,易形成HS或SO有毒有害气囊.

高黎贡山隧道高地温热源分析

为研究高黎贡山隧道高地温问题,根据高黎贡山越岭地段水文地质研究报告,介绍了该区域的地质概况,对高黎贡山隧道中可能存在的热源进行了分析,确定导致高地温的主要因素是水热活动、活动断裂和岩浆活动的共同作用。

不同通风方式对高地温施工隧道通风降温效果影响研究

为了对比不同的通风条件下高地温隧道施工通风降温的效果,利用Fluent建立侧壁压入式通风和混合式通风模型,进行了数值模拟。同时研究了高地温隧道在两种通风方式下隧道内温度和降温速度的分布规律,对比两种通风方式的优缺点,得出降温效果较好的通风方式。结果表明:对于高地温隧道施工,风流速度越大降温效果越明显,且相比于混合式通风,侧壁压入式通风更能有效降低掌子面附近温度,提高施工的安全性和效率,而混合式通风能同时对掌子面和隧道进口附近降温。

考虑环境湿度条件下高地温隧道喷雾降温研究

为了解决高地温隧道施工环境的热害难题,探究喷雾降温辅助手段降温效果并确定其设计参数,以我国西南地区某隧道工程为依托,采用现场实测和数值模拟方法,就不同雾滴温度、喷头位置和流量对高地温隧道中不同截面位置温度场湿度场分布影响问题进行了深入分析。研究结果表明:喷雾系统弱化了围岩加热新鲜风的过程,使各截面气温显著降低2~3℃;处于喷头后方的隧道截面降温幅度更大,该范围为30 m左右,超出此范围,改变喷头位置不会对其后方隧道气温和湿度产生明显影响;围岩温度35℃、新鲜风25℃的条件下,设置喷雾流量和雾滴温度为0.005 kg/s和20℃可以将掌子面附近100 m范围内气温和相对湿度控制在27℃和47%左右;增加喷头流量是降低隧道环境气温的有效方式,而改变雾滴温度的影响作用较小。

高地温隧道施工期冰块辅助降温效果研究

为了解决高地温隧道施工环境的热害难题,研究冰块辅助手段降温效果并确定其设计参数,以成昆铁路保安营隧道工程为依托,采用现场实测数据验证的数值模型就不同冰块形状和布置方式对高地温隧道中不同截面位置温度场分布影响问题进行了深入分析。研究表明:与纯机械通风对比,加以冰块辅助后各截面气温显著降低且各截面温度差距显著减小;立墙式冰块双侧布置降温速度最快,立墙形状比立方体形状快约20%,双侧布置比单侧布置快约15%;冰块用量相同条件下,通风30 min后隧道气温与其形状和布置方式关联性不大,冰块起到的作用主要为冷却被围岩加热后的新鲜风并维持其温度,隧道气温主要由通风温度决定。

基于热源量化的高温隧道动态综合降温措施研究

为了实现高温隧道降温措施动态化、精准化设计,基于理论分析和现场实测,依托某高岩(水)温铁路隧道,对隧道内的高温热水、围岩、施工机械、水泥水化、爆破、施工人员散热量及不同降温措施冷量进行了理论分析研究,并根据风流温度和能量平衡原理得到了不同工况下高温隧道的冷量缺口。结果表明:高温围岩和超高温热水是隧道内的主要热源,其中高温热水散热量比例达到总散热量的50%以上;洞内放置冰块产生的冷量较小,通风带来的冷量较大,但其冷量会随着通风距离的增加而减小,其衰减规律可用二次曲线近似表示;200 m^(3)/h高温热水理论计算得到的换热风流温度31.8℃与现场实测温度31.0℃基本吻合。本文采用的分析方法获得的冷量缺口可作为选择机械制冷和降温措施动态化设计的理论依据,也可为类似的高温隧道降温设计提供参考。

尼格高地温隧道温度演变规律及结构安全性分析

高温病害问题尤为突出,成为长大深埋越岭隧道建设过程中常见的技术难点。因此,以建(个)元高速尼格隧道为工程依托,基于现场监测数据,探明洞内气温和围岩温度场演变规律,分析隧道支护结构在高地温环境下的力学特性和安全特性。研究结果表明:①洞内气温时态曲线具有稳定和降温阶段,围岩温度则经历自然衰减期—稳定期—降温期;②洞内气温由出口至进口沿隧洞纵向呈缓慢升温—迅速降温变化,岩温随深度增加以抛物线形式增加;③基于混凝土应变计监测数据,验算二次衬砌安全性,计算结果合理准确,二次衬砌稳定且具有良好的安全储备,高地温控制理念正确,控制方法合理。

高地温高应力隧道岩爆特征及机制研究

为探明高地温高应力隧道岩爆的破坏形式、时空分布特征以及岩爆高发段初始地应力、洞周二次应力和温度分布变化等特征,以川藏铁路拉林段桑珠岭隧道为依托,通过岩爆实录统计分析、现场测试和数值计算,探讨高地温高应力隧道岩爆机制。研究结果表明:高地温高应力隧道主要为即时型岩爆,在不同埋深段分别以剪切断裂型岩爆、应变型岩爆和断层滑移型岩爆为主;隧道拱顶、掌子面和边墙处岩爆形迹和破坏分别呈现不同特征,围岩降温区与剥落岩片厚度接近,开挖卸荷及降温耦合作用加剧了板裂化结构面的形成并加速了岩爆的发生。研究成果有助于准确预测类似高地温高地应力隧道的岩爆发生,并对制定有效的防治措施提供依据。

川藏铁路高地温隧道降温技术及效果分析

为改善位于青藏高原的高地温深埋特长隧道工作环境,防止高温热害发生,以川藏铁路桑珠岭隧道为工程依托,分析高地温的特征及其对工程的影响;考虑洞周围岩和掌子面的散热,以及人、机和炮碴释热等因素,给出通风降温时需风量和通风管数量的理论计算公式;在此基础上进一步提出综合立体降温技术,并分析降温效果。结果表明:桑珠岭隧道是典型的干热岩高地温隧道,通过地温测试数据反演得出隧道地温梯度为5.5℃·(100m)^-1,隧道埋深越大地温越高;理论计算得到隧道工作面需风量为324.10m3·s^-1,其中洞周岩壁散热需风量占86.21%,其余13.79%风量主要为人、机和炮碴释热所需;仅采用通风措施,持续通风3h后,洞周壁面温度降幅可达47%,但最低仍为32℃;再采用冷水喷洒和冰墙等辅助降温措施,可消减7.9×10^7kJ的热量。因此,对于高地温隧道,可采用以通风为主,结合喷洒冷水、设置冰墙等的综合立体降温技术。

高地温隧道温度场的数值解

解决高地温隧道热害问题的前提是掌握隧道结构与高温围岩及隧道内空气间的传热规律。根据能量守恒定律,建立隧道空气-隧道衬砌-高温围岩的二维非稳态传热有限差分方程,分析季节性风温、不同程度高地温和铺设隔热层等对高地温隧道传热的影响。得到了隧道开挖后,围岩温度随自然风变化的规律、调热圈厚度变化规律和隔热层厚度对高地温隧道降温的影响等结果。研究所得结论可为高地温隧道施工及运营过程中的降温技术提供理论依据。

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。

高地温隧道二次衬砌受力特性分析

研究目的:拟建川藏铁路的部分隧道工程施工过程中预计会遇到高地温(达30℃～80℃),高岩温将会给隧道工程的建设带来极大的挑战。本文拟通过衬砌外表面边界条件设定为固定温度约束(温度区间为30℃～80℃),利用ANSYS有限元软件建立三维荷载-结构模型,通过温度场和应力场的耦合,研究不同地温下、不同龄期的Ⅳ级围岩混凝土二次衬砌与Ⅴ级围岩钢筋混凝土二次衬砌受力特性,分析与评价其安全性,从而提出相应的工程应对措施。研究结论:(1)随着地温升高,隧道二次衬砌各个部位的安全系数呈下降趋势,特别是当地温从30℃升为50℃时,衬砌安全系数显著下降;(2)地温高于60℃时,Ⅳ级围岩隧道混凝土衬砌安全系数将不满足设计规范要求;(3)地温为80℃时,Ⅴ级围岩钢筋混凝土二次衬砌最小安全系数临近设计规范要求极值,位于衬砌墙脚附近;(4)地温超过60℃时,需设置隔热复合式衬砌;(5)本研究结论可为高温隧道的设计与施工提供参考。

高地温环境下隧道初期支护力学性能研究

以川藏铁路桑珠岭超高地温隧道为研究对象,采用现场实测和热-力耦合数值模拟手段,对超高地温环境下初期支护的力学特性展开研究。结果表明:隧道开挖后,初期支护混凝土应力在10 d内变化较快,18 d后基本稳定;初期支护轴力和弯矩随温度的升高而成增大趋势;随着围岩初始温度的升高,初期支护最大压应力、拉应力与无温度场时的比值逐渐增大,扩大倍数可表示为围岩初始温度的二次函数;当围岩初始温度大于50℃时,初期支护存在破坏趋势;随着围岩温度的升高,初期支护最大压应力的分布范围由边墙扩大到边墙和拱腰,最大拉应力由墙脚扩大到墙脚、拱肩和仰拱。研究结论对高地温隧道初期支护的施工有一定的指导价值。

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。

高地温隧道综合施工技术研究

针对禄劝铅厂引水隧洞突发性高地温地质情况,分析了高地温的热源及产生原因,说明了高地温给施工带来的困难及危害,介绍了施工中采取的各种综合技术措施,研究探讨了高地温隧道通风降温计算方法及应用,进行了用于指导施工的通风降温计算,可供类似工程参考。

岩浆型高地温隧道热水涌水量推算方法

岩浆热源型水热系统分布于我国藏南、川西、滇西及台湾地区,这些地区的隧道热水涌水量预测是高地温隧道热害分析所面临的重要问题。以地下水动力学法和水热系统的冷热水混合理论为基础,提出了高地温隧道热水涌水量推算方法。研究结果表明:(1)隧道将面临三种热水涌突类型:高岩温型、断裂涌水型和裂隙导水型,其中后两者疏排的热水受深部热水混合影响;(2)高岩温型直接应用浅层冷水预测公式推算热水量,而断裂涌水型和裂隙导水型热水具备从岩浆物质交换的高焓和高恒量元素特征,可采用热水混合比及利用地下水动力学法求得的冷水量进行热水量推算;(3)西南某深埋隧道遭遇高温水热灾害,热水涌突类型为断裂涌水型,稳定热水涌水量为3206 m3/d,水温约为74.0℃。提出的推算方法对其他类型的高地温隧道热水涌水量预测的普适性尚需讨论。

高地温隧道施工的爆破安全技术

针对高地温隧道爆破施工条件恶劣,爆破器材不稳定的问题,通过采取综合降温措施降低施工环境温度和炮孔温度,有效解决了高温对施工人员及爆破器材不良影响的问题;根据不同温度等级设置了对应的爆破器材和装药结构,保证了爆破器材在高温环境下的稳定性;采取水压爆破和选用并簇联法的起爆网路,保证了爆破施工安全。较好地解决了桑珠岭隧道穿越高地温洞段的钻爆施工安全控制难题,对于类似工程的实施具有一定的指导作用。

铁路高地温隧道特殊施工增加费计算研究

以铁路高地温隧道特殊施工增加费的计算方法为研究对象，提出了合理的计算模型，使用计算模型得到的补充定额经验证达到了施工图阶段的精度要求，解决了以往在概预算编制过程中的不合理现象。

施工通风条件下高地温隧道温度场分布规律研究

为了研究施工通风条件下高地温隧道围岩初始温度对隧道内温度的影响规律,采用Fluent软件进行数值模拟,得出了不同岩温条件下隧道内温度场的分布规律。研究结果表明:在不同围岩初始温度下,横纵断面上的降温趋势基本一致,隧道内平均温度随通风时间增加呈双曲线形衰减,围岩调热圈半径几乎相同;通风后隧道内平均气温和壁面平均温度与围岩初始温度呈线性关系。当通风温度与围岩初始温度的温差越大,通风降温效果越明显。

拉萨—日喀则铁路高地温分布特征研究

拉日铁路东起拉萨经雅鲁藏布江峡谷向西到达日喀则市,线路穿过喜马拉雅地热带。实测热泉最高温度达80℃,钻孔内最高温度达76.3℃。该高地温地段线路设置隧道8座,总长约47.5 km,地温对隧道的施工及运营安全有较大影响。基于区域构造、高温地区工程地质资料分析了线路穿过区域的高地温分布特征,对隧道施工提出建议。