综合物探方法在高寒高海拔地区隧道不良地质体勘查中的应用研究——以玛沁隧道为例

隧道地质工程勘察中对地下岩体的破碎和隐伏断裂勘探是一项必要的工作手段。玛沁地区属典型的高寒高海拔地区,单一物探方法因存在多解性而不能较准确地表征勘查区的不良地质体发育情况。为查明玛沁隧道浅地表强分化层的厚度、隐伏断层位置及影响带、破碎软弱带及岩体完整性等不良地质体的分布情况,应用音频大地电磁法和高密度电阻率法等综合物探方法对玛沁隧道发育的不良地质体进行勘探。综合勘查区地质特征和综合物探研究成果表明,综合物探方法在高寒高海拔地区隧道勘查中不仅能够有效识别浅地表强分化层和破碎软弱带等不良地质体,而且可提高物探解释的精度。

受冻融循环影响的寒区隧道洞口段地震响应研究

【目的】我国季冻区交通网在地震带上的占比持续增大,有必要研究冻融循环与地震动双重作用对寒区隧道洞口段的影响。【方法】通过水热力三场耦合控制方程获得衬砌背后冻融圈内随时间变化的冻胀荷载,一并与自重应力近似考虑为初始地应力,将地震荷载等效为各质点的体积力,考虑冻融循环对冻融圈内土体强度与衬砌力学参数的影响,采用拟静力法研究寒区浅埋隧道洞口段地震响应规律。【结果】无论冻结与否,不易察觉的墙脚部位最易进入塑性,仰拱呈现内拉外压的受力特征,顶部拱圈、侧面曲墙等部位受力均匀且较小。地震对衬砌的影响均表现出破坏的可能性随冻融时间(次数)的推移而增大,尤其以墙脚内侧压应力区最为明显。受统计方法约束,冻融前10 a衬砌的地震响应较弱,从冻融第15 a开始洞口段衬砌地震稳定性有了较明显的劣化。【结论】相较于冬令期,融化期发生地震时隧道结构的稳定性更差。在全球气候变暖的背景下,更应深入研究寒区隧道洞口段融化期的地震响应规律。

某高速公路隧道渗漏水应急处治技术方案

依托某高速公路隧道渗漏水病害的应急处治施工项目,简要介绍了隧道渗漏水病害现状,经过详细的勘察和调研,总结分析了隧道渗漏水的主要原因,并制定了较为可行的处治方案,同时提供了备选处治方案。施工单位采用处治方案中的相关方法进行针对性处治,效果较明显。项目中相关方案可为其他类似工程提供借鉴和参考。

高抗裂机制砂在严寒隧道衬砌混凝土中的应用

为保证工程质量安全,选定目标隧道,针对工程特征以及原料性能,分析混凝土的力学性能、耐久性、抗冻性以及抗渗性,得到合适的高抗裂机制砂混凝土配合比。根据对混凝土的抗压强度、抗折强度以及弹性模量分析,得到衬砌混凝土的最优配比设定如下:水泥260 kg/m^(3)、粉煤灰105 kg/m^(3)、矿渣粉65 kg/m^(3)、原状机制砂780 kg/m^(3)、碎石1075 kg/m^(3)、水150 kg/m^(3)、减水剂2.85 kg/m^(3)。通过试验验证高抗裂机制砂在严寒地区隧道衬砌混凝土中的应用效果,证实了应用机制砂后可有效提升工程质量和经济性。

寒区隧道纵向温度场分布规律研究

为探究寒区隧道纵向温度场分布规律及其影响要素,以哈牡高速铁路鲜丰隧道工程为例,建立寒区隧道三维流固热耦合模型,并采用通风时间、等效自然风流速度及进洞风温3个变量,探究不同变量条件下寒区隧道纵向温度分布规律及变化特点,在此基础上提出寒区隧道洞内纵向温度预测公式。研究结果表示:1)寒区隧道洞内纵向温度随着进洞距离的增加呈先上升后下降的趋势;2)随着通风时间的增加,寒区隧道洞内各个断面温度逐渐降低,且在通风60 d左右逐渐趋于稳定;3)随着等效自然风流速度的增大,隧道内纵向温度会降低;4)进洞风温对隧道洞内温度场的分布具有直接影响,随着进洞距离的增加,进洞风温对洞内温度场的影响逐渐减小。

考虑衬砌渐变劣化的寒区隧道承载性能演化规律

隧道衬砌结构沿径向深度存在温度变化差异,使其在冻融循环作用下沿径向发生不同程度的连续渐变劣化。为揭示衬砌结构渐变劣化对寒区隧道承载性能的影响,本文以羊八井2号隧道为工程依托,通过现场气温测试,结合隧道温度场和结构应力数值模拟计算,研究考虑衬砌结构渐变劣化的寒区隧道承载性能演化规律。结果表明:在每年170次的正负气温反复作用下,隧道衬砌表面经历约11次等效室内冻融循环;随着径向深度增加,衬砌经历的冻融循环次数呈指数函数降低,衬砌混凝土抗压强度和弹性模量沿径向深度呈指数函数连续渐变劣化,并主要集中在距衬砌表面35 cm深度范围内;在渐变劣化情况下,拱顶随服役年数增加,偏心距逐渐增大,受压区高度减小,呈大偏心受压,衬砌安全系数下降速率大,承载性能劣化严重,全截面劣化相反,拱顶由大偏心受压逐渐转变为小偏心受压,安全系数下降慢,承载性能劣化较轻;其余位置在两种劣化情况下衬砌承载性能变化基本相同;在隧道衬砌结构长期耐久性设计时,拱顶应考虑混凝土沿径向渐变劣化。

寒冷地区隧道防冻保温层等效厚度计算方法误差分析

为分析寒冷地区隧道防冻保温层等效厚度计算方法的计算误差,考虑年周期下的隧道沿径向深度瞬态传热特性,提出了基于数值模拟计算的防冻保温层等效厚度法误差计算方法。同时采用控制变量法计算分析空气年平均温度、年温度振幅、围岩初始温度、围岩导热系数和导温系数5类因素对等效厚度法计算误差的影响。结果表明:在隧道衬砌表面铺设防冻保温层后,围岩温度影响深度减小,衬砌结构和围岩最大冻结深度出现时间较无防冻保温层铺设时,提前近20 d,说明防冻保温层铺设前后隧道结构内部传热状态存在差异,此外,衬砌结构和围岩内部为瞬态传热,因此效厚度法计算原理、假定条件与实际不符,计算结果存在误差;等效厚度法计算结果整体偏小,但在空气年温度振幅较小或围岩初始温度较大时,计算结果存在偏大的情况;空气年平均温度、围岩初始温度、围岩导热系数越低,空气年温度振幅、围岩导温系数越高,计算误差越大;围岩导热系数和围岩初始温度对计算误差影响较大,当围岩导热系数为2 W·(m·K)^(-1)、围岩初始温度为5℃时,计算误差分别可达1.6 cm和1.4 cm,其余参数变化所形成的计算误差均小于1 cm。

保温层对寒区隧洞衬砌结构温度的影响

保温层是寒区隧洞安全运行的关键,保温层的设计对寒区水工隧洞至关重要。为分析保温层对隧洞衬砌结构温度的影响及保温效果,以新疆某引水隧洞为依托,基于现场温度监测数据,考虑对流-导热耦合作用的影响,采用有限元数值模拟方法,研究不同厚度、不同位置的保温层对隧洞衬砌结构温度变化的影响。研究结果表明,随着保温层厚度的增大,隧洞衬砌结构的温度变化逐渐趋于平缓。当保温层敷设厚度为0.06m及以上时,隧洞一衬、二衬温差最小,一衬、二衬温差与保温层的厚度呈负相关。从保温效果来看,表面铺设法与夹层铺设法相比,表面铺设法防冻害效果优于夹层铺设法。

高原高寒地区隧道二次衬砌智能化养护技术应用

传统的隧道衬砌洒水养护工作极容易受到环境因素的影响,不能够满足高原高寒地区隧道衬砌养护工作的需求。基于此,论文提出在高原高寒地区隧道衬砌养护工作中应采用智能化的养护技术,分析了隧道二次衬砌智能化养护技术应用的必要性,介绍了隧道衬砌智能化养护设备的结构和特点。

寒区隧道洞外排水及防冻方案优化设计

考虑当前寒区隧道以排为主的防水方式容易在隧道洞口范围发生冻害,对一座寒区隧道洞外排水及防冻设计方案进行了比选和优化,提出一种通过渗井解决寒区隧道洞外排水及防冻问题的新思路,能够较好解决寒区隧道由围岩裂隙水排放引起的冻害问题,同时减少了地下水的流失。

高寒山区浅埋隧道冻胀特性及防寒措施分析

高海拔寒区隧道的建造经验相对较少,建成的隧道存在衬砌结冰、隧道开裂漏水、隧道墙体剥落酥碎等问题,隧道建设质量相对较低,功能大大削弱,且存在严重的安全隐患,导致养护工作十分困难。针对季节性寒区隧道工程,明确目前在寒区隧道研究中存在的不足,综合考虑寒区隧道中温度等因素对围岩冻胀率和衬砌约束强度的影响,有针对性地提出寒区隧道冻害防控措施。

季冻区隧道导流明洞及其防寒效果研究

为弱化季冻区自然气象条件对隧道冻害的影响,基于流体力学基本原理和冷/热量累积理念,提出一种高效环保的新型导流明洞结构,并通过ANSYS-Fluent数值模拟验证导流明洞的防寒效果。研究结果表明:1)当寒冷气流方向与隧道横向夹角介于15°~75°,提出的导流明洞可显著降低进入隧道寒流的风速;2)当夹角不超过45°,导流明洞可基本隔绝外部冷空气的流入;3)当夹角超过45°,隔绝效果随着夹角的增大逐渐减弱,但始终明显优于传统明洞。本工程研究背景下,不设置导流明洞时,隧道负温区长度超过1000 m;设置导流明洞后,隧道负温区基本消失,防寒效果显著。

基于冻结深度的高海拔地区隧道防寒分区

高海拔地区特殊的自然环境引发了明显的隧道冻害特征,现有隧道防冻害措施主要采用设置保温层。然而,关于保温层设置原则却没有明确规定,使得现有规范标准难以指导隧道设计与施工。基于青海省高海拔隧道资料,结合已有研究资料,提出了以冻结深度为主,地下水、冻结期为辅的寒区高海拔地区隧道防寒分区,为高海拔地区隧道保温设计提供参考。

寒冷地区隧道防冻隔温层设计计算方法及应用

本文根据隧道衬砌表面、衬砌内部、围岩内部的温度及隧道洞内外气温和风速的实测结果 ,获取了隧道温度场的分布情况以及隧道内发生冰冻段的长度和冻结深度的第一手资料。在此基础上 ,提出了增设套拱、设置防冻隔温层的防冻害结构和防冻隔温层厚度的计算方法。该防冻结构和计算方法应用于某隧道防治冻害工程取得了成功。实测结果表明防冻隔温层防治冻害的效果非常显著。

关角隧道排水设施冻害原因分析及处理方案研究

关角隧道地处青藏高原,属于严寒地区,隧道开通运营后洞口排水沟就出现了冻害,对行车安全构成了严重威胁。本文详细介绍了关角隧道排水沟冻害情况,分析了其产生的原因,对加热、截流、加强洞内保温措施三种处理方案进行了比选,选择了水沟加热方案。实践证明,严寒地区隧道洞口段排水沟内采取电伴热带加热防止水沟冻害的措施行之有效,可在类似工程设计中推广应用。

寒区引水隧洞低温相变温度场-渗流场耦合模型及其数值模拟研究

针对寒区引水隧洞围岩冻胀的多场耦合问题,考虑低温相变对岩体温度场和渗流场的影响,结合低温冻结条件下围岩的温度场-渗流场耦合模型,采用有限元法对新疆某电站引水隧洞工程围岩的冻结过程进行分析,研究低温相变条件下隧洞围岩温度场和渗流特性的变化规律。研究结果表明:在长期的冻结过程中,围岩内部形成了冻结区与未冻结区;随着冻结时间的持续,冻结锋面向围岩内部推移,岩体冻结深度和冻结范围不断增大。含水岩体在冻结过程中,水分由未冻结区向冻结区迁移,其渗流速度在冻结缘处达到最大,为1.359×10^(-4)m/s,在未冻结区渗流速度较小,为4.1×10^(-6)m/s。

寒冷地区隧道温度场的变化规律

为了揭示隧道温度场的变化规律,以某寒冷地区公路隧道为依托,选择11个测试断面,对隧道拱顶、拱腰、边墙和路面四个部位的温度进行1.5a的长期测试,采用正弦函数回归法,对测试数据进行分析。结果表明:隧道洞内的年气温变化具有周期性,随时间大致呈正弦曲线变化;隧道内纵向气温随着进入隧道距离的增大,年平均温度逐渐下降,年温度振幅也下降,其变化规律呈指数函数曲线变化关系;隧道围岩温度在径向一定范围内,随着径向深度的增加,年平均温度上升,年温度振幅衰减,并且呈指数函数曲线变化关系;防水夹层对隧道保温隔热是有利的。

曲线寒区隧道保温层铺设长度计算方法研究

为探究隧道曲率对保温层设计以及隧道纵向温度场分布的影响,以河北延崇高速金家庄隧道为研究对象,采用理论推导、CFD模拟的方法探讨隧道曲率对寒区隧道温度场分布特征的影响,并推导出不同曲率下的隧道保温层铺设长度计算方法。研究结果表明:1)隧道的曲率造成了隧道内空气的非对称流动,进而造成隧道左右侧对流换热不对称,以及温度分布的不对称,且曲率越大,非对称现象越明显;2)隧道内外侧的边界层空气速度差异随曲率的增大而增大,由于离心力造成的偏移效应在隧道进洞深度150 m处出现并迅速达到稳定;3)提出的保温层铺设长度计算公式考虑了曲率造成的隧道内温度非对称现象,可用于计算不同曲率隧道的保温层铺设长度。

高寒地区浅埋公路隧道围岩温度变化研究

为研究高寒地区浅埋公路隧道在环境温度影响下围岩温度变化规律,依托共和至玉树公路鄂拉山隧道工程,以隧道进口段为研究模型,应用ABAQUS软件对围岩温度场特征进行分析研究。结果表明:在高寒低温条件下,隧道周围围岩受环境温度影响范围随隧道纵深的增加而减小;对于隧道围岩横断面,环境温度影响深度,随纵深增加,无论纵向还是横向都逐渐减小;温度变化较快的区域集中在隧道进洞口的前40 m部分。基于此,建议施工过程中,在进出洞口段一定距离内,注意对围岩的保温防护,以提高围岩的稳定性并且增强施工的安全性。

硬质聚氨酯在寒冷地区隧道冻害防治中的应用

为了防治隧道的冻害,研究了硬质聚氨酯泡沫塑料的性能、加工工艺及施工安装方法,发现在施工现场修建临时生产厂房,采用手工注入成型工艺,适合现场工作条件,生产成本低,可大大节省工程造价。另外,选用966氯丁防冻胶作为粘结剂,将加工成1 000 mm×460 mm×40 mm的硬质聚氨酯泡沫塑料板材粘结在防水层上是切实可行的施工安装方法。同时,对现场加工的硬质聚氨酯泡沫塑料板材的技术指标进行了检测和验算。结果表明:其密度、压缩性能、吸水率和导热系数均符合标准要求,梯子岭隧道的最大围岩压力为71.1 kPa,远小于硬质聚氨酯板材压缩应力(202kPa),而且防冻隔温层是铺设在原衬砌表面,在原衬砌的作用下,隧道结构体系已稳定,故硬质聚氨酯的强度完全满足要求。