高寒地区公路隧道防寒泄水洞设置技术分析-(6270)

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simulationanalysismodel，thehorizontaldirection，coldtunnelcirclevariation．calculationconditionsto4．5metersforainthefromseparationtOcombinationsystemfreeze—thawUsingtheindirectcoupling，thenumericalcalculationofthethirdchapterofthetemperaturefieldasthetemperatureload，appliedwithgravityloadsonthestructure，thecoldtunnelandmaintunnelsystemof3Dtemperaturefieldandstressfieldcouplingcalculation，simulationanalysisofthevariationofsurroundingrockistheactualconstructionprocessinthefieldofcomprehensivestress，accordingtothecalculationresultsrecommendedcoldtunnelwithsetdesignparametersofstructureandsection．Thedrainagesystemthroughtheanticommoncoldregionstunnelinsulationmeasuresforreference，proceedfromtheinsulationdesignproject，studiestheperformanceofthermalinsulationmaterial，usingthefiniteelementthermalanalysistechnology，fromtheappliedanddidnotimposeinsulatinglayer，focusingontheanalysisofthermalinsulationmaterialsinsulationeffect．Bythetwoliningsurfacetemperatureinsidethecaveisdeterminedthecoldtunnelfortificationoflength450metersKEYWORDS：PermafrostInsulationdrainagetunnelTemperaturefieldFieldtestColdinsulationIII 目录第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．1选题背景和研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．2．1高寒隧道现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．2．2防寒泄水洞现状⋯．．⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31．2．3研究现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41．3依托工程概况及技术特点⋯．⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51．3．1设计简况⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．51．3．2地理及地址概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．3．3建设概况⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61．4研究方法与主要内容．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71．4．1技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．71．4．2研究方法和主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．7第二章温度场现场测试与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．1测试方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．1。1温度测试设备⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．92．1．2测试断面及测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．2防寒泄水洞环境温度场测试结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．2．1泄水洞外部环境温度测试与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．122．2．2泄水洞内环境温度测试与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。122．2．3防寒泄水洞内纵向气温分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．142．3防寒泄水洞围岩温度测试与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯152．3．1围岩温度计编号与埋深关系⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．152．3．2防寒泄水洞内各个断面围岩温度随时间变化分析⋯⋯⋯152．3．3纵向围岩温度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．192．3．4径向围岩温度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯222．4小结⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．．．25第三章防寒泄水洞温度场数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．27 3．1运用微分方程研究防寒泄水洞围岩温度场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．273．1．1一般导热微分方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．273．1．2围岩导热控制微分方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯293．1．3边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯293．1．4围岩导热控制微分方程的差分解法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯303．2围岩温度场计算程序及计算参数⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．313．2．1热力学参数确定⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．313．2．2温度荷载确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯323．2．3计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯323．3数值模拟计算及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯333．3．1主洞先行模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．333．3．2防寒泄水洞先行模式⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯4l第四章温度一重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析⋯⋯．．474。l热应力有限元理论⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯，474．1．1热应力计算公式⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．474．1．2平面问题的等效结点热荷载．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．494．2冻土隧道温度场和应力场耦合中有关问题分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯514．2．1冻土本构模型的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l4．2．2冻土力学参数随温度的变化⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．524．2．3有限元温度一应力双场耦合方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯．524．3有限元计算参数及模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．534．3．1基本设计参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯534．3．2计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．544．3．3计算参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯564．4数值模拟计算及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯564．4．1主洞先行模式．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．564．4．2防寒泄水洞先行⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．62第五章姜路岭隧道防寒泄水洞的防寒保温技术研究⋯⋯⋯675．1一般寒区隧道的防排水系统保温措旌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．675．1．1保温隔热措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯675．1-2搭设防雪棚洞⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯685．1．3加热措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．68V 5．1．4国内进行过现场抗防冻科研的寒区隧道统计⋯⋯⋯⋯．695．2姜路岭隧道防寒泄水洞的保温设计⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．．715．2．1依托工程保温材料的前期调研⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7l5．2．2实地考察取样．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯725．2．3样品检测及检测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯735．2．4结论及建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．735．3冻融循环作用下保温材料的性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯755．4保温材料保温效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．765．4．1不同类型的保温材料对冻融圈变化规律的影响⋯⋯．⋯．．785．4．2保温材料敷设位置对冻融圈变化规律的影响⋯⋯⋯⋯．805．4．3保温板厚度对冻融圈变化规律影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯825．5防寒泄水洞设防长度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82第六章结论与建议⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯84致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．86参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．87在学期间发表的论著及取得的科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．90发表的论文：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯。⋯．．90参与的科研项目：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．90V1 第一章绪论1．1选题背景和研究意义近年来，随着中国西北地区交通运输基础设施的投资力度逐步加大，公路隧道的建设进入了一个新的发展阶段。西部大开发重要国策的颁布使得我国的西北地区的公路隧道延伸到了自然条件异常恶劣的大山深处。关于多年冻土地区的公路隧道，冻害问题一直以来都是很棘手的问题，同时也是我们必须勇于面对的一个难题。究其原因几乎所有的冻害问题都与隧道的排水体系密切相关，因此高寒地区的隧道在设计、施工以至营运阶段对隧道防排水系统的设计和施工工艺的正确实施至关重要。因此，急需对高寒地区的隧道工程建设开展专项防排水及抗防冻研究课题。文章结合西部交通建设科技项目“高寒公路隧道多年冻土力学特性及变形控制技术研究”，通过收集多样的寒区隧道排水系统方案，分析这些方案的排水效果和在高寒地区的适应性，总结出施工过程当中具体的施工工艺，提出防寒泄水洞的施作对主洞在温度场和应力场方面的影响、合并设置原则和合理的结构尺寸比例关系。建立泄水洞衬砌结构和开挖支护体系参数以及计算理论体系，对理论和实践都有很大意义。针对高寒地区隧道防寒排水体系采用的结构形式和设计施工工艺，目前国内外已经陆续开展了一部分的研究工作，如高寒地区隧道水害综合治理技术，寒区隧道防排水与防冻措施研究，对高原冻土隧道防排水系统的几点思考等，但以往的大多研究成果都不够充分和深入，很多的设计参数都是参照一般条件下设计的，没有将隧道的特殊性考虑进去，寒区隧道防寒泄水洞的设计和施工目前仍无规范标准可循。因此，有针对性的，深入地开展多年冻土区隧道防寒泄水洞设计与施工标准化指南的研究成为当务之急。交通建设是国家经济发展的先行兵，同时又是基础产业。国家对高速公路的大力投资改善了我国高速路网结构，进一步加深了各区域的经济联系，带动了高速沿线地区的的经济发展和繁荣，在空间格局演化和区域经济发展中扮演着重要角色。该课题的研究将解决G214线共和至结古高速公路上的控制性工程防排水的设计和施工难题。将有效的指导隧道施工中的防排水环节，最大限度地控制隧道运营期间冻害的产生，降低隧道养护和冻害处置费用，为国家和政府减少经济损失，同时作为我国西部地区连接青藏地区和内陆的动脉，具有重要的政治、国防意义。同时，也可为我国北方高寒地区高速公路的修建积累宝贵经验，提供技术支撑，为促进我国西部地区经济 重庆交通大学硕士毕业论文发展，加快缩小东西部贫富差距，构建稳定和谐社会做贡献。1．2国内外研究现状1．2．1高寒隧道现状随着全球温室效应的加剧，气候对高寒多年冻土地区环境的影响越来越大。在这种情况下，多年冻土区开展地下工程将面临诸多的与温度相关的新问题【1．7】。针对围岩温度场，国外，Ladanyi(1984)提出了没有支护和有衬砌约束两种情况下时间一位移变化的一种封闭形式的解以及对一圆形横断面的隧道在任何时刻围岩压力随时间变化的解【8】。Ladanyi(1980)提出在非线性粘弹性区隧通围岩地应力对隧道衬砌作用力的直接确定方法【9J。Sandegren考察了在铁路隧道中塑料保温防止结冰的效果。2007年，铁道部第一勘察设计研究院的刘小刚【1oJ经过对昆仑山隧道多年冻土区域地下水的分析，提出了采用隔热保温措施保护多年冻土的防排水原则及设计思路，并针对昆仑山隧道的防排水体系进行了分析研究。黄双林结合昆仑山隧道和风火山隧道的设计、施工及现场测试，探讨了在高原、高寒及冻土等恶劣自然条件下隧道的防排水技术，阐述了防、截、堵、排、隔热保温与“保护冻土”相结合的防排水原则。并从理论和工程实践中论证了风火山隧道和昆仑山隧道采用双侧保温水沟排水方案的合理性。中铁二十局集团的任少强和王永顺结合世界上海拔最高的风火山多年冻土隧道施工，总结出了冻土隧道施工的创新点，坚持以人为本，保护环境的原则，提出了冻土光爆、支护、超低温混凝土、温控、保温和防排水等冻土隧道施工新技术；中铁二十局旗下三公司的徐伟业、张业学和游泳【llJ在2003年经过对青藏线风火山隧道的现场施工管理，对该隧道的防排水设计方案作了总结。为了验证多年冻土区隧道防寒排水设计方案的合理性，提出了坚持监测洞内气温和衬砌背后的围岩温度的建议。2006年，铁一院桥梁隧道处的严卫【12】通过昆仑山隧道工程实例和现场施工，总结了永久冻土区隧道的防、排水相关设计和关键施工工艺。主要涉及：全隧道设置双侧保温水沟、全断面设置复核防水板、施工缝接口粘结剂、混凝土抗渗等级等。江亦元和王星华【l3】在昆仑山隧道施工现场开展了连通实验，对其水害问题的根源(流径和水源)进行了实验研究，基于现场统计的实验数据分析研究了问题的产生机理，提出了一些见解，并通过地质雷达和TGP等手段进行了跟踪效果检测。2 第一章绪论1．2．2防寒泄水洞现状1999年，中铁十。六局集团的翟大勤和贾翔军等[14】针对当时海拔排名亚洲第一的大坂山隧道的设计和施工当中的防排水问题做了专题研究。提出了复合式防水体系，一是结构外防水，二是结构自防水。排水系统由土工布纵横纤维网格PE230S、排水板沟槽、片石盲沟、竖向泄水孔和正洞下方的防寒泄水洞组成。提出了对防寒泄水洞施工的特殊工艺包括：位置设置、多功能利用、开挖稳定性、底板混凝土施工、保温出水口施工等关键工序。2000年中铁十六局的张勇【l5】结合大坂山隧道工程实例，对地下水的排泄方式做了研究，提出了高寒地区隧道水害综合治理技术。对防寒泄水洞排水系统的施工做了专门研究，提出了防寒泄水洞圆端掩埋式保温出水口。2001年，三月，铁道部专门邀请了中科院、青海省、国内知名高校和科研院所的专家教授二十多人，组成“高海拔高寒隧道修筑技术专家组”以大阪山隧道为例进行了现场考察、论证，为青藏线的高海拔工程在施工方面面临的各项技术难题做工作【16】。第一次开发并应用新材料；第一次开发并且应用防寒保温新技术：第一次开发并应用防寒泄水洞技术。在低温状态下富水环境极易发生冻胀破坏，该项目的设计者通过大胆的创新，在主洞的底部5m处先开挖一条断面较小的隧道，在拱腰和拱项部位预留泄水孔，与上部主洞结构预留的排水体系相连接，贯通形成完整的排水系统。由于防寒泄水洞与排水沟相比断面较大，洞口还有保温措施，能够保证长年不结冻，能够及时的将主洞的排水系统的渗漏水排出洞外，避免了主洞衬砌结构背后不积水，这样就能及时将地下水对隧道二衬形成的压力消减。同时对隧道施工过程当中的防寒保温和防冻害也起着非常关键的作用。这种集排水和保温，主洞和泄水洞与一体的新型设计方案在国内为都是首开先河。2004年，针对高原高寒地区隧道的关键施工技术，天津大学的刘玉划1。7J结合大坂山隧道的防排水体系做了专门的研究。主要涉及洞内的排水系统的组成及原理，按照兰州冰川冻土研究所提供的相关参数，因地制宜，采用了防寒泄水洞沿隧道通长设置的设计方案。为了选择适合低温环境下的防水材料及施工工艺，进行了复核防水层旌工工艺实验。重庆交通大学的张亚兴硕士【18】在2009年对嘎隆拉隧道做了防排水和抗防冻技术措施的研究，为嘎隆拉隧道防排水系统设计提出了两套指导方案：防寒泄水洞方案；纵向中心深埋水沟方案。2012年，重庆交通科研设计院的刘海京和重庆交通大学的郑佳艳【19】对高寒多年冻土隧道的保温隔热系统的设计进行了研究。结合大坂山隧道的保温系统：保温层、防寒泄水洞、保温门等元件进行了分析。对寒区隧道外置式保温和内置式3 重庆交通大学硕士毕业论文保温进行了对比，提出了适合寒区隧道的外置式保温建议。中交第二公路勘察设计研究院的彭文波和刘文对嘎隆拉隧道在抗防冻措施设计做了浅析：对隧道洞口端安装防寒保温门和在隧道洞口端一定范围内采用防水抗冻二衬，且在二衬表面敷设保温层，以及采用深埋防寒保温中心水沟和泄水洞方案，使隧道的抗防冻效果得到了较好的保证；青海共玉公路建设指挥部的祁昌林做了鄂拉山隧道防排水系统的研究，主要涉及隧道气象及水文、土建结构设计概况、防排水系统在施工过程中的改进：季节性冻土区设置防寒泄水洞，多年冻土区不设防寒泄水洞；背墙排水盲管也做了改进；中铁十二局集团的赵以斌和梁鹏以青海共和．玉树公路雁口山隧道进口段工程为例，介绍了高寒地区隧道防排水技术，对环纵向盲沟、中心深埋水沟、洞内外防排水等分部工序施工要点一一做了阐述。1．2．3研究现状分析国内外高寒隧道的研究历史资料显示，目前真正形成规模的研究历史尚不足二十年。早期的科研工作者们受限于科研设备和现有的研究手段，大多只是结合工程实际，在施工技术和工艺方面“摸着石头过河”。进入二十一世纪，随着国家对科研工作的支持和大幅改善科研条件之后，在冻土领域的研究逐步深入。先后通过新型的检测仪器设备辅以大型的有限元数值计算软件，冻土的研究工作逐步触及温度场、应力场以及多场耦合分析领域。尽管如此，我国目前在冻土隧道领域的软硬件还有需要完善的地方：现有的公路隧道设计规范在防排水模块的规定尚停留在一般地区隧道上，急需补充完善多年冻土区公路隧道防排水设施的设计标准条例。防寒泄水洞在冻土隧道的排水系统当中扮演着至关重要的角色，国内为数不多的几篇关于防寒泄水洞的文献也只是借助于国内仅有的一座设置了防寒泄水洞的公路隧道——大坂山公路隧道开展的，所以急需对高寒地区的公路隧道防寒泄水洞的设置技术开展专门的研究工作，以指导该地区陆续开展的隧道工程。4 第一章绪论1．3依托工程概况及技术特点磊《甍彗差萋荟萎要全长：2844．0933m图1-1姜路岭隧道纵断葱图1．3．1设计简况姜路岭隧道起点为G214线K329+710处，终点桩号为K332+515。隧道出口洞口标高4301米，主峰海拔高程4690米。设计行车速度60km／h；隧道内轮廓结合远期预留规划设计净宽采用10．25m，净高7．15m，隧道建筑限界高5．0m；预测2030年年平均目交通量26199辆／日(小客车)。设计计算路面荷载：公路一I级。防排水设计主要分三块：(1)洞口段：根据地形情况在洞门、明洞边坡刷坡线5m外顺地势布设天沟，将地面径流通过天沟引入自然沟谷排走；(2)明洞：采用双层土工布(3509／m2)加EVA防水板(厚1．2mm)及粘土隔水保护层防水，采用中100半边打孔的PVC管排水；纵向排水管与横向引水管相连，将明洞衬砌背后水引入隧道中心排水管，在通过中心排水管引入防寒泄水洞排出洞外；(3)暗洞：隧道采用土工布(4009／m2)夹EVA防水板(厚1．2mm)防水，$50HDPE打孔波纹管环向排水；①100半边打孔的HDPE管与横向引水管相连，将暗洞衬砌背后水引入隧道中心排水管，在通过隧道口防寒泄水洞排走；姜路岭隧道在进口450m处路面中心标高以下4．5m处设置1．8m高防寒泄水洞。1．3．2地理及地址概况隧址区是一个典型的高原大陆性半干旱型气候，夏季神清气爽，降雨量较充足，由于海拔太高的原因，霜雪天气的出现频率很高，但是降水却具有很明显的地区差异。随着海拔由高到低降水量也相应的减小，5～9月的降雨量几乎占了全年总降雨量的90％以上。冬季漫长寒冷的天气更容易发生雪灾。姜路岭隧址区冬季平均气温一12．3℃，最大冻结深度达277mm，最大积雪深160rnm。气温和蒸发量随海拔高度的增加而相对下降和减少，线路区寒长暑短，四季不分明，昼夜温差5 重庆交通大学硕士毕业论文大，空气稀薄，气压低含氧量少，大气含氧量比平原低40％，缺氧严重，光照充足，50～60％年平均日照率，无绝对无霜期，每年光是冷冻期就在7个月以上。依托工程的防寒泄水洞工程是在冻土区的主洞施工完成后才施做，因此会受到主洞施工过程中爆破开挖、支护施工和衬砌水泥水化热的热扰动和主洞开挖过程中还会引起岩体应力重分布，在这些多重因素的综合作用下势必会对其的开挖增加技术难度。防寒泄水洞所在范围的地质情况主要分布为：多年冻土热融滑塌，主要分布在之前的109国道左侧，有4．5处，长15-20m，宽lO．15m总面积30．70m2，几何中心距离隧道口大概100m，对防寒泄水洞的开挖影响比较明显。在隧址区山问低洼处和姜路岭坡麓处广泛分布有水草沼泽地，尤其在隧道进口段的冻结层上水非常发育；冻土上限的深度大概在1．6-2．2m，这个数值将与冻结层上水形成的水草沼泽地的水位和含水层厚度密切相关，能够对隧道洞口段防寒泄水洞的施做造成很大影响。涎流冰；主要分布于隧道出口左侧沟沟内，K329+945线路左侧，流量大约0．8—1L／s，在寒季形成涎流冰。冻土，多年冻土集中分布于姜路岭山顶和南北坡进出口处，呈现出连续多年冻土区，多年冻土下限28-42m，上限1．6—2．2m。上部多年冻土层为强风化泥粉质页岩夹板岩，融沉类别为弱融沉、融沉。以多冰、富冰冻土为主，其水平及竖直方向上分布呈不均匀性。进口K330+195钻孔内发现大量的冰状冻结层，K330+300历程处，垂向20．30米深度之问分布着大量的冻结状裂隙冰。位于基岩强风化层以下20—38m范围内主要分布着泥质页岩夹板岩，冻岩节理张开裂隙内的冰晶和冰粒较发育。埋深大于45m以后，冻岩和多年冻土对主洞洞身段影响较小。对防寒泄水洞洞口段开挖时，当冻土岩土体在冻结状态下强度较大，但多年冻土开挖融化后，强风化泥粉质页岩强度变得很小，成洞极为困难。岩石冻结时强度高，开挖后冻岩融化，裂隙张开，强度降低，易风化呈碎块状。在反复冻融循环作用下，洞身极易发生变形，导致侵限甚至冒顶的危险。这种灾害普遍较为难治，对主洞的连带危害性很大，需要研究这些主要因素对防寒泄水洞开挖的影响规律和控制方法。1．3．3建设概况姜路岭隧道于2011年3月25日正式完成主动的施工图设计，经过前期建设单位的审查后与同年8月1日隧道进出口同时开工进洞。2012年9月1日，进口主洞实现掘进330米之后，防寒泄水洞开始施工。在掘进了25米之后，由于冬期过早到来，于2012年11月1日停止掘进。2013年4月1日接着施工，截止到2013年年底，防寒泄水洞和主洞分别已经掘进298米和856米，初步施工组织设计主洞和防寒泄水洞同时完工。6 第一章绪论1．4研究方法与主要内容1．4．1技术路线该项目针对防寒泄水洞在施作过程中对主洞围岩和衬砌支护结构冻融圈的影响先进行了系统的现场实测和定性的理论分析，接着采用有限元数值模拟软件进行实验模拟计算，并将计算结果和实测结果做以对比分析；再根据国内外的研究文献统计防寒泄水洞合并设置的工程实例和泄水洞所在地域的地理天气、地质条件，结合本课题的依托工程现场监测数据，对比分析，提出防寒泄水洞在不同施作顺序和设置方式对不同客观条件下的主洞衬砌结构以及支护背后围岩物理性质的影响规律。对于本课题初始的研究过程，主要和本项目相关的其它几个项目负责人员和课题组同门相互沟通探讨，初步的技术路线如下图：图卜2技术路线图1．4．2研究方法和主要研究内容该项目综合运用观察法、调查法、经验总结法、实验法、文献法等研究方法，主要开展了如下的研究内容：①高寒公路隧道防寒泄水洞的温度场特性分析：运用微分方程研究防寒泄水洞围岩温度场；实测围岩及环境温度资料分析：运用有限元研究温度场；②高寒公路隧道防寒泄水洞的温度一应力耦合场及开挖稳定性的有限元分析：主洞先行状况下的综合应力场计算结果及结论分析；防寒泄水洞先行状况下的综 重庆交通大学硕士毕业论文合应力场计算结果及结论分析：⑨高寒公路隧道防寒泄水洞的防寒保温技术：保温材料比选试验；保温材料保温效果的数值分析；保温出水口的设置； 第=章温度场现场测试与结果分析第二章温度场现场测试与结果分析国内目前针对公路隧道防寒泄水洞冻害病例比较少见，一个主要原因就是工程实例比较少见。但是防寒泄水洞作为隧道的附属结构，结构形式与主洞有类似的地方，因此可以借鉴主洞冻害的病例，进而追踪防寒泄水洞发生冻害的原因也是衬砌支护结构和背后的围岩内存在大面积的持久性的负温区域，发生这种问题的工程究其原因主要是对隧址区洞体所在围岩温度场分布情况了解不够深入，在采取保温措施时候没能制定符合工程保温要求的保温方案。论文采用FRT自动气象站及埋入式铂金属热敏电阻作为测温元件，根据依托工程特点，沿隧道纵向及横断面径向布设测温元件并进行犬规模系统测试与分析。2．1测试方案211温度测试设备①隧址区及洞内气温检测设备本次测试采用FRT自动气象站对大气温度每分钟一次自动记录，记录结果由存储卡自动记录，并且由无线发射器进行脉冲发身j，远程在线读取检测结果。图2-1FRT自动气象站②围岩温度测试元件隧道内围岩温度采用热敏电阻作为测温度元件，采用江苏海岩生产的XP05频率仪(图2-3)直接读取。沿防寒泄水洞径向等间距布设。沿隧道径向布设9个测温元件，每两个元件相距O5m，分布总深度45m。测温元件图和隧道内埋殴示意图如图2-2、图2-4、2-5所示。 重庆交通火学硕士毕业论文图2-2热敏电阻温度计图23xp05频率仪212测试断面及测点布置①隧址区及泄水洞内气温测试由于洞口处气温变化显著，在泄水洞洞口及距离洞rq350m的范围内每隔50米安设一部温度计，用来测大气气温。洞口的安装在百叶箱内，洞内的挂在衬砌结构表面远离照明设施一侧，并且用透明胶带固定好，距电缆槽顶面18m。因此沿隧道纵向上共安设了8部温度汁(包括防寒泄水洞洞口)，各个温度计布置断面桩号为：K329+710(防寒泄水洞洞口处)、K329+760、I(329+810、K329+860、K329+910、K329+960、K330+010、K330+060其平面示意图见图2-4。⑦围岩测温元件布设方案由于泄水洞开挖过程当中的通风作用，使得防寒泄水洞周边围岩发生被动热传递，直接导致了山体内部温度场变化。一股的，山体内部温度场的变化受多方面外界因素影响，主要包括山体内部稳定热源、围岩自身产热率以及外界环境温度的变化等口⋯。虽然影响防寒泄水洞围岩内部的因素是多方面的，但抓主要矛盾．在一般地质条件下，对于不通长设置的防寒泄水洞类型，在洞口段一定范围内外界环境气温对防寒泄水洞穿越区的围岩温度场影响最为显著。根据洞内温度的变化幅度及波动区间．测温断面沿着径向按50m等间距布置，元件也是按轴线对称布置，温度元件埋入初支及嗣岩内．用以测定围岩内部温度。围岩内温度测试元件的埋设断面如图2-4所示，温度计布置如图2-5。 第二章温度场现场测试与结果分析《裂三刻k329-710k329+760k329,-810k329-860k329+910k329+960k330+010k330如60图2-4围岩测温断面沿着泄水洞纵向布置示意图衬砌2-5围岩温度计设置图板在每一个检测断面上均布置有围岩、衬砌结构以及衬砌表面温度监测设备，每个测温断面的温度计，按施工工序先后埋设。初支完成后就应该及时埋设测围岩温度和初支温度的测点；二衬钢筋完工后，将温度计绑扎在二衬钢筋上，等待二衬混凝土浇筑完成，完成测点的埋设；二衬表面的温度可以将测温元件直接粘贴在脱模的混凝土表面。K329+760、K329+860、K329+960号断面还另外在仰拱里埋设温度计，检测仰拱不同深度的混凝土温度。温度计埋设时候必须抓住仰拱施做钢筋的时段，将测温元件绑扎于仰拱钢筋的不同部位，混凝土浇筑完成，完成测点埋设。围岩中测温元器件的埋设，先用风钻打孔，孔深4300m、孔径50mm，用风枪清孔完成后将测温元件插入测孔内，然后浇筑满水泥砂浆。最后整理好测线。测试频率：气温高于隧址区历年年平均气温的月份，每月监测4次，气温低于隧址区历年年平均气温的月份，每月监测8次，每次监测又包括监测当天的4个不同时刻，如果偶遇特殊天气，再适当加测。 重庆交通大学硕士毕业论文测试时间：结合隧址所在地区气象资料，姜路岭地区历年年平均气温≥一4．2℃的时间段为4月5日至11月5日，日最低气温普遍出现在6-8时，日犀高气温普遍出现在14时。按照以上气象数据制定监测时间：每月监测4次的月份为2012年4月至11月，每月监测8次的月份为12月至2013年3月，每天监测时间：0：00、7：00、14：00、21：00。2．2防寒泄水洞环境温度场测试结果与分析2．21泄水洞外部环境温度测试与分析防寒泄水洞洞外气象站架设在距洞口45m左右、地势较高、人为影响小同时又能准确代表洞外气温的位置。从远程气象控制系统当中读取每天0：00、7：00、14：00、21：00四个时间点的温度值，然后取平均所椰值作为防寒泄水洞区大气日平均温度。从图2．6可以看出，日平均气温的最大值出现在7月下旬，最大值在6℃左右；最小值出现在每年的2月上旬，最小值在-85℃～10℃之间。全年的负温天数约占全年总天数的7儿2。全年的温度振幅约为15℃，变化总趋势呈现出明显的周期性。根据洞外气豫站全年风向测定，冬季风向由防寒泄水洞小里程桩号吹向大里程，防寒泄水洞澜口处的风速可达29m／s：在夏季，洞口风向不定，平均风速也比冬季偏小。由此可见，洞口附近的温度变化有可能是影响该区域空气流动的一个重要原因。17Ⅻ图2-6防寒泄水洞外大气温度曲线2．2．2泄水洞内环境温度测试与分析在防寒泄水洞内，空气温度变化曲线如图27所示，从图中拟合曲线可以看出，在距离防寒泄水洞洞口较近处温度年变化曲线和洞外变化趋势报相似，只是洞外的温度振幅比洞内的偏大。从图2．7(a)、(b)、(c)对比分析，洞内的温度变化总】2 第二章温度场现场测试与结果分析是被动的伴随着洞外的温度变化而变化，同时距离洞口越远，被动变化的周期性和规律性减弱，这主要是由于施工干挠导致的。因为伴随着施工长度的增加，通风设各效率降低，洞内的施工机械，混凝土水化热等对洞内气温的影响就变得较为显著。p掣a洞自气温K329+760处气温曲线(a)月自温度；∥彳添哔：姜三；!≯日*K329+860处气温曲线(b)月内温度；麓篓鬻渐邑。∥口MK329+960处气温曲线(c)图2-7泄水洞内气温曲线(a⋯b)p＼掣瑁p＼《q 重庆交通大学硕士毕Ⅱk论文从图27明显可知，在目前防寒泄水洞尚未完工的情况下，泄水洞和主洞之间的排水体系尚未贯通，不能有效地形成风简效应，随着距洞口距离的增加，洞内的施工扰动热量不能及时的排出．内部的衬砌结构和围岩体系处与正温环境的天数也在逐渐增加。在距防寒泄水洞洞121250m处的气温曲线晟小值要比隧道外大气气温曲线塌低值在时间长延迟20天。距洞门50m处洞内全年负温天数可达206天，而距离洞口250米处的负温天数则骤减至155天．因此在对防寒泄水洞衬砌结构进行防寒保温设计时，以最低温月份的二次衬砌和围岩温度场作为评价防寒保温效果的依据。对防寒泄水洞温度场数值模拟时，将最不利的温度函数(洞外大气温度函数)作为洞口段的温度载荷条件。23防寒泄水洞内纵向气温分布规律防寒泄水洞内每相邻两个测温断面之问的温度变化随着时间的雅移是有一定变化关系的，将泄水洞内各点在同一个月的月平均气温沿防寒泄水洞纵向连接起来进行分析是很有工程实践意义的，通过图28所示，可以得出以下几点结论：①从2月至4月，沿隧道纵向环境温度曲线大致呈倒v型，距离防寒泄水洞洞口300左右处温度垃高。从洞口处至Ⅱ荆内环境温度最高处，最大月平均气温温差达7'U；最低温度出现在泄水洞出水口处，从肪寒泄水涧洞u至洞内300m处温度是逐渐升高的，从300米处往掌子面方向，温度则逐渐降低。②5月份洞内温度晟高断面距离洞口仍在300米左右。而防寒泄水洞洞口与外界大气温度相差不大：从洞外至掌予面方向，温度曲线几乎趋近于一条直线，临近掌子面温度接近O'C。随着距隧道洞口距离的增加，温度的变化幅度逐渐减小：@从6月至8月，防寒泄水洞中间段气温曲线呈现出比2、3、4月份幅度略小的V字型．洞口成为目前开挖段里而全陡温度螭商点。p掣囊№着防《谳水洞纵向长度(m)2月一3月一4月．-5月t6月7月一8目一9月固2-8沿着防寒泄水洞纵向环境温度凸线图 第二章温度场现场测试与结果分析原因分析：①由于姜路岭公路隧道进口处常年多为西北风，防寒泄水洞口段自然风向一直由洞口吹向掌子面，再加上防寒泄水洞开挖断面较小，随着纵深的增加，隧道内由于施工扰动产生的热量不能有效迅速的排出洞外，导致中问段温度上升，但是临近掌子面附近由于掌子面原岩温度较低，所以出现倒V型温度变化：进入5月份，随着气温的上升，倒V型分布逐渐平缓直至消失，最终曲线趋于水平f2l】。②在进入6月份以后，防寒泄水洞内中间段衬砌混凝土浇筑时间已经较长，水化热已散发完，靠近掌子面附近正在进行模筑混凝土和施工机械作业，产生较多的热量，所以从洞口至掌子面方向温度先降低，后升高，呈现V型分布，因此洞内出现“冬暖夏凉”现象。③进入9月份，天气已经开始有暖转寒，洞外气温开始降低，所以曲线整体处于8月份的下方。2．3防寒泄水洞围岩温度测试与分析2．3．1围岩温度计编号与埋深关系表2。1温度计编号与距离二衬内表面距离对照表编号1#2#3”4抖5”64距混凝土表面距离0．20．40．61．52．53．52．3．2防寒泄水洞内各个断面围岩温度随时间变化分析泄水洞洞口段围岩温度受外界气温影响变化大，所以在泄水洞洞口处的测温断面应适当加密。图2．10(a．g)均位于防寒泄水洞洞口段，其距离防寒泄水洞洞口距离依次为5米、55米、105米、155米、255米、355米和455米。以上各个温度监测断面的实测数据如下图所示： 重庆交通大学硕士毕业论文8642o型一2睫一I“一8-]0旧岩温度曲线日Ⅻ**Ⅷ2**0{*406*-口15*＆25$一女35$一**≮02*·#0{※·《06*·#ia％≮25*一*3目※p＼《晤p＼≤《 第■章温度场现场测试与；5果分析围岩∞鹰曲拽日期一月*·镕02*·渤4*·gn6％-女i5*Ⅸ2a※一#3a*d)k329+860围*女废∞线日m-目*·％02}·《0{*一w06*-*l5№一p,E25*一％35*目*温度∞线日№-·目*《02*洲4*懈6*-口15％≮25*一础5*f)k330+060p＼世磊，，学。勰+：孵零耳雌霹、F扩、～蕊一p＼《a，瓣萝零珂qr献p＼H目 重庆交通大学硕士毕业论文68，4望；譬：：一-86：譬嘲#温度自线日Ⅻ一月"≮O2**04*·w06*·≮】am≮2a*一N34％g)k330+160图2-9围岩温度随时问变化益线图(a—g)根据实测值，得各断面处最低负温值如表22所示表22围岩内部最低温度值K330+060负温堆犬脚℃出现日期进口段防寒泄水洞围岩温度变化曲线按时间大致可分为三个区段：①第一阶段为2012年8月初至2012年10月中旬在此时间段内，外界大气日平均温度由最大值迅速降低，在9月底已经降到零度左右。围岩温度变化趋势相对滞后于洞外大气温度变化，在10月初才降低至零摄氏度。因此可以看出，洞外气温的变化影响洞内环境温度，进而引起围岩温度的改变。不同埋深处围岩测温元件的温差维持在05～1℃。②第二阶段为2012年10月下旬至20l3年4月末这段时间外界大气温度和围岩温度已经处于零度以下。从测温元件距离二衬表面的距离来分析，也就是埋入围岩越深，相应的所测温度值也越高。当外界环境温度较低时，随着埋深的增加，温度梯度分布较明显。在这段时间内，隧道衬砌背后及0．6米的围岩范围内温度呈现负值。2月份极寒温度时候，围岩内15m深度处温度也长时间处于零度以下。因此，目前防寒泄水洞所采取的的保温措施尚不能满足衬砌背后不出现负温的保温要求。从图210(a～g)可见，距离防寒泄水洞洞13越近，围岩内温度在相同埋深处所测的值也越小，相应的负温持续时间也越长。相反距离洞口越远，洞内围岩温度受洞外气温影响越来越小，在K330+160(距洞口450米)处，围岩内温度已经处于零度以上，说明防寒泄水洞 第二章温度场现场测试与结果分析的设置长度应不小于450米。③第三段为2013年4月末至2013年8月初在此时间段围岩内温度由负到正，然后直至晟高。在这期间，洞外大气归平均温度处于急剧上升状态，但围岩内温度变化反而显得异常平稳，且沿隧道围岩径向深处的元件温度变化总是滞后于浅处的元件温度变化，各元件间的温度差保持在1～15"C。在图中可见得6条温度曲线在坐标轴附近聚成一束。233纵向围岩温度分析将围岩内相同埋深处温度元件的月平均温度沿隧道纵向长度以实际相同埋设比例连接起来，便得图211。埋深为02m和埋深为0．4米的测温元件埋没在防寒泄水洞二衬内，反映的是衬砌温度变化情况。通过图a)可以看出．在2012年11月至2013年5月之间，衬砌内的温度始终呈现喇叭型，从泄水洞洞口向中间，从12年7月至9月初期支护结构内的温度整体下降；从12年10月至玖年4月，二衬内的温度随着距离泄水洞洞口距离的增加温度整体则趋于上升态势，泄水洞洞内呈现出“冬暖夏凉”现象，其原因在上文中已有说明。a)02米j兰兰兰兰兰：兰=二=二==二生≤二二；ji一一喜一一言——一—音——-—}_——=：}；；乡7ij：≯每熹—未≤多一42b)04米p＼葛瑁p＼§ 莺庆交通大学硕士毕业论文4030920自】0瑁0OlO一2011．461：￡。0．89：：：。!====：==_～—～鏊萋至≥妻i争了i=：：}；：：；!，一一：2。0。12-7。一-：’；：；；一：j：：：：1：一：：：：：：!?一．”2011’3；“ic)06米Ⅲ&＆目d)15米纵向闻岩温度曲技Ⅲ程桩号¨16—17—7一一128—129⋯2-121刮-1-1一13-21州-3-●20{■{{∞p＼《晤 第二章温度场现场测试与结果分析p创鸹擞目目{÷温度曲线!程艟号⋯I一12-7一I⋯I28—17}⋯I210—1z’H—I‘1212—13—1一一32⋯133一I34ll3-5‘If)35m图2-10沿着防寒泄水洞纵向距衬砌表面相同径深处国岩温度变化(a～f)埋深为06m的测温元件埋设在初支内，所测温度为喷射混凝土内部的温度。通过图c)和a1、b)比较，图c)的喇叭13．明显缩小．意味着温度变化受洞外气温的影响较村砌结构小。埋深从l5米～35m的元件均埋在围岩内．所测的为围岩内部温度。在圈2lld)～f)中，K329+960断面处线K为l5米～35m的元件温度曲线出现圈中所示的异常，即在外界大气温度较低时，该断面的围岩温度居然比同断面浅的元件温度低，比洞口段同深度处测得的围岩温度也低，而在外界温度变高的5月以后，围岩温度也滞艏于外界温度而快速上升，因此可以断定是围岩内深度l5m～35m处有较多的裂隙水流所致，而且可以推测该水流是从地表渗入到地下的。根据设计图纸、现场地质资料和施工日志，发现该线托为l5m～35m的温度元件刚好穿越了断层面进入了断层内所致。断层破碎带分布区段是地下工程围岩最不稳定的区段，90％以上的塌方都是集中在断层及断层破碎带地段。姜路岭公路隧道断层破碎带贯穿主洞和防寒泄水洞，由于受多期构造运动的影响，该地区基岩节理发育，在穿越断层破碎带的隧道施工和科研项目的开展工作时应引起足够的重视口2‘”】。经过探测该断层的永源正是地表下渗水汇聚而成的。而02m、04m、06m的元件则位于断层面之外，其设计图纸如图2-12所示。 重庆交通大学硕士毕业论文毒荤萃荤拳裂目羁蟊巷亟』L重点g荤萎荤耋委墓_要荤晕圉2-11K329+950地质情况重星莹要2通过围岩纵向温度曲线不难看出，进u段防寒泄水洞所有温度检测断面各线长的温度集中程度都比较好(除YK329+960外)，温度在各个月份的梯度很小，所以温度曲线根密集。随着测温断面距泄水洞洞口距离增大，温度曲线也是趋于密集的，随着温度元件埋设深度的加深，温度曲线也是趋向密集的，这与理论和实际都是相吻台。在距离洞口450处温度变化幅度远小于洞口处，究其原因有两个：防寒泄水洞目前处于施工阶段，泄水孔和主洞的中心深埋水沟尚未贯通，1i能够形成单向风流，不能有效的将洞内深处聚集的施工热驱散。2．34径向围岩温度分析围岩内的径向温度曲线只选取了温度最高的7月和最冷月(2月)，其余几个月的温度变化范围居于这两条线问，变化幅度和变化趋势也几乎呈现等差数列递变，为了分析图线的简洁，故省略。图2．13中a)、b)、c)、d)、e)、f)和g)为洞口段450米范围内围岩内温度，可以看出，随着围岩深度flg)Jn深，温度足增加的，浅处的温度增量略大于深处的。在洞口段，不同断面最大冻深值见表2．3。表23不同断面的最大冻深值里程K329+7K329+桩号10760负温深度堆大350米350米293米286米268米2．51米值从表2．3—4中可以看出，负温虽大值处和围岩内负温最大深度处并不在同一断 第二章温度场现场测试与结果分析面上，其原因一方面是虽然泄水洞洞口为进风口，但是目前正在施工，排水系统尚未贯通，空气不能形成对流；另一个原因就是施工的影响。p＼魁赠一4—6-8-10—12642p0魁一2赠一4—6—8一10围岩径肉温度曲线埋深a)k329+710径向围岩温度曲线42；p07遗一2{赠一d!-8埋深b)k329+760径向围岩温度曲线———～。一～～～～—————L～～一2月一～7月埋深C)k329+81023 重庆交通大学硕士毕业论文42芝0剧赠一2—4-6径向围岩温度曲线一2月～～～～一=二盟43；2pl＼创0赠一1埋深d)k329+860纵向围岩温度曲线一2月～7月一2一3：-4432p1蠢0赠一1—2—3—4埋深e)k329+960纵向围岩温度曲线埋深f)k330+06024 第二章温度场现场测试与结果分析p、、趟赠纵向围岩温度曲线＼≤二二～二二＼、＼二》●—，一焉——／导童痨盘虏^一』一矗埋深g)k330+160图2-12围岩径向温度曲线(a-g)图2一12为泄水洞围岩温度值变化曲线，自外向围岩内，温度变化幅度小，增量也呈现小幅上下波动，这是由于各段温度差值较小，初支背后围岩当中的渗流对其产生一定的影响。外界气温处于极端值时，距洞口250范围内的测温断面在径向方向上变化趋势很相近，a)～e)曲线的形状也很相似。这说明洞口段250范围内围岩温度受施工干扰较小。鉴于K329+960断面距防寒泄水洞洞口相对较远(约250m)，而且又受施工干挠小，所测得两条温度曲线很有规律，因此可用该断面的两条温度线预测围岩内平均温度值。从图e)可知，最高月份和最低月份在1．5m深处温度平均约为0．45℃。2．4小结①日平均气温的最大值出现在7月下旬，最大值在6。C左右：最小值出现在每年的2月上旬，最小值在一8．5℃～10℃之间。全年的负温天数约占全年总天数的7／12。全年的温度振幅约为15℃，变化总趋势呈现出明显的周期性。根据洞外气象站全年风向测定，冬季风向由防寒泄水洞小里程桩号吹向大里程，防寒泄水洞洞口处的风速可达2．9m／s；根据寒区隧道分区说明简表知姜路岭公路隧道属于中病害区。在距防寒泄水洞洞口250m处的气温曲线最小值要比隧道外大气气温曲线最低值在时间长延迟20天。距洞f-j50m处洞内全年负温天数可达206天，而距离洞口250米处的负温天数则骤减至155天。②从2月至4月，沿隧道纵向环境温度曲线大致呈倒V型，距离防寒泄水洞洞口300左右处温度最高。从洞口处到洞内环境温度最高处，最大月平均气温温差达7。C；5月份洞内温度最高断面距离洞口仍在300米左右，临近掌子面温度接255O50505O5032l10Ol 重庆交通大学硕士毕业论文近0℃。随着距隧道洞口距离的增加，温度的变化幅度逐渐减小；从6月至8月，防寒泄水洞中间段气温曲线呈现出比2、3、4月份幅度略小的V字型，洞口成为目前开挖段里面全长温度最高点：9月份温度曲线整体都已经处于8月份的下方，变化趋势和8月份几乎一致。③按照时间来划分，围岩温度变化曲线大致可分为三个区段：2012年8月初至2012年10月中旬，在此时间段内，外界大气日平均温度由最大值迅速降低，在9月底已经降到零度左右。围岩温度变化趋势相对滞后于洞外大气温度变化，在10月初才降低至零摄氏度；2012年10月下旬至2013年4月末，在这段时间内，隧道衬砌背后及围岩0．6m范围内温度低于零摄氏度；在最冷的2月份，围岩内1．5m深度处负温也持续较长时间。在K330+160(距洞口450米)处，围岩内温度已经处于零度以上，说明防寒泄水洞的设置长度应不小于450米；第三段为2013年4月末至2013年8月初，在此时间段围岩内温度由负到正，然后直至最高。各元件间的温度差保持在1～1．5℃。④在2012年11月至2013年5月之间，衬砌内的温度始终呈现喇叭型，从泄水洞洞口向中间，从12年7月至9月初期支护结构内的温度整体下降；从12年10月至次年4月，二衬内的温度随着距离泄水洞洞口距离的增加温度整体则趋于上升态势，泄水洞洞内呈现出“冬暖夏凉”现象@K329+710，K329+760、K329+810、K329+860、K329+960、K330+0601K330+160断面最大冻深值分别是3．5m、3．5m、2．93m、2．86m、2．68m和2．5lm。围岩内负温最大深度处和负温最大值处并不在同一断面上，其原因是防寒泄水洞尚处于施工阶段，整个排水系统尚未贯通，另外还存在施工的干扰。 第三章防寒泄水洞温度场数值模拟分析第三章防寒泄水洞温度场数值模拟分析在人类工程史上，地处高纬度的一些国家(加拿大、俄罗斯、挪威等)积累了一些冻土隧道的施工经验，但都是在相对较低的海拔地区开展的【291。对于高原低氧环境的冻土隧道工程，在极端寒冷和恶劣的自然条件下开展，在这之前都是没有先例。高原冻土隧道施工首先应解决的难题是在确保隧道结构安全及人员健康安全的前提下将施工对冻土环境的影响降到最低，即尽量减少对冻土围岩的扰动。这要求按照冻土隧道围岩温度场的规律组织施工生产。3．1运用微分方程研究防寒泄水洞围岩温度场3．1．1一般导热微分方程QJ岫图3-1直角坐标系中用于导热分析的微元体许多物理现象可以用微分方程来描述，描述导热现象的微分方程称为导热微分方程。有一物体，其比热c、密度P和导热系数九均为常数，该物体各向同性。在该物体内取一微元体ABCDA谬，c田7，微元体的各个边长分别为dX、dy、dz，如图3．1所示。观察dr时间内微元体内导入或导出的热量。由傅里叶定律可得在X方向从ABCD面导入微元体的热量表达式：鲰一A署西捌f(3．1)式中：2⋯一导热系数(W／m·℃)；27 重庆交通大学硕士毕业论文T⋯⋯一微元体内温度(℃)。在某一具体的时间点上由彳召，C曰面导入微元体的热量Q础，是在X至x+dx区间内连续可微的函数，按照泰勒定律，将该函数展开成泰勒级数，并将Q础用Q来表示，忽略三次以后的高阶项，取前两项作为近似，得：Q+?+警卅昙一一@2，A冬蛐df出时间段内，在X方向上该微元体内部热量变化为匀‘，71dO．=QI—Q+矗=五兰0每dxdydf(3．3)同理醺4Ndr时间内在Y和z方向上导入与导出该微元体的热量差妲。、媲。导入与导出该微元体的总热量差为dQ=dQx+dQv+dOg叫窘+窘+争出捌f@4’在df时间内该微元体的内能变化量为龃：肛娶蚴删f(3．5)该微元体内热源所产生的热量为Aw=qJxdydzdr(3．6)上式中q，为单位体积、单位时间该微元体产生的热量，单位为W／m3。根据能量守恒原理：微元体内能的增量=导入与导出微元体的热量差+微元体内热源产生的热量即：挈：互(窑+宴+娶)+盟(3．7)瓦2瓦‘百+矿+虿)+盖∞-’上式中T⋯⋯一温度(℃)；r⋯⋯⋯时间(h)；五⋯一导热系数(w／m·℃)；c⋯⋯一比热容(Kj／kg·℃)28 第三章防寒泄水洞温度场数值模拟分析P⋯⋯⋯一密度(kg／m3)物理意义可以解释为：热量的变化导致温度变化的函数关系式，右端是热量的变化量，左端是温度对时间的变化率。令口：三称为热扩散率，它主要表示物体的热扩散能力，又称导温系数，单位为pcm2／s。则导热微分方程变为：署刮窘+窘+可02T，．+茜㈦8，对于无热源的导热，吼=0，则竺：日(坚+坚+坚)(3．9)万2日(萨+萨+∥。3_y’3．1．2围岩导热控制微分方程在进行防寒泄水洞开挖过程时，夹杂着施工机械和照明设施等，毛洞内环境的气温度高于围岩温度，在温度梯度下，围岩温度将随着时间的推移逐渐升高【30J。随着时问的增加，洞内与围岩之问的温差越来越小，某一时刻达到平衡；施作初衬和二衬时，由于混凝土灌注过程中，水泥水化热的作用，放出大量的热，热量也向围岩传递，使得围岩温度升高。随着时间延长，混凝土水化热逐渐减少，围岩温度最终达到某一恒定温度。因此，从泄水洞开挖至贯通前整个施工过程，导热过程既与空间有关，又与时间有关，则导热过程属于有热源的非稳态导热。在防寒泄水洞从洞口到掌子面方向上的洞内气温和围岩温度变化均很小，在该方向上的热流密度近似为零，因此可以将围岩温度场近似看做非稳态温度场。则该问题的导热方程可简化为：塑：日(宴+娶)+生(3．10)at?瓠2却。joc3．1．3边界条件由于隧道有较大的埋深，根据铁道部第一设计院所测地层温度数值可知，当地层达到一定的深度时，地层温度基本保持不变。所以，计算隧道围岩温度场时，当时间t=-O时，毛洞阶段围岩的初始温度均为地层的原始温度；初衬阶段围岩的初始温度是对应于不同施工工况情况下相对应的毛洞阶段围岩各点的温度值；二衬阶段围岩的初始温度是对应于不同施工工况情况下相对应的初衬阶段围岩各点的温度值；毛洞、初衬及二衬阶段，洞内温度或水泥的水化热对隧道围岩温度的 重庆交通大学硕士毕业论文影响有一定的范围，超出这一范围的地温仍然保持原始地温不变，即在无穷远处，围岩温度为定值(原始地层温度)。则初始条件和边界条件可描述为：边界条件：工=．4-00T=to]Y=±∞T=tolr=o丁2fo—J初始条件：塑：塑：o一=一=IJf：0OxoyP五争=口(t。-ti)(3．11)(3．12)其中，t为岩体温度(℃)；to为原始岩体温度(℃)；t。为隧道围岩壁面温度(℃)；r，为隧道中空气温度(℃)；q为边界上任一点的热流密度(w／m2)。3．1．4围岩导热控制微分方程的差分解法对于具有复杂边界条件的非线性问题解析解的求解非常困难，一般的都是直接化繁为简，利用数值解法得到数值解。用差商代替微商而得到相应的差分方程，因导热方程对区域内各个点都成立，所以对任意一个内节点(i，i)也成立。式(3—10)对应节点(i，j)和时段n的微分方程可写成如下形式的差商方程：a2rZ：l，y-2T”“+丁”f-l，』1萨2——面广l蜜≈生二堡之±盟：!>(3．13)砂2(妙)2I⋯⋯一OT≈型二塑fOy(At)2／将上式代入一般隐式差分方程30 第三章防寒泄水洞温度场数值模拟分析上式中，0<蛭l为差分方程的权系数。3．2围岩温度场计算程序及计算参数在冻土隧道防寒泄水洞施工过程中，随着开挖、初期支护、二衬等工序的开展，洞内外热量和施工热源产生热量交换。与之相随，隧道围岩温度场也将相应地发生变化，而山体围岩温度场的变化打破了冻土地层原有的的热力学平衡，从而引起山体围岩热力学性能的改变。具体包含：其中包括地基承载力、融沉性以及冻土回冻过程中力学性能的变化【3¨。因此，用专门的工具分析在施工过程中防寒泄水洞和主洞体系围岩温度场的变化规律显得十分重要。为了分析防寒泄水洞的设置位置对泄水洞和主洞体系冻融圈的分布规律，采用了基于WindowsXP操作平台下的Ansysll．0有限元软件，分别进行了：主洞先行模式：防寒泄水洞先行模式的体系围岩温度场数值模拟分析。为了便于数值模拟，在计算过程当中做了如下的假定：①假定防寒泄水洞周围围岩层为均质、各向同性材料：②由于在施工过程中防寒泄水洞周围地层(泥粉质页岩夹板岩)的岩体温度变化幅度不大，因此，可以将材料的热力学参数(导热系数、比热、对流换热系数和密度等)视为常数。3．2．1热力学参数确定由于同标号的混凝土在温度变化时性能参数变化很小，混凝土的热力学参数参考经验值，见表3．1。表3．1热力学计算参数密度热传导系数比热对流换热系数材料／姆·腕。／w·(mo。C)。／U·(kg．。C)。／wo(rn2．。C一围岩1937．001．830．8612．23钢筋混凝土2500．001．740．96聚氨酯保温板44．560．02聚氨酯保温板热传导系数为0．0202w·(m·。C)～。保温层铺设在一次衬砌和二次衬砌之间，所以衬砌结构的导热系数为混凝土和聚氨酯材料的等效导热系数。等效导热系数的换算按公式．丑厶九=——I_二-^+如31(3．15) 重庆交通大学硕士毕业论文五——复合结构的等效导热系数^、丑——分别为两种材料的导热系数所以复合式衬砌保温结构的导热系数为^=：：；：；碧鬻=o0199732．2温度荷载确定为简化计算，并且保证不失一般性，计算中从洞口段沿径深方向一定范围内洞项覆土厚度线性增加，且在洞口段一定范围内，洞内气温和山体表面温度为一个恒定值；根据共玉公路姜路岭隧道所处的环境条件，天然冻土下限48—84m，低温月份(2月)多年冻土地表平均温度和洞内沿径深450米范围内气温月平均温度取一10412。C，选定冻土层厚度为50～85m。混凝土浇筑入模温度为5"C。323计算模型根据共玉公路姜路岭隧道隧址区的实际地貌情况，同时考虑到冻岩体的计算范围既要保证计算时间在可接受范围之内，又要保证计算结果对体系温度场反映的完整性，计算中冻土计算范围选为：垂直于隧道轴线方向上往外扩大5倍的主洞洞径，平行于隧道轴线方向上取从洞口往掌予面方向200m。本文采用8结点块体单元，在每个节点上只有一个温度自由度，防寒泄水洞和隧道围岩总共划分了182700个单元，隧道衬砌划分了8040个单元，防寒泄水洞衬砌划分了4620个单元，计算模型如下图2所示。隧道一次衬砌厚度030m，二次衬砌厚度O45m。聚氨酯保温板厚度005m。S芦是1r$。图3-2有限元计算模型 第三章防寒泄水洞温度场数值模拙分析3．3数值模拟计算及结果分析在施工过程中，围岩温度场的变化随防寒泄水洞水平问距、埋置深度、断面尺寸、环境温度及隔热保温措施的变化而发生变化。本文选取姜路岭隧道K331+710一K332+160段，施工工期为2012年4月一2013年3月，对该地质段在高温月份(7月)和低温月份(2月)，防寒泄水洞和主洞不同的施作顺纩飞画型蛭盥图3-3水平间距示意图序下．防寒泄水洞水平间距(如图33所示)从45米至0米，4．5米一个工况．围岩温度场进行了模拟计算。在上述假设条件下，主要计算分析了姜路岭隧道防寒泄水洞不同水平间距、不同的施工顺序下，凹个洞所在体系围岩温度场变化规律：距泄水洞周边不同距离位置上的点在防寒泄水_；|i4不同水-'F间距F的温度变化规律。31主洞先行模式①主洞衬砌结构和保温层已经施工完毕，防寒泄水洞处在毛洞状态。下面是低温月份(2月)，防寒泄水洞水平问距依次45、405、36、315、27、225、18、13．5、9、0米的温度场变化分布：为了更好的对比观察防寒泄水洞的合并过程，每一组图附上一张里程为k329+910断面处的正视图。M’一“口a)防搴泄水洞水平间距45m，一一|| 重庆交通大学硕士毕业论文泄水洞水平间距405m曲防寒泄水洞水平间距36m口嘲‘-j．，d)防寒泄水洞水平间距315m零j|，．。≤一◆_◆ 第三章防寒泄承洞温度场数值模拟分析口。_一墼防寒警洞水平闻距27⋯_．髓_瀚B瑚塑*龋毽氍§g耐e、口g)防寒泄水洞水平间距18『lI 重庆交通大学硕士毕业论文口h)防寒泄皇◆。：_戳：_溉J)防寒泄水洞水平间距‰图3_42月份温度分布图(a—j)从以上计算结果当中选取距洞口150米处断面(k329+860)上，主洞仰拱拱顶和防寒泄水洞拱项连线的中点(节点编号4682)作为特征节点(如图35)，绘制防寒泄水洞水平间距一温度值曲线图36，并作如一F分析： 第三章防寒泄水洞温度场数值模拟分析图3-5特征节点示意图图3-6主洞先行2月份特征节点处温度变化曲线对比在主洞先行模式和防寒泄水洞不同水平间距之下，2月份的的围岩温度分布云图发现，随着防寒泄水洞水平间距的变化，特征节点处的温度呈现规律性的变化，说明防寒泄水洞水平间距的变化对主洞围岩温度场有影响。在防寒泄水洞处在特征节点正下方时，特征节点(node4682)处温度最低，最低温度达到-10．12℃；随着距特征节点距离的增大，节点处温度基本呈等梯度升高，直至两洞水平问距为o，此时两洞合二为一，特征节点处的温度也达到了最大值一9．869。C。②高温月份(8月)：防寒泄水洞水平问距依次45、40．5、36、31．5、27、22．5、18、13．5、9、4．5、0米的温度场分布；37 重庆交通^学硕士毕业论文彰曩a1)防寒泄水洞水平间距45m◇。曩b1)防寒泄水洞水平间距40钿彰墨c1)防寒泄水洞水平间距36m 第三章防寒泄水洞温度场数值模拟分析◇曩d1)防寒泄水洞水平间距315m删国e1)防寒泄水洞水平间距27mf1)防寒泄水洞水平间距225m 垂庆交通大学硕士毕业论文平间距h1)防寒泄水洞水平间距135mⅢ¨|彰i曩舫寒泄水洞水平间距90『1．黑一。，j彰_$ 第三章防寒泄水洞温度场数值模拟分析多呈J1)肪寒泄水洞水平间距嘶图3-78月份温度分布图(a卜J1选取图3—5所示的特征节点，结合数值计算的结果，绘制防寒泄水洞水平间距一温度值曲线圈3—8，并作如下分析：图3-8王洞先行8月份特征节点处温度变化曲线X'i'I：L在二E洞先行模式和防寒泄水洞不同水平间距之下．8月份的的围岩温度分布云图发现，随着防寒泄水洞水平间距的变化，特征节点处的温度呈现规律性的变化，说明防寒泄水洞水jF间距的变化对主洞围岩温度场有影响。在防寒泄水洞处在特征节点正下方时，特征节点(node4682)处温度最高，最高温度达到12】5"C：随着距特征节点距离的增大，节点处温度基本呈等梯度降低，直至两洞水平间距为0，此时两洞合二为，特征节点处的温度也达到了最小值1l43"C。32防寒泄水洞先行模式①低温月份(2月)：防寒泄水洞水平间距依次45、405、36、3l5、27、 重庆交通大学硕士毕业论文225、18、135、9、45、0米的温度场分布：限于篇幅，只附上45米和O米两个工况下的温度分布云图：◆。墨a)防寒泄水洞水平间距45m●罩b)防寒泄水；日水平间距0图3-92月份温度分布图(a_b)选取图3-5所示的特征节点，结合数值计算的结果，绘制防寒泄水洞水平间距一温度值曲线图3—10，并作如下分析： 第三章防寒泄水洞温度场数值模拟分析窿iI．．．一ll篝引．—————一。面图3-10舫寒泄水涧先行2月份特征节点处温度变化曲线对比在防寒泄水洞先行模式和防寒泄水洞不同水平|1jJ距之下．2月份的的围岩温度分布云图发现，随着防寒泄水洞水、1z间距的变化，特征节点处的温度呈现胤律性的变化，说明防寒泄水洞水平间距的变化对主洞围岩温度场有影响。在防寒泄水洞处在特征节点正下方时，特征节点(node4682)处温度最低．蛙低温度达到一1000+C：随着距特征节点距离的增大．节点处温度基本呈等梯度爿高，直至两洞水平间距为0，此时两洞合二为一，特征节点处的温度也达到了最高值一986℃。②高温月份(8月)：防寒泄水洞水平间距依次45、405、36、3l5、27、225、18、13．5、9、45、0米的温度场分布：限于篇幅，只附上45米和0米两个工况下的温度分布云图：——一曩．9。‘0。≯ja1)防寒泄农洞水平间距45m 重庆交通大学硕士毕业论文一。一一Q一氍i垮和t“爿^班---。，。二二=二兰＆===一b1)防寒泄水洞水平间距嘶图3-118月份温度分布图(a卜J选取图3—5所示的特征结点．结合数值计算的结果，绘制防寒泄水洞水平间距一温度值曲线图3一12，并作如下分析：图3—12肪寒泄水洞先行8月份特征节点处温度变化曲线对比在防寒泄水洞先行模式和舫寒泄水洞不同水平间距之下，8月份的的围岩温度分布云图发现，随着防寒泄水洞水平间距的变化，特征节点处的温度呈现规律性的变化，说明防寒泄水洞水平间距的变化对主洞围岩温度场有影响。在防寒泄水洞处在特征节点正下方时，特征节点(node4682)处温度壤高，最高温度达到1230'C：随着距特征节点距离的增大，特征节点处温度基本呈等梯度降低，直至两洞水平间距为0，此时两洞合二为一，特征节点处的温度也达到了晟低值11．72℃。为了直观的反映在同一时间，防寒泄水洞在先后两种不同施工顺序下所选特 第三章防寒泄水洞温度场数值模拟分析征节点处温度的变化，提取不同施工模式下，不同水平间距时特征节点处的温度值，见表3．2和表3．3：表3．2不同施工模式下，不同水平间距时2月份特征节点处温度值水平间距4540．53631．52722．51813．590／m主洞先行一lO．12—10．1l-10．09-10．05—9．99—9．98—9．94—9．9l一9．89—9．86泄水洞先-10．00—9．98—9．96—9．95-9．94—9．93—9．9l一9．90一9．87—9．86行利用表3．2的数据绘制了2月份两种不同施作模式下特征节点处温度变化规律曲线，如图3-13所示：图3—132月份两种不I司施作模式Ii特征节点处温度变化曲线分析上图可以发现：①两条曲线并不完全重合，表明在防寒泄水洞不同的施作顺序之下，同一节处温度不同，表明防寒泄水洞的施作顺序对主洞围岩温度场有影响。②防寒泄水洞先行时，特征节点处的温度整体比主洞先行时要高，防寒泄水洞处在主洞正下方时(水平间距为45米)，两种不同施作顺序下的特征节点温度差达到了最大，最大值0．119。C；防寒泄水洞合并之后(水平间距为0)时，温差最小，最小值为0．009℃。③特征节点处的温度随着防寒泄水洞水平间距的减小，整体是升高的。45 重庆交通大学硕士毕业论文表3．2不同施工模式下，不同水平间距时8月份特征节点处温度值水平间距／m4540．53631．52722．51813．59O主洞先行12．1512．0412．0011．9711．8811．7911．7011．6111．5211．43泄水洞先行12．3012．2312．1712．1012．0411．9811．9111．8511．7811．72图3-148月份两种不同施作模式下特征节点处温度变化曲线分析上图可以发现：①两条曲线不完全重合，表明在防寒泄水洞不同的施作顺序之下，同一节点处温度不同，表明防寒泄水洞的施作顺序对主洞围岩温度场有影响。②防寒泄水洞先行时，特征节点处的温度整体比主洞先行时要高，但是变化幅度基本一致，两条曲线也大致呈平行状。③特征节点处的温度随着防寒泄水洞水平间距的减小，整体是降低的。46 第四章温度．重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析第四章温度一重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析4．1热应力有限元理论4．1．1热应力计算公式有限元法热应力分析过程，概括起来主要分为以下六步：①结构离散化：将要分析的结构按照某一条件分解成有限个单元体，这有限个单元体在公共结点处互相连接成一个大单元集合体，用它来代替原来完整结构。单元的划分方案、个数和类型等问题则按照实际结构和具体的计算要求确定‘321。②选择位移模式：首先要分析典型单元的特性。对单元中的位移分布做假设，将其作为已知量，这样以来单个单元体内的应力、应变和位移都可以用假设的节点位移来表示，即：沙)=IN№广，式中扩}是单元内任一点位移列阵，p}。为单元结点位移列阵，【Ⅳ】为形函数矩阵。③单元的力学特性分析：包括下面三部分内容，利用几何关系，导出用结点位移表示单元应变的关系式：枯}=陋弦r(4．1)式中，扛}——单元内任一点应变列阵；IBI——单元应变矩阵。利用物理关系，导出用结点位移表示单元应力的关系式：p)=[D】(忙}一Eo》+h}=【Dp忙)8一[D胝}+h)(4．2)式中，{盯}——单元内任意一点应力列阵；lDI——与单元材料有关的弹性矩阵；co}——单元初应变矩阵；{‰}——单元初应力列阵。单元体上节点力和节点位移之间的关系式利用虚功原理导出，即单元刚度方程：忸}8=医r舻}8，式中kr为单元刚度矩阵，其表达式为：怯)。=ff肛p】7陋蛔出(4．3)47 重庆交通大学硕士毕业论文④等效结点力计算：弹性体在离散之后，假定力是通过结点相互传递的。但在实际的连续结构体中，力实际是从各单元的接触边界实现传递的。因而，这种作用在单元上的各种力(体积力，集中力，还有初应力、初应变、单元边界上的表面力等)均需要通过等效转换，转化到结点上去，也就是将所有作用在单元上的力用等效结点力来代替。移置原则是虚功原理。⑤将所有单元的刚度方程集中起来构建出平衡方程。集合过程包括两方面的内容：一是单元刚度矩阵集合成结构刚度矩阵：二是将作用于各单元的等效结点列阵集合成总的荷载列阵。最终得到：k№)=泳}(4．4)⑥将边界条件带入，进行未知节点的位移求解并做单元分析：由物体的各个部分发生温度变化，在热变形作用下引发的线应变表示为：a(T—To)，式中瓦是初始温度值，T是弹性体内任一点瞬时温度值，口为材料的线膨胀系数。当物体各部分在不受任何约束时，物体由于温度变化就只能引起热变形而不存在应力。相反，当物体由于各部分处于受约束状态或者温度变化不均时，热变形的发生不能自由伸缩，在物体内会产生应力，称其为热应力。当弹性体的温度场{丁}已知时，弹性体内各个部分的热应力也就能够求得。物体在受热膨胀时只产生线应变，不会产生剪切应变。可以将此种由于热膨胀产生的应变作为物体的初应变。计算热应力时只需算出由热变形引起的初应变、初应变引起的等效结点热荷载e。和其它荷载加在一起即可求得热应力和综合应力。计算应力时应包括初应变项{er}--p】(p)一黏。}，其中k}是由于温度变化而引起的温度应变，对于三维问题‰}=a(T一：to)[1l0o]1(4．5)式中，口一材料热膨胀系数，1／'C；To一结构初始温度场：求解热应力问题的泛函表达式如下：乃(J)=朋陆‰物怡}一忙y陋k}一py杪慨一』py即江(4．6)R‘一F将求解域R进行有限元离散，其中防】≯}=伽}中不包括温度应变的有限元求解方程，不同之处是荷载列阵中包含有热应变引起的等效热荷载，即扫}=切，}+扫，}+{以。)(4．7) 第四章温度一重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析{p。。)=∑{成。}8=∑∑陋】r陋k)靠(4．8)式中，扫，j一体积荷载引起的荷载项；{p，}_一表面荷载引起的荷载项；{见。}-一温度应变引起的荷载项。前者增加了一项作为初应变项出现的温度荷载{以。)。4．1．2平面问题的等效结点热荷载含温度应变，即初应变项扛}=【D】(p}一Co})，在等效荷载中还需要添加热荷载，即式(4．8)中{p。。)项。对于平面问题，若将结构拆分成有限元三角形的集合，等扫柚)。=ZIp。。)8=俨r【D骷。扭曲(4．9)式中，k)——对于平面应力问题‰=aT[11o】T，对于平面应变问题‰}=(1+∥)口r[11O】T；阱“0，≥勺0。bm曼]㈤㈣h缸c，6，％kj[D】=可E1u∥101一“，)(4．11)可推得饥。}。2褊”。tq吒％]7胁(4．12)如果T的分布函数已知，上式中的积分就可利用数值积分求得。特别的，当T是X，Y的多项式时，积分表达式就很容易精确确定。当T为线形分布时，49 重庆交通大学硕士毕业论文ffTdxdy2三(正+弓+乙)△(4．13)式中，Z，t，乙分别是结点i，J，m处的温度。㈨。=等¨屯勺k叫7(4．⋯廿}=【Dp№卜鱼群【l，吖(4．15)平面应变问题公式当中，用—L代替∥，÷代替E，(1+／x)口代替口便1一Lt1一比ky=鬻”，¨阮叫7(4．16)”川坩一等⋯吖(4．⋯度改变引起的初应变‰)=口z’[11o】7考虑在内，原理同上，需要增加由于温度缸。舅={趁毫)=肛ID‰汹匆cr乩2，⋯渤c4瑚，上式中，陋，=f麓：爰：!]；起的其中平面应力问题的弹性矩阵为p】-』1-／．t=1∥∥101一“，)；温度变化弓 第四章温度．重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析应变为‰}=口r【11or，这样扫。。，；=={2：：；：)。==五F_量p’’[且，l’]tTdx砂。4．。9，=再EE“溉i,XJl砷蚴啊f『Ⅱ，Ⅳ』=言(1+氕)(1+77。)(f一刁。一厶)鲁77；+三(1一f2)(1+刁。)(1一爵)，77(4．2。)+委(1一碍：)(1+氛)(卜，7；)算式中，g-=鲁f，r／=rkr／(i_1，2，，8)热应力公式为p}：一[Dk—E．aT。"1lo】r(4．21)4．2冻土隧道温度场和应力场耦合中有关问题分析根据上述有限元数值模拟中的思路，可以对温度场和应力场耦合的有关问题进行分析，并对冻土隧道两场耦合问题进行了有限元数值模拟。在具体的数值模拟计算中会面临众多的问题，下面就多年冻土隧道防寒泄水洞温度场和应力场耦合数值模拟中遇到的有关问题进行具体的分析。4．2．1冻土本构模型的选取关于隧道工程数值分析方面，国内外目前已有不少用于隧道开挖与支护的有限元计算软件，从刚开始的线弹性理论逐步演变成为弹塑性理论133]。伴随着计算机技术的飞速发展，有限元数值分析软件已经广泛应用与涉及支护结构的流变问题和岩体材料的实际工程问题中，本文的主要研究方向是防寒泄水洞在开挖以后的工程结构体系的温度场和应力场耦合基本性状、非均匀温度场下冻土泄水洞的变形问题。弹塑性模型和非线性弹性模型都反映了土体的非线性应力．应变关系。通常在静力作用下，土的应力应变关系表现为非线性硬化型，通常用邓肯一张的E—U模型、拉德K—G模型和弹塑性模型来描述。而基于广义胡克定律上的邓肯．张(E．U模型)它又反映了土体变形的主要规律，在岩土工程界已被人们普遍认可并得到了广泛应用。51 重庆交通大学硕士毕业论文作为最早被提出适用于岩土工程材料的弹塑性本构模型之一，Drucker-Prager模型是基于考虑了静水压的广义Mises屈服准则或Tresca屈服准则而建立的。它最大的优点在于大大简化了静水压力对屈服强度的影响，计算简单，模型参数少，同时将岩土材料的扩容性和剪涨性也考虑在内，这样进一步拓宽了它的适用范围。4．2．2冻土力学参数随温度的变化围岩在经过冻结后其力学性能与冻结前相差很大，影响冻土力学性能的因素很多，但在这所有因素中对冻土隧道防寒泄水洞的开挖稳定性及变形最密切的是温度，要研究冻土隧道的变形规律，首先得确定其各个力学参数与温度的关系。①冻土的强度与温度的关系冻土的抗压强度比融土的抗压强度大很多。国外试验资料分析表明，冻土极限抗压强度，即使是在标准加载速度下也是极快的达到O．01MPa-O．1MPa。在加载速度相对较快的情况下，其抗压强度明显大于其抗拉强度，冻土的抗压强度与抗拉强度具有相似的规律，即强度随着温度的升高而降低，并与冻土的构造、组成成分和总含水量等有关。②冻土的弹性模量试验表明冻土的法向弹性模量E比未冻土大几十到几百倍(3"--一30MPa)，并且其值与冻土成分、含水量、负温及其外压力等因素有关，其中负温影响最大。4．2．3有限元温度一应力双场耦合方法简介有限元程序ANSYS的应用领域非常广，不仅涉及纯粹的热分析问题还能很好的解决热一电分析、热一应力分析、热一磁分析等耦合分析问题。一般情况下在彼此接触的两个或多个结构体、处在同一结构体的不同位置的部分之间具有不同的热膨胀系数，导致了在温度升高或者降低时彼此的膨胀或收缩程度不一致，从而产生了热应力。显而易见，热应力问题是由温度和应力两个量之间的综合作用，是典型的耦合问题。利用ANSYS可以从直接和间接两种不同的耦合方法实现。直接耦合法是指选择具有温度和位移自由度的耦合单元，经过求解之后同步得出结构应力分析和热分析的结果；间接偶合法则是通过两次计算，将第一次分析得到的结果作为第二次分析的荷载施加在结构上，经过计算实现双场耦合。通常情况下，直接耦合法求热应力适用于瞬态热传导来求解结构温度场；而间接偶合法求热应力适用于稳态热传导来求解结构温度场。52 第四章温度一重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析4．3有限元计算参数及模型4．3．1基本设计参数姜路岭隧道全长2929米，是214国道灾后重建项目中的控制性工程之一，位于青海省海南州兴海县境内，隧道的纵断面见下图：图4-1防寒泄水洞段纵断面图姜路岭隧道防寒泄水洞的设计断面尺寸如图4．2、4．3。本文所采用的计算长度为从洞口段往大桩号方向150米。衬砌结构采用45cm厚度的C45钢筋混凝土，采用Q22砂浆锚杆L=2．Om，0．6m×O．9m(环×纵)，梅花型布置。保温材料选择5cm厚的聚氨酯保温板。悼一堂一—o划图4-2V级围岩永久冻土段防寒泄水洞衬砌断面53雌％M％强垮％％％拈惦％琵％弱撼聒甜驰“¨¨柏钙昭钙∞铊铊皑铊蛇 重庆交通大学硕士毕业论文不：中22砂浆锚杆，L-2．O丑，。：60×80∞L塾4———』坠———划图4-3VI级围岩永久冻土段防寒泄水洞衬砌断面根据地质勘查成果报告并结合工程试验，计算所采用的设计参数如表4．1所表4．1防寒泄水洞支护参数表支护初支／长度单位：mill二衬／长度单位：参数mm拱架钢筋网片锚杆喷砼拱墙仰拱ⅥIlOa@80006@200×200巾22砂浆锚杆，C25500L=2000@600×800(环车厚200纵)VIlOa@900中6@200×200m22砂浆锚杆，C25450L=2000@600×900(环术厚150纵)IVaIloafS950中6@200×200m22砂浆锚杆，C25450L=2000@600×950(环球厚150纵)IVbIlOa@950①6@200×200①22砂浆锚杆，C20400L=2000@600×950(环木厚150纵)4．3．2计算模型姜路岭隧道防寒泄水洞的围岩稳定评估是基于新奥法理论，将围岩和支护体系看做整体，共同受力变形，采用有限元和传热学理论，对防寒泄水洞和主洞体54 第四章温度-重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析系进行三维温度场和应力场耦合计算．并按连续介质力学原理计算围岩与支护结构，模拟宴际施工过程中围岩耦合场综合应力的变化规律p⋯。①弹塑性有限元模型1)基本假定：a、假定防寒泄水洞周围围岩的变形是各向同性的：b、计算模型取为弹性，认为岩体及衬砌的受力和变形在弹性范围内变化；c、为简化计算，并且保证不失一般性，计算中从洞口段沿径深方向一定范围内洞顶覆土厚度线性增加：d、假定在洞口段一定范围内，洞内气温和山体地表温度为一个恒定值；e、岩体的初始应力场仅考虑其自重应力，不考虑构造应力：2)计算范围计算范围的大小对弹塑性分析的结果又较大影响，通过试算．本次选定计算范围如图4．4(a)所示：【bJ图4-4有限元计算模型考虑圣维南原理，本模型是为了分析温度和重力耦合作用下的应力变化。计算范围选为：垂直于隧道轴线方向：左、右、上方往外扩大5倍的主洞洞径，防寒泄水洞下方往下扩大一倍的泄水洞洞径，平行于隧道轴线方向上取从洞口往掌予面方向200m。模型段桩号：K33I+710．K331+910段。防寒泄水洞内径：l8米：防寒泄水洞高度：l8米；3)有限元网格：本文采用8结点块体单元，在每个节点上只有一个温度自由度，防寒泄水洞和隧道围岩总共划分了182700个单元，胜道衬砌划分了8040个型∽ 重庆交通大学硕士毕业论文单元，防寒泄水洞衬砌划分了4620个单元。433计算参数围岩力学参数是在试验的基础上，参照《铁路隧道设计规范》和《公路隧道设计规范》进行工程取值(同时参照《地铁设计规范》、《公路隧道设计规范》、《铁路隧道设计规范》等)，进行工程类比取值，但凡经过锚杆加固后的地层则按照该范围内的围岩力学指标作相应放大I”I。计算参数见表4．2表42围岩力学参数指标准密度热传导系数比热对流换热系数材料}k争精／W·fⅢ·。C]／w·fm2·。C、’线膨胀系数|Ⅵ·崤cr围岩1830861e一5钢筋混凝土聚氨酯保温板屈服条件：德鲁克一普拉格(Drueker--Prager)：约束条件：两侧边施加x方向约束，底边施加Y方向约束；本构模型：弹塑性：温度荷裁：2月份：山体表面一10412'C、主洞内．9187"C、防寒泄水洞内一7O*C；8月份：山体表面12300*(2、主洞内8147"C、防寒泄水洞内7948℃；重力加速度取g=98：4．4数值模拟计算及结果分析44．1主洞先行模式①低温月份(2月)：防寒泄水洞水平间距(如图33所示)依次45、40、35、30、25、20、15、10、5、0米的应力场分布：，jji。M“，‘⋯瑚薯=’嚣’_=：_r：’墨?’攀’_》⋯掣’水平间距45米 第删章温度．重力耦台场及开挖稳定性的有限尤分析曩·’尊’’-贯=_1．’赏⋯—。_水平间距30米 重庆交通大学硕士毕业论文Z烹强嚣。L_—。?’c。．：●’嚣’气_鼍，’水平间距15米 第四章温度．重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析水平间距10米水平间距0米图4-5等效应力云图从以上计算结果当中选取距洞口150米处断面上的三个特征节点，如图4．6所示，拱顶(node856)、左边墙(node488)、右边墙(nodel664)，绘制等效应力(SEQV)-防寒泄水洞水平间距(di叱honzon协1)曲线，并作如下分析：图4-6特征节点示意图(k329+860)59 重庆变通大学硕士毕业论文图4—7特征节点处温度一重力耦台等效应力曲线(k329+860)结果分析：在拱顶位置，随着防寒泄水洞水平间距的减小，等效应力由821Mpa开始缓慢增大，在225米处达到最大值97Mpa；之后开始减小，在台并之后拱项的耦合等效应力减小至最小值705Mpa：左右边墙处，等效应力值受防寒泄水洞水平间距变化的影响很小；最大值出现在间距225米左边墙处，为158Mpa，最小值出现在间距9米右边墙处，为038Mpa；等效应力伴随着两洞水平间距发生变化，究其原因主要是由于在主洞先开挖之后，山体原岩经过一次扰动，接着再开挖防寒泄水洞，围岩经过两次扰动后产生较为明显的偏压作用。在防寒泄水洞洞顶与主洞仰拱拱项连线与水平夹角大致呈5l度处(即两洞水平间距为225米)，偏压作用表现的最明显．防寒泄水洞拱项位置处的温度一重力耦合等效应力也呈现出最大值。在水平间距小于225米之后，偏压作用消退的很快，直至两洞台二为一．祸合等效应力达到最小值。以上计算结果表明：防寒泄水洞的合并能够有效地降低泄水洞拱顶处的温度一重力耦合等效应力，反映到实际的施工过程当中就是能够最大限度的减小防寒泄水洞开挖后围岩的拱顶下沉和周边收敛速率，减小毛洞的预留变形量，为后续的衬砌跟进保证充足的时间。 第四章温度．重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析②高温月份(8月)：防寒泄水洞水平间距依次45、40、35、30、25、20、5、lO、5、0米的应力场分布，限于篇幅过长，只附上最大和最小两种极端工况’。。。‘’——‘_■‘——_—越。_?。’。。}土山?呵‘——7F‘。_、。-’水平间距45米水平间距0米图4-8等效应力云图选取的特征节点同图4-6，绘制等效应力一不同水平间距曲线，并作如下分析 重庆交通大学硕士毕业论文～1”IO00点600苦400器200图4-9特征结点处温度一重力耦台等效应力曲线(k329+860)结果分析：在拱顶位置，随着防寒泄水洞水平间距的减小．等效应力由858Mpa开始缓慢增大，在225米处达到吊大值1021Mpa；之后开始减小，在合并之后拱顶的耦合等效应力减小至最小值748Mpa。左右边墙处，等效应力值受防寒泄水洞水平间距变化的影响很小：最大值出现在间距225米左边墙处，为178Mpa，晟小值}}{现在间距9米右边端处，为057Mpa。42防寒泄水洞先行①低温月份(2月)：防寒泄水洞水平间距依次45、40、35、30、25、20、15、10、5、0米的应力场分布，限于篇幅过妊，只附上最大和最小两种极端工况：曩'’—鼍●-霄，水平间距45米 第四章温度．重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析水平间距0米图4-10等效应力云图选取的特征节点同圈4-6，绘制等效应力．不同水平间距曲线，并作如下分析．ode856lO001。node4。88，：．0000{一——————————————一一i0。12600{o500{吕4001葛300I：00{100{—．—．，—————．．．=j__========-_=E=，___-．．．—．．．．．．——————．．．—．．．———————一000}—————T——————r—————]———T——————r—————T——————r—————1——————r———～05101520253035{04ss0disthorizontal(m)图4-11特征结点处温度一重力耦台等效应力曲线(k329+860)结果分析：在拱顶位置，随着防寒泄水洞水平间距的减小。等效应力由866Mpa开始缓慢增大，在18．5米处达到蛀大值919Mpa；之后开始减小．在合并之后拱顶的耦合等效应力减小至展小值798Mpa；左右边墙处，等效应力值几乎不受防寒泄水洞水平间距变化的影响；左边墙处最大值出现在间距13．5米左边墙处，为083Mpa，最小值出现在间距315米右边墙处，为O49Mpa：右边墙处最大值出现在间距13．5米左边墙处，为067Mpa，最小值出现在间距最小处．为048Mpa；在防寒泄水洞先行模式下，由于山体原岩未经过先期的扰动，偏压作用已经 重庆交通大学硕士毕业论文几乎不存在，防寒泄水洞拱顶位置的耦合等效应力伴随着水平距离的变化产生微小的波动，左右边墙处几乎不受此影响。以上计算结果表明：在防寒泄水洞先开挖模式下，合并设置虽然不能有效的减小边墙位置处衬砌结构的应力，但是在泄水洞衬砌结构拱顶位置处的温度-重力耦合等效应力相比分离设置还是减小了O68Mpa。合并设置方案使得支护结构受力更小，提高耐久性，进而增加排水系统的使用寿命。②高温月份(8月)：防寒泄水洞水平间距依次45、40、35、30、25、20、l5、10、5、0米的应力场分布，限于篇幅过长，只附上最大和最小两种极端工况：r]-=●簟篡’：■_水平间距45米|!．=譬声⋯'7崞，’烹·⋯学1L__。。7警⋯水平间距。米圈4_12等效应力云图选取的特征节点同图4-6，绘制等效应力一不同水平间距曲线，并作如下分析 第四章温度一重力耦合场及开挖稳定性的有限元分析～⋯8H1000——————————————————一～⋯166—8031呈6001苦400j”200L————————========：，————_—————————————————一000一——————一——⋯⋯一disthoriz“1tal(m)图413特征结点处温度一重力耦台等效应力曲线(k329+860)结果分析：在拱项位置，随着防寒泄水洞水平间距的减小，等效应力由lI11Mpa开始缓慢增大，在18．5米处达到最大值1141Mpa；之后开始减小，在合并之后拱顶的耦合等效应力减小至最小值1003Mpa：左右边墙处，等效应力值几乎ai受防寒泄水洞水平间距变化的影响；左边墙处最大值出现在间距27米左边墙处．为I93Mpa，最小值出现在间距5米处，为141Mpa；右边墙处最大值出现在间距27米左边墙处，为l80Mpa，是小值出现在问距9米处，为l18Mpa： 第五章姜路岭隧道防寒泄水洞的防寒保温技术研究寒区隧道产生冻害的罪魁是低温和水。改善隧道防排水系统的热环境入手。目前，主要方法有加热措施和保温隔热措施【361。为避免寒区隧道冻害的发生，可以从国内外改善隧道防排水系统热环境的5．1一般寒区隧道的防排水系统保温措施5．1．1保温隔热措施保温隔热措施属于被动保温方式。在不加隔热保温材料时，冷空气、衬砌和围岩之间的热传导系数较大，隔热保温层能有效的阻断冷空气、衬砌和围岩之间的热传递路径。在多年冻土地区采用保温隔热层最大的好处是：保温隔热层在暖季能阻断热量向向衬砌背后扩散的渠道，使防寒泄水洞周边冻岩保持冻结状态，能有效的减弱冻融循环作用，防止衬砌背后出现空腔，减轻自由水冻胀的可能性。保温隔热的主要方法有：①铺设保温隔热材料根据传热学原理，当导热系数区域零，彼此之间就不存在热量传递。保温隔热措施的施作正是这一原理的应用。当前常规做法是选择导热系数很小的材料，如：聚苯乙烯、聚氨酯泡沫、干法硅酸铝纤维、聚酚醛泡沫等。这些材料有很多的优点：厚度小、容易加工、导热系数低、不容易燃烧、吸水率低等。保温层可以采取以下几种形式：1)中间隔热层法(昆仑山隧道)双侧保温水沟2)外隔热层法(大坂山隧道)防寒泄水洞3)双隔热层法(日本部分隧道)4)离壁式隔热层法(挪威隧道)如果兼顾结构的安全性和耐久性，最理想的敷设方式应当是将隔热层直接敷设在衬砌混凝土表面。②采用空气幕技术和寒区隧道类似，寒区隧道的防寒泄水洞同样需要采取综合保温措施，才能取得良好的保温效果。空气是热的不良导体，在高寒地区的公路隧道防寒泄水洞出水口设置空气幕，能够减少外界冷空气和泄水洞内部热能的交换，使洞内温度维持在较高的状态。低温月份在多年冻土地区防寒泄水洞内保持相对较高的洞内温度，对保证主洞排水系统的畅通和减轻衬砌结构冻害具有非常重要的意义。作为隧道辅助保温措施之一，防寒泄水洞也可以借鉴正洞在这方面的成功经验，利67 重庆交通大学硕士毕业论文用空气幕技术，在出水口处形成一道“防寒保温门”，与保温出水口相辅相成，保证泄水洞内部永不冻结。目前在己建寒区隧道防寒泄水洞洞口，尚无利用空气幕的先例，但在实际中空气幕技术己经广泛应用：车站、超市、宾馆、医院、工业厂房大门等门口。冷库大门等建筑设施经常开启的大门之处，在矿山中也大量的应用实例，因此，空气幕技术在寒区隧道工程存在实际应用的可行性，可以考虑结合其他防寒措施使用。例如，结合地热发电措施。地热发电的原理和火力发电是一样的，都是将内能转换为机械能，然后再将机械能转换成电能。不同之处只是地热发电不需消耗燃料，也不需要装备庞大的锅炉，它所用的能源就是地热能。5．1．2搭设防雪棚洞姜路岭隧道海拔高、气候变化异常，特别是冬季很容易积雪，为了防止隧道洞口风吹雪，隧道进口各设置44．8米防雪棚洞，防雪棚洞地基采用现浇钢筋混凝土结构，上部采用玻璃钢板材。玻璃钢板材具有透光性好、对自然光有反射、透射和吸收能力；轻质、耐久、柔韧、厚度小；难燃、自洁性好；玻璃钢板抗压强度三0．3千牛／平米。5．1．3加热措施加热法的原理是人工方式适时适量的向隧道围岩补充供给热量，让围岩内部的冻结圈维持在一个可以接受的动态平衡状态下，避免温度过低形成新的冻结圈的趋势，属于主动保温方式。在向围岩主洞供热时必须严格控制供给量，不能打破原有的冻融动态平衡，否则会引起原有的冻结层的融化。就地取材，创新性的开发和利用当地的廉价能源如水能、风能和太阳能作为热源。主动保温方式，已经逐渐成为寒区隧道冻害防治研究的新方向。①供暖加热前苏联对供暖加热防治隧道冻害的方式运用较多。前苏联水电资源丰富，提出了隧道加热运行冻结法预案，在隧道内设置电热水器，及时的补充隧道内损失的热量。挪威首次尝试在隧道的拱角设置电缆槽，内置加热电缆，这样防止边沟冻结。在地热资源丰富的地区如青海、西藏等，可以尝试利用地热供暖，主要是利用蒸汽水或地热水对隧道进行加热。结合我国目前的国情，采用电加热对寒区隧道供暖在在经济上不可行，政策上不允许。②设置太阳能遮光棚在强烈的阳光下，可以设置太阳能遮光棚，通过对太阳辐射的吸收增加周围空气的温度，热空气通过车辆带入洞内，使得洞内温度升高；夜间温度下降，关68 第五章姜路岭隧道防寒泄水洞的防寒保温技术研究上门来防止冷空气进入隧道，隧道内环境气温保持在常温状态。该方法的优点是可以有效的利用廉价太阳能，使隧道的运营费用省，节约电力资源，适合于我国新疆、西藏等日照强烈的内陆省份。5．1．4国内进行过现场抗防冻科研的寒区隧道统计随着国家对基础设施领域的大力发展，在自然条件恶劣的高寒地区开展的隧道工程越来越多，为了高质量的用好国家投入的每一笔资金投入，避免先修建后病害的路子，必须再在设计阶段就必须有专门的防寒保温专项研究。而如何进行经济有效的保温设计，是寒区隧道工程中面临的一个富有挑战性的课题。为此，国内的研究人员从上世纪90年代末就开始了一系列的现场试验研究，得出了一些有意义的结论，现将这些隧道及其科研内容整理成简表，如表5．1所示。表5．1国内已经开展的寒区隧道试验统计表名工程概况实验内容保温措施称达达坂山隧道位于西宁一张对聚氨酯泡沫、PEF45倍泡采用了硬质聚氨酯泡沫坂掖公路大通河以南，海拔沫材料、FBT保温涂料等4+干法硅铝纤维板+玻璃山3792．75m，全长l530m，种材料进行了各约10m的钢的方案；隧年平均气温．3．1℃，极端现采用了防寒泄水洞的排道最低气温．34℃。场试验施工：对保温隔热材水措施。料防火阻燃性能进行了测试，并对部分选定材料进行了物理指标及热学参数测试；进行了防冻保温层现场试验及效果测试。鹧位于四川省阿坝州境内，为通过现场采样，室内试验的主洞选用了4cm厚的聚鸪双车道双向行车公路隧道，方式，得出了围岩的岩石力酚醛泡沫材料作为保温山全长4420m，隧址区平均海学和热力学基础参数：隔热层，进口设防长隧拔3350m以上，最大冻深进行了保温隔热层抗防冻度570m，出口设防长度道1．0lin。效500m；采用平导压入分段纵向式营果现场确认性试验，在出口洞口段辅以深埋防寒水沟。运及救灾通风，隧道进出口端，根据所用材料、厚度、69 重庆交通大学硕士毕业论文没有形成贯通后的空气对外保层的不同，设计了6流。个试验段，每个试验段长度30m，在每一试验段保温材料背后都安装了横向，径向，纵向的电阻式温度计，测试温度。青位于青海平阿高速公路，该通过现场实测，确定了隧道采用保温隔热层，洞口沙隧道全长3340米，平均海拔围岩内温度场的分布。段设防长度采用1000m。山在3000米以上，最大冻深隧1．48m。道梯秦青公路梯子岭隧道位于青进行了防冻保温层效果现在现有隧道衬砌表面铺子龙县祖山镇牛心山村南，上场测试。设防排水板和透水管，岭弯子村东，所属工程为秦青洞内两侧排水沟采用防隧公路石门寨至牛心山改建冻保温水沟，形成新的道段。全长1142．72m，纵防冻排水系统：在防水坡为4．1％的直线隧道。板表面铺设防冻隔温层：重新立模浇筑混凝土。昆青藏铁路昆仑山隧道海拔通过现场实测，确定了隧道1．昆仑山隧道结合其支仑4600～4700m，处于高原腹围岩内温度场的分布；通过护形式，在支护与模筑山地，具有独特的冰缘干寒气室内试验，确定岩石的热衬砌之间设5cm厚的隧候特征，且随海拔增高而有物理参数：隔热保温层。道明显的气候垂直分布带性。衬砌保温隔热技术及工艺2．防排水设计以堵为根据西大滩临时观测资料试主，结合隔热保温及低(1978年初测资料)，昆仑验研究：温注浆堵水措施，使围山隧道所在地区年平均气进行了昆仑山隧道防排水岩当中水处于冻结状温-3．6℃，极端最高气温效态。在隔热层外侧全断23．7℃，极端最低气温果检测研究。面设防水板，环向结合．27．7℃。施工缝位置设盲沟，在墙脚纵向设(p1OOmmPVC70 第五章姜路岭隧道防寒泄水洞的防寒保温技术研究盲沟，与洞内双侧保温水沟连通。变形缝和施工缝设止水条或止水带。风风火山隧道位于青藏高原腹衬砌保温隔热技术及工艺保温复合结构的“无钉火地，可可西里“无人区”边试验研究；法铺设”施工新工艺；山缘，界于昆仑山与唐古拉山通过现场实测，确定了隧道首次采用“防水板+隔隧之间，全长1338米，进口轨围岩内温度场的分布；热层+防水保护层”的道面海拔4905米，是目前世通过室内试验，确定岩石的防水、保温结构形式，界上海拔最高的铁路隧道。热物理参数。沿隧道全长全断面铺隧道所处风火山垭口高寒缺设，形成隧道二次衬砌氧、气温低、昼夜温差大。完全和地层隔离。平均海拔4900米左右，年均气温零下7。C，寒季最低气温达．41℃。5．2姜路岭隧道防寒泄水洞的保温设计5．2．1依托工程保温材料的前期调研隧道工程安全运营的重点要做好是防寒保温，如果没有解决好该问题，在运营后期会接连出现一系列的病害症状：衬砌开裂、酥碎、剥落、衬砌挂冰、隧底冒水积冰、洞门开裂等。严重影响行车安全，缩短隧道使用寿命，给养护与管理增加了难度【37】。因此寒区隧道宜设置保温措施，从而有效保护隧道结构不受冻胀而产生破坏。因此，在隧道设计上，两个设计单位对共玉公路隧道的防寒保温方面都采取了相应的措施。其中河卡山隧道、鄂拉山隧道、姜路岭隧道设计在隧道衬砌表面采用聚酚醛保温材料(福利凯隧道保温系统)，雁口山隧道和通天河隧道设计在隧道衬砌表面采用聚氨酯保温材料，设计文件上对两种材料都提出了参数指标，但差别较大，没有形成一个统一的标准。保温材料按材质可分为三大类：无机绝热材料(如膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、泡沫石棉、微孔硅酸钙等)，金属绝热材料和有机绝热材料(聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、泡沫塑料、福利凯．FLOLICFOAM、聚乙烯等)。目前隧道上常用的保温材料是聚酚醛和聚氨酯材料，而这些材料的保温性能还与其配比、生产工艺、旌工工艺都有密切的关系。7l 重庆交通大学硕士毕业论文由于本工程气候条件特殊，保温材料用量犬，为保证保温效果和质量，为本工程及青海省其它高寒隧道乃至全国范围内的高寒隧道的保温材料选择提供参考，指挥部决定对保温材料开展全面调研工作。2012年1月至3月，指挥部技术部及重庆交科院技术服务组经过初步必选之后根据比选结果，2012年3月16日组织邀请省内外专家、中铁西北科学研究院有限公司、设计、监理、施工等单位的相关技术人员，对调研结果进行咨询论证。照终确定：多年冻土段一次模注与二衬之前维持原设计，采用聚氯酯保温板：原则推荐二衬表面的保温材料采用F13一lPU硬质泡沫塑料保温板p”。52．2实地考察取样2012年4月，指挥部组织对厂家现场实地考察并取样。考察组有两人组成，分别是指挥部技术部副部长王宇顺工程师和重庆交科院隧道技术服务项目负责人胡居义博士。考察组在青共玉路建指[2叭1)66号文件准入厂家及专家咨询意见的基础上，通过网上查询、电话咨询以及再单位推荐介绍等方式最终确定了洛同{楚瑜建材制造有限公司作为考察对象。现场考察后，在厂房进行随即抽样，带回指挥部。现场考察照片如下图5一l。a现场询问b机器人生产聚氨酪 第五章姜蹄岭髓道防寒泄水洞的防寒保温技术研究c连续机械化生产聚氪醋d随即抽取样品图5-f现场考累5．23样品检测及检测结果实地考察完后，考察组对样品委托中科院寒早所冻土工程国家重点实验室进行检测。检测的内容主要有：表观密度、JE温和负温下的导热系数、吸水率和压缩强度。检测结果如下表所示。表52保温材车斗检测结果汇总表导热系数产品产品名表观密度吸水率压缩强度生产厂家W／(mKl编号称k∥m’％洛阳楚瑜建材制聚氨酯00187造有限公司检测结果表明：①聚氨酯的导热系数比较小，正温下的导热系统基本在002W／(mK)以下，吸水率基本在2．5％以下。②聚酚醛的导热系数基本在0025W／(mK1左右，和聚氨酯基本接近，但吸水率总体比聚氮酯稍大。@在防火方面，聚氯酯防火性能比聚酚醛要差。524结论及建议根据上述调研结果，从性能上考虑，只要配方合理、生产工艺合理，聚氯酯和聚酚醛材料都是具有较好的保温效果的。 重庆交通大学硕士毕业论文为确保共玉高速公路隧道的保温效果和保温质量，结合检测结果，建议对共玉高速公路隧道衬砌表面保温材料的性能指标作如下规定：表5．3保温材料的性髓指标项目名称单位技术性能厚度mm45使用温度范围℃一195～325热传导系数GB／T10294—1988矿／m·KO．026～0．033吸水率GB／T8810一2005％≤7燃烧性能GB／T8624—1997难燃Bl烟密度等级(SDR)6B／T8624—1997％≤5垂直燃烧性能燃烧高度姗≤250GB／T8624—1997燃烧时间S≤30氧指数GB／T8624—1997％≥50表5．4硬质聚氨酯保温材料主要技术参数项目名称技术参数规格1300mmx600mm×50mm厚度5cm表观密度>40kg／m3导热系数9．027w／m·k抗压强度E100Kpa体积吸水率<3％根据上述性能指标，最终许可洛阳楚瑜建材制造有限公司入厂。同时也提出了几点建议：①施工单位在选择厂家后，建议和厂家直接签订合同，由厂家直接供货，禁止通过各级代理商签订合同和供货，确保保温材料质量。②施工单位在选择厂家后，每批保温材料到场后使用前均应采用随即抽样的方式进行材料性能检测，由专门的检测机构出示检测报告，检测指标达到规定后才能使用，达不到上述指标的严禁使用。③在性能达到要求后，保温材料的施工也影响隧道的保温效果。建议由生产74 第五章姜路岭隧道防寒泄水洞的防寒保温技术研究材料的厂家指派专业施工队伍进行施工，如条件不具备，应要求厂家具有长期驻守旌工现场的技术人员进行指导和质量把关，确保施工质量和保温效果，这样可以明确责任。因此，在选择厂家时，应充分考虑其是否具备大规模保温材料施工的能力和技术力量。5．3冻融循环作用下保温材料的性能冻融及绝缘材料的稳定性能的测试，是为了模拟在冻融循环作用后实际使用的保温材料的基本性能指标的变化情况。对本次试验的2种保温材料：PU聚氨酯硬质泡沫板、聚酚醛(福利凯)保温板分别进行了5、15、25次冻融循环后，再次测试其在相同条件下，其内部温度梯度情况，与未经反复冻融时的情况对比，得出反复冻融后5、15、25次以上2种保温材料的导热性能。首先对未经反复冻融的Pu聚氨酯硬质泡沫板、聚酚醛(福利凯)保温板上表面施加温度荷载，测出其下表面的温度T：再分别对进行了5、15、25次的冻融循环后的PU聚氨酯硬质泡沫板、聚酚醛(福利凯)保温板上表面施加相同的温度荷载，测量其在相同温度荷载条件下，下表面的温度T；；对比T；得出经过反复冻融5、15、25次后Pu聚氨酯硬质泡沫板、聚酚醛(福利凯)保温板2种保温材料的保温性能。控制上表面温度保持相同的温度条件，测得下表面温度值，若温度值升高则说明由于反复冻融使得保温材料的导热系数下降，保温效果提高，反之则导热系数升高，保温效果降低。测试结果见表5．5：表5．5保温材料稳定性试验测试结果材料类型循环次数上表面温度(℃)下表面温度(℃)一12．1—2．3PU聚氨酯硬5．11．3．2．1质泡沫板15．10．2．2．225．10．8—1．9．10．8．2，1．13．3一1．4聚酚醛(福利凯)5．12．7一1．1保温板15．12．3．1．525一12．7．1，4．12．6．1．375 重庆交墒大学硕士毕业论文试验结果表明，保温材料的冻融循环导热系数表现出一定的波动性，随冻融循环略有下降趋势。这种结果可能因为保温材料内部结构性质在反复冻融后的改变或因为受试验本身测量仪器和计算方法的精度所限，但抛开误差等因素的影响．冻融循环后保温材料的保温性能不仅没有丧失，而且总体变化对隧道保温是有益的。所以在寒区隧道保温层计算分析时应用的保温材料导热系数取未经反复冻融值(即出厂值)是安全的㈣。5．4保温材料保温效果分析我国高寒区隧道工程防冻害主要从应用隔热保温技术、加强防排水及优化衬砌结构等方面出发，多方面综合治理。那么，保温层的保温效果究竟如何为了对其有一个定性的认识，下面对保温层的保温效果进行分析：(a)主洞施加保温材料、泄水洞未保温(b)主洞和泄水洞施加保温材料。≯________o—=—=：i--●__L———————-：‘t』_一(c)王洞未施加保温、泄水洞施加保温材料固5-22月份围岩温度场哆。：譬一 第五章姜路岭隧道防寒泄水涧的防寒保湖技术研究一_妒醚(d)主洞施加保温材料、泄水洞未施加(e)主洞和泄水洞施加保温材料一I÷9：。一(f)主洞未施加保温材料、泄水洞施加保温材料图5-38月份围岩温度场图52(a)一(c)分别是：主洞一次衬砌和二次衬砌之问施加50ram厚聚氨酯保温材料、泄水洞来保温；主洞和泄水洞一次衬砌和二次衬砌之问施加50mm厚聚氯酯保温材料：-：洞未施加保温、泄水洞一次衬砌和二次衬砌之间施加50mm厚聚鲺酯保温材料(注：隧道仰拱和防寒泄水洞铺地位置出于受力考虑，三种工况均未施作保温层)，主洞尚未贯通前，2月份的围岩温度场分布情况：图5-3(d)-(O为8月份的温度场分布情况。从两图可以清楚的看到，保温层对阻止其背后的混凝土衬砌和围岩温度受洞内环境温度的影响发挥了巨大作用。另外，从图5-2(a)可以看到，防寒泄水洞不施作保温层工况下，衬砌内会出现负温的不利情况，在一衬和二衬之间施作50ram厚的聚氨酯保温层后，保温层背后的次衬砌和围岩温度虽然比(a)图有了明显的升高，但是仍然低于O'C．这就意味着一次衬砌和二次衬 重庆交通大学硕士毕业论文砌之间施作50mm厚的聚氨酯保温层尚不能满足目前的保温要求，应当及时变更设计，并采取补救措施，加大保温参数。图5．4给出了加与不加保温层两种工况下，防寒泄水洞一次衬砌表面温度从2012年7月15臼至2013年7月15日期间的变化情况，它更直观的展现了保温层在防寒保温中的巨大作用。o、o、矬，《；事；10O一10一5005010015020o_250300350400天数图5-4防寒泄水洞～次衬砌表面温度随时间变化5．4．1不同类型的保温材料对冻融圈变化规律的影响现在市场上供应的保温材料品种有很多，影响其保温效果的一个重要方面是不同材料具有不同的导热系数。下面仅从保温材料的导热系数的差异性来分析其对隧道冻融圈的影响。考虑到目前寒区隧道采用的保温材料的导热系数一般在O．024—0．029w／m·K之间(见表5．6所示)，下面选取三个典型的导热系数兄值作趋势分析，它们分别是0．027、0．024和0．029。78 第五章姜路岭隧道防寒泄水洞的防寒保温技术研究表5．6寒区隧道保温材料应用情况热传导系数应用工程实例硬质聚氨酯泡沫板0．027昆仑山隧道、风火山隧道、鹧鸪山隧道福利凯聚酚醛硬质泡沫板0．024嘎隆拉隧道石棉复合材料保温板O．029大庆油田、江苏油田输油管道图5．5是分别选取表5．6中三种不同的保温材料(铺设厚度均为60mm)时，防寒泄水洞施工期问，一次衬砌与保温层接触位置温度变化规律，从图上可以看到：该位置温度变化幅度随保温材料导热系数的减小而减小，在隧道表面敷设60mm厚硬质聚氨酯泡沫板己经能保证该位置不出现负温的不利工况。表5．7是表面敷设不同类型的保温材料，防寒泄水洞在开工一年时间内，典型位置的最大冻深。从表上可以看到拱顶、拱腰的冻深均随着保温材料导热系数的减小而减小，当采用石棉材料时，隧道拱顶最大冻深为0．65m，当采用硬质聚氨酷保温时，冻深则减小到了0．25m，减小了61．5％左右，而当采用福利凯保温时，则拱顶和拱腰已经不会出现0℃以下的情况，说明保温层材料的导热系数对温度场的分布影响明显：拱顶冻深比拱腰的要稍微大点，主要原因是断面埋深较浅，洞内的拱顶的温度受到了上表面山体温度的影响；底部的冻结深度比拱顶及拱腰大很多，主要原因是底部没有敷设保温层。表5．7保温材料种类与最大冻结深度的关系种类保温材料种类硬质聚氨酯泡沫板福利凯聚酚醛硬质泡沫板石棉复合材料保温板位置底板位置(cm)180185195拱项位置(cm)25O65拱腰位置(cm)2305879 重庆交通大学硕士毕业论文∞⋯⋯：{-’⋯～々2012—10一⋯1；1⋯0’5—1⋯0～⋯013⋯1⋯5：0～1对问(年一月一日)5-5不同导热系数下防搴泄水洞一衬表面温度变化情况542保温材料敷设位置对冻融圈变化规律的影响目前，保温材料的敷设主要有两种方式：～种是将隔热材料敷设在二利与初支之间，该方法也叫做双层衬砌隔热处理法：另一种是将隔热层直接敷设在二衬表面{40】。这两种方法在国内都有应用实例，孰优孰劣，还没有定论。下面仅从保温效果上分析两种铺设方式对隧道冻融圈的影响。图5-6(a)．(b)是分别采用两种保温层铺设方法(保温材料为硬质聚氨酯泡沫板，导热系数O027W／mk，敷设厚度均为5cm)，2012年7月1日至2013年7月1日～年内防寒泄水洞典型位置温度场变化情况。通过对比可以看到，两种铺设保温层方式均能起到良好的保温隔热效果，但单纯的从保温效果上来看，采用表面铺设保温材料工法更优。 第五章姜路岭隧道防寒泄水洞的防寒保温技术研究。造N布=ok毒}二=％10O一10天数(a)表面敷设保温板天数(b)一衬和二衬之间敷设保温板图5-6保温板不同敷设位置特征位置处温度年变化图8l0 重庆交通大学硕士毕业论文5．4．3保温板厚度对冻融圈变化规律影响保温材料的保温效果不仅受到保温层安装位置和材料类型的影响，还和保温层厚度有很大的关系，所以对不同保温层厚度条件下，冻融圈变化规律的研究必不可少。下面对姜路岭隧道选用的聚氨酯保温材料，分别选择三种不同的保温层厚度(3．5、5．0和6．5cm)，对其保温效果进行对比分析。鉴于计算原理与前面完全相同，这里不再给出详细的计算过程，只给出不同保温层厚度条件下，隧道施工一年时间内，典型位置的最大冻深，见表5．8所示。从表中可以看到拱顶、拱腰的冻深均随着保温材料厚度的增加而减小，当保温层厚度为3．5cm时，隧道拱项最大冻深为0．3m，当保温层厚度为5．Ocm时，冻深则减小到了0．14m，减小了54％左右，而当保温层厚度为6．5cm时，该位置则己经不会出现O℃以下的情况，拱腰位置情况与拱项类似，说明保温层厚度对温度场的分布影响明显。底板的冻深比拱顶和拱腰大很多，主要原因是底板没有铺设隔热保温材料：拱腰冻深比拱顶的要稍微小些，主要原因是计算断面埋深较浅，拱项的温度受到了上表面山体温度的影响。表5．8不同厚度保温层下的最大冻结深度厚度保温层厚度(cm)位置3．55．06．5底板位置(cm)180188176拱项位置(cm)25180拱腰位置(cm)231505．5防寒泄水洞设防长度的确定按照衬砌混凝土冻害发生的机理分类主要有三种型类型：饱水混凝土的冻融破坏；衬砌背后的局部自由水冻胀；冻胀性围岩冻胀。所以确定保温材料的设防长度的基本依据是确保衬砌结构和背后围岩不发生冻结。由前面对围岩温度场变化规律的分析可知，围岩体本身具有一定热量，如果衬砌表面温度大于或等于ooc，那么衬砌背后一定不会发生冻结。因此，从这一点出发，也可以近似认为，保温隔热层的设防长度是由洞内二次衬砌表面温度是否为正来决定的。 第五章姜路岭隧道防寒泄水洞的防寒保温技术研究在进行保温层设防段的设计时，用衬砌表面日最低温度作为设防长度计算的临界温度来进行计算H1421，计算原理如图5．7所示：图5—7设防长度计算原理衬砌表面日最低温度可以通过现场量测获得，但是因为现场温度测试时间的不连续性和滞后性，导致现场实测只能得到某一段时间或者某一年的年平均值，没有将历史极寒天气下的特殊性考虑进去，以此来计算确定保温层设防长度不具有代表性和普遍性。同时也，为了确保不发生冻害，应当采用历年平均最低气温下洞内的气温值作为设防临界温度来进行计算。而历年平均最低气温下洞内的温度值的获得可以通过现场量测的隧道纵向温度变化规律和日温度的变化规律计算得出。鉴于姜路岭隧道防寒泄水洞目前的施工进度和隧址区气象资料匮乏的现状，初步通过工程类比法确定防寒泄水洞的设防长度为450m。待获取详实的气象资料后，再进一步计算。83船皋}馆g；豫∞勰钳船鹌轮鸵镗 重庆交通大学硕士毕业论文第六章结论与建议主要结论①日平均气温的晟大值出现在7月下旬，最大值在6℃左右：最小值出现在每年的2月上旬，最小值在．8．5。C~一10℃之间。全年的负温天数约占全年总天数的7／12。全年的温度振幅约为15℃，变化总趋势呈现出明显的周期性。根据洞外气象站全年风向测定，冬季风向由防寒泄水洞小里程桩号吹向大里程，防寒泄水洞洞口处的风速可达2．9m／s；根据寒区隧道分区说明简表知姜路岭公路隧道属于中病害区。在距防寒泄水洞洞口250m处的气温曲线最小值要比隧道外大气气温曲线最低值在时间长延迟20天。距洞门50m处洞内全年负温天数可达206天，而距离洞口250米处的负温天数则骤减至155天。②从2月至4月，沿隧道纵向环境温度曲线大致呈倒V型，距离防寒泄水洞洞口300左右处温度最高。从洞口处到洞内环境温度最高处，最大月平均气温温差达7。C；(2)5月份洞内温度最高断面距离洞口仍在300米左右，临近掌子面温度接近O℃。随着距隧道洞口距离的增加，温度的变化幅度逐渐减小：(3)从6月至8月，防寒泄水洞中间段气温曲线呈现出比2、3、4月份幅度略小的V字型，洞口成为目前开挖段里面全长温度最高点。(4)9月份温度曲线整体都已经处于8月份的下方，变化趋势和8月份几乎一致。③按照时间来划分，围岩温度变化曲线大致可分为三个区段：(1)2012年8月初至2012年10月中旬，在此时间段内，外界大气日平均温度由最大值迅速降低，在9月底已经降到零度左右。围岩温度变化趋势相对滞后于洞外大气温度变化，在10月初才降低至零摄氏度。(2)2012年10月下旬至2013年4月末，在这段时间内，隧道衬砌背后及围岩0．6m范围内温度低于零摄氏度；在最冷的2月份，围岩内1．5m深度处负温也持续较长时间。在K330+160(距洞口450米)处，围岩内温度已经处于零度以上，说明防寒泄水洞的设置长度应不小于450米。(3)第三段为2013年4月末至2013年8月初，在此时间段围岩内温度由负到正，然后直至最高。各元件间的温度差保持在1～1．5℃。④在2012年11月至2013年5月之间，衬砌内的温度始终呈现喇叭型，从泄水洞洞口向中间，从12年7月至9月初期支护结构内的温度整体下降；从12年10月至次年4月，二衬内的温度随着距离泄水洞洞口距离的增加温度整体则趋于上升态势，泄水洞洞内呈现出“冬暖夏凉”现象。⑤K329+710、K329+760、K329+810、K329+860、K329+960、K330+060、84 第六章结论与建议K330+160断面最大冻深值分别是3．5m、3．5m、2．93m、2．86m、2．68m和2．5lm。围岩内负温最大深度处和负温最大值处并不在同一断面上，其原因是防寒泄水洞尚处于施工阶段，整个排水系统尚未贯通，另外还存在施工的干扰。⑥在主洞先开挖模式下防寒泄水洞的合并能够有效地降低泄水洞拱顶处的温度一重力耦合等效应力，反映到实际的施工过程当中就是能够最大限度的减小防寒泄水洞开挖后围岩的拱顶下沉和周边收敛速率，减小毛洞的预留变形量，为后续的衬砌跟进保证充足的时间。⑦在防寒泄水洞先开挖模式下，合并设置虽然不能有效的减小边墙位置处衬砌结构的应力，但是在泄水洞衬砌结构拱项位置处的温度．重力耦合等效应力相比分离设置还是减小了0．68Mpa。合并设置方案使得支护结构受力更小，提高耐久性，进而增加排水系统的使用寿命。⑧从性能上考虑，选择洛阳楚瑜建材制造有限公司聚氨酯和聚酚醛材料；一次衬砌和二次衬砌之间施作50ram厚的聚氨酯保温层尚不能满足目前的保温要求，应当及时变更设计，并采取补救措施，加大保温参数；选择在二衬表面和二衬与初支之间均设置保温层的双层保温法。本文创新点①首次对高寒冻土隧道的防寒泄水洞在施工期间进行了系统的温度场现场测试，并得到了一些有益的认识；②首次对于防寒泄水洞的设置技术结合有限元技术进行了系统分析，包括温度场、分设和合设的方式、先行施工和后行施工、保温层设置技术等。进一步研究建议由于高海拔多年冻土区冻土种类的多样性和地下结构工程的复杂性，：仍有许多方面未能涉及或者深入，希望以后在下面几方面进一步研究：①论文数值计算主要采用温度场和应力场双场耦合，实质上对于含水率较丰富的围岩体，渗流场也是不可忽视的一个方面，再进一步的研究中应该开展三场耦合分析研究。②防寒泄水洞投入运营后，继续对已经埋设的各种检测元器件开展定期量测，以便能及时了解隧道及防寒泄水洞运营期间结构受力性状的变化情况，以此来判断结构的安全性和可靠度。加强对结构受力元件的冬季量测，进一步观测研究冻融循环作用下结构的冻胀力规律。85