寒区隧道衬砌结构设计方法

在寒区冬冻夏融周期变化的环境下,冻害问题常影响到隧道结构及运营安全。为提高寒区隧道设计水平,节约工程建设成本,同时保证隧道安全正常运营,本文提出了新的寒区隧道衬砌结构设计思路:在提出寒区隧道衬砌设计流程的基础上,给出了不同冻土段衬砌结构选型的建议:冻岩隧道可采用三层复合式衬砌结构,工程冻土段隧道可采用柔性支护体系的复合式衬砌;系统总结了多年冻土段和工程冻土段的冻胀力控制措施;从结构设计角度,分析了铺设保温层的必要性取决于:冻胀力的量值和衬砌结构的耐久性;最后将提出的寒区隧道衬砌结构设计方法应用于实际工程,定量评估了姜路岭隧道围岩冻胀力控制措施的效果,且目前隧道现场科研监测未测到冻胀力;根据本文研究成果,优化了白茫雪山1号隧道衬砌结构的设计,考虑到保温层铺设成本较高且延缓了施工速度,调整了衬砌保温结构设计,减少保温层铺设长度3 810 m。     

风火山隧道围岩冻胀对支护结构体系的影响

针对目前在建的青藏铁路工程---世界第一高隧风火山隧道,探讨了围岩冻胀对隧道支护结构体系的影响,给出了隧道围岩冻胀力的弹性解;根据风火山隧道岩层地质条件,分析了寒区隧道支护结构的力学性能,得到了不同围岩完整度情况下,随着冻融圈厚度的变化,衬砌刚度不同、厚度不同时冻胀力的分布规律,确立了高海拔寒区隧道围岩冻胀对支护结构体系的影响;同时在明确冻土隧道冻害概念基础上,提出了减弱围岩冻胀对支护结构体系影响的有效措施。     

寒区岩石隧道冻害机理及防治研究

冻害是寒区隧道常见的工程病害,造成冻害的原因很多,其中冻胀力是寒区隧道冻害发生的主要原因.因此,在寒区隧道的研究中,要避免和减轻寒区隧道工程中冻害的发生,最关键的问题是研究冻胀力的发生、发展以及怎样预防或消减冻胀力,对寒区隧道的冻害机理及防治方法进行了系统的研究.提出了冻胀现象产生必须同时满足的三个条件:有能使水结成冰的足够低的温度、衬砌必须提供阻止水体结冰膨胀变形足够的刚度、有足够的水源,并由此提出防治冻害的研究方向即采取措施使三项条件有一条不满足即可有效地防止冻害.利用ANSYS有限元对寒区隧道冻胀力进行了数值模拟,通过对理论计算结果和数值模拟结果的比较分析,提出寒区隧道冻胀力的基本防治措施,对寒区岩石隧道工程的设计和施工具有指导意义.     

考虑围岩不均匀冻胀的寒区隧道冻胀力解析解

为防止冻害,寒区隧道的设计需考虑冻胀力荷载。阐明寒区隧道围岩的不均匀冻胀性,推导考虑围岩不均匀冻胀性的寒区圆形隧道冻胀力解析解。围岩不均匀冻胀系数k=1时,本文解退化为赖远明围岩均匀冻胀时的弹性解。理论分析和计算分析表明,围岩均匀冻胀情况下,圆形隧道衬砌不会受到冻胀力作用。赖远明算例中计算得到冻胀力,是由于其采用的冻结围岩弹性模量小于未冻结围岩弹性模量,这与工程实际情况相反。其他冻胀力解析解采取了特殊的假定,而这些假定与工程实际情况相差较大,造成了计算所得冻胀力偏大。围岩不均匀冻胀性是引起寒区隧道围岩中冻胀力的重要原因,在合理的围岩弹性模量和不均匀冻胀系数取值范围内,解析解的计算结果和实际情况吻合较好。随着围岩不均匀冻胀系数k的增大,衬砌受到冻胀力作用,冻胀力的量值随k值增大而增大。当k值一定,冻胀力与冻结围岩弹性模量与未冻结围岩弹性模量的比值EII/EIII呈反比线性关系。     

冻胀力对寒区隧道衬砌结构的影响及其防治

分析了冻胀力产生的机制，从理论分析、数值计算和现场实测等方面讨论了冻胀力对寒区隧道衬砌结构的影响特点，总结了目前所采用的冻胀防治措施。     

寒区隧道衬砌冻胀力分析

为了更全面地了解冻胀力对隧道结构影响,文章以西藏寒区矮拉山公路隧道为依托,采用理论分析和数值模拟热-结构耦合相结合的方法,分别计算分析了不同埋深、不同冻胀圈厚度和不同冻胀率三种工况下衬砌结构的受力情况。结果表明:理论及数值计算结果的规律存在高度一致,两者的误差在10%以内;随冻胀率和冻胀深度增大,冻胀力不断增大,随埋深增大,冻胀力反而减小,但随埋深增大减小幅度显著降低;冻胀力作用下,隧道衬砌薄弱部位主要集中在拱脚位置,其次在拱腰处,针对以上部位需加以重点设防。     

某寒区铁路隧道衬砌冻胀力分析

对某寒区铁路隧道进行冻胀分析,得出围岩的冻胀对衬砌结构产生的力场结果,得到了不同的冻胀率条件隧道衬砌的最不利位置,并对比不同冻胀率条件下冻胀力对结构的影响,判断了隧道结构及运营行车的安全情况,为实际工程的加固与否提供依据。     

寒区隧道衬砌冻胀力室内模型试验研究

 为了得到寒区巴郎山隧道衬砌安全性评价时所需的冻胀力荷载,进行了室内模型试验。将隧道板岩岩体视为裂隙介质,主要研究由水分在裂隙中迁移产生的冻胀。模型中铺设透水布模拟裂隙,采取隧道洞腔内降温的方式模拟隧道受到的低温条件。运用热电阻元件和应变片测试试验中衬砌的温度和应变变化。试验结果表明：衬砌的冻胀应变在仰拱和仰拱脚处较小,在拱顶、拱脚和边墙处较大,最大处发生在边墙。采用数值模拟方法,分析岩石圈整体冻胀模型和含水风化层冻胀模型在衬砌上的应力分布模式,与室内模型试验结果相比较,确定选择含水风化层冻胀模型为巴朗山隧道冻胀荷载计算方法,即冻胀荷载可为衬砌边墙上的水平侧向荷载,冻胀力的大小可以按照洞口0.9 MPa,洞身0.6 MPa取值。     

寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

首先根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式。最后给出了一寒区隧道考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例。算例表明冻胀力对隧道衬砌应力的影响很大,应充分考虑这一因素的影响。     

寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

首先根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程.然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式.最后给出了一寒区隧道考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例.算例表明冻胀力对隧道衬砌应力的影响很大,应充分考虑这一因素的影响.     

隧道渗漏水病害的影响因素研究

近年来,我国公路隧道得到了蓬勃的发展。调查表明,渗漏水是隧道工程中常见的病害之一,因此隧道渗漏水病害研究成为热点问题。从物理化学作用、降雨以及冻胀三方面入手,通过建立物理化学数学模型,结合单纯形Monte Carlo法求解得出整个系统中反应动力随总自由能变化而变化,并且结合实例说明了统计参数方差较大时反应趋于平衡;并且根据渗漏量以及冻胀力的计算分析可以看出,渗漏量与地下水位和衬砌厚度存在紧密联系,当衬砌后的空洞缺陷尺寸较大时,冻胀力也增大。本研究为隧道渗漏水防治提供借鉴。     

风火山多年冻土隧道信息化施工

针对多年冻土隧道的特点 ,青藏铁路风火山隧道施工中建立了完整的信息化管理体系。信息采集除一般隧道常有项目外 ,重点对隧道掌子面岩面温度、环境温度、围岩温度、衬砌冻胀力、衬砌背后水压力及锚杆轴力等进行监测 ,并及时反馈信息。施工中根据掌子面岩面温度及环境温度的信息 ,及时调控通风温度 ,保证掌子面的稳定及混凝土的施工质量 ;根据围岩温度、衬砌背后水压、衬砌冻胀力变化的信息可以判断防水保温系统的效果 ;根据衬砌冻胀力、锚杆轴力变化的信息可以判断支护系统的力学效应     

季节性寒区隧道围岩融化分析的一种解析计算方法

融化与冻胀是影响寒区隧道围岩稳定的重要因素,为分析季节性寒区隧道融化时围岩应力分布规律,建立了一种理论分析模型。该模型是在围岩先发生冻胀的基础上进行的,考虑了冻结围岩融化时体积的缩小和融化围岩在荷载作用下的压缩过程,即当冻结围岩融化时体积缩小,融化范围外侧的围岩将向隧道方向移动,并对融化围岩进行压缩变形,当达到平衡后又有一部分冻结围岩进入融化圈范围内,使得该部分冻结围岩再次融化,外侧围岩再次移动,融化围岩再次压缩,最后再次达到平衡,如此往复,直至整个系统稳定为止。为简化分析,认为所有过程均是一次完成,且冻结围岩融化时体积的缩小量近似等于围岩冻结时体积的膨胀量;而融化围岩的压缩过程是将融化围岩和衬砌看作一复合支护结构并进行受力压缩的过程。通过算例分析可知:冻结围岩融化后,衬砌中的最大主应力有所减小,融化范围内的围岩应力减小明显,而未融化范围内(冻结状态)围岩由于几何尺寸的变化使得环向应力有所增加;同时进一步分析了冻胀线应变、地应力以及融化半径对融化过程的影响规律。该融化分析模型较好的吻合现场的实际情况,对寒区隧道围岩融化研究具有一定的参考意义,能较好地指导寒区隧道设计。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

冻融循环下隧道非冻土段底部融沉变形规律

为研究寒区隧道非冻土段在冻融循环条件下的底部融沉规律以及洞内不同的气温对隧道底部融沉变形的影响。利用温度场解析解确定非冻土段范围,采用有限元进行建模计算。计算结果显示:在冷空气作用下,原来处于非冻结状态的围岩开始发生冻结,并产生向上的冻胀位移,表层围岩的冻融位移最大,初期最大冻胀位移可达8 mm,随着洞内气温的周期性变化,底部围岩出现周期性的冻融,最大融沉位移逐年增加,第8年开始冻融变形达到稳定,最大融沉位移可达20.0 mm,冻胀位移则稳定在5 mm左右。总体来说,随着围岩温度周期性变化趋于稳定,其冻融位移的周期性变化也趋于稳定。在不同气温影响下,随着隧道进深的增加,隧道底部的最大冻胀位移和融沉位移均减小。     

寒区裂隙冻岩隧道岩-水-冰力原位测试及冻胀力模型

为了研究寒区裂隙冻岩隧道冻胀力并建立合理的计算模型,以川藏公路雀儿山隧道为工程依托,组合利用水压力计、土压力盒和多点铂电阻温度传感器进行冻胀力原位测试,考虑静水压力,提出了裂隙成环贯通原位冻胀时的隧道宏观冻胀力理论模型,并将计算结果与原位测试结果进行了比较分析。研究结果表明：现场原位测试方法考虑了岩-水-冰在冻结过程中随时间和温度的变化特征,避免了对裂隙岩石细观结构模型的讨论,方案合理且易于实施;裂隙岩石冻结前水压力随径向深度增加而线性减小,径向1.5～2m围岩内裂隙水挤出形成急剧增压区间,靠近结构处水压力降到最低;原位测试得到冻胀压力0.615～3.355MPa,空间分布以拱顶处最小,拱腰处最大,冻胀力模型计算得到的冻胀压力约0.46MPa,去除水压力,裂隙成环贯通宏观冻胀力理论模型计算结果接近于工程实际。     

基于Mohr-Coulomb准则寒区隧道围岩应力弹塑性解析

随着西部开发建设速度的急剧增长,寒区隧道工程建设逐渐增多,冻胀力及围岩应力大小对寒区隧道结构产生的影响越来越突出。针对这一突出问题,基于弹性理论拉密解及复变理论,结合Mohr-Coulomb屈服准则,确定了围岩塑性区范围,并推导了冻胀力及围岩应力的弹塑性显式解析解。通过算例分析得到:当0°≤θ≤45°时,冻胀力的存在致使围岩塑性区迅速扩展;而当45°≤θ≤90°时,冻胀力的存在却限制了围岩塑性区的发展。其研究成果对寒区隧道工程建设具有良好的参考价值。     

高频振捣对混凝土抗冻性的影响机理及在寒区隧道施工中的应用

为探讨寒区隧道二衬施工新工艺新方法,以兰新铁路二线甘青段LXS-8标铁路隧道为工程依托,针对高频振捣系统在隧道二衬施工中结构可靠性和性能稳定性开展试验研究。在系统分析高频振捣对混凝土抗冻性影响机理的基础上,从设备选型、安装调试、振捣时间控制以及混凝土抗冻性能试验等方面入手,制定高频振捣施工工艺,总结施工注意事项和寒区隧道二衬施工的保温措施。试验对坍落度为16.8 cm,水胶比为0.37的C35混凝土进行多次振捣试振,最终确定持续振动为25~40 s的情况下,可以取得理想的表观质量和混凝土强度;同时抗冻性试验表明,冻融循环300次后,混凝土质量损失率均保持在3%以下,相对动弹性模量在80%~90%,达到F300抗冻等级。试振试验和检测结果表明,高频振捣技术可以推广应用于寒区冻土隧道的二衬施工。