不同类型冻土中隧道隔热保温层铺设方式的选择

寒区隧道工程中,铺设隔热保温层可以减轻隧道冻害。隔热保温层的铺设位置不同,起到的隔热或保温效果也不同。采用有限元计算法对不同类型冻土中隔热保温层表面铺设、夹层铺设以及离壁式铺设下的围岩温度场进行了模拟,从隔热保温效果方面对3种隔热保温层铺设方式进行了对比。季节冻土受洞内与外界气温的双重影响,铺设隔热保温层无法阻止围岩冻融循环的产生;多年冻土中隔热保温层夹层铺设以及表面铺设隔热效果相差不大,但夹层铺设时,隔热保温材料遇水以及受挤压后隔热保温效果将降低,应优先采用表面铺设方式。非冻土中隔热保温层离壁式铺设的防冻效果最好,当无法采用离壁式铺设时,将隔热保温层铺设在二衬表面的防冻效果要好于隔热保温层夹层铺设,但应对拱脚位置处的防排水系统进行保温处理。     

多层介质寒区公路隧道保温层厚度计算的一种解析方法

新疆天山的玉希莫勒盖隧道处于高海拔季节性冻土地区,为防止冻害的发生,需要对所需保温层厚度进行研究。针对这一问题建立计算模型,采用Laplace积分变换的方法得到了由于保温作用而没有相变发生时寒区隧道温度场的解析分析方法;通过与stehfest方法对比分析,基于高斯正交法则和快速Fourier变换的Den Iseger方法具有更好的稳定性和准确性,采用该数值反演方法进行Laplace逆变换的求解。根据对玉希莫勒盖隧道的分析表明,保温层、衬砌与围岩中的温度都随着大气温度呈简谐振动;现场采用的5 cm厚保温层内外温差达9.63℃,不能保证该隧道围岩不发生冻胀现象;要保证其在设计年限内不发生冻胀所需要的最小保温层厚度为27 cm;通过对相关物理参数的分析表明：对流换热系数对固体介质的表面温度的最值影响较大,但对保温层厚度的影响较小;随着年平均气温的升高所需保温层的厚度越小,保证的安全年限越长,厚度也越大;随着地层温度的升高,所需保温层厚度逐渐减小;最后对年平均气温和地层温度的不同组合情况进行拟合分析,得出保温层厚度与这两因素的相关关系,可为该地区其他隧道的设计提供参考。     

季冻区隧道过渡段二衬短周期冻融数值模拟

衬砌、围岩中的反复冻融往往伴随着开裂、剥落等风化作用,传统的防冻理论假定环境年温度正弦变化从而低估了二衬冻融次数。自主开发了一款适应低温环境的温度自动记录仪,对季冻区隧道过渡段衬砌表面温度进行了长期、高频监测。推导了适应复杂初始、边界条件的多层圆筒一维瞬态导热差分方程,通过算例验证了其计算精度。将监测数据作为边界条件代入差分方程模拟了真实衬表温度波动下隧道过渡段二衬冻融过程,并探讨了保温层铺设位置对冻融的影响。结果表明:距衬表约5 cm范围内温度波动剧烈;二衬内部每年会经历一次季节性冻结及若干次短周期冻融;在二衬与初支之间铺设保温层后,短周期冻融循环次数及季节性冻结起、止时间基本不变,而短周期冻融深度有所扩大;在二衬表面铺设保温层能使内部始终处于正温,有利于隧道防冻。     

阿尔金山隧道洞口段气温与围岩冻融过程研究

季节冻土区隧道工程面临冻融不利影响,准确掌握隧道进深方向洞内气温分布与围岩体季节冻融过程对进出口保温段长度和保温材料厚度的合理设置至关重要。依托甘肃省阿尔金山公路隧道工程,开展了隧道进口段不同进深洞内气温的现场监测。在此基础上,基于考虑冰水相变的土体传热方程,利用数值模拟手段研究了不同保温层厚度条件下隧道洞口段不同进深围岩体季节冻融过程。结果表明,随进深不断增加,洞内气温年平均值逐渐增加,振幅逐渐减小,显著变化发生在洞口段300 m内。随保温层厚度增加,洞口段围岩体季节冻深呈指数函数形式减小。无保温措施条件下,距洞口5 m处季节冻深为2.51 m,相应冻结持续天数为138 d。铺设4 cm厚保温材料后,可有效保护洞口段围岩体不受季节冻融过程的显著影响。随进深增加,受洞内气温随进深增加而减小影响,围岩体冻结深度随保温层厚度的下降速率有所不同。     

巴朗山隧道保温层设计参数数值模拟分析

为了确定巴郎山隧道防冻保温材料设计参数,通过有限元数值模拟对隧道温度场分布情况进行了计算。计算结果表明:隧道开挖后若不铺设防冻保温材料,隧道围岩会产生冻害;当防冻材料选用硅酸铝纤维保温板,铺设厚度达到5 cm时,可以有效地防止隧道洞口处衬砌及围岩产生冻害。     

高海拔严寒地区特长公路隧道保温层铺设长度研究

随着我国西部大开发的不断深入,在高海拔严寒地区规划和修建的隧道工程越来越多,且隧道长度越来越长。洞口段合理的保温层铺设长度是高海拔严寒地区特长隧道抗冻设计与建设的关键问题。目前,我国对高海拔严寒地区特长隧道纵向温度分布规律尚无系统研究,保温层铺设长度多以经验计算或工程类比为主。以G317线雀儿山隧道为例,参考鹧鸪山隧道竣工通车后洞口段现场实测温度数据变化规律,对雀儿山隧道洞口段保温层铺设长度进行分析。结果表明:确定寒区隧道保温层铺设段长度时,特别是对于特长隧道,应考虑隧道内年平均温度的变化以及温度振幅的衰减;按照鹧鸪山隧道的年平均气温和洞内气温年振幅实测数据变化幅度,考虑1.2的安全系数,建议雀儿山隧洞口保温层铺设长度取为900 m。事实上,保温层铺设长度与隧道曲线形式、隧道长度、海拔高度、地热梯度以及隧道交通量、断面、交通模式、通风模式等诸多因素有关,因此,高海拔严寒地区特长隧道保温层铺设长度有待进一步通过现场实测数据进行对比分析研究。     

山岭隧道衬砌换热器地源热泵能效的影响因素研究

为了分析山区环境下的隧道衬砌换热器地源热泵能效,建立了隧道衬砌换热器的瞬态传热三维数值计算模型。分析了制冷工况下隧道衬砌换热器地源热泵的运行能效。分析结果表明：地源热泵能效比随着风速的增大先减小后增大;随着围岩导热性的增强而增大,但增大速率逐渐降低;随着围岩初始地温的升高呈线性减小。上述因素敏感性分析结果表明,风速对隧道衬砌换热器地源热泵能效比的影响程度最小,初始地温最大。随着管长的增加,初始地温对地源热泵能效比影响权重逐渐增大,风速和围岩导热系数的影响权重逐渐减小。     

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。     

寒区隧道围岩温度场与防水层影响分析

围岩的导温系数是隧道内气温预测重要的特征值。本文根据实测隧道围岩温度 ,采用一维热传导模型 ,古典显式差分格式和最小二乘法 ,对一寒区隧道围岩 (强风化花岗岩 )的导温系数进行了反分析。并用解析方法和数值计算分析了隧道衬砌内防水层对隧道围岩冻深的影响 ,所得结论有一定的工程实用价值     

寒区公路隧道保温层厚度的相变温度场研究

 寒区公路隧道一般要受到季节性冻融冻胀作用的影响，因而不可避免地引起一系列的隧道病害问题，不仅影响隧道的正常使用，而且危及结构的长期运营安全性。结合寒区公路隧道气候特点，选择外敷保温材料作为隧道的抗防冻措施；采用相变温度场有限元模型，对不同材料及厚度保温材料性能进行对比分析，并采用现场跟踪测试手段，研究保温层施作后围岩及衬砌的温度场分布，对保温材料的性能进行现场验证，给出了合适的寒区隧道保温层材料及厚度。     

隧道多年冻土段隔热层厚度解析计算结果的探讨

寒区隧道保温层厚度解析计算结果需要根据隧址区气象条件进行修正,通过探究隧道多年冻土段隔热层厚度解析计算结果是否需要修正,以获得隔热层铺设厚度安全、适用的计算方法。基于多层圆筒壁热传导理论,结合由斯蒂芬公式计算得到的围岩最大融化深度,以围岩与初衬之间的温度为0℃作为控制条件,推导了隧道多年冻土段隔热层双层铺设时所需厚度的解析计算公式。进而对该解析方法计算结果存在的误差及来源进行分析,并将该解析方法和有限元数值方法的计算结果进行比较。研究结果表明:隧道多年冻土段隔热层铺设厚度的解析计算结果略大于数值计算结果,其差值在1~2cm左右,在实际工程应用中,考虑到隔热层厚度的规格和工程安全系数,可认为对于隧道多年冻土段,隔热层铺设厚度解析计算方法是合理可行的。     

不同气候区架空供热管道保温层经济厚度的分析

利用寿命周期分析法研究了我国严寒和寒冷地区集中供热管道在不同管径、不同燃料/热源、不同保温材料下的保温层经济厚度及相应节约的费用。结果表明:燃料价格越低,保温层经济厚度和相对节约的费用越少;保温材料导热系数越高、价格越低,保温层经济厚度越大,而不同保温材料所对应的节约费用相差很小;室外温度越低,保温层经济厚度越大,相应节约的费用越多;供热管道管径越大,保温层经济厚度越大,相应节约的费用越多。对严寒和寒冷地区的哈尔滨、沈阳、西安3个城市进行了经济分析,结果表明架空供热管道在哈尔滨地区采用保温层经济厚度经济性最好。     

高海拔严寒地区特长公路隧道保温层铺设长度

我国西北地区规划地修建的隧道在西北高海拔、严寒地区越来越常见,并且规模越来越大,长度也逐渐增加.在高海拔和严寒地区对隧道洞口段采用合理的保温措施达到保温的目的,是隧道防冻设计的决定性方向.现深入分析长隧道和特长隧道的纵向温度分布规律和分段防冻数值,得出保温层合理的铺设长度和厚度,为后期的隧道施工提供可靠的技术支撑.     

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。     

高温后钢纤维混凝土热学性能试验研究

为预测火灾条件下SFRC 构件内部温度场,对高温后SFRC 的表观密度、孔隙率、导热系数、导温系数和比热容等进行了试验研究,并对导热系数下降机理进行混凝土细观尺度的数值模拟分析。研究表明,SFRC 的表观密度、导热系数和比热容总体上均随受热温度的上升而下降;孔隙率随受热温度的升高而上升,其中约有1%~3%的孔隙率是由SFRC 内热开裂造成;细观尺度有限元模拟显示高温热开裂形成的裂缝热阻是引起导热系数下降的主要原因之一;砂浆与素混凝土导温系数随温度升高而降低,但SFRC 导温系数在300 ℃时出现拐点,呈上升趋势;相同受热温度下,随着钢纤维含量的增加,导热系数和导温系数均呈上升趋势。     

高温后聚丙烯纤维混凝土热工参数试验研究

采用瞬态热源法对高温处理后不同纤维掺量和纤维长度的聚丙烯纤维混凝土 PFRC 的热工性能开展试验研究。结果表明：高温后PFRC 的表观密度、导热系数、导温系数和比热容均随受热温度升高逐渐减小;孔隙率随着温度升高而增大,聚丙烯纤维的掺量及长度对混凝土的表观密度和孔隙率无明显影响,说明混凝土水分流失和水化产物分解是导致其高温下质量降低和孔隙增大的主要原因;经历同一温度后聚丙烯纤维掺量越高,混凝土的导热系数和导温系数越小。     

高铁隧道衬砌拱顶空洞对列车荷载响应研究

以某高速铁路某一隧道存在拱顶空洞为工程背景,基于高速列车振动荷载实测数据和列车振动理论,利用ABAQUS有限元软件,建立隧道衬砌拱顶不含空洞与含有不同深度空洞的隧道结构有限元模型,施加相应的约束及边界条件,对隧道结构在列车振动荷载作用下的动力响应行为进行数值仿真分析。研究结果表明,随空洞深度的增加,拱顶含空洞的衬砌结构将会使原有衬砌受力状态发生改变,空洞深度越大,围岩塑性区改变越明显,衬砌整体受力越不利;不含空洞的隧道衬砌关键点与轨道距离越近振动响应越明显,拱顶响应最弱;衬砌拱顶空洞深度对列车振动响应明显,随深度的加大,其响应越剧烈,使衬砌围岩塑性区发生进一步扩展并最终影响到隧道结构的整体稳定性,对列车运营安全造成威胁。研究结果对于进一步探索含缺陷隧道衬砌结构的劣化动力学行为奠定了基础。     

水下隧道渗流场分布规律的模型试验研究

水压力是水下隧道设计的关键指标。利用室内模型试验系统,对水下隧道的渗流场进行了研究,得出了隧道在不同排水方式下注浆圈和衬砌背后水压分布规律:衬砌背后各点水压随排水量的增加迅速减小,当排量达一定程度,减小速率变缓,直到水压值接近0;从水平和竖直两个方向来看,土体表面到拱顶,水压呈静水压力分布;注浆圈水压快速减少,说明其对水压力折减效果十分显著。通过改变注浆圈厚度和渗透系数的实验研究,发现在相同排水量条件下,注浆圈厚度越大,衬砌背后和注浆圈边缘水压力越小,注浆圈渗透系数越小,衬砌背后及注浆圈边缘的水压力越大。     

寒区隧道环向排水管的条带保温及温度场分析

排水管过早地冻结与过晚地解冻是引起寒区隧道冻害的主要原因。针对冻结期和消融期隧道衬砌壁后围岩温度的变化特点,提出了一种条带状保温隧道环向排水体系:(1)隧道环向排水管自上而下直通隧道的中央排水管,隧道纵向排水管径三通向环向排水管汇水;(2)间隔地对环向排水管进行局部保温,在衬砌壁后采用条带状保温层,在路面之下采用带有保温层的排水管;(3)条带状保温层有两层防水板密封夹裹,其中一层防水板与隧道的防水板形成一个整体。衬砌围岩温度场有限元模拟分析表明:由于有、无保温层的环向排水管相间布置,两类排水管的冻融状态存在时差,该时差有利于解决衬砌后在冻结期和消融期的排水不畅问题。     

高原冻岩隧道施工中融化圈深度对围岩稳定性的影响分析

冻岩隧道施工中，开挖、初衬、保温层和二衬等作业，产生的施工热量及洞内外空气的热交换，将影响冻土围岩原始地温场。这种地温场的扰动，破坏了冻土地层的热力学平衡。使其冻土的热物理力学性能发生改变，其中包括冻土的融沉性、冻土回冻过程的膨胀性以及隧道的稳定性等工程力学性能。因此，保护冻土、减少施工对冻土原始地温场的扰动是冻土隧道施工的重要控制因素之一。通过建立冻土围岩、支护衬砌结构、隔热保温层和洞内环境气体热力学模型，根据实际工况和实测洞内环境温度及地温，应用ANSYS有限元程序，对不同施工工况下围岩的温度场变化进行模拟，分别研究毛洞暴露时间、初衬施作时机、初衬持续时间等不同状况下，冻岩温度场的扰动规律、融化圈深度。根据不同施工方法下融化圈大小对洞室稳定性的影响，为冻土隧道施工控制和决策提供科学依据。