季节性冻土隧道洞口段防冻保温技术研究

发布时间：2020-02-11 01:49

【摘要】：在地球上,冻土(包括瞬时冻土、季节性冻土和多年冻土)总面积大约占陆地总面积的50%;在我国,季节性冻土分布于大部分国土,包括以贺兰山至哀牢山一线以西的广大地区,以及此线以东、秦岭-淮河线以北地区。随着我国经济建设的迅速发展,各地对交通建设的需求不断增加,已有隧道及新建隧道处于季节性冻土区域的数量庞大,多有冻害产生。隧道冻害灾害主要有:衬砌洞内的挂冰、渗水,隧道底部的冒水、积冰冻胀,衬砌开裂。寒冷地区隧道的病害调查分析结果表明,冻胀力是寒冷地区隧道变形破坏的外力根源。另一方面,冻融作用会加剧围岩的风化作用,围岩破碎程度的增加又为冻胀力的加剧提供了更有利的条件。研究表明,寒区隧道中的温度沿洞身进深变化大致呈抛物线型分布,暖季为中间段低,进出口段高;寒季相反,中间高,进出口段低。因此,寒区隧道冻害多发生在进出口段位置,隧道冻害防治的重点部位是进口、出口段。季节性冻土隧道的防冻保温研究,首先就是洞口段的防冻保温,洞口段相对于非洞口段既受到隧道洞内空气的温度影响,又受到外界大气的影响,是内外气温影响的重灾区。洞口段不防冻保温的话,就会导致靠近的非洞口段也成为重灾区,那整个隧道的防冻保温就无从谈起,所以想要做好季节性冻土隧道的防冻保温,免受冻害的破坏,就要先要保证洞口段不受冻害的破坏。因此本文的研究主旨就是季节性冻土隧道洞口段防冻保温技术研究。正文以季节性冻土隧道青海某隧道为工程实例,在总结国内外研究现状的基础上,归纳相关理论知识后,首先考虑当地的气象要素,利用有限体积软件FLUENT对青海某隧道全段进行数值模拟。研究隧道衬砌围岩与隧道内空气的对流换热规律,拟合出洞口段隧道内壁温度分布函数,该函数与大气拟合函数结构相似,二者振幅、相位变化不明显,二者的时效性是基本相同的这与实际情况中二者几乎相同时间受到风流温度场影响是相符的,变化方向主要受外界大气温度和原始地温场二者共同影响。并以此函数作为荷载,通过有限元软件ANSYS的APDL语言数值模拟研究青海某隧道洞口段温度场,研究季节性冻土隧道洞口段冻结圈的分布规律:首先,在外大气和洞内气温的双重作用下,形成了围绕洞口一圈的气温影响加强带,该加强带的明显特征是等温曲线间隔比别处大,而且随着洞深的增加,等温线的间距在逐渐变小;其次,越靠近隧道洞口温度越低,沿着径向温度逐渐升高;最后,关于冻结圈的范围,随着距离洞口的增加,冻结圈在逐渐减小。再在此基础上,利用ANSYS数值模拟洞口段衬砌围岩的冻胀力,了解冻胀力的大小及分布规律,仰拱处的等效冻胀应力最大,洞口段衬砌的冻胀力大小不一,最大为10.9Mpa,足以破坏隧道衬砌,洞口截面仰拱处出现最大等效冻胀应力的原因是此处有最大冻结深度,而且,边界约束条件在此处相对最为集中;冻结圈周围在温度波的前进方向上有较大的等效冻胀应力。最后针对季节性冻土隧道洞口段冻胀应力场的特点,提出了对注浆防水防冻技术的质疑与担忧,提倡宽松隧道洞口段围岩边界的建议。根据洞口段的温度场,冻胀应力场,总结归纳传统的防冻保温技术,分析出适宜季节性冻土隧道洞口段防冻保温技术的综合措施,即防寒保温大门与加热技术为主,排水防冻技术、宽松围岩边界、加强隧道衬砌自身抗冻胀为辅的技术措施。并且通过数值模拟验证了防寒保温大门与加热技术相结合保温措施的可靠性。其中FLUENT涉及流-固耦合,ANSYS涉及热-力耦合,渗流场在全程有考虑,主要体现在物性参数上。季节性冻土隧道洞口段防冻保温是整个隧道防冻保温的关键一步,龙头一步,只有先把洞口段防冻保温做好,才能把整个隧道的防冻保温做好。
【图文】：

分布图,分布图,季节性冻土,多年冻土

兰州交通大学工程硕士学位论文提出及研究意义上，，冻土(包括瞬时冻土、季节性冻土和多年冻土)总面积大约在我国，多年冻土和季节性冻土分别占国土面积的 20%和 55%北老工业基地和西部大开发国策的进一步实施，实现“一带一极倡导构建＂横贯东西、纵贯南北、内畅外通＂的综合运输大南、东北对外交通走廊，加快推进高速铁路成网，完善国家高基础建设将继续向西部或东北地区延伸在这列高海拔高纬度的展交通运输网的最佳选择，但是需面临冻害这一严峻的问题。

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道设置双侧深埋水沟，混凝土防渗等级不低于 P6。青海某隧道洞口段目前存在以下问题：洞口段有的上行拱腰、拱顶渗水；有的上行拱腰、边墙渗水，裂缝情况如图 3.1 所示。另外洞身段部分低端也存在渗水、衬砌裂缝问题。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U453

【参考文献】