基于温度变化的寒区隧道围岩应力与防冻措施研究

发布时间：2020-04-12 05:22

【摘要】：随着我国“一带一路”的发展,我国在基础设施建设方面的步伐将越来越快。在西北等高海拔低温环境下修建的寒区隧道将越来越多,工程难度也越来越大。这些在寒区修建的隧道,不管在施工阶段还是后期运营阶段,遇到的冻害越来越严重。例如,隧道的围岩由于受冷空气影响形成了冻土,冻土膨胀时受到未冻结围岩和衬砌的约束,就会产生冻胀力。当隧道设计对冻胀力考虑不足时,隧道支护结构在冻胀力的作用下容易发生隧道衬砌混凝土开裂,导致隧道结构破坏。隧道除了受冻胀力作用发生结构破坏,还有其他冻害发生。例如,隧道由于防排水措施不足或失效,在寒冷季节,隧道内的渗水和漏水冷冻结冰,在隧道拱顶形成挂冰,导致隧道侵线,严重影响运营安全;保温排水沟中的地下水在排出过程中散热,温度下降,形成冰冻,导致排水沟堵塞,地下水流入隧道路面,在路面上形成冰冻,严重影响隧道行车安全。如何采取有效措施解决寒区隧道在建设或运营阶段发生的冻害,是目前急需解决的问题。本文以五女峰隧道为工程依托,对寒区隧道冻害问题进行了研究。本文研究内容包括:(1)查阅了国内外已有的寒区隧道文献资料。在此基础上,对国内多个典型隧道冻害防治工程进行分析,总结了寒区隧道的工程特性以及冻害产生的原因。(2)通过数值模拟得到了五女峰隧道的温度场分布规律,确定了该隧道的负温区范围。在此基础上,以该隧道外地表土体冻结深度为参考,对隧道围岩冻结深度提出合理假设。(3)分别采用弹性力学方法(理论分析)和弹塑性力学方法(数值模拟)对寒区隧道冻胀力进行了计算,得出了衬砌冻胀应力和未冻结围岩冻胀应力的分布规律。(4)介绍了寒区隧道的一般抗冻保温措施,在此基础上,总结了国内部分寒区隧道的抗冻保温措施。(5)用单层平板传热流量法、圆筒壁传热流量法和有限元法对寒区隧道的保温层铺设方式和厚度进行了计算分析,得出了保温层厚度取值范围以及较好的保温铺设方式。
【图文】：

围岩温度场,有限元计算模型,围岩,衬砌

表 3.1 围岩热学参数冻胀率导热系数 λ（W·m-1·K-1）— 1.510 — 1.901 Max:5% 1.124 — 0.027 NSYS 建立二维隧道模型，模拟围：保温层、衬砌和未冻结围岩。无冻结围岩。模型左右两侧范围取（衬砌表面）35m。建立有限元

曲线,保温层,围岩,曲线

Z=200m Z=300m图 3-2 围岩温度的时程变化曲线（无保温层）分析 5 个断面的径向方向上 5 个节点温度随时间变化的曲线。通过对比分析得到了围岩温度随时间变化规律如下：①在一个计算周期内（12 个月），5 个断面的 5 个节点处温度均呈周期性波动。温度在 1 月份达到最低，7 月份达到最高。②在 1 月份，沿拱顶径向方向，随着深度增加温度逐渐升高。0m 处温度最低，2m 处温度最高（本次计算距离范围为 2m）。③在 7 月份，沿拱顶径向方向上，随着深度增加最高温度逐渐减小。0m 处温度最高，2m 处温度最低（本次计算距离范围为 2m）。④通过分析同一断面上，不同深度处节点温度随时间变化的幅值（最高温度与最低温度的差值），可以看出不同深度处温度幅值不一样。在 0m 处最大，2m处最小。则可知：同一断面上，随着径向深度的增加，环境温度的变化对围岩温度影响越来越小。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U451.2;U457.2

【参考文献】