群洞条件下高海拔寒区隧道温度场分析及防寒技术研究

发布时间：2020-06-19 00:34

【摘要】：随着我国经济持续稳定增长,交通运输网络逐渐趋于完善,铁路与公路组成的陆路交通运输网向着人迹罕至、自然条件恶劣的高海拔寒冷地区逐渐延伸,这些地区大部分以海拔高、气温低、气候环境恶劣等特点著称。在这些地区修建公路、铁路等地面交通基础设施,一般需要修建隧道工程,隧道衬砌结构的防冻胀措施是解决寒区隧道防冻害的关键技术,决定着隧道在施工期和运营期是否安全。本文以在建敦煌至格尔木铁路当金山隧道为依托,采用理论研究与数值模拟相结合的方法对群洞条件下高海拔寒区隧道的温度场—应力场进行耦合分析,研究了不同洞室条件下敷设保温层对隧道温度场分布、竖向位移场及衬砌结构等效应力的影响;对隧道洞口段保温层选型、厚度及保温设防段长度进行分析,提出在保温设防段范围内沿隧道纵向敷设不同厚度保温层;指出极端气温条件下在隧道洞口段设置电加热系统以辅助隧道防寒的措施,并对电加热系统功率与洞内气温的关系进行了研究;最后,从极端气温条件下围岩稳态温度场和正常气温条件下围岩瞬态温度场两个方面对隧道的防寒保温效果进行了预测,得到的结论如下:(1)外界大气温度变化对洞内温度的影响范围约距洞口2000m,2000m之后洞内气温是正值,隧道进口段气温每年约有5个月的时间处于0℃以下;(2)主隧道、平导和防寒泄水洞均未敷设保温层的前提下,各洞室冻胀圈深度随加载时间的增加逐渐增大,当主隧道和平导的水平间距取40m时,平导的存在会加速主隧道的冻胀,但对主隧道的冻胀圈深度无影响;三洞均存在时防寒泄水洞边墙处的等效应力值最大,为10.73MPa,是最危险部位,在施工和运营中应增强边墙位置的支护刚度,以确保隧道结构的安全;(3)主隧道、平导和防寒泄水洞施做5cm保温层可较大程度地减小各洞室的冻胀圈范围,加载5个月,主隧道的保温层和二次衬砌中存在负温区,平导的保温层和初期支护中存在负温区,防寒泄水洞的负温区仅存在于保温层内,各洞室衬砌结构背后的围岩内不存在负温区,且主隧道、平导和防寒泄水洞均敷设保温层后各洞室的冻胀圈范围互不影响;(4)经过对酚醛泡沫、聚氨酯、聚苯乙烯和高压聚乙烯等保温材料性能的比选,选用酚醛泡沫材料作为隧道的保温材料较合适;通过对主隧道分别铺设1cm、3cm、5cm、7cm保温层,防寒泄水洞分别铺设5cm、3cm、1cm保温层,平导不设保温层的6种方案分析可知,主隧道和防寒泄水洞敷设不同厚度保温层对彼此的冻胀圈深度无影响,且各洞室敷设保温层厚度由1cm增加至3cm时,各洞室的冻胀圈深度最大可减少1m左右;(5)通过数值模拟多次试算及经验公式综合分析,建议主隧道保温段长度取1350m,距隧道洞口955m～1350m的范围设置1cm保温层,距洞口184m～955m的范围设置3cm保温层,距洞口0～184m的范围设置5cm保温层;防寒泄水洞保温段长度取835m,距洞口835m～330m的范围设置3cm保温层,距洞口0～330m的范围设置5cm保温层;(6)洞内温度低于-15℃,主隧道和防寒泄水洞洞口段除设保温层外还需设电加热系统以辅助隧道防寒。当洞内温度在-15℃～-20℃之间,电加热系统功率选用12W/m~2,洞内温度在-20℃～-25℃之间,电加热系统功率选用20W/m~2,洞内温度在-25℃～-30℃之间,电加热系统功率选用55W/m~2,洞内温度在-30℃～-35℃之间,电加热系统功率选用130W/m~2;(7)极端气温条件下,未设置电加热系统,主隧道和防寒泄水洞附近围岩、主隧道初期支护、二次衬砌和防寒泄水洞衬砌结构的温度在-5℃以下,设置电加热系统后,围岩和衬砌结构的温度均上升至-5℃以上;正常气温条件下加载5年,主隧道和防寒泄水洞附近围岩、主隧道初期支护、二次衬砌和防寒泄水洞衬砌结构的温度值均在-5℃以上。表明,在不考虑保温层老化的前提下,论文提出的综合防寒保温措施可有效预防隧道发生冻胀破坏。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U457.2
【图文】：

主洞、平导和防寒泄水洞布置示意图绘于图 2.1。图 2.1 进口段三洞布置示意图2.1.1 地形地貌条件当金山隧道位于当金山中高山区，山体南北两侧宽度一般 25~35km，隧址区山体宽度约 28km。由于受东西向断层的影响，山间东西向断陷盆地较发育，且地形开阔，盆地断面呈“U”字形宽谷，谷底高程一般在 2800m~3600m。隧道通过区地面高程一般在2864m~3700m 之间。2.1.2 水文气象条件当金山隧址区地下水多以基岩裂隙水为主，基岩裂隙水按成因分为网状风化基岩裂隙水及脉状构造裂隙水。隧道位于高寒半干旱气候区，季节性温差较大，雨季和旱季明显，年降水量不大。多年平均气温 3.1℃，最低温度-34.3℃，最高温度 35.9℃；年平均降水量 127mm

兰州交通大学硕士学位论文2.1.3 地质构造条件当金山隧道在区域上属于祁连山脉与阿尔金山脉的结合部位（见图 2.2），位于当金山中高山区褶皱带，隧址区具体褶皱类型列于表 2.1。隧道共通过 10 条断层，其中区域性断裂 2 条，次级断裂 8 条，如图 2.3 所示。这些断裂大多在沟谷内形迹明显，部分断裂地表被第四系覆盖，地貌上比较明显，该隧道整体较破碎，工程地质条件较差。

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本文编号：2720051