祁连山隧道洞内空气及围岩温度场分析

为了探究寒区隧道洞内空气及围岩温度场设计问题,以世界上海拔最高的高原冻土隧道-祁连山隧道为研究对象,建立非稳态的隧道温度场模型,采用变量控制法探讨不同时间、距离以及有无保温层条件下寒区隧道洞内空气和围岩温度场的变化规律。研究结果表明:当洞外气温为-16.77℃,围岩地温为5℃条件下,祁连山隧道单侧防寒保温长度应该大于1 770m;当洞外气温为-16.77℃,围岩地温为5℃,计算时间为10 d条件下,5 cm厚的聚酚醛保温板保温效果很好,可以保证不出现冻害;当洞外气温为-16.77℃,围岩地温为5℃,当计算时间超过30 d,有保温层时距离进口10 m处隧道初支和二衬范围内出现负温,说明保温层具有一定的适用范围,并不能完全消除寒区隧道的冻害问题。     

基于正交试验的寒区隧道温度场影响因素敏感度研究

影响寒区隧道温度场的因素众多,建立基于有限差分的隧道非稳态传热计算模型,以实际寒区铁路隧道南山隧道为例,采用正交试验法分别以隧道衬砌内部节点平均温度、隧道某断面衬砌温度和隧道洞口纵向冻结长度为指标对影响隧道温度场的各因素进行敏感度研究.结果表明:不同指标下各因素敏感度排列有局部差异;总体来讲,隧道埋深、洞内风向、隧道断面大小、洞内风速、入口风温、围岩导热系数、隧道埋深是影响隧道温度场的主要因素,围岩比热容、围岩密度是影响隧道温度场的次要因素.在寒区隧道抗防冻设计中,除去围岩比热容、围岩密度、围岩导热系数、入口风温等不可更改因素,对隧道温度场影响较大的隧道埋深、洞内风向、洞内风速、隧道断面大小、隧道埋深等隧道设计参数必须合理设置.     

寒区隧道轴向及径向温度分布理论解

考虑与隧道纵向深度及时间相关的非齐次对流边界条件,建立寒区圆形隧道传热模型,利用叠加原理及贝塞尔特征函数的正交及展开定理,得到了寒区隧道围岩径向温度的理论解.利用能量守恒法及经验公式法求得寒区隧道洞内气体年平均气温及年温度振幅沿隧道轴向随时间变化的解析表达式,并得出年平均温度在隧道轴线方向呈指数增长,而年温度振幅呈负指数增长.将隧道围岩轴向和径向温度场理论计算结果与实测值进行比较,两者吻合得非常好.在确定洞口外气温分布规律、风速及围岩的热物性参数后,通过围岩轴向及径向温度场理论解便可计算隧道洞内及围岩温度分布规律,并确定寒区隧道防寒保暖段的设防长度.同时,该解析法可用于验证其他数值方法的计算结果,也便于工程设计人员和施工人员对同类寒区隧道温度场的计算,因而具有一定的工程应用价值.     

斜风作用下季冻区隧道冻胀力分布规律及结构安全性评价

为分析不均匀冻胀荷载对季冻区隧道结构受力及安全性的影响,本文依托某新建铁路隧道工程,在凝练工程区气象特征的基础上,利用数值模拟手段分析了斜风作用下隧道温度场的分布特征,解析得到了支护结构的冻胀力荷载,在此基础上分析了支护结构的受力特征并开展了安全性评价。研究结果表明：斜风作用下隧道较小进深范围内迎风侧与背风侧温度场存在差异,进深10m处差异最为显著;未铺设保温层条件下迎风侧围岩冻结深度约为背风侧的1.8倍,铺设保温层后迎风侧围岩冻结深度减小了约80%,背风侧围岩冻结区基本消失;围岩冻结深度不一致导致冻胀力荷载不均匀分布,冻胀力荷载作用下支护结构迎风侧的应力、轴力、弯矩均明显高于背风侧;未铺设保温层条件下仅仰拱区域符合安全性要求,铺设保温层后各区域均满足要求,但迎风侧安全性明显低于背风侧。     

水-热耦合作用下严寒地区高速铁路隧道温度场分布规律

为研究严寒地区高速铁路隧道修筑后,衬砌背后围岩冻结引发的隧道冻胀病害问题,以吉图珲客运专线榆树川隧道为例,综合考虑水分迁移和冰-水相变潜热对衬砌-围岩热传导的影响,建立了围岩冻结过程中的水-热耦合模型,结合现场实测大气温度,利用有限元法对榆树川隧道温度场进行了计算,得到了严寒地区隧道温度场的分布规律,确定了隧道发生冻结的最不利位置和最不利时间,并建立了隧道最大冻结深度与大气年平均温度之间的关系,分析了保温层对隧道防冻的作用,给出了保温层厚度和导热系数与隧道冻结深度的关系,提出了防止榆树川隧道发生冻结的保温层导热系数和厚度的建议值.     

西成铁路寒区主要隧道温度场及防寒设计分析

为探究西成铁路寒区隧道温度场分布规律，依据实测气象资料并考虑热位差对寒区隧道温度场分布的影响，对沿线20座隧道温度场进行了计算分析，归纳总结了寒区隧道洞内温度场分布规律。通过计算可知，隧道围岩径向的冻结深度随着地温增加以及洞外气温升高而减小，气温每降低1℃围岩径向冻结深度增加0.12 m；地温每增加1℃，围岩径向冻结深度减小0.08 m。隧道纵向温度场分布不对称性随隧道内外温差的增加以及进出口海拔高差的增加而显著，低海拔洞口段进出口高差每增加50 m，纵向冻结长度增加约360m；气温每降低1℃，低海拔洞口纵向冻结长度增加约300 m，高海拔洞口增加约110 m。     

高海拔严寒地区特长公路隧道温度场计算分析

寒区隧道修建的技术问题比一般地区要复杂得多,其中一个关键问题是这些地区一般要受到冻融、冻胀状态的影响。这两种状态周期性的交替变化将造成隧道结构的破坏。隧道处在何种状态可由隧道衬砌与围岩温度场的变化情况得出。通过对寒区隧道温度场的计算分析,确定隧道开挖前后围岩温度场的变化情况,为隧道采取相应的防冻技术措施提供依据。考虑相变潜热情况下对雀儿山隧道围岩瞬态温度场进行数值计算分析,确定隧道开挖前初始地温场。计算和预测隧道围岩在正常运营通风条件下的温度场变化,得出不同情况下保持隧道衬砌与围岩100年不冻的隔热层敷设厚度。     

寒区长大隧道温度实测与仿真

基于现场实测数据对寒区长大隧道内温度的变化规律进行了分析,基于数值仿真分析对不同环境气温、围岩原始地温、自然风速、列车运行速度和频率条件下隧道洞内温度场和冻结深度的变化规律及保温层的适用范围进行了研究.研究结果表明:若环境气温或围岩原始地温低,自然风速大,或列车运行速度大和运行频率高,则洞内可能出现负温分布,所以寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段;保温层法不能完全解决寒区长大隧道洞口保温问题,当环境气温低于15℃,持续冻结时间超过45d时,需要采取主动保温措施.     

寒区隧道围岩初始温度场及保温材料对非稳态温度场的影响

本研究利用商用模拟软件FLUENT,分别使用非稳态初始条件和均温初始条件,对寒区隧道围岩内温度场随时间的变化特性进行了模拟仿真,表明隧道围岩的初始温度场分布对准确模拟寒流导致的围岩温度分布有重要影响。分析了不同保温层材料对隧道围岩结构温度分布的影响,由于三种保温材料的热导率均比较小,5 cm厚保温层后的围岩温度相差不大,但是5 cm厚保温层不足以保证所依托隧道结构不发生冻害;需要根据寒区隧道的气象条件铺设主动加热带,从而有效防止冻害现象的发生。     

气象因素对季冻区超长铁路隧道温度场的影响

寒区隧道温度场研究是揭示隧道冻害机理、优化隧道服役性能的基础。当前多关注工程地质条件对隧道温度场的影响,而气象因素对季冻区隧道温度场影响的相关研究较为少见。本文依托某季冻区隧道工程,引入统计分析方法基于工程区近41年气象数据总结了典型气象条件参数,设置3种不利风向组合,利用三维有限元模拟分析了典型气象条件下不同风向组合的隧道温度场。以隧道出入口负温区长度及温差为评价指标,通过正交试验方法分析了气象因素对隧道温度场影响的敏感性。结果表明：研究区风温服从正态分布,风速及持续时间服从对数正态分布；典型气象条件下隧道入口负温长度约2680m,出口约240m,隧道入口为抗冻设防重点区域；隧道入口温差约7.2℃,出口温差约4.5℃,隧道入口温差大于隧道出口；隧道入口温度场主要受风温、风速影响,出口温度场受风温影响最大；隧道出入口负温长度及温差均随风温的降低逐渐增大,主导风向风速增加入口负温长度增大但温差逐渐减小。     

隧道内圆极化电磁波传播特性的研究

交通隧道的发展要求实现全程的无线通信.运用波导理论及格林函数法对固极化电磁波在长直圆形隧道中的场分布及传播特性进行了研究,得到了轴向距离的电场分布计算表达式,与已有隧道内传播损耗模型的比较也表明此模型更准确有效,其结果对于隧道内通信网络的优化有一定的指导意义.     

土层隧道动力分析

考虑土与隧道体的相互作用,忽略结构惯性力,根据反应位移法,将隧道设计过程中各种动荷载(包括地震和爆破荷载)形成的地震波引起的隧道周围的土体位移作为荷载,通过弹簧作用于支护结构体上,推导出较为简单实用的公式来计算隧道在地震中的纵向和弯曲荷载,并讨论了其设计中的塑性问题。     

大地电磁测深法探测山区深埋隧道隐伏构造——以安石隧道探测为例

隧道掌子面前方与上方存在的隐伏构造在隧道施工过程中具有极强的致灾性.针对云南凤庆安石隧道具有长、大、深埋,且其地表起伏大的特点,采用大地电磁测深法对隧道上方隐伏构造进行探测.首先对观测数据进行静态效应校正等预处理;随后进行带地形的基于光滑约束最小二乘反演,得到了隧道轴线及平行轴线的视电阻率剖面图;最后利用反演结果并结合研究区的区域地质构造、岩性特征以及水文地质条件等,揭示出与隧道斜交的两条隐伏构造的空间展布,该成果与后期钻探结果吻合,表明大地电磁测深法可以有效地探测出山区深埋隧道前方与上方隐伏构造的位置与姿态,为隧道安全施工与地质灾害防治提供了重要的参考依据.     

盾构扩挖法建造地铁车站的桩-柱-预应力支撑体系参数研究

盾构扩挖法建造地铁车站的施工方案的一个技术关键是在拆除部分管片之前对隧道结构进行加固.综合国内外对于管片破除时的加固措施,提出一种新型的支撑体系:桩-柱-预应力支撑体系.通过有限元分析对支撑体系中钢索预应力施加的位置和大小进行了研究.结果表明:管片开口部位的上下位置均需要施加预应力;远离管片开口部位的对面管片腰部也需要施加预应力,大小约为开口部位的10%;隧道外侧施做排桩有利于控制管片的纵向变形;在不超过混凝土设计强度的情况下,预应力越大,对管片纵向的约束越强.     

千枚岩隧道动态变形及其控制

通过千枚岩隧道实际施工的分析,阐述了隧道动态变形,变形控制施工方式以及关键施工工序,探讨了相关技术在隧道管理中的重要性。     

地铁隧道电磁波传输特性的研究

对空圆形隧道及隧道中含有纵向导体的电磁波传输特性进行分析，给出了相应的衰减率计算公式及波模方程，并且采用Muller法对其进行求解。得出如下结论：在平直空隧道中，频率越高，衰减率越小，越有利电磁波的传输；在含有纵向导线的隧道中，导线越靠近隧道壁，频率越高，则衰减越严重。     

岗石区间超小间距隧道施工技术

以城市地铁采用矿山法施工小间距隧道技术为研究目标，分析了地铁小间距隧道施工的技术难点和关键点，总结了地铁小间距隧道施工方法、技术思路和施工技术措施，介绍了广州地铁三号线岗石区间超小间距隧道工程实例。认为，地铁小间距隧道施工应采用综合性技术和措施，提高隧道支护结构的强度、刚度和整体性，减少和控制两条隧道开挖时的相互影响，合理地利用围岩自承能力，保证围岩与支护结构共同作用。     

盾构下穿地铁运营隧道沉降规律分析

为确保盾构安全顺利地下穿地铁运营隧道,避免下穿过程中引起运营隧道过量沉降,影响既有线运营安全,以北京地铁14号线阜通西站~望京站盾构区间隧道下穿地铁15号线运营隧道为工程背景,对左右线盾构2次下穿15号线运营隧道施工过程和沉降情况进行对比分析。在分析右线盾构首次下穿地铁运营隧道结构沉降规律的基础上,制定了左线盾构二次下穿运营隧道的施工参数和相关控制措施,确保了二次下穿运营隧道结构沉降控制在-3 mm以内,取得了良好的效果。研究结果表明:通过设定较高的土压力,采用盾体上的径向注浆孔向盾体和土体之间的空隙注入填充物,提高同步注浆浆液质量和及时进行二次补浆等措施能够有效减小运营隧道结构沉降;盾构施工引起15号线运营隧道的横向沉降范围与施工参数基本无关,左右线穿越有明显的叠加效应,叠加区域内,横向沉降显著影响区域在0~4 D;在不采取超前预加固措施的基础上,仅通过合理设定盾构施工参数和隧道内采取相关措施,能够将15号线隧道结构沉降控制在-3 mm以内。研究结果具有较强的工程实用价值,特别是对盾构下穿运营隧道施工方案的制定具有较强参考价值,也可为国内外类似盾构下穿既有线工程提供借鉴。     

铁路隧道建设理念和设计原则

铁路隧道的建设正处于前所未有的大发展时期,笔者在总结大量工程成功经验和失败教训的基础上提出了铁路隧道建设的基本理念：隧道必须建成遗产工程;隧道必须进行科学的风险评估;隧道建设必须合理工期、合理造价、合理合同、合理施工方案和设计原则;隧道必须进行信息化施工。提出了单双线隧道选择、隧道纵坡及辅助导洞设置、支护结构设计以及快速施工等隧道设计原则。隧道建设的理念和设计原则可指导今后铁路隧道的规划、设计和施工。     

顶管施工中的地面沉降及其估算

分析了软土地层中顶管开挖引起的地面沉降及沉降槽形状预测方法．对沉降曲线的推导和分析显示,沉降曲线取决于顶管隧道轴线处上部的地面沉降和曲线的拐点到顶管轴线的水平距离．所推导的理论得到顶管工程实例的验证．