季節(jié)性凍土隧道洞口段防凍保溫技術(shù)研究.pdf

1、在地球上，凍土（包括瞬時(shí)凍土、季節(jié)性凍土和多年凍土）總面積大約占陸地總面積的50％;在我國(guó)，季節(jié)性凍土分布于大部分國(guó)土，包括以賀蘭山至哀牢山一線以西的廣大地區(qū)，以及此線以東、秦嶺-淮河線以北地區(qū)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，各地對(duì)交通建設(shè)的需求不斷增加，已有隧道及新建隧道處于季節(jié)性凍土區(qū)域的數(shù)量龐大，多有凍害產(chǎn)生。隧道凍害災(zāi)害主要有:襯砌洞內(nèi)的掛冰、滲水，隧道底部的冒水、積冰凍脹，襯砌開裂。寒冷地區(qū)隧道的病害調(diào)查分析結(jié)果表明，凍脹力是寒

2、冷地區(qū)隧道變形破壞的外力根源。另一方面，凍融作用會(huì)加劇圍巖的風(fēng)化作用，圍巖破碎程度的增加又為凍脹力的加劇提供了更有利的條件。研究表明，寒區(qū)隧道中的溫度沿洞身進(jìn)深變化大致呈拋物線型分布，暖季為中間段低，進(jìn)出口段高;寒季相反，中間高，進(jìn)出口段低。因此，寒區(qū)隧道凍害多發(fā)生在進(jìn)出口段位置，隧道凍害防治的重點(diǎn)部位是進(jìn)口、出口段。
　　季節(jié)性凍土隧道的防凍保溫研究，首先就是洞口段的防凍保溫，洞口段相對(duì)于非洞口段既受到隧道洞內(nèi)空氣的溫度影響，又

3、受到外界大氣的影響，是內(nèi)外氣溫影響的重災(zāi)區(qū)。洞口段不防凍保溫的話，就會(huì)導(dǎo)致靠近的非洞口段也成為重災(zāi)區(qū)，那整個(gè)隧道的防凍保溫就無從談起，所以想要做好季節(jié)性凍土隧道的防凍保溫，免受凍害的破壞，就要先要保證洞口段不受凍害的破壞。因此本文的研究主旨就是季節(jié)性凍土隧道洞口段防凍保溫技術(shù)研究。
　　正文以季節(jié)性凍土隧道青海某隧道為工程實(shí)例，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，歸納相關(guān)理論知識(shí)后，首先考慮當(dāng)?shù)氐臍庀笠?，利用有限體積軟件FLUENT對(duì)

4、青海某隧道全段進(jìn)行數(shù)值模擬。研究隧道襯砌圍巖與隧道內(nèi)空氣的對(duì)流換熱規(guī)律，擬合出洞口段隧道內(nèi)壁溫度分布函數(shù)，該函數(shù)與大氣擬合函數(shù)結(jié)構(gòu)相似，二者振幅、相位變化不明顯，二者的時(shí)效性是基本相同的這與實(shí)際情況中二者幾乎相同時(shí)間受到風(fēng)流溫度場(chǎng)影響是相符的，變化方向主要受外界大氣溫度和原始地溫場(chǎng)二者共同影響。
　　并以此函數(shù)作為荷載，通過有限元軟件ANSYS的APDL語言數(shù)值模擬研究青海某隧道洞口段溫度場(chǎng)，研究季節(jié)性凍土隧道洞口段凍結(jié)圈的分布規(guī)

5、律:首先，在外大氣和洞內(nèi)氣溫的雙重作用下，形成了圍繞洞口一圈的氣溫影響加強(qiáng)帶，該加強(qiáng)帶的明顯特征是等溫曲線間隔比別處大，而且隨著洞深的增加，等溫線的間距在逐漸變小;其次，越靠近隧道洞口溫度越低，沿著徑向溫度逐漸升高;最后，關(guān)于凍結(jié)圈的范圍，隨著距離洞口的增加，凍結(jié)圈在逐漸減小。
　　再在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS數(shù)值模擬洞口段襯砌圍巖的凍脹力，了解凍脹力的大小及分布規(guī)律，仰拱處的等效凍脹應(yīng)力最大，洞口段襯砌的凍脹力大小不一，最大為1

6、0.9Mpa，足以破壞隧道襯砌，洞口截面仰拱處出現(xiàn)最大等效凍脹應(yīng)力的原因是此處有最大凍結(jié)深度，而且，邊界約束條件在此處相對(duì)最為集中;凍結(jié)圈周圍在溫度波的前進(jìn)方向上有較大的等效凍脹應(yīng)力。
　　最后針對(duì)季節(jié)性凍土隧道洞口段凍脹應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)，提出了對(duì)注漿防水防凍技術(shù)的質(zhì)疑與擔(dān)憂，提倡寬松隧道洞口段圍巖邊界的建議。根據(jù)洞口段的溫度場(chǎng)，凍脹應(yīng)力場(chǎng)，總結(jié)歸納傳統(tǒng)的防凍保溫技術(shù)，分析出適宜季節(jié)性凍土隧道洞口段防凍保溫技術(shù)的綜合措施，即防寒保溫大