处于高寒高海拔地区的浅埋隧道，由于冻土退化形成水(泥)囊，使得砂砾层被地下水不断侵入，导致隧道塌方，而采用普通的维护方案难以有效地进行风险控制。为解决这个问题，以景阳岭隧道出口浅埋段塌方事故为例，提出了“抗滑桩+冠梁”围护结构的处治方案，采用现场监测、有限元模拟等方法对该方案进行了验证与效果评价。还原围护结构施工的部分工序时，把模拟值与对应的现场实测值进行了对比。结果表明：结合地勘资料、超前地质探测报告及现场实际工况，认为围岩条件差、施工干扰是导致景阳岭隧道发生塌方的主要原因；模拟结果与实测结果吻合，表明数值模拟合理，具有对实际工程的可参考性；在增设抗滑桩+冠梁的施工方案后，初支结构的拱顶下沉、拱腰和拱脚的收敛分别为8.9,3,3.1 mm,原塌方轮廓线内的围岩变形最大值也不超过0.18 m,变形均符合设计规范的要求；初支结构受到的最大拉应力位于拱顶，为1.61 MPa,最大压应力位于拱腰，为2.75 MPa,受力均满足设计规范要求；初支结构的拱顶下沉、拱腰和拱脚的收敛分别为5.9,4.3,4.3 mm,最大变化速率0.1 mm/d,均满足原设计要求，表明该方案在实际工程中的治理效果良...

为明确在地质、环境、气候及施工开挖等因素共同影响下的洞口段热融规律,进一步完善寒区公路隧道洞口段边仰坡热融稳定性防治技术,依托青海省境内共玉(共和—玉树)高速公路姜路岭隧道,通过现场监测、数值模拟及理论分析,对洞口段洞内地温响应过程及变化规律进行深入研究,根据温度场的模拟计算结果,分析影响边仰坡及隧道内热融范围的主要因素,并判断控制温度场的方法。结果表明:坡面浅埋土体地层中的温度变化相对地表有着一定的滞后性,这种滞后性与深度成正比;太阳辐射对依托工程洞口段边坡热融的影响较大,即使是阴坡面也极有必要施做一定的遮阳措施来减小冻土热融;洞内围岩融化圈在施做二次衬砌之前增长和发育的速度较快,在施做一次衬砌前,围岩热融圈也已形成较大的规模,这对于还未受到强支护的洞室稳定性十分不利,应当注重二次衬砌施做前的洞内保温措施;施工开挖阶段坡面热融对洞内围岩热融的影响随着隧道埋深的增长迅速减小,应当注意对埋深特浅断面的拱顶围岩热融范围的影响,特别是对大范围热融贯通现象的防范。

季节性寒区隧道温度场随时间和空间不断变化,为明确季节性寒区隧道温度场的三维时空变化规律,为季节性寒区隧道防冻保温设计提供依据,依托某季节性寒区公路隧道设计了现场监测方案,在隧道洞口段一定范围内布置了5个环境温度场测试断面和2个围岩温度场测试断面,采用现场监测方法获取了隧道洞内环境温度场和围岩温度场随时间和空间的变化规律,在此基础上分别建立环境温度场和围岩温度场时空分布的统计模型,并推导了围岩冻结深度随时间和空间的变化规律。结果表明:隧道环境温度与时间和隧道进深具有三维变化关系,同一个监测断面温度与时间呈正弦函数变化,多个断面平均温度随着隧道进深呈近似线性变化,多个断面的温度振幅随隧道进深呈对数函数变化;隧道围岩径向温度与时间、隧道进深和围岩径向深度3个指标均有关系,同一断面围岩温度随时间也具有正弦变化特征,围岩温度幅值随围岩径向深度增大呈指数规律降低,达到一定深度后温度幅值为零,围岩平均温度呈对数规律变化;围岩冻结深度随时间呈周期性变化,随隧道进深增加呈减小趋势。研究结果可为季节性寒区隧道防冻保温设计提供指导。

为形成多年冻土区隧道动态信息反馈施工控制技术,主要研究了隧道施工冻融圈响应规律与控制要点。结果表明:喷射混凝土前,由洞内至围岩围岩内部,其温度逐渐下降。同一深度处围岩温度又会随时间缓慢增长;喷射混凝土后,尽管围岩越深部其温度逐渐降低,但浇筑混凝土产生的水化热对整个围岩温度场影响显著,总体来看,距离洞壁深度与水化热效果影响成反比,当深度超过2m,围岩受水化热作用轻微。喷射混凝土越晚,同一深度处围岩温度越高,冻融圈深度越大。

为明确冻土隧道超前支护适应性,主要进行了冻土段超前小导管和管棚的加固效果研究。结果表明:超前管棚和超前小导管应用于高温多年冻土段时,热扰动产生融化圈,在注浆加固范围以外形成热融弱化区,影响其加固效果。根据融化圈的影响深度,双层超前小导管对围岩温度场的扰动是管棚的3～4.5倍。管棚施工中,采用自进式跟管钻进工艺,可有效防止热融塌孔,显著提高孔效率。

针对高温多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律开展深入的理论分析、数值模拟和现场监测研究。首先,基于热传导理论,建立隧道衬砌和围岩径向传热模型,利用叠加原理和拉普拉斯变换法求得寒区隧道衬砌和围岩的温度场理论解;其次,建立洞内空气的传热微分方程,根据能量守恒原理,建立隧道纵向洞内空气与洞壁的气-固耦合传热模型,结合径向温度场理论解,提出多年冻土区隧道衬砌、围岩及洞内空气的三维温度场计算方法,该计算方法可考虑围岩、衬砌、保温层等多层传热介质及隧道沿洞轴线的不同埋深;最后,根据依托工程现场实测数据,反演围岩的热物性参数,并运用推导的隧道纵向传热模型和横向传热模型,分析姜路岭隧道不同冻土区内衬砌和围岩中的温度场分布规律。研究结果表明:在隧道径向,多年冻土和非冻土围岩温度都会随洞内气温的变化而产生波动,距离围岩表面越近,温度振幅越大,且热量在围岩径向传递过程中有一定的滞后性;在隧道纵向,在一年中最冷时刻,隧道衬砌及围岩温度呈"两端低,中间高",此时姜路岭隧道围岩、二衬表面最高温度分别为-2.72℃,-7.80℃;在一年中最热时刻,衬砌温度呈"两端高,中间低",此时姜路岭隧道二衬表面最低温度为1....

季节性冻土由内含冰的土壤、岩石构成,该地质结构受季节影响极为严重,在冬季时地层坚硬,在夏季时冻土会变成沼泽,造成地面沉降、凹陷等现象,使施工建设无法顺利进行,还会毁坏地基,影响工程建设安全性、稳定性。近年来,随着我国高铁在东北地区的全面布局,隧道穿越季节性冻土地带,如何解决冻融问题,保证隧道防冻结构的问题,逐步显现。依照吉图珲铁路客专项目隧道施工技术,研究季节性冻土地区隧道工程防冻结构,以期为季节性冻土隧道工程的建设施工综合能力提供依据。

提出一种用于解决圆柱形岩石巷道轴对称问题和确定其周围瞬时温度场的数学模型和算法,该方法的显著特征是在岩巷内沿与大气的接触面上引入空气热边界层。通过计算位于俄罗斯远东多年冻土区某实际岩体的融化深度,对该算法及模型进行了验证。研究结果表明:该方法计算所得岩层融化深度取决于隧道衬砌外侧的隔热层厚度,同时还给出了双侧开挖施工后沿隧道长度方向上岩体融化深度的计算结果。

为得到多年冻土区公路隧道围岩温度场和融化圈的发展规律,建立了围岩融化圈的计算方法,对融化圈深度和围岩温度的计算值与实测值进行了对比,采用有限元法分析了支护对融化圈的影响。分析结果表明:围岩温度平均误差不超过0.6℃,融化圈深度误差不超过10%,计算值与实测值吻合较好;每延迟1d施作喷射混凝土,融化圈深度增大10cm,喷射混凝土厚度每增加5cm,融化圈深度增加约10cm;一次模筑混凝土入模温度为15℃时的融化圈深度比入模温度为5℃时大了约10cm;当保温板厚度从5cm增加到20cm时,融化圈深度减小2/3,保温板及二次模筑混凝土水化热对融化圈深度有较大影响;洞内风速为3.0 m·s-1时的融化圈深度比洞内风速为1.0m·s-1时减小了10～20cm;施作喷射混凝土30、60、90、120d后,洞内气温为8℃时的融化圈深度为洞内气温为2℃时的1.25、1.31、1.35、1.40倍。可见,洞内气温宜控制在3℃5℃,围岩开挖后应尽早施作支护,宜选用低热或中热水泥以降低混凝土释放的水化热。

针对青藏高原多年冻土区高寒、大温差环境下公路隧道防冻保温与多年冻土保护问题,依托中国首座多年冻土区公路隧道建设实例,采用有限元软件ANSYS,分析了不同隧道保温隔热层铺设方式下的温度场变化,并利用模糊综合评价方法对保温材料性能进行了对比分析。结果表明:多年冻土区隧道宜采用双层铺设方式;保温材料铺设在二衬表面或离壁铺设时应优先选用福利凯保温板,保温材料夹层铺设时应优先选用硬质聚氨酯泡沫塑料材料;研究成果可为避免多年冻土区公路隧道冻害和冻土融化,保障结构长期稳定服役提供科学依据。