【摘要】：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,季節(jié)性凍土分布于大部分國土,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)。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展,各地對交通建設(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,洞口段相對于非洞口段既受到隧道洞內(nèi)空氣的溫度影響,又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)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,歸納相關(guān)理論知識后,首先考慮當(dāng)?shù)氐臍庀笠?利用有限體積軟件FLUENT對青海某隧道全段進(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,研究季節(jié)性凍土隧道洞口段凍結(jié)圈的分布規(guī)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10.9Mpa,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。最后針對季節(jié)性凍土隧道洞口段凍脹應(yīng)力場的特點(diǎn),提出了對注漿防水防凍技術(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,凍脹應(yīng)力場,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,即防寒保溫大門與加熱技術(shù)為主,排水防凍技術(shù)、寬松圍巖邊界、加強(qiáng)隧道襯砌自身抗凍脹為輔的技術(shù)措施。并且通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了防寒保溫大門與加熱技術(shù)相結(jié)合保溫措施的可靠性。其中FLUENT涉及流-固耦合,ANSYS涉及熱-力耦合,滲流場在全程有考慮,主要體現(xiàn)在物性參數(shù)上。季節(jié)性凍土隧道洞口段防凍保溫是整個(gè)隧道防凍保溫的關(guān)鍵一步,龍頭一步,只有先把洞口段防凍保溫做好,才能把整個(gè)隧道的防凍保溫做好。
【圖文】：

蘭州交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文提出及研究意義上，，凍土(包括瞬時(shí)凍土、季節(jié)性凍土和多年凍土)總面積大約在我國，多年凍土和季節(jié)性凍土分別占國土面積的 20%和 55%北老工業(yè)基地和西部大開發(fā)國策的進(jìn)一步實(shí)施，實(shí)現(xiàn)“一帶一極倡導(dǎo)構(gòu)建＂橫貫東西、縱貫?zāi)媳�、�?nèi)暢外通＂的綜合運(yùn)輸大南、東北對外交通走廊，加快推進(jìn)高速鐵路成網(wǎng)，完善國家高基礎(chǔ)建設(shè)將繼續(xù)向西部或東北地區(qū)延伸在這列高海拔高緯度的展交通運(yùn)輸網(wǎng)的最佳選擇，但是需面臨凍害這一嚴(yán)峻的問題。

道設(shè)置雙側(cè)深埋水溝，混凝土防滲等級不低于 P6。青海某隧道洞口段目前存在以下問題： 洞口段有的上行拱腰、拱頂滲水；有的上行拱腰、邊墻滲水，裂縫情況如圖 3.1 所示。另外洞身段部分低端也存在滲水、襯砌裂縫問題。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U453

【參考文獻(xiàn)】

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1 龍W

本文編號：2578329