【摘要】：隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長,交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)逐漸趨于完善,鐵路與公路組成的陸路交通運(yùn)輸網(wǎng)向著人跡罕至、自然條件惡劣的高海拔寒冷地區(qū)逐漸延伸,這些地區(qū)大部分以海拔高、氣溫低、氣候環(huán)境惡劣等特點著稱。在這些地區(qū)修建公路、鐵路等地面交通基礎(chǔ)設(shè)施,一般需要修建隧道工程,隧道襯砌結(jié)構(gòu)的防凍脹措施是解決寒區(qū)隧道防凍害的關(guān)鍵技術(shù),決定著隧道在施工期和運(yùn)營期是否安全。本文以在建敦煌至格爾木鐵路當(dāng)金山隧道為依托,采用理論研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對群洞條件下高海拔寒區(qū)隧道的溫度場—應(yīng)力場進(jìn)行耦合分析,研究了不同洞室條件下敷設(shè)保溫層對隧道溫度場分布、豎向位移場及襯砌結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力的影響;對隧道洞口段保溫層選型、厚度及保溫設(shè)防段長度進(jìn)行分析,提出在保溫設(shè)防段范圍內(nèi)沿隧道縱向敷設(shè)不同厚度保溫層;指出極端氣溫條件下在隧道洞口段設(shè)置電加熱系統(tǒng)以輔助隧道防寒的措施,并對電加熱系統(tǒng)功率與洞內(nèi)氣溫的關(guān)系進(jìn)行了研究;最后,從極端氣溫條件下圍巖穩(wěn)態(tài)溫度場和正常氣溫條件下圍巖瞬態(tài)溫度場兩個方面對隧道的防寒保溫效果進(jìn)行了預(yù)測,得到的結(jié)論如下:(1)外界大氣溫度變化對洞內(nèi)溫度的影響范圍約距洞口2000m,2000m之后洞內(nèi)氣溫是正值,隧道進(jìn)口段氣溫每年約有5個月的時間處于0℃以下;(2)主隧道、平導(dǎo)和防寒泄水洞均未敷設(shè)保溫層的前提下,各洞室凍脹圈深度隨加載時間的增加逐漸增大,當(dāng)主隧道和平導(dǎo)的水平間距取40m時,平導(dǎo)的存在會加速主隧道的凍脹,但對主隧道的凍脹圈深度無影響;三洞均存在時防寒泄水洞邊墻處的等效應(yīng)力值最大,為10.73MPa,是最危險部位,在施工和運(yùn)營中應(yīng)增強(qiáng)邊墻位置的支護(hù)剛度,以確保隧道結(jié)構(gòu)的安全;(3)主隧道、平導(dǎo)和防寒泄水洞施做5cm保溫層可較大程度地減小各洞室的凍脹圈范圍,加載5個月,主隧道的保溫層和二次襯砌中存在負(fù)溫區(qū),平導(dǎo)的保溫層和初期支護(hù)中存在負(fù)溫區(qū),防寒泄水洞的負(fù)溫區(qū)僅存在于保溫層內(nèi),各洞室襯砌結(jié)構(gòu)背后的圍巖內(nèi)不存在負(fù)溫區(qū),且主隧道、平導(dǎo)和防寒泄水洞均敷設(shè)保溫層后各洞室的凍脹圈范圍互不影響;(4)經(jīng)過對酚醛泡沫、聚氨酯、聚苯乙烯和高壓聚乙烯等保溫材料性能的比選,選用酚醛泡沫材料作為隧道的保溫材料較合適;通過對主隧道分別鋪設(shè)1cm、3cm、5cm、7cm保溫層,防寒泄水洞分別鋪設(shè)5cm、3cm、1cm保溫層,平導(dǎo)不設(shè)保溫層的6種方案分析可知,主隧道和防寒泄水洞敷設(shè)不同厚度保溫層對彼此的凍脹圈深度無影響,且各洞室敷設(shè)保溫層厚度由1cm增加至3cm時,各洞室的凍脹圈深度最大可減少1m左右;(5)通過數(shù)值模擬多次試算及經(jīng)驗公式綜合分析,建議主隧道保溫段長度取1350m,距隧道洞口955m～1350m的范圍設(shè)置1cm保溫層,距洞口184m～955m的范圍設(shè)置3cm保溫層,距洞口0～184m的范圍設(shè)置5cm保溫層;防寒泄水洞保溫段長度取835m,距洞口835m～330m的范圍設(shè)置3cm保溫層,距洞口0～330m的范圍設(shè)置5cm保溫層;(6)洞內(nèi)溫度低于-15℃,主隧道和防寒泄水洞洞口段除設(shè)保溫層外還需設(shè)電加熱系統(tǒng)以輔助隧道防寒。當(dāng)洞內(nèi)溫度在-15℃～-20℃之間,電加熱系統(tǒng)功率選用12W/m~2,洞內(nèi)溫度在-20℃～-25℃之間,電加熱系統(tǒng)功率選用20W/m~2,洞內(nèi)溫度在-25℃～-30℃之間,電加熱系統(tǒng)功率選用55W/m~2,洞內(nèi)溫度在-30℃～-35℃之間,電加熱系統(tǒng)功率選用130W/m~2;(7)極端氣溫條件下,未設(shè)置電加熱系統(tǒng),主隧道和防寒泄水洞附近圍巖、主隧道初期支護(hù)、二次襯砌和防寒泄水洞襯砌結(jié)構(gòu)的溫度在-5℃以下,設(shè)置電加熱系統(tǒng)后,圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的溫度均上升至-5℃以上;正常氣溫條件下加載5年,主隧道和防寒泄水洞附近圍巖、主隧道初期支護(hù)、二次襯砌和防寒泄水洞襯砌結(jié)構(gòu)的溫度值均在-5℃以上。表明,在不考慮保溫層老化的前提下,論文提出的綜合防寒保溫措施可有效預(yù)防隧道發(fā)生凍脹破壞。
【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】：2018
【分類號】：U457.2
【圖文】：

主洞、平導(dǎo)和防寒泄水洞布置示意圖繪于圖 2.1。圖 2.1 進(jìn)口段三洞布置示意圖2.1.1 地形地貌條件當(dāng)金山隧道位于當(dāng)金山中高山區(qū)，山體南北兩側(cè)寬度一般 25~35km，隧址區(qū)山體寬度約 28km。由于受東西向斷層的影響，山間東西向斷陷盆地較發(fā)育，且地形開闊，盆地斷面呈“U”字形寬谷，谷底高程一般在 2800m~3600m。隧道通過區(qū)地面高程一般在2864m~3700m 之間。2.1.2 水文氣象條件當(dāng)金山隧址區(qū)地下水多以基巖裂隙水為主，基巖裂隙水按成因分為網(wǎng)狀風(fēng)化基巖裂隙水及脈狀構(gòu)造裂隙水。隧道位于高寒半干旱氣候區(qū)，季節(jié)性溫差較大，雨季和旱季明顯，年降水量不大。多年平均氣溫 3.1℃，最低溫度-34.3℃，最高溫度 35.9℃；年平均降水量 127mm

蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文2.1.3 地質(zhì)構(gòu)造條件當(dāng)金山隧道在區(qū)域上屬于祁連山脈與阿爾金山脈的結(jié)合部位（見圖 2.2），位于當(dāng)金山中高山區(qū)褶皺帶，隧址區(qū)具體褶皺類型列于表 2.1。隧道共通過 10 條斷層，其中區(qū)域性斷裂 2 條，次級斷裂 8 條，如圖 2.3 所示。這些斷裂大多在溝谷內(nèi)形跡明顯，部分?jǐn)嗔训乇肀坏谒南蹈采w，地貌上比較明顯，該隧道整體較破碎，工程地質(zhì)條件較差。

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本文編號：2720051