青藏铁路风火山隧道信息化施工关键技术研究

摘要

青藏铁路建设已于2006年7月1日建成通车，其中世界海拔最高的风火山隧道作为重点控制工程，已经建成并安全运营3年之久。风火山隧道是典型的多年冻土区铁路隧道，海拔4905m，穿越1338m含冰量较高的多年冻土地段，是全线施工难度最大的工程之一。
　　 冻土区隧道工程与普通隧道工程的最大区别在于，隧道开挖后在新的环境条件下隧道衬砌背后逐渐形成新的冻融圈，这种冻融圈土体的冻融过程对隧道稳定性产生很大影响。冻土区隧道设计和施工的关键是要解决和控制运营和施工过程中，围岩土体冻融造成洞体洞身的冻胀和冻融疏松作用等所引起的冻土区隧道稳定性的问题。
　　 冻土区隧道施工过程中，工程活动和工程结构对冻土环境的热扰动最终会形成新的冻土环境条件和新的冻融活动层，即冻土区隧道冻融圈。冻融圈的形成是隧道温度场形成的一种热学过程，形成后隧道应力-应变体系的调整是隧道应力场形成的一种热—力学过程。这种复杂过程自施工阶段即处在动态变化过程中，冻土区隧道施工过程忠许多影响隧道施工和安全使用的因素具有很大的不确定性，监测这种过程及其主要影响因素，反馈并引导隧道工程设计和施工，应用全新的信息化管理模式进行冻土区隧道工程施工管理和引导，是解决这种不确定性的较好途径。
　　 本文作者在风火山冻土区隧道施工过程中，建立了隧道变形、围岩温度及洞内外气温、围岩土压力、冻胀力、衬砌背后水压力以及冻土隧道锚杆抗拔力监测等一系列完整的动态信息监测体系，从围岩的开挖和支护过程获得围岩稳定性和支护设施工作状态信息，通过分析研究这些信息，得出隧道围岩地温场变化、围岩稳定性和支护作用工作状态，据以确定新的围岩及支护参数，并反馈于设计和施工决策。并根据研究成果建立了包括冻土区隧道施工信息采集、信息处理与信息反馈的施工管理体系，实现了工程进度、成本、质量、安全等项目的信息化管理，为今后冻土区隧道施工信息化管理奠定了技术基础。
　　 本文所涉及的信息化施工技术研究成果在青藏铁路工程实践中得到广泛应用，应用效果证明了这种信息管理系统的系统性和完整性，信息、采集、信息处理和信息反馈的先进性、典型性，管理方法具可操作性和实用性。
　　 从影响冻土区隧道工程稳定性的环境气温、冻土地温、冻土含冰量等主要因素入手，对多年冻土区风火山隧道的工程地质条件进行了分析。首次提出了多年冻土区隧道信息化施工技术的概念及其在施工中应用等，通过施工过程中动态信息监测，分析了动态信息与施工间的关系，有针对性地预测了隧道稳定性，获得大量用于指导施工和设计的反馈信息。同时作者根据风火山冻土区隧道施工过程中动态信息监测、预测和反馈分析，对不同冻土和环境条件下所采取的不同支护措施、衬砌形式、防排水体系、保温体系的施工关键技术进行了系统深入的研究，提出一整套的冻土区隧道施工保证技术，与信息化施工管理共同构成青藏铁路冻土区隧道施工的成套新技术。
　　 世界海拔最高，施工条件最复杂的风火山冻土隧道建成3年来使用情况说明，应用本文研究成果的冻土区隧道施工新技术是成功的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题的意义和背景

1.2国内外研究现状

1.2.1冻土区隧道冻害问题研究

1.2.2隧道围岩温度场研究

1.2.3衬砌支护等施工技术研究

1.2.4寒区隧道衬砌隔热技术研究

1.2.5青藏铁路开工建设以来冻土区隧道技术研究进展

1.3本文研究主要内容

第二章风火山隧道的冻土环境和工程环境条件

2.1风火山区域自然条件

2.2冻土工程地质特征

2.3区域水文地质特征

2.4风火山隧道工程设计特点

2.5冻土区隧道冻融圈的形成和工程的特殊性

2.5.1隧道环境气温

2.5.2隧道围岩冻融圈形成及危害

2.5.3隧道围岩冻融过程温度场阶段变化特征

第三章青藏铁路冻土区隧道信息化技术

3.1冻土区隧道信息化施工技术概念

3.1.1动态信息类型

3.1.2冻土区隧道信息化施工技术分类

3.1.3信息化施工管理方法

3.2冻土区隧道信息化施工方法组成部分

3.2.1信息化施工主要问题

3.2.2动态信息采集

3.2.3动态信息处理

3.2.4动态信息反馈

3.3冻土区隧道施工动态信息采集主要内容

3.3.1冻土区隧道施工变形量测

3.3.2隧道开挖面温度量测

3.3.3隧道衬砌冻胀力监测

3.3.4隧道衬砌背后水压力变化规律监测

3.3.5冻土锚杆受力实验监测

3.4信息反馈对设计和施工的作用

3.5信息化施工技术认识

第四章风火山隧道施工中动态信息分析

4.1冻土区隧道施工变形量测分析

4.1.1地表沉降监测

4.1.2冻土区隧道收敛位移观测

4.2.2风火山隧道围岩温度变化规律及冻融圈分析

4.3隧道衬砌冻胀力监测

4.3.1洞口段试验结果分析

4.3.2洞身段试验结果分析

4.4隧道衬砌背后水压力变化规律监测

4.5冻土锚杆受力变化规律监测

第五章风火山隧道动态信息预测分析

5.1风火山隧道围岩温度场的理论分析

5.1.1数学模型及初边值的确定

5.1.2数值计算结果分析

5.2围岩压力及冻胀力作用的理论计算和分析

5.3洞口浅埋段施工力学分析

5.3.1计算模型建立

5.3.2掘进过程变形分析

5.3.3结构受力及稳定分析

第六章风火山隧道施工信息的反馈分析

6.1施工中变形量测信息反馈

6.2温度测量信息反馈

6.2.1风火山隧道进口环境温度

6.2.2风火山隧道出口环境温度

6.2.3洞内环境温度实测值与计算值比较

6.3水压监测信息反馈

6.3锚杆轴力信息反馈

第七章冻土区隧道施工保证关键技术研究

7.1风火山隧道施工技术的特殊性

7.1.1自然条件的特殊性

7.1.2生态环境保护特殊性

7.1.3冻土隧道施工技术特殊性

7.2风火山冻土隧道施工关键技术

7.2.1信息反馈控制技术

7.2.2网络管理控制技术

7.2.3明洞浅埋段保温施工技术

7.2.4多年冻土隧道防水及保温施工技术

7.2.5排水系统施工

7.2.6隧道工程低温早强耐久性混凝土施工技术

7.2.7冻土隧道施工光面爆破技术

7.3风火山冻土隧道施工辅助保证技术

7.3.1高原隧道施工供氧环境保证技术

7.3.2多年冻土区隧道施工环境保护技术

7.3.3高寒低温下机械设备配套技术

7.3.4施工环境温度控制技术

第八章结论

参考文献

个人信息

致谢