鸡鸣驿隧道温度场分布规律及其冻胀影响因素分析

摘要

内蒙古大准铁路沿线许多隧道均出现了较多的冻害问题如:衬砌冻胀、开裂、剥落、渗漏水等，这些冻害问题会严重影响线路的正常运行。基于上述原因，急需对隧道的温度场分布规律及冻胀影响因素进行分析。本文依托典型的寒区冻害隧道—大准铁路鸡鸣驿隧道，在查清隧址区的气象水文、地质条件、工程特点以及隧道冻害特征和分布的前提下，使用测温元件对隧道部分断面的温度进行监测，分析实测温度数据的分布规律;使用拟合方法研究隧道温度场分布特征;利用ANSYS软件模拟分析隧道部分断面的温度场在各种工况下的分布特征和变化规律;结合鸡鸣驿隧道的地质条件、工程特点及温度场分布规律计算分析隧道冻胀力大小，由计算过程定量分析影响隧道的冻胀因素;根据本工程冻害的实际情况提出适用的冻害治理措施。主要完成了以下工作:
　　(1)通过对隧道地质条件、气象水文、工程特点的调查以结合隧道冻害特点和分布，定性分析隧道冻胀冻害发生的主要因素的是“低温”和“水”加之本身使用时间较长且没有较全面的考虑防冻害措施。
　　(2)通过对隧道不同断面和深度进行温度监测，分析研究实测温度的分布规律;用数学拟合的方法分析隧道温度在时间和空间上的变化规律，并研究温度拟合在分析隧道温度场规律上的可行性。通过分析可以得出在寒冷冬季距离隧道口越远的位置，平均温度越低，距离隧道衬砌表面径向深度越深的位置，平均温度越高，温度振幅越低;温度拟合能快速有效分析隧道温度场分布规律。
　　(3)利用ANSYS有限元软件对隧道断面4天在然工况下和断面1在天然工况下和不同保温层厚度工况下进行了温度场的模拟，并结合实测温度数据，分析隧道断面在各种工况下温度场的分布规律变化，为隧道治理提供依据;
　　(4)结合隧道温度场分布规律和工程特点，分别计算鸡鸣驿1号岩质围岩隧道和鸡鸣驿2号土质围岩隧道的冻胀力大小分析影响冻胀因素，通过计算和分析，可以得出影响围岩冻胀的主要因素是水、低温、围岩条件和衬砌条件，计算及分析结论可为消减冻胀、减轻冻害提供理论支撑。
　　(5)结合鸡鸣驿隧道工程特点、冻害类型和隧道温度场模拟结论提出适合本工程的治理方案。确定在距离隧道口100m范围内铺设5cm厚的保温层，对其余有冻害发生部位铺设3cm保温层保温层厚度，厚度可根据工程实际适当增加;对于冻害发生较严重的部位，如部分积水冒冰的部位可以使用注浆的方式排水加固。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及选题意义

1．2 研究现状

1．2．1 温度场研究现状

1．2．2 冻胀研究现状

1．2．3 冻害治理研究现状

1．3 研究目的和内容及方法

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．3．3 研究方法及技术路线

第2章 鸡鸣驿隧道冻害现状

2．1 鸡鸣驿隧道工程地质特点

2．1．1 工程概况

2．1．2 气候特征

2．1．3 地质条件

2．1．4 工程地质评价

2．2 鸡鸣驿隧道冻害类型及因素

2．2．1 寒区隧道的分类及冻害类型

2．2．2 鸡鸣驿隧道冻害类型

2．2．3 鸡鸣驿隧道冻害形成原因

2．2．4 小结

第3章 鸡鸣驿隧道温度场分布规律

3．1 隧道温度场监测

3．1．1 影响隧道温度场的基本因素

3．1．2 隧道温度场的监测方法

3．2 隧道温度场监测成果及规律分析

3．2．1 不同断面温度规律分析

3．2．2 不同位置温度规律分析

3．2．3 不同深度温度规律分析

3．3 隧道温度场的拟合分析

3．3．1 隧道围岩温度的径向变化规律

3．3．2 隧道表面温度的年变化规律

3．3．3 隧道围岩温度拟合结果

3．3．4 拟合分析结果与实测温度的比较

3．3．5 小结

3．4 隧道温度场的有限元模拟

3．5 断面4温度场模拟

3．5．1 初始温度场与温度荷载

3．5．2 热物理参数确定

3．5．3 建立模型

3．5．4 断面4天然工况模拟结果及分析

3．6 断面1温度场模拟

3．6．1 初始温度场与温度荷载

3．6．2 热物理参数确定

3．6．3 建立模型

3．6．4 断面1天然工况模拟结果及分析

3．6．5 断面1敷设保温层后的模拟结果及分析

第4章 鸡鸣驿隧道冻胀影响因素分析

4．1 寒区隧道冻胀破坏机理

4．1．1 围岩的冻胀机理

4．1．2 混凝土的冻害机理

4．2 围岩冻胀力产生机理

4．2．1 冻融岩石圈整体冻胀说

4．2．2 积水冻胀说

4．2．3 含水风化层冻胀说

4．3 冻胀力计算模型

4．3．1 岩石隧道冻胀力计算模型

4．3．2 土层隧道冻胀力计算模型

4．4 隧道冻胀力计算

4．4．1 鸡鸣驿1号岩质隧道冻胀力计算及分析

4．4．2 鸡鸣驿2号土质隧道冻胀力计算及分析

4．4．3 小结

4．5 隧道围岩冻胀影响因素

4．5．1 岩质围岩冻胀因素分析

4．5．2 土质围岩冻胀因素分析

第5章 隧道冻害防治研究

5．1 防排水措施

5．2 隧道保温防冻胀措施

5．2．1 保温隔热措施

5．2．2 加热措施

5．3 鸡鸣驿隧道防冻害措施研究

5．3．1 隔热板铺设研究计算

5．3．2 堵排水方案选取

结论

展望

致谢

参考文献