高海拔寒区高速铁路隧道施工及抗防冻技术研究

摘要

随着我国基础建设事业的高速发展和西部大开发的进一步推进，我国的公路工程、铁路工程和地下工程迅猛发展，尤其我国步入高速铁路快速发展的时期，其大量长大隧道工程落户于西部地区，穿越高海拔寒区。大阪山隧道是兰新第二双线高速铁路的头号控制性工程，属于Ⅰ级风险隧道。高海拔寒区隧道所处的工程地质、气候条件往往比较恶劣，本文期望通过对隧道施工中通风供氧技术、防冻胀技术、防排水措施、施工机械化等方面的研究，探索一种类似条件下（生态脆弱、海拔相对较高、冻土深度相对较深的高寒地区）修建高速铁路隧道的技术可行、经济合理、有利环保的隧道施工技术，以补充在高海拔高寒地区修建高速铁路隧道的施工技术，对以后同类高海拔高寒地区高速铁路隧道的修建提供一定施工技术支持。
　　1、大阪山隧道防冻胀参数的设计，首先是根据大阪山隧道的工程地质气候条件确定隧道的冻害类型为第Ⅲ类型冻害隧道，然后对隧区范围地温的实测从而获得第一手资料，并且在隧道的洞口段实测隧道径向一定范围内的温度以及隧道一定纵深范围内衬砌侧壁面温度。第二根据隧道不同埋深条件下，利用有限元软件ANSYS来模拟其冻胀的圈的大小以及冻胀力的大小，在根据广义的冻胀力来判断冻胀力的等级，据此来设计保温层。而且根据实测2月大阪山隧道各部分的温度数据可知道，说明保温层的计算参数是处于安全系数范围内的。
　　2、在高海拔寒区低压低氧的情况使得长大隧道施工时通风较为困难，大阪山隧道根据施工时的不同阶段采取了不同的施工通风组织方式。对于施工时的低氧问题采取掌子面附近弥漫散氧的措施保障了施工时掌子面附近工人对于氧气的需求，而且有机结合了个人携带式供氧器以及氧气供应氧吧车。大阪山隧道的有效的施工通风组织管理以及供氧保证了施工时隧道内适于人员安全有效的进行工作的环境。
　　对于隧道洞口段，隧道施工开挖前围岩就处于冻土状态。由于施工时产生的外界热量，可能是得掌子面附近围岩的热融现象，从而影响围岩的稳定性。为了减少施工开挖时对于原有冻土的扰动，特意采取施工通风降温的措施消除外界热量，保证原有围岩的原始热力学状态。通过理想情况下的理论公式计算以及利用Fluent软件进行数值模拟可知保证通风风管末端风流的温度来保证施工时掌子面附近以及围岩处于0℃左右，从而避免施工而产生的热融现象。
　　3、隧道发生冻害的四个基本因素为温度条件、水文条件、围岩条件、工程措施，只要有效的采取措施阻隔其中一个因素即可实现较好的防冻害效果。对于大阪山隧道除了采取设置隔热保温层从温度条件了防冻害，而且采取了有效的防排水系统从水文条件降低冻害。对于地下水水发育区进行低温注浆止水，并利用防寒泄水洞排水会达到更好的排水效果，而且利用的Midas/GTS模拟了防寒泄水洞施工开挖对于正洞施工开挖的影响，可知泄水洞的施工不会对正洞造成不良影响。
　　4、在大阪山隧道的寒冷气候条件下，低氧低压使得内燃机械的功率达不到额定功率，而且内燃机在低氧情况燃烧不充分排出大量尾气增加施工通风的难度。因此更多采用更先进的以及电力驱动的机械设备以及合理的机械配套措施。从施工开挖、喷护、初支、仰拱采取大型机械设备不仅提高了施工掘进速度也节约了人力及材料成本。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．1．1 高海拔隧道施工基本概念

1．1．2 高海拔寒区隧道施工特征

1．2 研究背景及意义

1．3 国内外高海拔高寒地区隧道研究现状与发展

1．3．1 国内高海拔寒区隧道研究现状

1．3．2 国外高海拔高寒地区隧道研究现状

1．4 本文主要研究工作

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究路线

1．5 大阪山工程地质概况

1．5．1 大阪山隧道工程概况

1．5．2 大阪山隧道地质概况

1．5．3 大阪山隧道水文概况

第二章 高海拔寒区隧道防冻害技术研究

2．1 冻土基本理论的研究

2．1．1 高海拔寒冷地区冻土分类

2．2 高海拔寒区隧道冻害的研究

2．2．1 高海拔寒区隧道冻害产生的机理

2．2．1 高寒地区隧道冻害现象

2．2．2 高寒地区冻害分级

2．2．3 高海拔寒区隧道产生冻害本条件

2．3 冻土隧道的分类

2．4 大阪山隧道温度场监测

2．4．1 温度条件

2．4．2 大阪山隧道地温测试

2．4．3 大阪山隧道温度场监测

2．4．4 隧道温度场分布规律

2．5 大阪山隧道冻胀圈及冻胀力数值模拟及其规律分析

2．5．1 寒区隧道冻胀圈及冻胀力理论计算

2．5．2 大阪山隧道冻胀圈及冻胀力数值模拟

2．6 大阪山隧道冻害预测

2．6．1 划分冻胀力等级的标准

2．6．2 大阪山隧道冻害预测

2．7 高速铁路大阪山隧道抗防冻技术研究

2．7．1 洞口段防冻技术

2．7．2 保温隔热技术

2．8 小结

第三章 高海拔寒区隧道施工通风供氧技术研究

3．1 隧道施工作业环境

3．2 隧道施工通风

3．2．1 隧道施工通风的目的和任务

3．2．2 隧道内施工风速要求

3．2．3 隧道施工通风方式

3．3 高海拔地区通风的特点

3．3．1 高海拔地区空气含氧量

3．3．2 高海拔寒区有害污染气体限制值

3．4 大阪山隧道施工通风技术研究

3．4．1 通风设备改造

3．4．2 施工通风计算

3．4．2 隧道通风风机选型分析

3．4．2 大阪山隧道通风方案的设计与实施

3．4．3 隧道施工通风降温

3．4．4 大阪山隧道施工供氧技术

3．5 小结

第四章 高海拔寒区隧道防排水系统研究

4．1 高海拔寒区高速铁路隧道防排水系统

4．1．1 防水标准

4．1．2 防排水设计原则

4．2 高海拔寒区隧道防排水系统设计原则

4．3 高海拔寒区高速铁路隧道防排水系统研究

4．3．1 高速铁路隧道防水

4．3．2 高速铁路隧道主要排水工程系统

4．3．3 寒区隧道排水措施

4．4 高海拔寒区高速铁路大阪山隧道防排水系统研究

4．4．1 高速铁路大阪山隧道防排水系统

4．4．2 高速铁路大阪山隧道防寒泄水洞

4．4．3 高速铁路大阪山隧道低温注浆止水技术

4．5 小节

第五章 高海拔寒区隧道机械施工技术研究

5．1 高海拔寒区环境对施工机械设备的影响

5．1．1 高海拔高寒气候环境的特点

5．1．2 易受高海拔寒区环境影响的施工设备

5．1．3 高海拔寒区环境对施工机械设备的影响主要表现

5．2 大阪山隧道高海拔寒区施工的针对性措施

5．3 大阪山隧道机械设备配套技术

5．3．1 开挖设备

5．3．2 通风电力设备

5．3．3 出渣设备

5．3．3 支护设备

5．3．4 仰拱铺底

5．4 隧道机械施工机械设备经济性对比分析

5．4．1 9150WPC混凝土湿喷机械手和普通湿喷机经济对比分析

5．6 小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目