高海拔寒区隧道防冻害设计问题
本文以G317线处于高海拔寒区的雀儿山隧道为研究背景，结合隧址区的气象和地温条件，通过冻害产生的要素分析，采用理论分析、数值模拟、试验研究等手段，针对隧道温度场、冻胀压力计算、离壁式衬砌和隧道防冻害综合技术等方面开展了系统研究，取得以下主要研究成果和结论:
通过在雀儿山隧址区设置气象观测站和深孔地温测孔，取得了雀儿山隧道气温和地温实测数据，为隧道的抗防冻设计提供了基础参数。测试结果表明，雀儿山隧址区最冷月月平均气温为-9.5℃，地温从地下20m至82.7m随深度而逐步递增，地温梯度为6.1℃/100m。
在分析冻胀形成的物理机制和隧道冻害产生的基本三要素基础上，按冻害性质的不同将冻害分为结构损伤类冻害和行车安全类冻害两大类，并对冻害现象做了全面概况。
通过对隧道径向传热问题进行简化，参照多层圆筒传热解析，推演出毛洞工况、保温层工况和复合结构工况时各层界面温度和保温层厚度的简易估算公式。
根据洞内年平均气温和温度年振幅随入洞距离的变化，并考虑了地温场的影响，采用瞬态有限元计算方法，研究隧道的冻结深度和保温层设置厚度，确定了雀儿山隧道的保温设防段长度为650～750m。
离壁式衬砌室内试验结果表明，保温衬套的密封性是影响温度分布和隔热效果的关键。若保温衬套上存在施工缝隙出现漏风，空腔内空气与隧道内气流产生对流交换，空腔内的温度随孔径的增大而迅速降低。因此，离壁式衬砌结构保温衬套的密封性是在施工工艺上需要切实解决的重要问题。
根据试验结果，离壁间距宜取10cm左右，既可保证保温隔热效果，又考虑了必要的施工安装空间要求，同时也兼顾到了合理的工程经济性。
分析了冻胀水体的形变约束特征，提出了冻胀压力的三维约束冻胀模型和冻胀压力计算方法，消除了平面应变假定对计算结果的影响。
计算围岩抗压刚度时可按局部变形理论直接采用弹性抗力系数。衬砌的刚度计算系数则应通过对衬砌结构的变形计算分析确定，其不但与隧道断面形状、材料物理力学性质、围岩弹性抗力和冻胀压力作用位置等因素有关，而且与冻胀水体作用于衬砌断面上的受压面积大小有关。
从算例分析结果看，冻胀水体尺寸达到O.12m3可导致结构开裂破损，可见存水空间的大小对隧道结构抗防冻至关重要，因此施工中应严格控制。消除或减小存水空间对隧道结构的影响，设计上应预留后注浆措施，施工中应严格控制隧道的超欠挖，竣工后全面检测衬砌背后空洞，一旦发现应采取后注浆措施予以消除。
计算分析表明，隧道边墙和仰拱部位的存水空间所诱发的冻胀压力对衬砌内力的不利影响尤为显著，需在施工中严加防范。
将隧道防冻害技术分为防冻和抗冻技术两大类。隧道防冻技术措施针对冻胀产生的三个基本要素来采取工程措施，主要有保温、排水和注浆三类防冻技术。抗冻技术主要是依赖结构本身的抗力抵抗产生的冻胀力。
本文讨论了隧道保温设防段、保温材料和保温层、埋置水沟、防寒泄水洞、保温出水口、注浆、抗冻结构等措施以及相应的设计要点和适用条件，并以雀儿山隧道为例，说明了隧道防冻害综合措施在设计中的应用。
高海拔寒区;隧道工程;防冻害技术;基础参数;施工工艺
西南交通大学
博士
桥梁与隧道工程
王建宇
2012
中文
U455.4;U457.5
145
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）