高海拔寒区隧道防冻害设计问题
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摘要
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计础上,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而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0.12m3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。
Take Que-er shan tunnel which is a part of the highway G317and located in the high altitude zone as an engineering background, via analytical methods, numerical simulation, and experimental methods, this study investigates the temperature field of the tunnels, frost swelling pressures, shielding lining and other frost protection technologies.
By setting up the meteorological station and instrumentation in the deep holes for measuring ground temperatures, some measured data for both air and ground temperature fields were obtained, which provides the basic parameters for frost protection design of Que-er shan tunnel. The data show that the lowest value of monthly mean air temperature is-9.5℃, and the measured ground temperature increased gradually from the depth of20m below the ground surface (BGS) to the depth of80m BGS, with a gradient of6.1℃/100m.
On the basis of analysis of the frost swelling mechanism and the frost damage of the tunnels, there are two types of frost damage:one is associated with structural defects and another one is associated with driving safety. The phenomena related to frost damage have been thoroughly investigated.
By simplifying the model of heat conduction in the radial direction of a tunnel and on the basis of the analytical method of heat conduction for multi-layer cylinder, simplified equations for calculation of interface temperatures and thickness of insulated panels are developed.
Considering change of mean annual air temperature and amplitude of the temperature variation with distance from portal into the tunnel, as well as the influence of ground temperature, an FEM transient analysis is employed to determine thickness of insulated panels and frost penetration length. In this case, the length of650-750m is reasonable for frost penetration.
The Tests on the shielding lining show that the leak tightness of the shielding plays a key role in its heat insulation efficiency. If there existed cracks on the shilding, the air in its cavity will exchange with that within the tunnel because of convection effect. As a result, the temperature in the cavity will decrease rapidly with crack size increasing. Therefore, the technology assuring the tightness of the shielding is an important issue to be solved.
The tests show that the optimal spacing between the shielding and shotcrete surface is around10cm. it can ensure the effects of heat insulation, provides enough space for construction and it is relatively cost effective.
Analyzing swelling constrain condition of frost water behind the lining,a three dimension constrain model is presented and a calculation method for frost swelling pressure is developed. So, defect of existed2D model can be eliminated.
As to the compressive stiffness of the surrounding rock,"elastic reaction coefficient" based on Winkler assumption can be used. The lining stiffness calculation coefficient can be determined by analyzing the deformation of lining structures, which is not only related to cross-sections of a tunnel, properties of materials, elastic reaction of surrounding rock, and the location of the frost swelling pressures, but also related to the areas under frost swelling pressures on the lining.
As ground water may be accumulated in cavities which remained behind the lining because of careless construction operation, it can be fatal defect for frost protection. The analysis results show that when the volume of the frost swelling water increases to0.12m3, cracking will occur on the lining structure. Therefore, to avoid such cavities by strict controlling in construction operation is very important. Smooth blasting technique should be adopted to keep the excavated periphery smooth and to avoid overbreak. In order to mitigate the effects of cavities, post-grouting technique should be considered in design as a remedial measure. All the cavities behind the lining should be fully filled with grout. Thus inspection of cavities by geophysics method is necessary.
The analysis results show that the frosts welling pressure loaded at the location of the tunnel sidewalls or inverted arch may caused especially unfavorable effect for the lining structure. It should be paid attention during tunnel construction.
The tunnel frost protection technology consists of the anti-freezing method and the resisting freezing method. According to the three basic factors of frost swelling the measures of heat preservation, drainage, and grouting can be adopted for anti-freezing. Moreover, the resisting freezing technology mainly depends on the structure itself.
Take the design of Que-er shan tunnel as an example, some key points for tunnel frost protection design such as frost penetration length,thickness of insulated panels frost swelling pressure etc. are discussed and the corresponding application of insulation materials, buried ditches, anti-freezing drainage holes, insulation outlets, grouting, frost resisting structural are presented.
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计础上,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而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0.12m3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。
Take Que-er shan tunnel which is a part of the highway G317and located in the high altitude zone as an engineering background, via analytical methods, numerical simulation, and experimental methods, this study investigates the temperature field of the tunnels, frost swelling pressures, shielding lining and other frost protection technologies.
By setting up the meteorological station and instrumentation in the deep holes for measuring ground temperatures, some measured data for both air and ground temperature fields were obtained, which provides the basic parameters for frost protection design of Que-er shan tunnel. The data show that the lowest value of monthly mean air temperature is-9.5℃, and the measured ground temperature increased gradually from the depth of20m below the ground surface (BGS) to the depth of80m BGS, with a gradient of6.1℃/100m.
On the basis of analysis of the frost swelling mechanism and the frost damage of the tunnels, there are two types of frost damage:one is associated with structural defects and another one is associated with driving safety. The phenomena related to frost damage have been thoroughly investigated.
By simplifying the model of heat conduction in the radial direction of a tunnel and on the basis of the analytical method of heat conduction for multi-layer cylinder, simplified equations for calculation of interface temperatures and thickness of insulated panels are developed.
Considering change of mean annual air temperature and amplitude of the temperature variation with distance from portal into the tunnel, as well as the influence of ground temperature, an FEM transient analysis is employed to determine thickness of insulated panels and frost penetration length. In this case, the length of650-750m is reasonable for frost penetration.
The Tests on the shielding lining show that the leak tightness of the shielding plays a key role in its heat insulation efficiency. If there existed cracks on the shilding, the air in its cavity will exchange with that within the tunnel because of convection effect. As a result, the temperature in the cavity will decrease rapidly with crack size increasing. Therefore, the technology assuring the tightness of the shielding is an important issue to be solved.
The tests show that the optimal spacing between the shielding and shotcrete surface is around10cm. it can ensure the effects of heat insulation, provides enough space for construction and it is relatively cost effective.
Analyzing swelling constrain condition of frost water behind the lining,a three dimension constrain model is presented and a calculation method for frost swelling pressure is developed. So, defect of existed2D model can be eliminated.
As to the compressive stiffness of the surrounding rock,"elastic reaction coefficient" based on Winkler assumption can be used. The lining stiffness calculation coefficient can be determined by analyzing the deformation of lining structures, which is not only related to cross-sections of a tunnel, properties of materials, elastic reaction of surrounding rock, and the location of the frost swelling pressures, but also related to the areas under frost swelling pressures on the lining.
As ground water may be accumulated in cavities which remained behind the lining because of careless construction operation, it can be fatal defect for frost protection. The analysis results show that when the volume of the frost swelling water increases to0.12m3, cracking will occur on the lining structure. Therefore, to avoid such cavities by strict controlling in construction operation is very important. Smooth blasting technique should be adopted to keep the excavated periphery smooth and to avoid overbreak. In order to mitigate the effects of cavities, post-grouting technique should be considered in design as a remedial measure. All the cavities behind the lining should be fully filled with grout. Thus inspection of cavities by geophysics method is necessary.
The analysis results show that the frosts welling pressure loaded at the location of the tunnel sidewalls or inverted arch may caused especially unfavorable effect for the lining structure. It should be paid attention during tunnel construction.
The tunnel frost protection technology consists of the anti-freezing method and the resisting freezing method. According to the three basic factors of frost swelling the measures of heat preservation, drainage, and grouting can be adopted for anti-freezing. Moreover, the resisting freezing technology mainly depends on the structure itself.
Take the design of Que-er shan tunnel as an example, some key points for tunnel frost protection design such as frost penetration length,thickness of insulated panels frost swelling pressure etc. are discussed and the corresponding application of insulation materials, buried ditches, anti-freezing drainage holes, insulation outlets, grouting, frost resisting structural are presented.
引文
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