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原文传递阿尔金山隧道洞口段围岩冻融过程与保温材料性能研究

论文题名：	阿尔金山隧道洞口段围岩冻融过程与保温材料性能研究
关键词：	季节性冻土区;公路隧道;围岩体冻融;衬砌损伤;保温板
摘要：	我国多年冻土和季节性冻土分布面积约占到国土面积的20%和55%，主要分布于我国东北地区、西部地区以及青藏高原地区。在“一带一路”倡议以及“西部大开发”战略的实施下，越来越多的基础交通设施建设在高寒高海拔地区。公路隧道作为高寒高海拔地区常见建筑物之一，隧道开挖后由于隧道内季节性变化气温与隧道衬砌结构发生热交换，导致其周边围岩与衬砌结构的温度场、水分场以及应力场发生改变。对于冻土（岩）体这类特殊介质岩土体材料而言，其物理力学性质与水分含量、温度等因素紧密相关，因此，一旦周边围岩的温度场和水分场发生改变，其受力特征也会相应发生变化。对于季节冻土区隧道而言，在冬季，隧道内气温逐渐下降，衬砌结构和围岩体由于热交换作用，同样温度也会逐渐下降，一旦低于冻结温度，围岩体就会发生冻胀变形以及水分迁移，进而诱发衬砌结构的变形，一旦超过其抗拉强度，混凝土衬砌结构会开裂甚至破坏，同时伴随隧道渗漏水、挂冰等冻害，严重影响隧道的安全运营和行车安全。通过对寒区隧道的调研发现，隧道开挖后的冻害现象非常严重。因此，开展寒区隧道冻害机理与防治措施相关研究十分必要。　　本文以阿尔金山公路隧道为研究对象，为掌握隧道工程区气象条件以及隧道内部气温数据，在工程区布设气象站点一套并在隧道内布设气温传感器若干。根据阿尔金山公路隧道设计、地勘报告以及现场监测气象等资料，建立了考虑隧道衬砌结构损伤以及围岩体冻融滞后现象的耦合模型，系统地研究了不同保温层厚度、不同保温材料下的围岩体温度场的空间分布及时间变化规律，并对常见的寒区隧道保温材料进行了对比分析，最后利用等效室内实验冻融损伤模型，将室内实验条件与现场实际条件联系起来，得出了衬砌损伤条件下，运营期内隧道衬砌结构应力场的分布，主要结论如下：　　（1）通过对阿尔金山公路隧道洞口段架设气象站和气温传感器，从其监测结果可以发现，阿尔金山隧道洞口段空气温度随时间变化规律基本呈正弦函数分布，且随着进深的增加，其年平均气温逐渐升高，幅值逐渐降低，说明了洞外气温对隧道内部空气温度的影响随着隧道进深的增加而逐渐减小。至1500m进深时，隧道内年平均气温和幅值都基本处于一恒定值，表明随进深继续增加，其年平均气温和幅值都不在发生显著的季节变化。说明阿尔金山隧道进深1500m处时，隧道内部温度场不再受洞外季节性变化气温的影响。　　（2）在不同保温层铺设方式下，隧道洞口段围岩体冻融情况不同。无保温措施（WTTIL）下，围岩体冻融最为严重，J1截面（距离洞口5m）最大冻结深度为1.6m。三种铺设方式即保温层铺设在隧道二衬内表面（SSL）、保温层铺设在隧道二衬与初衬之间（BPSL）以及结合两者的双层铺设（DTIL）下，隧道拱脚以上部分冻融情况基本相同，在5cm保温材料保护下，围岩体基本不经历季节冻融过程。然而在隧道拱脚以下，SSL铺设方式冻融最为严重，DTIL铺设方式次之，BPSL铺设方式冻结深度最小，说明了四种铺设方式中，BPSL铺设方式为最佳铺设方式，但考虑到施工后保温层的磨损以及运营期的更换等因素，SSL铺设方式应为最优铺设方式。在SSL铺设方式下，随着隧道铺设的保温层厚度增加，围岩体最大冻结深度逐渐减小，其中当铺设的保温层厚度为0cm时，围岩体最大冻结深度约为1.6m，并且当铺设的保温层厚度达到5cm时，隧道拱脚以上的部分围岩体最大冻结深度接近0m，然而拱脚以下的部分仍存在较厚的围岩体发生季节冻融现象。因此，对于SSL铺设方式下，隧道拱脚以下的部分需要进行主动防寒措施的铺设。　　（3）对隧道断面典型位置处的最大冻结深度进行分析，结果表明当保温层厚度为0cm时，拱顶（A1）点处的冻结深度最大可达1.64m；拱腰（B1）由于离拱脚处较近，其冻结深度受到隧道断面形状影响略小于A1点处冻结深度；并且由于采用SSL方式，拱脚以下未铺设保温层材料，因此在仰拱（C1）点处冻结深度不受保温层厚度的影响。值得注意的是，随着保温层厚度的增加，A1点处的冻结深度变化要远大于B1点处，主要是因为B1点处于拱脚附近，并且拱脚以下未铺设保温层，因此B1点处冻结深度受保温层厚度的影响要小于A1点处。　　（4）通过对季节性冻土区隧道工程常见的七种保温材料进行分析，其结果表明，硬质聚氨酯材料在保温效果上要远优于其他六种保温材料（膨胀性聚苯乙烯泡沫塑料、福利凯保温板、酚醛泡沫塑料、硬质聚氯乙烯泡沫塑料、岩棉和干法硅酸铝纤维材料），并且通过对七种保温材料SSL铺设方式下衬砌结构最低温度与保温层厚度的变化规律进行拟合，七种材料能保证隧道衬砌结构免受冻害的最小厚度依次为3.5，8.1，4.7，5.3，7.7，9.1和6.9cm。结合工程管理上的绩效指数工具PI，对以上七种材料进行了分析对比，在考察保温材料的导热系数、抗压强度、市场价格以及最小铺设厚度四种因素时，如果不考虑市场价格，硬质聚氨酯材料为寒区隧道保温材料最优选择，然而在综合考虑即亦考虑市场价格时，干法硅酸铝纤维材料则为更优的选择。　　（5）数值结果表明，在运营第一年，WTTIL和SSL保温铺设方式下隧道衬砌结构的应力分布基本一致，当铺设方案为SSL时，在初期衬砌结构上最大拉应力出现在拱脚和边墙附近，并且其最大值为0.16MPa，然而铺设方案为WTTIL时，在初期衬砌结构上最大拉应力出现在拱脚附近，并且其最大值为0.22MPa，其数值上要大于当铺设方案为SSL时的拱脚处拉应力。在运营期第五年，其应力分布结果在两种铺设方式下存在显著差异。两种铺设方案下，初期衬砌结构的受力最大位置也不相同，主要是因为SSL铺设方案为仅在坡脚上部铺设5cm厚保温材料，因此，造成了隧道拱脚上下部分的温度场分布不均，进而影响了其衬砌结构的应力场分布。
作者：	虞洪
专业：	建筑与土木工程
导师：	毕贵权;穆彦虎
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州理工大学
学位年度：	2021