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原文传递基于水热耦合的多年冻土隧道融化圈时空变化规律研究

论文题名：	基于水热耦合的多年冻土隧道融化圈时空变化规律研究
关键词：	寒区隧道;围岩融化圈;时空变化规律;水热耦合
摘要：	在我国经济磅礴发展的现在，东部基础设施建设逐渐饱和，由于“川藏铁路”与“一带一路”等世纪工程的实施，基础设施建设重心逐渐向西部转移，交通基础设施建设范围进一步扩大，为保证西部地区交通的通畅，在高寒高海拔地区的隧道建设量不可避免的增多，但因为寒区独特的气候环境，该地区隧道的建设和运营期间极易受到冻害，如挂冰、衬砌开裂等，对车辆行驶中安全性影响极大，开展寒区隧道在建设与运营期间的融化圈时空变化规律研究意义重大。本文依托姜路岭隧道，通过资料收集、现场监测数据分析、理论模型建立、数值分析等方法，开展了基于水热耦合的寒区隧道在施工阶段和各种温度环境下围岩融化圈演变规律研究，分析了寒区隧道融化圈影响敏感度。主要成果及结论如下：　　（1）应用传热学形状因子的概念，忽略爆破所产生气体的高压影响，等效考虑爆破所产生热量对围岩融化圈影响，建立了考虑热源（水化热、爆破热量）的温度场控制方程。　　（2）依托姜路岭隧道，开展施工阶段围岩温度场演变规律研究，结果表明：喷射混凝土作为永久支护结构，还能有效的避免围岩空气直接接触，抑制了融化圈深度的发展，同时喷射混凝土厚度每增加5cm，融化圈深度随之增大10cm，相同时间间隔下施作，融化圈深度变化规律一致。　　（3）一次模筑及二次模筑阶段，施作时机对围岩融化深度影响最大，在10d、20d、30d后施作一次模筑历时1天时围岩融化深度分别为3.32m、2.83m、3.22m，在 10d、30d、50d 后施作二次模筑历时 1 天时围岩围岩融化深度分别为 3.36m、3.22m、4.67m，过早施作一次模筑与二次模筑，喷射混凝土水化反应尚未结束，将加快融化圈发展速率，增大融化深度，过晚施作又会导致前期支护长时间暴露在空气中，继而形成过大的融化圈；一次模筑在入模温度为5℃、10℃、15℃下历时30天时融化圈深度分别为4.12m、4.13m、4.14m，不同入模温度对融化深度的影响相近，但过高的入模温度仍会导致围岩表面温度过大，保温层能够有效减小隧道融化圈深度，同时避免运营期间季节交替导致的隧道周围反复冻融，对于寒区隧道的修建和运营重要性不言而喻。　　（4）研究不同热环境下隧道融化圈深度变化，结果表明：施工季节对融化圈影响最大；初始地温越高，融化圈深度变化越大，当初始地温为-1℃、-2℃、-3℃时，融化圈深度分别为4.76m、2.63m、1.84m，同时由于初始地温过低，融化圈从围岩内部回冻速率加快，形成单向回冻；考虑开挖期间洞内温度变化的影响，研究发现较低的洞内温度能够有效减小融化圈，并加快回冻进程。　　（5）研究不同因素对围岩融化圈的影响，各阶段下围岩融化深度随导热系数、初始地温、洞内气温升高而增大，随比热容升高而减小；开挖阶段根据敏感度计算可知，融化深度对各影响因素敏感性从大到小依次为：比热容、洞内气温、导热系数、初始温度；喷射混凝土阶段，对于0.25m、0.30m厚喷射混凝土，融化深度对各影响因素敏感性依次为：初始地温、比热容、导热系数、洞内气温；一次模筑阶段，对入模温度5℃、10℃的一次模筑混凝土，其融化深度对各影响因素敏感性依次为：施作时机、比热容、导热系数、洞内气温；二次模筑阶段，0.03m、0.05m厚度保温层下各因素敏感性排序与一次模筑阶段相同，在具有保温层情况下，洞内气温敏感度极小，从侧面说明了保温层对围岩的重要性。
作者：	秦臻
专业：	土木工程;结构工程
导师：	韩风雷
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023