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《中南大学》 2005年
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多年冻土隧道开挖稳定性及其渗漏水特征分析

汤国璋  
【摘要】:针对青藏铁路昆仑山隧道工程中的两个关键问题——多年冻土隧道工程的开挖与衬砌矛盾和昆仑山隧道渗漏水特征分析及相应的治理方案展开研究,首先介绍了工程背景,以热力学理论为基础,采用有限元技术对不同模型进行数值模拟;通过施工温度场监测,形成了昆仑山隧道工程开挖施工控制与预报系统;通过昆仑山隧道洞内排水沟流量测试、连通试验、地温及水位观测,阐明了昆仑山隧道渗漏水特征,同时也验证了移动边界计算模型的正确性,而移动边界计算模型的引入又从理论上解释了昆仑山隧道形成这种渗漏水特征的原因。 昆仑山隧道的开挖与衬砌: 1) 通过对昆仑山隧道自然环境特征分析,初步把握了昆仑山隧道工程的自然气温规律,为整个隧道工程的施工和研究提供了依据。 2) 通过对施工环境温度场的监测和数理统计分析,第一次提出了分区温度场适应不同工序作业的理念,解决了多年冻土隧道工程开挖与衬砌的矛盾,极大地改善了洞内的作业环境,且将施工对多年冻土环境的热扰动降到最低。 3) 根据昆仑山隧道工程实际情况建立有限元模型,对隧道不同开挖过程进行了数值模拟,以发现可能存在的稳定问题,从而选取了合理的隧道开挖方案。 4) 根据工程实际情况选取了瞬态传热分析有限元模型和边界条件,对围岩状态进行了数值模拟。结合施工安全的需要,将昆仑山隧道的开挖过程分为四个阶段,并在此基础上建立了第一个多年冻土隧道工程施工控制与预测系统,成功地指导了昆仑山隧道工程的开挖与衬砌施工。 昆仑山隧道渗漏水特征分析: 1) 重新定义了移动边界的概念,将其增加新的内涵,并提出了产生移动边界特征的充要条件,首次揭示了流动的热载体(水)对多年冻土热融蚀作用远远大于静态水对多年冻土的热融蚀作用的原因,为工程界进一步认识冻土提供了新的理论依据。 2) 根据移动边界的定义,建立了移动边界特征计算模型,并在通用商业有限元程序的基础上,编写了自开发模块,实现了移动边界特征计算程序化。讨论了具有移动边界特征的多年冻土(岩)融化速度的影响因素,
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