高海拔寒区隧道冻胀机理及其保温技术研究

【摘要】： 本文紧密结合高海拔寒区隧道工程建设中岩石冻融破坏及防寒保温领域的国际前沿科学问题,以建设西藏“扎墨”公路(连接中国唯一不通公路的县：墨脱县)的控制性工程——嘎隆拉隧道工程为依托。紧紧围绕“寒区隧道围岩冻胀破坏机理及其防寒保温技术”这一主题,以“通风条件下寒区隧道温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合机理”为理论基础,通过室内试验、理论分析、数值模拟以及现场监测等方法,对涉及该课题的相关理论模型和应用技术进行了全方位、多角度的研究,建立了高海拔寒区隧道冻胀力作用下隧道的结构稳定性评价方法和合理防寒保温措施。这些研究成果一方面深化了寒区隧道围岩冻胀机理的理论基础,填补了寒区隧道在通风条件下围岩THMD耦合理论的空白；另一方面,为寒区隧道支护结构的优化和合理防寒保温措施的建立做了开拓性的工作,取得了一系列的成果,具体来讲,主要包括以下几个方面： (1)建立了适用于低温相变岩体的温度-渗流耦合控制方程,提出了计算低温相变岩土类材料导热系数的新方法 根据冻融条件下岩体水分运动和热量迁移的基本规律,基于连续介质力学、热力学以及分凝势理论,建立了低温相变岩体温度-渗流耦合控制方程,该耦合方程不仅包括了热传导、相变潜热和渗流速度对温度分布的影响,而且考虑了由Soret效应、分凝势引起的孔隙水流动对渗流速度以及渗透压力分布的影响,实现了温度场和渗流场的双向全耦合。并将研究成果与Mizoguchi等人著名的温度-渗流耦合室内试验进行了同等条件下的对比分析,有力地证明了该耦合模型的正确性和参数取值方法的合理性。同时,对本耦合模型中涉及到的水-热力学参数进行系统的归纳和总结,特别针对现有3种常用的计算岩土体导热系数方法的不足,从随机混合模型(RMM)理念出发,结合岩土类材料的本身特点(多孔隙,0℃以下还存在未冻水等),提出了计算低温相变岩土类材料导热系数的新方法,并通过与Mizoguchi等人的试验数据进行对比,验证了新方法的可行性。 该模型既丰富和发展了现有的低温相变岩体的温度-渗流耦合模型,又为岩体“导热系数”这一重要热力学参数的取值方法提供了新的思路。 (2)建立了考虑空气温度和湿度影响的隧道风流场湍流模型,探讨了隧道内风流场与围岩热量交换规律 借助流体力学、传热学和空气动力学的基本原理与方法,在适当引入地铁通风和建筑节能方面研究成果的基础上,推导出考虑空气温度和湿度影响的风流场湍流模型,对现有的湍流数值模拟方法和围岩与风温热交换规律进行了深入的分析和探讨,并应用上述研究成果,数值模拟了Baly等人采用缩尺模型对室内空气混合对流进行的试验研究,通过与试验结果及Zhang等人数值模拟结果的比较,证明了本文推导的风流场模型及其采用的湍流数值模拟方法的优越性。在此基础上,采用数值分析方法探讨了空气的温度、湿度以及风速的大小对围岩温度场的影响,研究结果表明：风温和风速是影响围岩温度场的最主要的两个因素,相比之下,空气湿度对温度场的影响较小。 该模型既深化了寒区隧道围岩温度场的研究水平,填补了国内外寒区隧道研究在该领域的空白,也可应用于地铁通风、火灾模拟、建筑节能和室内环境等领域的通风数值计算。 (3)提出了考虑岩石冻融影响的损伤因子,建立了能够反映西藏嘎隆拉隧道围岩应力-应变关系的冻融损伤本构模型 通过对西藏嘎隆拉隧道现场岩样进行系统的冻融试验和单轴、三轴压缩试验,全面分析了该类岩石在经历不同冻融次数、不同受力状态条件下的破坏形式、强度特性、变形特性和冻融劣化特征,研究结果表明：单轴条件下岩石破坏形式以劈裂破坏为主,三轴条件下以剪切破坏为主；强度随冻融次数增加而减小；应力峰值对应的轴向应变值随着围压和冻融次数的增加而增加。在此基础上,提出了考虑岩石冻融影响的损伤因子,建立了能够反映西藏嘎隆拉隧道围岩应力-应变关系的冻融损伤本构模型。 该模型反映了岩石在多次冻融循环过程中的损伤特点,为进一步揭示工程岩体冻融损伤机理奠定了基础。 (4)建立了通风条件下寒区隧道温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型 考虑体积应变对围岩温度场和渗流场的影响,温度梯度、渗透压力和冻胀压力对围岩应力场的影响,建立了通风条件下寒区隧道THMD耦合模型。该模型除了包括传统三场耦合条件下的能量方程、质量守恒方程和平衡方程三大基本方程外,还根据寒区隧道的工程实际,添加了考虑隧道内空气湿度、风速和风温影响的风流场湍流模型方程组。在此基础上,数值仿真了某寒区管道工程的冻胀过程,通过与现场的实测结果对比表明：该模型能很好的反映围岩体由于负温所产生的冻胀现象。 该模型是在THM三场耦合框架内,对寒区隧道复杂通风条件下围岩冻胀机理的一次崭新探索,使得THM耦合研究更接近隧道工程实际。 (5)研制了一种高性能泡沫混凝土,通过试验研究了其保温性能和冻融劣化规律,通过数值分析研究了其在寒区隧道中的保温效果 针对寒区隧道的特点,在对泡沫混凝土产品及其研究现状进行充分调研的基础上,比选出闭孔珍珠岩、聚丙烯纤维等9种材料作为本次高性能泡沫混凝土研制的基本原料；采用正交试验方法,研究了各种原材料对泡沫混凝土的密度、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度等一系列基本性能的影响,试验结果显示：泡沫、闭孔珍珠岩和纤维含量是影响泡沫混凝土各项性能的最主要的几个因素。并根据正交试验的结果,优选出一种泡沫混凝土配方,重点对其保温性能和冻融特性进行研究,开发出兼具轻质、保温、抗冻、抗裂和抗震等功能,特别适合于寒区工程保温层及抗震层使用的泡沫混凝土。在此基础上,通过数值分析研究了其在寒区隧道中的保温效果。 该产品的研制,使寒区隧道保温设计与抗震融为一体、两者兼得。 (6)结合西藏嘎隆拉隧道的工程实际,设计并实施了多项现场试验,研制了隧道远程无线监测及健康诊断系统 针对西藏嘎隆拉隧道地处喜马拉雅断裂带、海拔高、气温低、雨量极其丰富、进出口两端气候截然不同等特点,在隧道现场埋设了一大批监测仪器：温度传感器、渗压计、土压力盒、钢筋计、混凝土应变计和地震动加速度计；并借助移动通信GPRS技术,研制了远程无线健康诊断系统,实时监测隧道围岩和结构的温度分布、地下水渗流特征以及结构受力状况。 该项研究工作,解决了传统监测方法无法在自然环境极其恶劣条件下开展、很难定时定量采集数据和长期监测需要花费大量人力、物力的难题。不仅为嘎隆拉隧道的施工与维护提供了决策依据,为寒区隧道积累了大量宝贵的技术数据,也为类似寒区隧道工程的长期监测与稳定性预测提供了新的方法。 (7)确定了嘎隆拉隧道防寒保温材料的类型、厚度、安装位置和设防长度,得到了极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力大小,并对其在长期冻融循环荷载作用下的稳定性进行了分析 利用前面得到的理论和试验研究成果,研究了隧道进出口端保温材料的类型、厚度、安装位置和设防长度对防寒保温效果的影响,分析了极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的特征,并对隧道在长期冻融循环荷载作用下的稳定性进行了探讨。研究结果表明：1)在嘎隆拉隧道进口端600m、出口端400m范围内,二衬表面敷设6cm厚的聚酚醛保温材料,可以有效的防止嘎隆拉隧道衬砌和围岩发生冻融破坏；21极端气候条件下隧道围岩的最大冻胀力达到了1.6MPa；3)冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。 该项研究工作,既回答了隧道设计和现场施工人员所关心的几个主要问题,又使得本文前面得到的理论和试验研究成果接受了实践的检验。