高海拔地区大断面公路隧道设计施工关键技术研究.docx

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高海拔地区大断面公路隧道设计施工关键技术研究

高海拔地区大断面公路隧道设计、施工关键技术研究

建议单位：

中交第一公路勘察设计研究院有限公司（公章）

申报日期：

2016年1月20日

1.申报项目基本信息

申报项目基本信息表

项目名称

高海拔地区大断面公路隧道设计、施工关键技术研究

项目概要（宏观描述要解决的主要问题及达到的目标）

如何在高海拔地区隧道中采取行之有效的措施，以避免冻害现象的发生，是当前隧道工程界迫切需要解决的问题，为我国严寒地区的待建隧道提供可靠的防冻保温设计和施工材料，从而减轻乃至杜绝我国严寒地区隧道冻害的影响。

主要研究内容

高海拔地区公路隧道支护结构抗冻耐久性研究；

高海拔地区公路隧道防排水体系防寒保温设计研究；

高海拔地区公路隧道温度场变化规律及衬砌冻胀力数值模拟研究；

机电照明在高海拔地区的节能应用研究；

低温混凝土施工及养护技术研究；

高海拔地区公路隧道施工工艺质量控制技术研究；

高海拔地区公路隧道洞口热融冰、雪与路面防滑技术应用研究。

考核指标

（1）保温段隧道排水体系的温度和洞口段路面温度不低于0℃；

（2）科学、合理地计算出沿隧道纵向需要铺设保温材料的长度和铺设方式、厚度以及衬砌形式，确定保温水沟设置深度、长度；

（3）可显著性提高隧道防冻工程的耐久性；

（4）在满足隧道防冻要求的前提下，降低隧道防冻工程造价；

（5）发表研究论文不少于5篇；

（6）得出适用于高原地区的照明方案，降低造价，节约能源。

依托工程基本情况

本项目隧道海拔在4000m以上，其中最长隧道仲果隧道全长5300米，进口高程4280，出口高程4170。

隧址区极端最低气温-37.7℃，年平均降水量1244.3mm，最大冻深184cm（敦化），最大积雪厚度59cm。

沿线地下水丰富，以孔隙水、基岩裂隙水为主，其补给来源主要为大气降水、地下水。

项目总经费

350万

申请配套经费

300万

完成年限

4年

申报日期

2016-1

2.项目的背景和必要性

1.1研究背景

高海拔地区主要是从医学角度上人体机能的适应能力加以界定的,一般指平均海拔在3000m以上的地域，主要包括高原和高山。

在3000m海拔上可使大多数人在静息状态下出现不同程度的高原反应，超过这个海拔高度，人体在机能代谢上的改变更加明显。

我国高海拔地区主要分布在西部的青藏高原及其周边，主要包括西藏自治区全部、和青海省、新疆维吾尔自治区、甘肃省、四川省、云南省的部分地区。

受喜马拉雅运动影响，形成了我国高海拔地区复杂的地形地貌条件。

这些区域气候环境恶劣，积雪、冰冻、大雾等通常是影响行车安全的主导因素。

受区域地质构造影响，在这些地区常发育有泥石流、滑坡等不良地质,威胁到路线的正常营运安全。

高原地区分布有大小的山脉和山系，地形起伏大，路线展现困难。

基于以上原因，隧道工程成为绕避不良地质病害、减小恶劣气候对行车的影响、实现越岭展线、保护生态环境的一种重要工程手段。

然而,气候环境上，我国高海拔西区普遍具有低气温的特点。

以本项目特长隧道仲果隧道[1]为例，隧道进出口海拔4100左右,最冷月月平均气温-9.5℃,极端最低温-36.2℃，全年积雪EJ为5?

6个月,大雪、吹雪、雪崩、暴雨、低温寒潮等气候灾害不断。

另一方面，地温环境条件也给□道维修工作带来了很大的困难。

对高海拔隧道，围岩、地下水、太阳福射、地温、隧道通风等多种因素相互作用，进行着复杂的热量交换过程，易出现洞内路面结冰、衬砌裂损、渗漏等严重冻害问题，给隧道运营管理、维修和整治提出了严峻挑战。

因此，高海拔地区寒区隧道的冻害防治成为隧道工程设计、施工和运营中必须考虑的重要内容。

我国目前已建成的著名高海拔公路、铁路隧道。

通过这些高海拔寒区隧道的修建，积累了初步的建设经验。

我国青藏高原区域内蕴藏着丰富的水力和矿产资源，主要为藏族聚居区，经济和社会发展相对滞后。

随着国家西部大开发战略的实施以及综合国力的增强，发展西部尤其是少数民族地区经济,开发西部地区的丰富资源，促进国防后勤保障建设，打通进藏交通线（川藏、青藏、滇藏）,具有紧迫性和必要性。

因此，青藏高原周边的高山峡地将成为未来交通建设的热点地区。

目前，在青藏高原区域内建设和规划了多个交通工程的重大工程项目。

如南水北调、青藏、川藏、滇藏几条进藏交通线的公路与铁路工程等,这些工程项目意义显著，建设规模庞大，隧道工程将在其中具有重要地位。

随着青藏高原周边区域的交通基础设施建设和水力资源的开发，开展和推动隧道抗防冻技术研究，对提高我国修建高海拔寒区隧道的技术水平，适应未来交通建设需要，具有重要的现实意义。

目前处于即将投入建设的京藏公路（那拉段）仲果隧道工程,规划建设长度为5300m，隧道洞口高程在4200m左右。

与青藏高原上已建成的大坂山、昆仑山、风火山三座隧道以及正在修建的米拉山隧道相比较,在地理环境上同属于中低维度高海拔严寒地区。

本文主要以仲果隧道隧道为工程背景，对高海拔寒区隨道防冻害设计问题进行一系列的研究工作。

3.项目前期科研及工作基础

3.1国内外研究现状

根据调查发现，冻胀力是造成寒区隧道衬砌结构破坏的外力根源。

已修筑的寒区隧道由于冻胀力的作用,普遍存在着严重的工程冻害。

日本在20世纪70~80年代对寒冷地区隧道的调查分析结果表明,冻胀力是寒区隧道变形破坏的重要原因之一。

因此,寒区隧道修筑与维护难点之一是隧道防冻胀。

世界各国在寒冷地区修建交通隧道时均将抗防冻性作为重要的课题进行研究。

研究工作主要在以下两个方面进行：

（1）基础性的研究工作。

主要针对围岩的冻融特性，冻胀机理，隧道冻结深度，围岩、衬砌及保温隔热材料的热传导特性，隧道衬砌结构形式的优化等方面进行研究。

（2）应用技术的开发、研究工作。

主要在基础研究的支撑下，研究隧道的抗防冻措施，开发长期耐用的保温隔热材料，研究保温隔热层类型和合理厚度，严寒设防段合理长度等。

日本的隧道工作者对冻害的防治进行了系统的研究，获得了许多宝贵经验，概括起来，其措施可分为隔热法和加热法两类（见下图），一般采用前一类，后一类还有待进一步试验、改进。

冻害防治措施分类

前苏联因为处于严寒地区，隧道供暖有的用电力，采用管式电力加热器，水沟保温用新型高效的保温材料，如硬质泡沫塑料，泡沫玻璃和陶土等；有的地方用热水或蒸汽对水沟进行加温。

从目前来看，我国对冻害的防治主要从水、温度、衬砌设计三方面出发，提出相应的工程措施，或采用综合治理的办法。

主要的措施有：

采用隔热保温技术、加强防排水及优化衬砌结构等，但是还没有完善的理论体系和系统的处治对策，处治效果也有待进一步验证。

到目前为止还没有正式的寒区公路隧道冻害处治的相关规程，各个设计单位往往各自为政，即使考虑防冻设计，也往往采用不同的方法。

在风火山、昆仑山隧道建设中，为避免产生病害从应用隔热保温技术，加强排水及优化衬砌结构等方面出发，采取了“防、排、截、堵”的综合防治措施。

该隧道结合其支护形式，在初期支护与模筑衬砌之间设5cm厚的隔热保温层。

设计中考虑最热月平均气温与岩面的温度差计算出保温层厚度。

保温层采用硬质聚氨酯，考虑在多年冻土层中防排水设计以堵为主，结合隔热保温措施，尽量减小贯通后衬砌内外侧的热交换，使围岩当中的水处于冻结状态。

在昆仑山隧道中部DK977+300-+500段可能的融化区，地温较高，为避免衬砌背后的水在寒季冻结发生冻胀，在支护与衬砌之间敷设隔热保温层，确保衬砌背后的排水顺畅；同时采用中空注浆锚杆对周边围岩实施低温注浆，以封堵融区基岩裂隙水；洞内双侧设保温水沟，通过边墙泄水孔引排衬砌背后积水；运营期间考虑融冰措施以防排水沟冻结。

3.2参考文献

[1]AkiraInokuma，Shigero．RoadTunnelsinJapan：

DeteriorationandCountermeasures[J]．TunnellingandUndergroundSpaceTechnology，1996，11（3）：

305-309．

[2]黑川義範．隧道冰柱防治工程和隔热衬砌[J]，隧道译丛，1984，

（1）：

35-44．

[3]中华人民共和国交通部.2004.公路隧道设计规范（JTGD70-2004）.北京：

人民交通出版社.

[4]中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室（1995-2001）.高海拔寒冷地区隧道工程冻害防治技术研究.

[5]中国科学院兰州冰川冻土研究所，陕西省公路勘察设计院．宁－张公路大坂山隧道冻土预报、模型试验及风吹雪灾害防治研究[M]．1995，33-41．

[6]张祉道，王联．高海拔及严寒地区隧道防冻设计探讨[J]．现代隧道技术，2004，41（3）：

1-6．

[7]张学富.赖远明.喻文兵等.2003.寒区隧道三维温度场数值分析.铁道学报

[8]赖远明，喻文兵，吴紫汪等.2001.寒区圆形截面隧道温度场的解析解.冰川冻土

[9]铁道第三勘察设计院编著．冻土工程[M]．北京：

中国铁道出版社，2002，261-275．

[10]陈建勋，昝勇杰．寒冷地区公路隧道防冻隔温层效果现场测试与分析[J]．中国公路学报，2001，14（4）：

75-79．

[11]关宝树编著．隧道工程设计要点集[M]．北京：

人民交通出版社，2003，357-393．

[12]吕康成，崔凌秋等编著．隧道防排水工程指南[M]．北京：

人民交通出版社，2005

4.项目实施方案

4.1项目主要研究内容

1、东北寒区隧道冻胀条件与冻胀机理分析

（1）冻融岩石圈整体冻胀破坏分析

该理论认为隧道周边围岩冻结区中围岩孔隙中充满了水，则围岩内的水冻结成冰后将整体膨胀，从而对衬砌产生冻胀压力。

为了研究冻融圈厚度、衬砌厚度以及围岩类型对冻胀力的影响，采用有限元程序进行数值模拟计算以获得数值解。

计算中为了突出冻胀对二次衬砌的影响，不考虑温度变化和结构荷载对衬砌应力的影响而只计算冻融圈内围岩冻胀所产生的附加应力。

（2）局部存水冻胀破坏分析

该模型认为冻胀力主要由衬砌背后积水结冰引起。

由于开挖面不平整、初期支护不平顺以及防水板铺设等原因，使得衬砌背后留有局部存水空间，一旦存水结冰即产生冻胀力，根据此模型针对不同的存水体积和衬砌厚度对冻胀力进行了计算，由于隧道和存水空间的形状均不规则，无法获得冻胀力的解析解，故设计采用有限元程序进行数值模拟计算以获得数值解。

计算中为了突出冻胀对二次衬砌的影响，不考虑温度变化和结构荷载对衬砌应力的影响而只计算局部存水空间冻胀所产生的附加应力。

（3）含水风化层冻胀破坏分析

部分理论认为衬砌的冻胀是由于风化层中水冻结而引起的。

对含水风化层模型下的冻胀力计算式进行推导，并提出设计中洞口段、洞内冻胀力的取值。

3、高海拔寒区公路隧道支护结构抗冻耐久性研究

（1）隧道围岩的抗冻性研究

隧道围岩的抗冻性研究将主要针对松软围岩进行。

模拟隧道建成后围岩的水环境与温度条件，对各类松软围岩的力学性态的变化进行试验和理论分析，探讨松软围岩的冻融循环可能对隧道结构长期稳定带来的不利影响。

（2）混凝土材料的抗冻性研究

混凝土的抗冻性研究以室内试验为主。

现场制作加工喷射混凝土试件和模筑混凝土试件，部分试件养护至28天后，进行抗压强度试验；将其余试件进行冻融循环试验，分别模拟冻融循环10年至100年，各组试件冻融循环结束后进行抗压强度试验。

分析试验数据，归纳冻融循环对混凝土强度的影响规律。

（3）钢筋混凝土和不同厚度支护结构的抗冻性设计研究

抗冻主要是提高隧道结构自身的抗冻害能力，避免冻胀力产生的破坏，采取的措施有：

衬砌使用抗冻混凝土、增大衬砌厚度、衬砌使用钢筋混凝土。

其中，使用抗冻混凝土可以有效的防止衬砌混凝土的冰冻破坏，但是对于局部存水冻胀破坏和冻胀性围岩中隧道结构的冻胀破坏没有明显的作用。

局部存