温度场控制在多年冻土隧道施工中的作用

多年冻土隧道工程首先遇到的问题是如何解决开挖与衬砌的矛盾,因为开挖作业与衬砌施工所需的温度场不同,隧道开挖需要较低的温度场以利于无支护毛洞的稳定,而衬砌施工需要较高的温度场以利于混凝土强度的增长。通过数值模拟分析,提出多年冻土隧道施工温度场的控制参数,并将多年冻土隧道的开挖施工划分为4个阶段：安全施工阶段、相对安全阶段、安全预警阶段和安全隐患阶段。根据这4个阶段的特征,提出各个阶段应采取的相应工程措施,尽可能降低施工风险。通过全方位监测隧道洞内温度场的变化,指导开挖和衬砌的施工。     

高原多年冻土隧道施工温度场控制的主要因素

施工温度场的控制对于多年冻土隧道的施工有着重要的意义. 结合青藏铁路昆仑山、风火山隧道的设计与施工, 通过对施工过程中环境温度的测试, 综合分析冻土稳定、混凝土施工、施工人员及施工机械等各方面的因素对施工环境温度的要求, 提出了适合于青藏铁路高原多年冻土隧道的施工环境温度控制范围.     

高原多年冻土隧道施工温度场控制的主要因素

施工温度场的控制对于多年冻土隧道的施工有着重要的意义。结合青藏铁路昆仑山、风火山隧道的设计与施工，通过对施工过程中环境温度的测试，综合分析冻土稳定、混凝土施工、施工人员及施工机械等各方面的因素对施工环境温度的要求，提出了适合于青藏铁路高原多年冻土隧道的施工环境温度控制范围。     

四排局部冻结法在上海地铁修复工程中的应用

上海地铁某修复工程,在完好隧道与破坏隧道连接段采用冻结法施工垂直封水挡土止水墙,取得圆满成功。利用现场监测数据,判别了冻结管是否漏盐水以及隧道内是否充填密实,得出了冻土壁温度场形成规律,计算出积极冻结期结束时间。在浦东隧道清淤排水、浇筑混凝土止水墙阶段,分析了各施工工序对冻土墙温度影响。分析结果表明,冻结法施工质量的好坏可由温度反映出来。通过合理布置温度监测点,采用信息化施工,掌握温度变化规律,可确保复杂工程冻结施工安全。     

世界第一高隧青藏铁路风火山隧道施工新技术

高原、严寒条件下的青藏铁路风火山隧道施工, 在永久冻土区隧道施工技术、合理支护结构形式以及人员健康等方面提出了严峻挑战。采用适用高原严寒条件下的施工方案, 综合利用、保护冻土围岩的隧道施工方法和独特的通风、供暖、供氧和供水等辅助施工作业措施, 并结合施工技术研究, 保证了隧道施工的顺利进行。     

昆仑山隧道洞内防排水及衬砌隔热保温层施工技术

介绍了高原多年冻土世界第一长隧道——昆仑山隧道洞内防排水及衬砌隔热保温层的设计特点, 通过材料性能优选和工艺试验, 选定了适宜于高原多年冻土隧道洞内防排水及衬砌隔热保温层施工的材料, 并制定科学、合理的施工方法和工艺, 确保昆仑山隧道工程质量.     

管幕冻结隧道“顶管?冻土”复合结构力学特性试验研究

拱北隧道暗挖段作为港珠澳大桥珠海连接线的重点工程,首次运用管幕冻结法进行施工。该法综合管幕法和人工地层冻结法的优势,可在隧道断面形成“顶管?冻土帷幕”复合支护体系,有效实现“承载”与“顶管间止水”的双重目标,确保隧道开挖时的稳定与安全。为获得“顶管?冻土”复合结构的温度、变形与力学特性,基于相似理论自主研发构建一套相似模型试验系统并开展试验研究,同时利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立数值计算模型进行模拟验证。结果表明:复合结构的冻结温度场因空、实顶管及其内部冻结器的布置形式呈现不均匀分布特征,冻土形成速率在冻结后期明显变缓;土体竖向冻胀变形在60~160 min内急剧增大,且冻胀量随深度增加而增大,整体规律与温度场分布密切相关;土体冻结产生的冻胀力对顶管水平受力影响较大,空顶管相对刚度较小而产生较大水平变形;在加载阶段,顶管受力与变形均以竖向为主。因空、实顶管刚度差异和冻土厚度不均匀的共同影响,空顶管竖向变形包含了“弯曲”与“压扁”并具有非线性特征,其跨中截面底部竖向位移峰值约为实顶管的1.6倍;加载至0.28 MPa时,管间冻土首先发生破坏,进而导致顶管间封水功能失效,实际施工中应重点监测空顶管的变形规律、管间冻土帷幕的温度变化及其完整性。研究成果可为管幕冻结法的施工与监测提供参考,也可为热力耦合数值计算模型提供验证依据。      

高原冻土隧道支护技术及工艺试验研究

昆仑山隧道是青藏铁路550 km连续多年冻土区最长的高原冻土隧道。在高寒缺氧、低气压地区修建铁路隧道所遇到的是全新的技术难题。室内和现场试验及施工结果表明：在多年冻土隧道施工中采用湿喷混凝土支护,使混凝土与冻土围岩黏结牢固,并能保证支护混凝土的质量,证明湿喷混凝土支护在高原多年冻土区隧道施工中是可行的。     

地下工程开挖与支护安全监控量测及地质灾害动态预测与防治

从地下工程开挖与支护安全性出发,论述了地下工程围岩类型及设计与施工概况,同时介绍了隧道施工过程中进行现场监控量测的内容,文章对京珠高速公路旦架哨隧道右线珠海端3-1断面的量测结果(尤其是型钢支撑)进行了深入分析,结合洞内观测和地表量测有效地对隧道右线珠海端明洞段高角度滑坡进行了成功的动态预测和预报,并指导进行了治理.     

隧道施工地质超前预报工作方法

论述了隧道施工地质预报的内容、隧道设计与实际造成隧道地质灾害及造成地质勘察资料精度不高原因,提出了通过资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料与图纸和隧道施工地质预报阶段补充地质调查,确定隧道施工地质预报重点段,进行洞内地质调查和掌子面地质素描、物探方法的选择和现场实施掌子面探测、探测成果分析、报告提交及施工验证的隧道施工地质超前预报工作方法。     

碎块石护坡在寒区道路工程中的应用

基于室内实验结果，并结合风火山地区地温资料以及风火山实验场现场观测资料，针对抛石护坡对公路铁路沿线路基底下的多年冻土的保护作用以及对多年冻土上限的抬升效果进行对比分析，证实了抛石护坡措施的优越性和可行性．抛石护坡措施兼顾了调控对流和调控传导两方面，是一种典型的主动积极调控地温、保护冻土的措施；它具有热二极管功能，使得热能单向排出，从而使得冻土上限得以较大幅度的抬升，对保证道路安全与畅通起着至关重要的作用。     

采控天然冷量过程中青藏铁路路基温度场演变特性研究

针对青藏铁路工程所穿越的高温、富冰多年冻土路基稳定问题, 提出了采控天然冷量, 即在冬季采集并存储地气温差所造成的冷量, 夏季释放, 维护路基稳定的方法. 对典型工程条件下采控天然冷量后路基温度场随时间和空间上的演变规律进行了研究比较, 结果表明: 在不采用附加措施情况下, 直到道路施工完成后的第16年路基内温度场才逐渐进入负温, 因此必须对路基温度场采用人为干预措施. 结果显示, 采控天然冷量方法可以保持青藏铁路路基的稳定.     

高原高寒多年冻土区的桥梁施工技术

针对青藏高原高寒、缺氧等特点,以及青藏铁路多年冻土的特殊性与复杂性,通过实践与理论讨论,详细地制订出了在高原高寒多年冻土区桥梁工程施工中的技术措施和施工工艺.在青藏高原的多年冻土区,由于桥梁及工程建筑物的修建,将改变原有的温度场、应力场、以及冻土层的水热交换.因此,选择合理的施工季节、施工方法和采取必要的施工措施,是减少施工对多年冻土热扰动的必要措施.     

Permafrost Characteristics of the Qinghai-Tibet Plateau and Methods of Roadbed Construction of Railway

Permafrost along the Qinghai-Tibet railway is featured by abundant ground ice and high ground temperature. Under the influence of climate warming and engineering activities, the permafrost is under degradation process. The main difficulty in railway roadbed construction is how to prevent thawing settlement caused by degradation of permafrost. Therefore the proactively cooling methods based on controlling solar radiation, heat conductivity and heat convection were adopted instead of the traditional passive methods, which is simply increasing thermal resistance. The cooling methods used in the Qinghai-Tibet railway construction include sunshine-shielding roadbeds, crushed rock based roadbeds, roadbeds with rock revetments, duct-ventilated roadbeds, thermosyphon installed roadbeds and land bridges. The field monitored data show that the cooling methods are effective in protecting the underlying permafrost, the permafrost table was uplifted under the embankments and therefore the roadbed stability was guaranteed.     

下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响

在气候变暖背景下,北半球多年冻土呈现不同程度的退化趋势,冻土升温、活动层增厚、地下冰消融改变了区域工程地质条件、地形地貌,不仅对寒区环境和工程稳定性造成潜在的威胁,还影响着这些地区的气候、水文和生态过程。因此,准确评估和预估多年冻土热状况的变化具有重要科学和实践意义。现有用于模拟多年冻土热状况的各类模式重点考虑了近地表温度场变化对多年冻土的影响,主要集中于对气温和浅表层物理过程和参数化方案等改进和优化,而对于下边界条件设置对多年冻土热状况模拟的影响少有讨论。基于一维热传导冻土模型,以五道梁地区的多年冻土为研究对象,通过设置不同的下边界方案进行模拟实验,定量评估百年尺度气候变化下不同下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响。结果表明：近地表层（<3 m）的温度场完全由年际气候变化决定,浅层（3~15 m）及中层（15~30 m）的多年冻土温度场受下边界条件的影响逐渐显著,深层（>30 m）的地温对百年尺度气候变化的响应不仅与气候变化的幅度有关,还与多年冻土相变热的多少有直接的关系。下边界条件不恰当的设置方式会对大尺度的气候变化下多年冻土消融程度的计算造成较大的影响,进而可能对深层地温乃至多年冻土区面积变化造成严重的误判。因此,开展百年尺度多年冻土温度场变化模拟时,应采用深层或多年冻土底板以下融土层的稳定地热流作为下边界条件。     

多年冻土隧道工程的施工控制与预报

多年冻土隧道工程开挖施工的稳定性受深层和浅层稳定的影响。通过深层稳定分析选择开挖方案及对浅层稳定分析,评价开挖施工的安全状态,以指导施工作;通过实时监控隧道收敛值和施工温度场的变化,将深、浅层稳定评估子系统与实际工程联系起来,以实现多年冻土隧道工程的施工控制与预报。     

多年冻土区输电线路冻融灾害防控研究

随着我国冻土区输电线路的不断建设,冻土问题日益引起人们的关注,如何正确处理多年冻土与输电线路工程的关系,已成为输电线路建设的关键问题之一. 文中主要就多年冻土区输电线路建设所遇到的冻融灾害以及相应对策进行了分析和讨论. 相对于公路和铁路,输电线路基础均为埋入式基础,对冻土扰动强烈、传热作用突出. 输电线路属于点线工程,在线路选线和设计阶段,通过输电线路选线、塔基类型的合理确定,可在很大程度上避免或减少冻融灾害的产生. 在选择塔基类型时应重视冻拔作用对塔基稳定性的影响. 输电线路基础为明挖基础时,施工周期和时间的选择、施工过程的控制等对减少热扰动作用明显. 随着工程同步进行的冻土基础监测,对输电线路塔基稳定性分析、工程合理转序、运营维护都具有重要意义. 输电线路建设中的冻土问题在不同建设阶段,防控重点均有所不同,只有全面把握,才能科学应对.     

冻土温度状况研究方法和应用分析

分析讨论了冻土温度状况研究中相关问题,包括构成多年冻土层的岩性、含水量、结构和构造,决定多年冻土温度状况动态变化的地面温度与气温间的关系,地中热流,研究区域的确定以及取决于地层的岩性、含水量、结构和构造、容重的热量在地层内传播过程的热物理参数.在分析物理学、地学和气候学等学科研究结果的基础上,笔者认为:1)在研究冻土温度状况问题中,研究区域应根据所研究问题的时间尺度确定,由于多年冻土层内不同深度上的温度和热流(或温度梯度)随时间的不同影响深度也不同,研究数十年时间尺度的多年冻土温度状况问题,一般应取多年冻土下限处的地中热流(或温度梯度)作为问题的下边界条件;2)以气温积温(或气温)与地面温度积温(或地面温度)比值所定义的N系数不仅存在年变化、季节变化和日变化,并在求解时必须已知地面冻结(或融化)的持续时间,而在目前对于不同地面条件缺乏定量描述气温与地面温度间关系的实验基础.因此,在缺乏比较严格的地面条件定量描述的情况下,应用气温与地面温度之差描述二者间的关系可能更为简单;3)在青藏高原地区,由于不同区域地形、地面条件、地层岩性以及地中热流等存在着很大差异,因而,不同区域多年冻土的热状况也不同.所以,不能简单地以气温等值线进行多年冻土制图,更不能以此年冻土变化预报的基础.     

环境因素对兴-贝型多年冻土分布与发育的影响

兴安岭-贝加尔（兴-贝）型多年冻土处于欧亚大陆高纬度多年冻土南缘,对气候变化和人类活动较为敏感。为了研究多年冻土变化规律以及预测其未来变化趋势,从环境因素对多年冻土的影响以及多年冻土与环境的相互作用两个方面出发,围绕地带性因素（纬度、高度、经度）和非地带因素（气温、植被、降水、积雪等）两大类环境因素的变化对多年冻土分布与发育的影响,分析了兴-贝型多年冻土的变化和发展趋势,总结认为：气温、植被、降水、积雪等环境因素共同作用,改变了土层水热状况,促使区域内大范围多年冻土经历了显著退化;退化程度存在区域差异,多年冻土南界附近退化程度最为显著。基于兴-贝型多年冻土的特殊性,提出了建立冻土和寒区环境监测机制并及时采取适应性和整治性措施保护和修复区域环境的建议。     

青藏铁路北麓河试验段冻土工程地质特征及评价

冻土问题是青藏铁路建设的难题之一,为良好的解决这一问题,详细了解线路通过地区的冻土工程地质特征并对其做出工程地质评价至关重要.在目前完成的青藏铁路北麓河试验段的冻土勘察工作表明,该试验段的土层以富含厚层地下冰的细粒土为主,试验段地下水丰富,全段高温与低温多年冻土都有分布,冻土上限深度一般为2～3m.综合上述特征,该试验段综合评价为不良和极差冻土工程地质地段.在类似地区进行铁路建设,工程措施设计和采用中要充分考虑冻土工程地质特征,否则可能导致工程建设的隐患甚至所采取工程措施的失败.