高黎贡山隧道1#高地温斜井降温处理技术研究及比选

为解决高地温隧道工程中存在的作业环境差、机械设备故障多、劳动生产率低等高温热害问题,以大瑞铁路高黎贡山隧道1#长大斜井为背景，进行技术研究和降温方案比选。首先,分析热水源、监测隧道洞内外气象条件，通过加强通风措施改善人体的舒适度。其次，采用注浆封堵热水源，减少热水流量，控制施工环境的湿度和温度；采用冰块+射流风机+快热交换的处理措施，冰块吸收隧道内热量，降低局部环境温度；采用机械制冷设备进行强制降温，改善热害隧道施工环境；综合优化资源配置，采用增加作业人员和设备数量，倒班作业，缩短人员和设备作业时长等多种处理措施。最后，分析各种降温措施能够达到的施工效果。结果证明，针对以围岩、热水为主要热源的高地温隧道施工，采用“通风降温+注浆堵水+机械降温+合理施工组织”的处理方案，符合高地温隧道施工的技术要求。     

大瑞铁路高黎贡山隧道原岩温度预测

随着深埋长隧道需求数量的增加,高地温热害问题越来越突出,严重影响到施工人员的安全及工作效率,需要根据地温的分布特征来对隧道高温地段采取必要的降温措施。结合大瑞铁路高黎贡山隧道的地质、地温实测资料及通过“谷地地理信息系统”获取的地形数据,采用基于地质演化历史计算原岩温度的数学模型,编制相应的计算程序对高黎贡山大瑞铁路隧道进行原岩温度预测,并对隧址区的温度场沿洞线方向进行简单划分,为隧道采用有效的降温措施提供必要的地温场数据。通过计算分析可以得出： 1）沿隧道向瑞丽方向,隧道原岩温度有先增大后减小的趋势,最高点温度为31.73 ℃; 2）隧道开始大约2.5 km以内及18 km至隧道终点段,隧道岩温在28 ℃以下; 3）2.5~18 km段隧道岩温为28~31.73 ℃,其中高于28 ℃区域需要采取实时温度监控措施。     

高岩温TBM施工隧道的通风效果研究

为了在高温环境下保证施工人员健康和TBM的正常使用,对国内外高岩温隧道热害展开调研,采用理论分析和数学计算的方法,提出了高岩温TBM施工通风效果计算模型,对不同岩温、不同风量和不同风温条件下的掘进段通风效果进行计算分析。研究结果表明:围岩放热是高岩温TBM施工隧道的主要热源,在无通风条件下进行TBM施工时,预测空气温度与周围岩温基本呈线性递增关系;增大通风量可较大程度地改善高岩温隧洞空气温度,但是单纯地加大送风量不具有经济性。     

川藏铁路拉月隧道穿越东构造结地温分布特征及预测

川藏铁路拉月隧道受地热影响,针对其线路方案选择及高温热害难题,通过开展地热地质构造调查、钻孔勘探测温,获取研究区地温及地温梯度分布规律。同时,通过分析地下水对地温的影响,确定选线原则,预测隧道地温。结果表明:1)研究区高地温问题普遍存在,实测地温最大值达93.5℃,地温梯度达40℃/100 m; 2)地温梯度垂向上存在明显的分层特征,平面上的差异性与构造、地形切割、海拔高程关系密切。结合其他选线因素,建议线路离雅鲁藏布江缝合带一定距离并通过抬高线路标高来减少高温热害。根据建立的基于地表恒温层温度、恒温层深度、地温梯度变化的地温计算公式,预测出拉月隧道存在大于60℃热害严重地段。     

基于层次可拓模型的高地温隧道人员防护设计

为了解决高地温隧道作业人员由于身处高温环境工作效率低、身体不适等状况,从地质条件、施工条件、隔热降温措施、地理条件等4个方面及其下属19个二级指标建立人体舒适度指标体系.首先运用层次分析法计算各级指标的权重,其中固定指标总权重为0.3387,而可控指标的总权重为0.6613.随后给出人员舒适度评价等级,基于可拓理论结合尼格隧道的人员防护措施及地质资料定性及定量地对该隧道人员舒适度进行综合评价.最后建立高地温隧道人员防护设计流程体系,并对尼格隧道人员防护初步设计进行优化,并经过现场反馈情况证明该方法的可靠性.此外该方法具有普适性,能够指导其他高地温隧道的人员防护设计.     

寒区隧道含相变围岩传热渗流耦合数值分析

为研究寒区隧道围岩在冻融循环过程中的水-冰相变现象和渗流速率对围岩温度场分布的影响,基于COMSOL Multiphysics 多物理场分析软件,建立含相变的围岩温度场与渗流场耦合模型,通过改变模型中的渗流速率、已冻区和正冻区的边界温度Tm,对寒区隧道的围岩温度场进行数值分析。数值分析结果表明： 边界温度Tm影响正冻区的范围和不同深度处围岩水-冰相变发生的时刻,但不同的边界温度Tm对围岩温度场的影响较小; 当渗流速率高于1×10-6 m/s时,渗流速率的改变对围岩温度场具有明显影响,但当渗流速率低于1×10-6 m/s时,渗流速率的改变对围岩温度场无明显影响。因此,在地下水渗流速率较高的地区,应同时考虑水-冰相变现场和渗流速率对寒区隧道围岩温度场的影响。     

考虑通风与围岩条件的寒区隧道温度场模型及作用规律研究

为了解决寒区隧道温度场的预测问题,为寒区隧道抗冻设防提供指导,结合传热学、流体力学的基本方法,根据能量守恒原理,推导寒区隧道风流温度场的传热模型,并在此基础上,借助有限差分方法,探讨通风和围岩条件对寒区隧道温度场分布的作用规律。研究结果表明: 1)入口风温越低,风流速度越大以及断面越大,相同位置处洞内温度越低,这是由于进入洞内的冷空气更多,入口风温每降低5 ℃,同位置洞内风流温度平均降低3. 8 ℃; 2)风流温度决定了离壁面一定范围的围岩温度大小,风流温度越低,冻结深度与受到影响的围岩范围更大; 3)初始岩温越大,围岩温度分布曲线越陡峭,围岩导热系数则相反,且初始岩温每增加 5 ℃,冻结深度减少0. 24 m,受影响的围岩径向深度减少0. 32 m。     

送风口处支护结构受力分析及断面型式研究

对于送风口处支护内力分析及断面形式等方面的研究,现行规范及学者研究得较少,现通过对通风风道在不同矢跨比的工况下支护结构受力状态及断面形式的分析研究,得出了通过在通风通道与主隧道的交界处采取如下措施可在保证支护结构安全的同时增大通风面积:(1)增加风道板厚度的同时在支护结构中增设钢拱架;(2)增设锚杆,利用锚杆的抗拔力约束支护结构变形。该成果为送风口处的支护结构设计及断面形式的选取提供了一定程度的参考价值。     

横断山区高速公路长大下坡路段安全评价及改善措施

以横断山区高速公路连续长大下坡路段为例,基于货车温升控制的长大下坡安全评价方法,分析了缓坡、超载及强制停车区对货车安全运营的影响。结果表明,连续长大下坡路段上部设置缓坡对货车制动鼓降温效果不明显,中下部路段缓坡降温效果较好,中下部缓坡越长降温梯度越大;采用均匀纵坡比陡缓相间的纵坡设计更利于行车安全;货车超载将大幅提高全路段制动鼓温度,应严格控制;提出在制动鼓温度超过200℃路段适当位置设置避险车道、增强路面抗滑性能及桥梁护栏防护等级,增设长大下坡余长提醒标志、隧道出入口过渡路段视线诱导及安全警示等措施的建议。     

铁路隧道施工主动控制变形技术研究与实践

针对隧道施工中对加固围岩、充分发挥围岩自身承载能力方面重视不够,致使隧道开挖分部较多、工效低以及软弱围岩发生大变形等问题,通过对煤矿行业主动控制变形、国内外主动控制变形技术进行调研和部分铁路隧道施工实践、研究,得出如下结论： 在隧道施工中主动控制围岩变形,可充分发挥、调动围岩的自承载作用;采用主动控制围岩变形技术,可实现软弱围岩大断面机械化快速施工,解决超大断面设计施工技术难题,有效控制高地应力软岩隧道变形,避免大变形的发生; 锚杆、锚索以及注浆加固地层等是主动控制围岩变形的关键技术措施,必须配置大型机械设备,掌握成套施工工艺,确保锚固的及时性和有效性。     

隧道运营期内部空气温度的预测分析

运营隧道内空气温度的合理预测有助于改善隧道内部环境。为了准确预测分析运营隧道内气温，引入传热第三类边界条件，耦合隧道径向及轴向二维轴对称的围岩温度导热方程与洞内气流温度方程，推导出隧道空气温度和内壁面温度的分析解，该分析解法与文献报道数值解法计算得到的巷道内气温差值在０．５℃以内。以武汉长江隧道为例，对运营隧道内的空气温度进行计算分析。结果表明：洞内气温的计算结果与实测数据的差值大多在１℃以内，且温度变化趋势一致，进一步验证了本文分析解的正确性；随着风速的增加，出口气温不断降低且降幅逐渐减小，即降温效果已逐渐不明显，表明运营隧道内的风速控制需综合考虑降温效果和动力消耗。     

TBM施工引水隧洞降温技术研究

TBM施工时,岩温和机械发热所产生的大量热量会导致隧洞内的温度环境恶化,TBM掘进面附近的温度控制是影响连续长距离掘进的重要因素之一。为制定合理的TBM施工段降温措施,采用传热学理论,对采用压入式独头通风的TBM施工隧洞内的温度分布规律进行研究,并以引汉济渭岭北段TBM 5#斜井工区为例进行验证。通过引入空调工程中焓值的概念,确定TBM隧洞人工降温的冷负荷,对常见的降温措施进行对比讨论,进而确定TBM施工隧洞的降温措施。研究表明： 隧洞内的空气温度与隧洞壁温、通风风温、通风风量、盾构的发热功率、隧洞周长、通风长度、风管侧壁传热系数和隧洞侧壁的换热系数等参数有关;对于TBM掘进面附近高温、高湿的环境,只能采取人工制冷降温措施进行降温     

齐热哈嗒尔高地温引水发电隧洞施工影响分析及降温措施研究

齐热哈塔尔水电站工程发电引水隧洞实测掌子面温度达到110℃,对工程的建设产生严重的影响。为保证工程施工的顺利进行,对隧洞高地温的成因及对隧洞施工的影响进行分析,研究高温环境的降温措施。研究结果表明:1)本区域具有高热流值,高地温是热流密度沿断层等地质构造传导至地表的结果;2)通过采用隧洞通风与局部通风相结合,低温冷水与人工制冰相结合的降温技术,较好地解决了隧洞的高温施工问题。     

多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律

针对高温多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律开展深入的理论分析、数值模拟和现场监测研究。首先，基于热传导理论，建立隧道衬砌和围岩径向传热模型，利用叠加原理和拉普拉斯变换法求得寒区隧道衬砌和围岩的温度场理论解；其次，建立洞内空气的传热微分方程，根据能量守恒原理，建立隧道纵向洞内空气与洞壁的气-固耦合传热模型，结合径向温度场理论解，提出多年冻土区隧道衬砌、围岩及洞内空气的三维温度场计算方法，该计算方法可考虑围岩、衬砌、保温层等多层传热介质及隧道沿洞轴线的不同埋深；最后，根据依托工程现场实测数据，反演围岩的热物性参数，并运用推导的隧道纵向传热模型和横向传热模型，分析姜路岭隧道不同冻土区内衬砌和围岩中的温度场分布规律。研究结果表明：在隧道径向，多年冻土和非冻土围岩温度都会随洞内气温的变化而产生波动，距离围岩表面越近，温度振幅越大，且热量在围岩径向传递过程中有一定的滞后性；在隧道纵向，在一年中最冷时刻，隧道衬砌及围岩温度呈“两端低，中间高”，此时姜路岭隧道围岩、二衬表面最高温度分别为-2.72℃，-7.80℃；在一年中最热时刻，衬砌温度呈“两端高，中间低”，此时姜路岭隧道二衬表面最低温度为1.92℃，但由于受围岩初始地温的影响，围岩表面的温度呈倒V形，最低温度为-1.22℃。     

基于圆形断面的隧道温度场有限差分计算模型

除了少数圆形隧道外,大部分山岭交通隧道断面采用马蹄形或端墙式等形状。在隧道温度场的预测中,圆形断面模型能否代替马蹄形等实际隧道模型,其适应性值得研究。应用基于空气－衬砌－围岩的对流－导热耦合作用控制方程的有限差分方法,建立圆形断面模型对东北寒区马蹄形隧道温度场进行计算,并与现场实测温度场进行对比。结果表明： 1) 圆形断面隧道模型有限差分计算方法克服了通用有限元软件建模复杂、对硬件要求高的弊端,考虑了隧道内风流速度和入口风流温度的影响,在隧道温度场的预测计算中能够满足工程使用要求。2）隧道内风流速度和入口风流温度对隧道温度场影响较大。本文算例中,入口风流温度每升高10 ℃,二次衬砌表面温度升高约7.2 ℃,增幅均匀;从1～5 m/s,洞内风流速度每增大1 m/s,二次衬砌表面温度降低的幅度为6.6、2.7、1.5、0.9 ℃,降幅越来越小。     

高寒高海拔隧道保温层敷设方式及设计参数优化

为了深入探究高寒隧道保温层敷设方式及其设计参数优化的问题，以高寒高海拔特长珠角拉山隧道工程为背景，通过数值模拟重点研究了保温层敷设方式、设计厚度及导热系数参数的选择，并讨论了当地气温变化与保温层设计参数的关系。研究结果表明：在寒区隧道保温层设防区段，贴壁式敷设方式最佳；随着保温层厚度的增加，洞内冷空气影响范围逐渐减小，调热圈径深随保温层厚度变化的趋势用公式表达为f（x_h）=3.039e^{-0.280 9x_h}+13.8e^{-0.009 322x_h}；基于调热圈径深随保温层厚度增加的变化速率曲线及隧道结构安全，建议保温层厚度设计为5~10 cm；随着保温材料导热系数的增大，洞内冷空气影响范围逐渐增大，调热圈径深与导热系数关系趋势用公式表达为f（x_λ）=15.47e^{0.287 4x_λ}-3.829e^-39.05x_λ；基于调热圈径深随导热系数变化速率曲线及隧道结构安全，建议保温材料导热系数取0.020~0.035 W·（m·K）^-1；在假定保温层厚度为5 cm，导热系数为0.022 2 W·（m·K）^-1，通风时间4个月的情况下，只有当洞内气温大于-15℃时才能保证支护结构和围岩不受冻害影响。研究成果可为川藏铁路建设提供指导作用。     

广深港客运专线福田站及相邻区间隧道通风系统研究

广深港客运专线福田站及相邻区间隧道为单洞双线隧道,具有时速高、断面大、阻塞比小、活塞效应弱和散热量大的特点。为保证隧道内人员舒适性要求,必须解决隧道内温度和新风量控制等关键技术问题。从区间和车站活塞风井设置、风井面积及车站排热风量3个方面进行研究,主要结论如下:1)隧道内共需设5处活塞风井,分别为益田路1#风井和2#风井、福田车站两端活塞风井、皇岗公园风井;2)福田车站两端活塞风井面积均为60 m~2,其余3处活塞风井面积均为40 m~2;3)福田车站排热风量为540m~3/s;4)优化后隧道最高温度为39.3℃,人均新风量为76 m~3/h,均满足设计标准要求。