高寒地区特长公路隧道温度场及保温隔热层方案研究
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摘要
为解决高寒地区修建公路隧道的抗防冻问题，论文以目前国内在建中的高寒地区特长公路隧道——国道317线鹧鸪山隧道的抗防冻设计问题为背景，调研分析了国内外隧道工程抗防冻研究资料，进行了隧道结构体和围岩的温度场现场实测，根据隧道一年多现场温度试验资料的统计分析，得出了隧道区环境温度、隧道结构体和围岩的温度场变化规律，由此确定了在鹧鸪山隧道二次衬砌表面铺设保温隔热层的抗防冻方案。
对隧道典型围岩类型现场取样，在室内测定了其热物理参数，掌握了围岩的热物理性质。在此基础上，通过综合分析隧道结构体和围岩的温度场规律，提出了相应的隧道保温隔热层厚度计算方法。分别采用二维稳态和二维非稳态热传导有限元模型对隧道一般埋深断面和出口浅埋断面不同厚度保温隔热层的保温效应温度场进行了数值分析计算，得到了保温隔热层厚度的数值解，对得出的隧道一般埋深断面的计算结果采用一维稳态热传导近似解法进行了结果对比。
根据以上厚度计算结果，确定了三套不同厚度不同保温隔热层的现场确认试验方案，经过对隧道冬季三个月的现场温度监测数据统计分析，验证了对隧道保温隔热材料数值模拟计算厚度结果的正确性，并对隧道今后保温隔热层的实施方案提出了建议。
In order to solve the problem of anti-freezedamage for highway tunnel construction in high attitude and cold zones, based on the design of extra-long highway tunnel under construction in our country
at present--the national highway No. 317 Zhegushan Tunnel, the anti
-freeze datum in tunnel engineering from domestic and abroad is investigated and analyzed in this paper, the temperature field of the tunnel structure and rock mass is measured in field; according to the statistical analysis of temperature test datum during about 1 year, this paper concludes regularity of temperature field of the environ -ment temperature in tunnel zone tunnel structure and rock mass ; from this, the anti-freeze plan is determined to be placing heat preservation and insulation layer on the secondary line surface.
Through taking sample of typical surrounding rock mass of the tunnel in field and measurement of thermophysical parameters of sample in laboratory, thermophysical characters of rock mass is obtained. Based on this ,the method of calculation the thickness of heat preservation and insulation material is proposed through syntheti -cally analyzing the rule of temperature field in tunnel structure and surrounding rock mass. The finite element models of the temperature field of the section of normal burying depth and shallow burying depth are set up respecting by using two-dimensional steady and two -dimensional unsteady state heat conduction and the effect of the warmkeeping with the different thickness of heat preservation and insulation material is studied by numerical simulation in the paper. Besides this, the result datum of the normal burying depth and one of the normal burying depth by one-dimensional steady heat conduction approximate calculation method is compared in this paper.
On the basis of the above result, three field test plans with the different thickness and material characteristics of the different heat preservation and insulation layer is put forward, the thickness of the
heat preservation and insulation material is verified by numerical simulation analysis, and some suggestion on operational plan of the heat preservation and insulation layer in future is also proposed.
对隧道典型围岩类型现场取样，在室内测定了其热物理参数，掌握了围岩的热物理性质。在此基础上，通过综合分析隧道结构体和围岩的温度场规律，提出了相应的隧道保温隔热层厚度计算方法。分别采用二维稳态和二维非稳态热传导有限元模型对隧道一般埋深断面和出口浅埋断面不同厚度保温隔热层的保温效应温度场进行了数值分析计算，得到了保温隔热层厚度的数值解，对得出的隧道一般埋深断面的计算结果采用一维稳态热传导近似解法进行了结果对比。
根据以上厚度计算结果，确定了三套不同厚度不同保温隔热层的现场确认试验方案，经过对隧道冬季三个月的现场温度监测数据统计分析，验证了对隧道保温隔热材料数值模拟计算厚度结果的正确性，并对隧道今后保温隔热层的实施方案提出了建议。
In order to solve the problem of anti-freezedamage for highway tunnel construction in high attitude and cold zones, based on the design of extra-long highway tunnel under construction in our country
at present--the national highway No. 317 Zhegushan Tunnel, the anti
-freeze datum in tunnel engineering from domestic and abroad is investigated and analyzed in this paper, the temperature field of the tunnel structure and rock mass is measured in field; according to the statistical analysis of temperature test datum during about 1 year, this paper concludes regularity of temperature field of the environ -ment temperature in tunnel zone tunnel structure and rock mass ; from this, the anti-freeze plan is determined to be placing heat preservation and insulation layer on the secondary line surface.
Through taking sample of typical surrounding rock mass of the tunnel in field and measurement of thermophysical parameters of sample in laboratory, thermophysical characters of rock mass is obtained. Based on this ,the method of calculation the thickness of heat preservation and insulation material is proposed through syntheti -cally analyzing the rule of temperature field in tunnel structure and surrounding rock mass. The finite element models of the temperature field of the section of normal burying depth and shallow burying depth are set up respecting by using two-dimensional steady and two -dimensional unsteady state heat conduction and the effect of the warmkeeping with the different thickness of heat preservation and insulation material is studied by numerical simulation in the paper. Besides this, the result datum of the normal burying depth and one of the normal burying depth by one-dimensional steady heat conduction approximate calculation method is compared in this paper.
On the basis of the above result, three field test plans with the different thickness and material characteristics of the different heat preservation and insulation layer is put forward, the thickness of the
heat preservation and insulation material is verified by numerical simulation analysis, and some suggestion on operational plan of the heat preservation and insulation layer in future is also proposed.
引文
[1] 胡国双．兴安岭隧道改建工程施工简介．铁道建筑技术．1998，3：37～39
[2] 铁道第一勘测设计院．昆仑山、风火山隧道隔热保温及防排水技术研讨会专题报告，2001．11：5～6
[3] 铁道第三勘测设计院编著．冻土工程．中国铁道出版社，2002：261～275
[4] 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，冻土工程国家重点试验室．高海拔寒冷地区隧道工程冻害防治技术研究，2000．10：241～242
[5] 陈建勋，朱计华，张建勋．寒冷地区隧道防冻隔热层设计计算及应用．国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会论文集．北京．人民交通出版社，2002．12：51～55
[6] 陈建勋，昝勇杰．寒冷地区公路隧道防冻隔热层效果现场测试与分析．中国公路学报．2001．10，14(4)：75～79
[7] 译者 袁文忠，校者 秦伯士．公路隧道内的防冻设计：内、外衬砌间隔热层的简化设计法．隧道泽丛，1991．8：43—47
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[11] 高大钊主编．岩土工程的回顾与前瞻．人民交通出版社，2001．6：320～352
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[13] 马万一译．隧道衬砌防冰柱冻害的绝热处理．隧道译丛．1990(11)．24～28
[14] 马忠英，范增莲，李永福．大坂山公路隧道保温隔热层的作用与冻害防治．公路．1997，45(3)：43～45
[15] 邵福元，杨泽勇．大板山隧道的防冻胀系统及其施工．铁道建筑技术，1998．3
[16] 李俊杰，李刚，杨彦民．高寒、高海拔、多年冻土公路隧道防冻害设计与研究．国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会论文集，2002．11
[17] 马忠英，范增莲，李永福．大坂山公路隧道保温隔热层的作用与冻害防治．公路，1997，45(3)
[18] S．Weisberg著，王静龙，梁小筠，李宝慧译．应用线性回归．中国统计出版社．1998．3．
[19] 外部断熟材施工地山内温度计测结果一考察，研究论文报告集，1998．11
[20] 寒冷地断热材设计気温，研究论文报告集，1999．11
[21] NATM予测実際，地盤工学会，1999．11
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[24] 徐学祖，王家澄，张立新著．冻土物理学．科学出版社，2001．4
[25] 张洪济．热传导．高等教育出版社．1992：171～244
[26] 徐惠忠，周明编著．绝热材料生产及应用．中国建材工业出版社．2001．
[27] 方禹声，朱吕民等．聚氨酯泡沫塑料．化学工业出版社．2001
[28] 徐列，方荣生，马庆芳编著．绝热技术．国防工业出版社，1990．7
[29] 方禹声，朱吕民等．聚氨酯泡沫塑料．化学工业出版社，2001
[30] 公路隧道设计规范(JTB 026-90)．人民交通出版社．1990
[31] 马建新，李永林，谢红强，何川．高寒地区特长公路隧道温度场测试与分析．中国铁道学会，西南交通大学．中国交通土建工程学术暨建设成果论文集，2003．成都．四川科学技术出版社：1～4
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[41] 黄双林，苏新民．隔热保温技术在多年冻土隧道中的应用．冰川冻土，2003．8(25)
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[44] 刘万奇．高寒多年冻土隧道施工保温技术．铁道标准设计．2003，(10)．
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[48] 周晋筑．昆仑山隧道洞内防排水及衬砌隔热保温层施工技术．冰川冻土．2003，25(1)
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