【博士】多年冻土隧道开挖稳定性及其渗漏水特征分析【2005】

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内容简介

　　学科专业：岩土工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：中南大学　　学位年度： 2005年　　针对青藏铁路昆仑山隧道工程中的两个关键问题——多年冻土隧道工程的开挖与衬砌矛盾和昆仑山隧道渗漏水特征分析及相应的治理方案展开研究，首先介绍了工程背景，以热力学理论为基础，采用有限元技术对不同模型进行数值模拟；通过施工温度场监测，形成了昆仑山隧道工程开挖施工控制与预报系统；通过昆仑山隧道洞内排水沟流量测试、连通试验、地温及水位观测，阐明了昆仑山隧道渗漏水特征，同时也验证了移动边界计算模型的正确性，而移动边界计算模型的引入又从理论上解释了昆仑山隧道形成这种渗漏水特征的原因。　　昆仑山隧道的开挖与衬砌：　　1)通过对昆仑山隧道自然环境特征分析，初步把握了昆仑山隧道工程的自然气温规律，为整个隧道工程的施工和研究提供了依据。　　2)通过对施工环境温度场的监测和数理统计分析，第一次提出了分区温度场适应不同工序作业的理念，解决了多年冻土隧道工程开挖与衬砌的矛盾，极大地改善了洞内的作业环境，且将施工对多年冻土环境的热扰动降到最低。　　3)根据昆仑山隧道工程实际情况建立有限元模型，对隧道不同开挖过程进行了数值模拟，以发现可能存在的稳定问题，从而选取了合理的隧道开挖方案。　　4)根据工程实际情况选取了瞬态传热分析有限元模型和边界条件，对围岩状态进行了数值模拟。结合旖工安全的需要，将昆仑山隧道的开挖过程分为四个阶段，并在此基础上建立了第一个多年冻土隧道工程施工控制与预测系统，成功地指导了昆仑山隧道工程的开挖与衬砌拖工。　　昆仑山隧道渗漏水特征分析：　　1)重新定义了移动边界的概念，将其增加新的内涵，并提出了产生移动边界特征的充要条件，首次揭示了流动的热载体(水)对多年冻土热融蚀作用远远大于静态水对多年冻土的热融蚀作用的原因，为工程界进一步认识冻土提供了新的理论依据。　　2)根据移动边界的定义，建立了移动边界特征计算模型，并在通用商业有限元程序的基础上，编写了自开发模块，实现了移动边界特征计算程序化。讨论了具有移动边界特征的多年冻土(岩)融化速度的影响因素，明确临界阻力距离是影响多年冻土融化速度的关键因素。采用本有限元程序对不同模型进行了模拟计算，创造性地从理论上解释了昆仑山隧道渗漏水特征形成的原因。　　3)通过分析渗漏水位置与地形特征的关系，初步判断昆仑山隧道之上的沟谷是该隧道渗漏水的原因。　　4)通过连通试验，证实了昆仑山隧道#1和#2冲沟的地表水是隧道渗漏水的主要水源，同时进一步证明了在#l和#2冲沟处形成隧道渗漏水的水流路径的存在。　　5)通过地温及水文观测资料分析，充分证实了位于昆仑山隧道#2冲沟沿沟心纵断面方向存在至少一条未被冻结的通道，同时还证明了隧道工程对周边多年冻土环境具有一定的影响。　　6)从昆仑山隧道渗漏水位置与地形特征出发，通过连通试验、地温与水位测试和移动边界特征数值模拟，得出昆仑山隧道实际上是位于多年冻土区而存在局部冻融的隧道和相应的治理方案。　　

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