專利名稱：熱力及凍融風化對隧道影響分析的制作方法
熱力及凍融風化對隧道影響分析技術領域
本發明屬于土木工程領域，特別是涉及熱力及凍融風化對在建和運營隧道影響分 析。
背景技術：
在平均海拔3850m情況下，由于凍土的后封閉作用，熱力風化作用，使得無論是運 營的隧道，還是在建隧道，常常出現多處滲漏水及凍融破壞現象，二次襯砌重新修建和隧道 維護成本高。為克服凍融風化、熱力風化作用，避免圍巖、混凝土含水的高壓現象，降低隧道 養護、維修成本。開展了熱力及凍融風化對在建和運營隧道影響分析研究。發明內容
1、平均海拔3850m隧道施工中，不同進尺的氣溫、水溫和地溫的變化曲線分析，其 特征是所述的變化曲線，不同進尺隧道圍巖冰點變化曲線，圍巖、混凝土的含水量變化曲 線。
2、包括在平均海拔3850m隧道，凍結期在200天以上，反復凍融深度均大于襯砌厚 度3 6倍，達到2 4. 5m,隨貫通后使用年限的增加，尤其富水地段，巖體和混凝土的含水 量逐步增加，在完工3 4年后，強度開始逐步減小，7 10年后，一般為原強度的40% 70%。鋼筋混凝土強度降低速率大于素混凝土，風化圍巖大于整體圍巖，單晶礦石圍巖大于 多晶礦石圍巖。研究出不同時間混凝土含水量與混凝土強度變化曲線，其特征是所述的不 同時間混凝土含水量與混凝土強度變化曲線，機械加熱、洞內保溫對圍巖、混凝土熱力風化 影響曲線，凍融風化對襯砌和圍巖的破壞曲線。
3、隧道區季節凍融深度2. 5 4. 5m，凍結期內平均凍速1. 67 3. 3cm/d，可產生 強或中等凍脹，在經過20次反復凍融循環后，蝕變閃長巖的抗壓強度損失一半以上，其余 巖性抗凍系數均大于0. 75。
4、機械加熱、冬季洞內保溫等施工措施會加劇隧道圍巖、混凝土熱力風化、凍融風 化的作用，其中凍融風化占襯砌結構混凝土破壞的主導作用，寒暖季氣溫的高頻變化引發 融化層地溫在冰點附近的多次溫度浮動，按新奧法施工時，此頻率在_14°C 1°C之間5次 /1天以上，凍融風化具有明顯的加劇作用。
5、新凍土層在埋深不同的情況下，圍巖孔隙、裂隙水的冰點在0°C -17°C之間。 在襯砌澆注完成3 3. 5年混凝土含水量持續升高，強度變化不大；4年后，含水量持續增 加，強度受凍結影響開始逐漸減小，同時洞內地溫在圍巖或混凝土的含水冰點附近形成每 日的多次反復頻率。
具體實施方式
1、溫度測量
氣溫引發水溫和地溫變化。施工或運營中中機械、人員、混凝土水化反應以及隧道保溫等施工因素，造成洞內中間段氣溫反復變化，普遍高于洞外氣溫，高于圍巖滲流水溫 度，高于巖體溫度，發生熱量交換，地溫發生冰點上下的高頻高幅變化，為圍巖和二次襯砌 熱力風化和凍融風化創造了條件
洞內水溫年變化較小，水溫一般在0 5°C之間，差值一般小于4°C ；最高出水點一 般在二次襯砌養護段，此水溫并不能真實代表裂隙水的出水溫度；寒季進出口水溫低，中間 高，暖季在進口陽面最高，其次為出口端，最低為中間段。
隧道中間段因受洞內熱源的影響，在集中施工二次襯砌地段，圍巖融化深度隨熱 源能量的增加、混凝土水化熱的增加而加深。未貫通前，熱源解除后，巖石或混凝土達到與 周邊相同溫度，暖季期間洞內要比兩端快，在寒季重新回凍兩端速度大于中間段。貫通后， 兩端IOOOm范圍內，回冷速度或回凍速度大于中間段。
溫度記錄數據分析表明，高原地區因人員、機械等的功率降低，施工中往往通過增 強配置來提高人員、機械效率，這就不可避免的產生更大的熱量，提高了洞內的氣溫；同時 在施工中，為確保混凝土工藝，采取外部加熱的方式保溫，混凝土水化熱也產生一定的熱量 釋放。數據顯示，在集中加熱施工、加熱保溫地段，由于施工工藝引起的混凝土溫差最大值 在30°C，大于5°C的變化頻率達到12次/天，為新凍土層熱力風化創造了生成條件。新凍 土層(含水襯砌或圍巖)的封閉承壓水冰點往往低于0°C，這種高幅高頻的溫度變化使得洞 內溫度在冰點附近反復升降，凍融變化幅度也同時加大。
2、混凝土強度監測
早期混凝土，在濕度保證的情況下，養護溫度對混凝土強度增長有顯著影響。溫度 降低，強度增長緩慢。當溫度降至冰點以下時，混凝土強度停止發展，并受凍脹破壞；濕度是 水泥水化的必要條件。養護實踐證明，若環境濕度較低，水泥不能正常水化，甚至停止水化， 這將嚴重降低混凝土強度。為保證后期強度，隧道洞內襯砌混凝土養護，仍必須采取外部加 熱提高溫度和覆蓋保濕的措施。
隧道混凝土在澆注完成3 3. 5年含水量持續升高，強度變化不大，4年后，強度受 凍結影響開始逐漸減小。
3、應力斷面監測
祁連山區隧道的主要特點
(1)埋深較大，一般平均埋深大于350m ；
(2)含水圍巖多具一定的水頭壓力；
(3)從目前設計的祁連山區隧道來看，襯砌層一般包含鋼架(或鋼筋格柵)、噴混 凝土以及強度大于C30的二次襯砌鋼筋混凝土，；
(4)隧道均具有一定的凍結深度，而凍脹力隨凍結深度的增加而增大；
(5)含水量不僅影響巖石或混凝土的強度，加劇風化速度，而且對凍脹力的影響極 大；
(6)祁連山區的隧道上覆地層大多是多年凍土或深季節凍土，會產生后封閉作用， 這使得隧道圍巖或混凝土中的水呈承壓狀態。
以上因素使得祁連山區的隧道工程，具備了凍融風化的所有必備條件。凍脹力產 生該區隧道的普遍現象。
施工及貫通后，通過在拱頂、左右拱腰、左右邊墻預埋土壓力盒和鋼筋計的辦法，來檢測應力的變化。進而分析凍脹力引起的風化作用。施工中共埋設87個斷面，計465個 壓力盒。數據分析表明凍脹力明顯出現在10月底，2月中下旬達到最大值，3月底開始直至 6月都在減少，暖季相差不大。
權利要求
1.熱力及凍融風化對隧道影響分析，包括在平均海拔3850m隧道施工中，不同進尺的 氣溫、水溫和地溫的變化曲線分析，其特征是所述的變化曲線，不同進尺隧道圍巖冰點變 化曲線，圍巖、混凝土的含水量變化曲線。
2.包括在平均海拔3850m隧道襯砌，不同時間混凝土含水量與混凝土強度變化曲線， 其特征是所述的不同時間混凝土含水量與混凝土強度變化曲線，機械加熱、洞內保溫對圍 巖、混凝土熱力風化影響曲線，凍融風化對襯砌和圍巖的破壞曲線。
全文摘要
熱力及凍融風化對隧道影響分析，包括高原溫度分析、混凝土強度監測、應力斷面監測和凍脹力分析，其特征是所述熱力及凍融風化對隧道影響分析采用外部加熱保溫措施，外部加熱提高溫度和覆蓋保濕措施，分析凍脹力引起的風化作用。本發明可以確定引起隧道凍脹害的主要因素，保護凍土，減少新凍土層含水量，避免滲漏水凍結，有效促進祁連山區隧道設計和施工技術，降低養護成本，提高隧道使用年限。
文檔編號G01N17/00GK102031973SQ20101019907
公開日2011年4月27日 申請日期2010年6月12日 優先權日2010年6月12日
發明者劉國玉, 張軍, 徐存良, 郭秀琴, 陳麗敏 申請人:中鐵十六局集團有限公司
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