冻土工程及寒区隧道温度场研究综述.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流冻土工程及寒区隧道温度场研究综述.精品文档.岩土工程进展专题读书报告冻土工程及寒区隧道温度场研究综述指导老师：杨 果 林学 号：124801006姓 名：李 文 博2012.12.04冻土工程及寒区隧道温度场研究综述1 冻土工程的研究现状12 寒区隧道工程的研究现状43 寒区隧道温度场的研究51 冻土工程的研究现状冻土学作为一门独立的学科首先在前苏联得到发展，早在16世纪，文献中已出现了有关西伯利亚和北美有冻土存在的报道。M.B罗蒙诺索夫曾发表“冻土地”的科学综述，对“冻土地”的形成及其与气候、地形的关系等提出看法。19世纪前半期，已初步获得

2、西伯利亚冻土层的温度、厚度、埋藏条件和分布情况的资料，著名的谢尔金探井的冻土温度资料就在1925年测得。与此同时，有报道称北美哈得孙湾深处的岩石为永久冻结、埃什绍利茨沿岸有很厚的地下冰体。19世纪后半叶，西伯利亚工农业的发展、人口的大量迁移，特别是西伯利亚大铁路的建设极大地推动了冻土研究。应西伯利亚大铁路建设的需要，俄国地理协会制定并出版了西伯利亚冻土研究指南，出现了亚切夫斯基的论西伯利亚的永久冻土报告以及沃耶伊科夫的关于西伯利亚铁路沿线冻土的第一篇综合报道，并出版了鲍格达诺夫的永久冻土与永久冻土上的建筑物、科沃夫的阿穆尔铁路西段在永久冻土条件下供水水源的普查与勘探等书。1917年后，冻土研究

3、进入有计划、有目的的发展时期，并成立了冻土研究相关的科学机构。苏姆金的苏联境内永久冻结土壤专著出版，标志着冻土学已成为一门独立学科。普通冻土学、冻土学原理、苏联冻土学等一系列专著，显示出冻土学在前苏联的发展达到较高的深度和广度。第二次世界大战后，多年冻土研究逐渐国际化，Alaska-Canada的高速公路、空军基地、Norman wells-Alaska的高速公路，1950年Alaska铁路修建遇到的多年冻土问题，70年代Alaska的输油管路，这些工程的开展都促进了冻土研究的发展。20世纪40年代，我国一些地理学家报道过西部高山有多年冻土。如1943年刘培桐在“中国气候与土壤之关系（续）”一

4、文中提到“高山冰沼土”，说“此类土常与高山草原分布于同一区域，但地形较平坦，下积冰层，终年不融”。还提到“在滇西海拔3800m以上亦常见此类土分布”、“余皓民在松潘一带，亦见有冰沼土”。1943年陈见祥在“河西走廊”一文中也提到“高山冰沼土”，说“这种土分布在雪线附近或雪线以上，土心常永久冻结，仅在祁连山高处发现。”显然，这里所提的“高山冰沼土”即为多年冻土。在日本侵占我国东北期间，满洲矿业协会志、东北区的地质及地志（19411944）上，零星报道过海拉尔等地有多年冻土，并对其温度、厚度及埋藏条件做过叙述。此外，雪冰、低温科学等刊物（19401943）登载过日本人对我国东北地区的冻土及房屋、铁

5、路等冻害作调查和试验的一些结果。新中国成立后，19491959年间，东北冻土区的地质、矿藏调查，林业开发、铁路和公路修建以及工业民用建筑等各项生产建设的需要大大促进了冻土科学研究。刘国昌在研究当时的内蒙古牙克石造纸厂地基问题时，谈论到当冻土层的厚度和季节融化深度。辛奎德、任奇甲在整理以往东北冻土零星调查资料基础上，1956年发表了“中国东北地区多年冻土的分布”一文，这是我国第一份关于东北多年冻土分布特征的系统总结，并在冻土分布图上划出了东北多年冻土南界，认为南界相当于年平均气温0等值线和1月平均气温-24等值线。同年，根据前苏联水文地质专家鲁萨诺夫的建议和指导，在内蒙古额尔古纳旗某矿区曾建过我

6、国第一个冻土观测站。1957年，铁路部门在大兴安岭森林铁路的勘察设计中，调查了冻土分布和各种冻土工程地质现象，并初步取得了多年冻土区工程地质勘测及铁路建设等经验，这些都集中反映在多年冻土的工程地质和铁路建筑（1958）一书中。19571959年间，地质和水电部门曾派人参加了中苏黑龙江联合考察中的冻土调查工作，这期间，季节冻土研究工作也在展开，如：北京市的季节冻结深度和道路翻浆的观测研究。水电部长春水利科学研究所开展土坝冬季研究，并出版碾压式土坝的冬季施工一书，1956年该所筹建了我国最早的冻土实验室，随后建筑和林业部门开始建立了观测站并筹建了冻土实验室。1954年青藏公路通车，青藏高原冻土问题

7、引起交通、铁路等有关部门的关注。1956年铁道部开始勘测青藏线，对沿线冻土作初步调查。1960年，中国科学院在兰州成立了由施雅风主持的冰川积雪冻土研究所筹委会，设立冻土研究组，开始冻土研究，同年，铁道部高原铁路研究所在兰州相继成立。两所会同一些高校，于1960年1962年间有效地开展了青藏公路沿线冻土综合考察。铁道兵在青藏高原地下最发育的风火山地区修筑了铁路试验工程，此后高原铁路科研所坚持了风火山常年冻土观测站。1963年，“青藏高原冻土初步考察”一文第一次向国内外报道了青藏高原多年冻土的分布特征、温度状况、厚度、组成、地下水及冻土地质地貌现象等。1965年青藏公路沿线冻土考察论文集出版，在以

8、往冻土考察研究的基础上，就高原冻土分布，即分区特征，冰缘地貌，冻土区地下水、冰的结构、化学成分以及植被等专题，进行了系统的总结，标志着我国冻土研究成长起来。与此同时，地质部门在青海高原东部结合地质普查，积累了许多冻土资料，反映在“青海高原东部的多年冻土”一文中。19631964年，中国科学院开展了唐古拉山南麓西藏土门地区的冻土调查研究，并建立了世界上海拔最高的冻土观测站。1965年起，又在祁连山木里煤矿地区开展冻土和供水条件调查，并建立冻土常年观测站。20世纪60年代初，在东北成立的以丁锡祉为首的冰缘地貌组，较系统地开展东北地区的冰缘地貌调查研究。19641965年，中国科学院会同铁道部、林业

9、部门，在大兴安岭牙林铁路沿线开展冻土和工程冻害调查，并对个别严重病害地段进行观测，期间，在多地区密切结合生产实际的冻土调查中，积累了大量冻土基本科学资料，在野外工作已应用地球物理勘探方法，并初步开展冻土物理力学和热学性质的试验。1966年在兰州建立我国第一个有相当规模的冻土低温实验室。19661977年间，冻土科研主要结合工程建设项目，如青海热水煤矿、格尔木至拉萨输油管道、南疆铁路及拟建的青藏铁路等，对各项工程，就冻土工程地质条件评价、冻土物理力学性质及冻土分布特征及其变化规律有较全面的认识；对青藏公路冻土力学性质所进行的系统总结，提出了有限体系能量平衡法确定冻土温度场的主要指标；推导出便于工

10、程实践中采用的多年冻土南界附近季节融化深度的计算公式。此外，这阶段有许多科研总结和报告未出版，值得提出的有：国家下达的“青海木里煤矿聚乎更矿区冻土与水源问题”项目，中国科学院兰州冻土研究所科技人员经过19651968年的系统调查、观测和试验研究，提出了矿区冻土工程地质分区和工业民用建筑稳定性评价，以及矿区供水条件报告，汇集于木里煤田聚乎更矿区冻土与水源问题研究资料汇编中；有关青藏高原多年冻土区铁路修筑中工程技术问题的多年研究成果，反映在原铁一院、西北铁路科研所和中国科学院兰州冻土研究所共同主编的青藏高原多年冻土地区铁路勘测设计细则中（1972）。1974年，国家组织青藏铁路建设中的冻土问题科研

11、大协作，有中国科学院兰州冰川冻土研究所、原铁一院和西北铁路科研所等单位，开展了青藏铁路沿线冻土分布、冻土力学和热力学性质、冻土地基稳定等13个专题的研究。原铁三院冻土对从20世纪70年代初，在东北大兴安岭对冻土分布特征、温度状况、冻土区地下水、冻土上各项工程建筑，作了大量观测、试验和研究。19731974年，内蒙古大兴安岭林业设计院主持，中国科学院兰州冰川冻土研究所、北京大学及一些林业部门的专家参加，对东北多年冻土进行了多学科的综合考察，积累了区域冻土资料，划出了多年冻土自然地理南界。1975年冻土一书出版，通俗而系统地介绍了冻土知识和我国以往研究成果，并附有一张小比例尺的中国冻土分布图。2

12、寒区隧道工程的研究现状在国外，前苏联修建的贝阿铁路有多座隧道修建在冻土地区，日本的北海道、北欧的挪威、北美的加拿大等也有相当数量的寒区隧道工程，这些国家均积累了一些寒区修建隧道的施工经验。建国几十年来，我国在东北大兴高纬度、海拔高度在1000m以下的地区修建了数十座寒区隧道，如嫩林线的西岭1号及2号隧道、西罗奇2号隧道、白卡尔隧道，卡图线的土门岭隧道等，洞外最低气温均在-50以下。另外，在西北高海拔地区，除了早期修建的南疆铁路奎先隧道以外，近年来又修建了一些寒区隧道，如大坂山公路隧道、鹧鸪山隧道。其中，大坂山公路隧道地处青藏高原东北部、祁连山脉东段南支脉，位于青海省境内，隧道全长1530m，洞

13、口海拔3793m，在修建青藏铁路格拉段之前，该隧道海拔位居世界第一。刘国正在“高海拔高寒隧道施工技术”一文中介绍了大坂山隧道取得的一些技术成果及施工方法，如：充分发挥防寒泄水洞的有利作用，优先开挖贯通；适用于高海拔高寒条件下的施工机械配套技术；低温混凝土施工技术；防寒保温系统施工技术；完善了防排水系统和新型防水材料的应用；利用泄水洞的隧道施工通风技术。从以上所介绍的工程实践来看，国外的多年冻土隧道均位于低海拔地区，而且可借鉴的资料很少。国内在东北大、小安岭，高纬度、海拔高度在1000m以下地区修建的数十座寒区隧道，由于修筑年代较早，在没有经过充分研究和经验的基础上修建，之后产生了严重的病害，留

14、下的更多是教训。而对于海拔更高、更严寒的大坂山隧道，没有很好地解决高原施工的供氧、湿喷混凝土支护等问题，虽然在高海拔高寒条件下的施工机械设备配套、低温混凝土施工、防寒保温系统施工、防排水系统和新型防排水材料的应用、利用泄水洞的隧道施工通风技术方面积累了一些经验，但大坂山隧道属于高海拔季节性冻土，施工、运营中的重点要解决的问题是保持季节性冻土不冻结，所以这些经验对于基于保护冻土为原则的高原冻土施工借鉴作用不多。3 寒区隧道温度场的研究(1) 地表以下的温度地基温度由空气（或地基表面）温度、地球内部的热流以及土的热学属性等因素共同确定。Orlando B.Andersland等人认为：地表温度无论

15、在一天还是一年循环内均呈现近似的简单周期性变化关系。给定位置的气象数据用来提供年平均温度（）和地表温度幅值（）。因此，地表每天或每年的温度（）循环可以用下面正弦变化关系曲线来估算：式中，t时间；p周期，以24小时或者365天计。如果时间t的计算从1月1日开始，并且一年内最冷时间发生在1月前约2周，地表曲线则将向右平移。这时表示的曲线可以通过将方程中的项用替代即可。项表示滞后的相位，与周期p具有相同的单位。这个温度图形随着深度z增加而逐渐衰减，在状态不变的均匀土中，任何深度和时间的温度（）可以用下式计算：式中：土的热扩散系数，并且假定忽略地球内部热流。(2) 隧道温度场的实测研究美国CRREL从

16、1963年开始对Alaska的一座多年冻土隧道进行长期观测，并取得了一系列有价值的研究成果；在前苏联贝阿干线山岭铁路隧道设计与施工研讨会上，有关学者认为在短于1Km的隧道内，温度变化较小，仅在3-4之间；2Km以上的隧道内，从洞门到隧道中郁的温度则急剧上升，最高温度与最低温度的差值可达8-15；通常隧道内温度对隧道中部而言，分布是不对称的，与洞门附近的气候条件、列车的运行方向均有关。在国内，也凤鸣(1988)对大兴安岭多年冻土地区的西罗奇2号隧道、杜草隧道和新疆的天山奎先隧道进行了系统的气温观测，结果表明洞内气温在寒季离洞口越远则越高，在夏季则相反。吴紫汪、赖远明等以青海大板山隧道为依托，结合

17、新疆天山奎先大坂隧道、大兴安岭的杜草、西罗奇2号、翠岭2号隧道和石汝线贺兰山隧道的测试数据，对寒区隧道洞内温度的变化规律进行了归纳和总结，分析研究认为：暖季洞内温度多低于洞外温度，寒季洞内温度高于洞内气湿，即所谓洞内“冬暖夏凉”；寒区隧道中温度沿进深变化呈一定规律性，大致呈抛物线型分布，暖季为中间段低，寒季相反，中间高，进出口段低；洞内温度年校差与洞外温度年较差的比值随隧道长度增长而减小。王大为、吕康成等对吉林省延吉一图们二级公路上的小盘岭隧道温度场进行了测试，分析认为长度在600m左右的隧道，围岩最大冻深沿全长变化不大：洞外冻深大于洞内冻深；据衬砌表面越深，围岩温度随时间变化缓慢。根据青藏铁

18、路昆仑山隧道的气温和地温测试资料，黄双林(2003)分析了多年冻土隧道冻融阁附近温度场的变化规律，张先军分析了隧道洞内气温、地温及隔热层内外侧温度分布特征，分析认为：隧道洞内气温高于洞口气温，随着距洞口距离的增加，洞内气温受洞外气温影响逐渐减弱，气温分布也逐渐均匀，隧道开挖后，在周边围岩一定范围内形成融化圈，洞口融化圈厚度小于洞内融化圈厚度，并随着寒季的到来，大部分融化圈逐渐回冻，洞内气温对隧道周边围岩地温的影响随围岩深度的增加而减缓：施工期间，影响冻融圆的因素除了洞外气温，还有洞内放炮等施工行为，并随着纵向深度的增加及靠近掌子面，施工的影响逐渐增大，隧道内隔热层具有良好的保温效果。谢红强、何

19、川（2004）等对四川鸪鸪山隧道的大气温度、隧道内温度及隧道围岩温度进行了现场监测，通过对隧道贯通前后两年时间的测试数据分析，得到了各项温度参数，并分析了隧道温度场的分布及变化规律。研究认为隧道洞内外气温变化具有周期性，可用正弦函数回归法进行拟合；随着进入隧道距离的增加，平均气温逐渐升高，而温度振幅呈下降趋势；隧道围岩温度随着径向深度的增加，平均温度稍有升高，振幅呈衰减趋势，并且呈指数函数变化，隧道贯通前后温度的变化规律相同，但隧道贯通后，洞内的平均温度下降了3-4，而年温度振幅也减小了2-3；隧道贯通后，空气流动对洞内温度分布有影响。参考文献1 乜风鸣. 寒冻地区铁路隧道气温状态J. 冰川冻

20、土. 1988, 10(4): 450-453.2 铁道部第三勘测设计院. 冻土工程M. 北京：中国铁道出版社. 1994: 266-279.3 陈建勋. 隧道冻害防治技术的研究D. 西安：长安大学. 2004.4 孙文昊. 寒区特长公路隧道抗防冻对策研究D. 成都：西南交通大学. 2005.5 R.-s. Chen, E.-s. Kang, X.-b. Ji, et al. Cold Regions in China. Cold Regions Science and Technology. 2006, 45(2): 95-102.6 王余富. 寒区公路隧道温度场特征研究D. 西安：长安大学

21、. 2006.7 赖金星, 谢永利, 李群善. 青沙山隧道地温场测试与分析J. 中国铁道科学. 2007, 28(5): 78-82.8 陈建勋. 寒冷地区隧道温度场的变化规律. 交通运输工程学报. 2008, 8(2): 44-48.9 罗彦斌. 寒区隧道冻害等级划分及防治技术研究D. 北京：北京交通大学. 2010.10 W. Ma, Z. Wen, Y. Sheng, et al. Remedying embankment thaw settlement in a warm permafrost region with thermosyphons and crushed rock rev

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