特殊气候与地质条件下隧道工程冻害及防寒保温机理研究

本项目紧紧围绕解决我国青藏高原特殊气候和地质环境下隧道工程岩石和混凝土冻胀破坏机制、隧道防寒保温机理等关键科学问题开展研究工作。通过大量的室内试验、现场试验、现场监测、反馈分析和数值仿真研究岩体冻胀机理，建立冻融循环作用岩体温度场、渗流场和应力场耦合本构模型、冻融循环下冻岩体的强度准则；探讨融循环条件下岩体水分运动和热量迁移规律，提出冻岩损伤过程中岩体渗透性和热传导性的评估方法；通过对不同配合比泡沫混凝土的渗透性和导热性能研究，提出适合我国青藏高原特殊气候和地质特征的防寒保温材料；将建立冻岩隧道冻融和防寒保温数学模型，并研发相应的数值分析程序，数值仿真依托工程隧道的冻融影响范围、产生冻害的范围和防寒保温机理，提出青藏高原冻岩隧道冻害破坏机制、防寒保温设计和稳定性评估方法。本项研究成果将对我国高原寒区隧道工程建设起到关键性的指导作用，具有重要的理论价值和实用价值。

本项目针对复杂气候与地质条件下隧道工程建设中面临的低温相变岩体冻胀机理及防寒保温技术等难点问题，通过深入系统的理论研究、技术攻关和工程应用，建立了反映隧道内空气温度、湿度和风速对衬砌和围岩温度场影响的气-固耦合模型；提出了考虑体积变形、热传导、相变潜热和渗流相互影响的低温相变岩体温度-渗流-应力-冻融损伤(THMD)耦合模型；揭示了低温相变岩体冻胀破坏机理，形成了寒区破碎地层隧道施工工法及二衬模筑混凝土冬季温控施工技术，提出了灾害环境下隧道工程稳定性控制的分析理论、设计标准、建造与处治技术。主要创新成果如下：. 1.提出了考虑热传导、相变潜热和渗流相互影响的温度-渗流耦合模型及其数值仿真技术，实现了寒区低温相变岩体水热运动的精确模拟。. 2.建立了考虑通风和冻融循环影响的岩体THMD耦合本构模型，揭示了寒区隧道冻融条件下体积变形、温度、渗透压力和冻胀力相互影响规律，为复杂气候与地质条件下寒区隧道围岩冻融裂化及长期稳定性评估提供了理论支撑。. 3.研制了适合于高寒和高烈度地震区隧道工程的轻质泡沫混凝土，该材料具有保温、防火、抗冻、抗裂、抗震和隔震等性能；. 4.提出了低温淋水地段喷射混凝土的合理配合比。根据该配合比得到的喷射混凝土与围岩的胶结面经历100次40℃→－40℃的冻融循环后，其剪切强度不小于1.80MPa，达到了现行国家标准《混凝土结构设计规范》规定的C20抗剪强度设计值1.75MPa，解决了寒区隧道低温淋水地段的冬季喷射混凝土施工的世界性技术难题；. 5.二衬模筑混凝土冬季施工加热保温技术，实现了冬季低温环境条件下二衬模筑混凝土施工不间断、表面无裂纹且现场实测强度>C30的目标。提出一套简洁、实用高原寒区冬季混凝土加温时间经验计算公式，该公式可反映隧道内环境温度、浇注时洞内加热温度和加温时间对混凝土长期温度的影响，为寒区类似工程的混凝土冬季施工温度控制提供借鉴和指导。. 成果在西藏扎墨公路嘎隆拉隧道、青海西久公路拉脊山隧道等工程中得到了应用，产生了显著的经济效益和社会效益。目前正在西藏矮拉山隧道、西藏318国道米拉山隧道、新疆乌鲁木齐-尉犁公路22km胜利达坂隧道等高海拔寒区隧道工程中推广应用，除此之外，所研制的泡沫混凝土新材料，还在兖州煤业股份有限公司东滩煤矿、鲍店煤矿等煤矿巷道充填、支护中得到了广泛应用。