铁路隧道检测-防水混凝土抗渗性能检测

我国多年冻土区面积有2150000平方公里，占国土总面积的22.4%。我国每年修建在冻土区上的隧道数量非常多，对已经运营的寒区公路隧道进行调查时发现，寒区隧道中有80%以上都存在各种各样冻害现象，其中60%的发生渗漏，约24%的出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉陷等问题。每年各地区部门和相关交通企业对这些病害隧道维修养护费用数量惊人。项目研究背景项目研究背景在寒区修建隧道，除具有隧道工程的一般性外，其技术性问题要更加复杂，其中最主要的问题就是隧道工程主体结构尤其是洞口段的结构抗防冻能力、运营安全性及结构的长期寿命等。据调查，寒区隧道冻害现象出现频率如此之高，比重如此之大，主要是对高寒隧道了解不足或估计错误所致。研究内容：1高寒地区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究2345

高寒地区隧道防冻技术适应性研究

高寒地区隧道安全施工技术研究高寒地区隧道结构受力特征与安全评价研究高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真依托工程概况阿拉坦隧道位于内蒙古自治区通辽市境内，是国道304线图布信至霍林郭勒段一级公路改建工程项目的控制工程。该隧道左线全长775m，右线全长730m，位于扎鲁特旗中北部，距离鲁北镇100多公里，距离霍林郭勒市约50公里。依托工程概况隧址区位于内蒙古东北部，冬季漫长而寒冷。根据扎鲁特旗气象站资料，多年平均气温5.8℃，最低气温-27.4℃。多年平均降水量410mm；多年平均冻结深度108cm，最大冻结深度194cm；全年最冷月1月份平均气温为－20℃，最大冻结深度为269cm，极端最低气温－37.66℃。地下水类型主要为河谷洼地区的孔隙潜水、丘陵山区孔隙裂隙潜水，本区地下水主要以接受垂向大气降水补给为主，水位年变幅约1.5m。寒区隧道温度场监测方案设计隧道开挖后，山体内部温度场引起了变化。一般地质条件下，隧道开挖影响范围内，外界环境对隧道穿越区的温度影响最为显著。根据温湿度计的布设原则，测温元件应当是按隧道纵向对称分布，考虑到阿拉坦隧道的实际情况（隧道长度较短），所以测温元件采取由密到疏的埋设原则，由左线洞口桩号开始，用以测定围岩内部温度变化情况。围岩内温度测试元件的埋设断面如图3-6所示。隧道围岩内温度值为每天测一次，每天测定时间基本相同。寒区隧道温度场监测方案设计

隧道区及隧道内气温温度的监测仪器：本次测试采用ZJI-2B型温湿度计对大气温度连续自动记录，记录结果为米格纸上连续的温度湿度曲线，并按要求进行温湿度校正。每周更换一次记录纸。温度计实物图及隧道外、隧道布设横断面如图1、图2和图3所示。图1温湿度计及其记录结果实物图寒区隧道温度场监测方案设计百叶箱室外地面150

温湿度计布置断面图外界大气百叶窗布设图隧道区及隧道内气温温度的监测仪器：寒区隧道温度场监测方案设计

隧道围岩测温元件围岩内测温元件埋设示意图隧道内围岩温度元件：寒区隧道温度场监测方案设计

温湿度计及围岩测温元件沿隧道纵向布设隧址区大气和隧道内环境温度观测数据分析

a）隧道洞口

b）隧道中间处隧道内大气温度曲线图（a~b）

从图7）图中可知，在隧道的进出口段，由于在冬季隧道内保持稳定风向，洞外低温气体充分同二次衬砌和围岩交换热量，使得二次衬砌和围岩内一定深度均处于负温，由于阿拉坦隧道长度较短，所以在隧道中间处的气温曲线最小值要比隧道外大气气温曲线最小值在每年相同时间上延迟20天。隧址区大气和隧道内环境温度观测数据分析

沿隧道纵向温度变化曲线1）1月与2月两个月，沿隧道纵向气温曲线基本呈倒V型，隧道中间处温度高。从隧道外到隧道中间处，月平均气温较差最高可达12℃，最低气温出现在隧道出口外，在隧道的进出口处向隧道内方向温度都是降低的。2）3月和4月温度曲线整体大致成“一”字状，这期间隧道进出口洞外气温回升较快，而隧道洞口与隧道外大气温度相差不多。3）从5月至8月，隧道进口至隧道中部温度曲线基本呈直线下降趋势。4）整体来看，隧道中间处温度值从1月至8月增幅较小，其1月的最低值与7月的最高值均为隧道纵向同期的最小值。隧道围岩温度数据分析表1隧道洞口段围岩内最低负温值

隧道围岩温度数据分析隧道洞身段

常用保温材料福利凯（FLOLICFOAM）

保温材料比选试验研究模型试验的研制

温度调节箱设计图温度调节箱实物图

冷浴刻槽圆盘设计图保温材料比选试验研究模型试验的研制HC-2010型低温恒温槽

制冷铝板实物图模型试验的研制保温材料比选试验研究SWD-809型自动打印十六路巡检控制仪记录结果实物图保温材料比选试验研究测试原件及埋设WZP-011型Pt100单支铂热电阻感应元件

测温探头在混凝土板表面布置图图混凝土板表面涂抹凡士林保温材料比选试验研究保温层内置（二次衬砌表面）数据采集过程图试验方案：（1）无保温层的低温模拟试验（2）内置4cm福利凯板（（FLOLICFOAM））作为保温层的低温模拟试验（3）内置5cm聚氨酯板（PU）作为保温层的低温模拟试验保温材料比选试验数据分析未铺设保温层

未铺设保温层时模型内温度变化情况如图所示，当外界温度较低时，由二次衬砌至围岩，温度差值分布明显。随着外界温度的下降，衬砌及围岩模拟层内部温度也有着同样趋势的下降，随着径向深度的加深，温度降幅是逐渐减少的，即远离隧道断面，越向围岩深处的温度变化越小。模型内温度变化仅仅对一定范围内的模拟层温度产生影响，与“隧道冻融圈”理论相符合。无保温层断面温度对比保温材料比选试验数据分析A断面温度变化曲线B断面温度变化曲线C断面温度变化曲线D断面温度变化曲线保温材料比选试验数据分析内置福利凯（（FLOLICFOAM））保温层模型在D断面与冷浴之间铺设4.5cm福利凯（（FLOLICFOAM））作为保温层即内置保温层后模型内部温度变化情况如图19所示，保温层使围岩模拟层A断面、B断面和支护模拟层C断面、D断面温度达到了0℃以上起到了防止围岩冻胀的作用。内置福利凯（FLOLICFOAM）作保温层断面温度对比隧道温度场有限元计算隧道温度场有限元模型的建立根据阿拉坦隧道实际情况建立1：1计算模型。由隧道温度梯度的大小对隧道内不同材料类型进行不同的网格划分，划分的基本原则是：温度场内温度梯度大的区域网格划分密，温度梯度小的区域网格较稀疏。隧道温度场有限元计算模型隧道温度场有限元计算有限元计算结果无保温层时隧道温度云图内置4cm硬质福利凯（FLOLICFOAM）时隧道温度云图由图21可见，当无保温层情况时，隧道外轮廓钱处于负温区，即衬砌后一定区域的围岩均处于负温区，易发生冻害；由图22可见，内置5cm硬质福利凯（PU）作为保温层情况下，隧道外轮廓钱与围岩内温度均处于0℃以上，达到了保温防止冻害发生的目的。隧道温度场有限元计算

隧道纵向温度场模拟

a）无保温层时加载第1年温度图b）无保温层时加载第30年温度图

从图23可以看出，沿隧道纵向设定保温层后，第1年时衬砌内的负温值比该处隧道内空气温度明显要高出，衬砌内温度没有出现低于-6.3℃的，但是隧道衬砌内的温度沿隧道纵向分布的比较均匀；当反复加载30年时，隧道衬砌内衬砌表面的负温值会达到-8℃，从而说明反复加载的时间越长，隧道围岩一定范围内的年平均温度会下降，温度最终稳定的值同隧道围岩的初始温度、隧道内气温、地区降水量、围岩的性质等各因素有关。隧道纵向温度场模拟隧道温度场有限元计算c）有保温层时加载第1年温度图d）有保温层时加载第30年温度图

沿隧道纵向温度模拟云图（a~d）寒区隧道防冻设计与安装寒区隧道防冻设计与安装寒区隧道防冻设计与安装寒区隧道安全施工控制技术研究内容

依托国道304线图不信—霍林河段阿拉坦隧道，本研究报告主要完成了以下研究工作：

（1）隧道围岩特征与施工综合地质超前预报技术根据TSP、地质雷达等隧道超前地质预报技术获得的洞周围岩松动范围的资料，预测高寒地区隧道施工灾害，针对具体施工灾害，提出加固改善隧道围岩条件的工程措施及其施工技术和质量控制，有效指导施工。

（2）隧道施工安全管理系统通过洞内变形收敛量测来监控洞室稳定状态和评价隧道变形特征。并通过对量测数据的整理与回归分析，找出其内在的规律，对围岩稳定性进行评价，优化隧道初期支护设计，提高信息化设计水平，初步建立隧道施工安全管理系统。超前地质预报

超前预报的主要目标包括：（1）超前探测地层岩性、软弱层的位置、岩体完整程度、断裂带位置、宽度、破碎程度、富水性；（2）超前探测岩溶洞穴、含水体的位置、大小、规模、充填情况，预报突水突泥具体位置及可能带来的灾害程度；（3）查明勘察设计阶段物探资料显示的异常体的具体位置、规模，确定其危害程度；（4）隧道底部及周边岩溶洞穴及含水体的位置、规模。通过超前地质预报及时发现异常地质现象，预报隧道开挖面前方不良地质的位置、产状及其围岩结构的完整性，为正确选择开挖方式、修正支护参数和优化施工方案提供有力依据，并为预防隧洞出现塌方、流沙、漏水、突泥、岩溶和采空区等可能形成的灾害事故及时提供信息，以降低地质灾害发生的风险，进而保证施工质量。施工监控量测施工监控量测具体目标为：（1）通过施工监控掌握隧道拱顶沉降、周边收敛、围岩内部位移，了解围岩松动破坏范围，对围岩稳定性作出评价。（2）掌握隧道围岩的变形规律以及与施工工序和爆破振动的关系，用以调整施工方法和参数。（3）通过施工监控，及时发现安全隐患并予以排除。通过各种有效的技术手段，快速取得可靠的监测数据，快速评价隧道施工的安全状态，及时指导施工；通过对围岩及隧道结构的受力、变形状况的全面分析，准确评定隧道施工工艺、支护衬砌结构参数的安全性和经济性，为施工优化提供指导，最终达到安全、优质、经济的目的。寒区浅埋隧道进洞安全施工

寒区浅埋隧道进洞安全施工控制（注浆技术）包括以下几个方面：（1）注浆标准通过注浆要求达到的效果和质量指标；（2）施工范围包括注浆程度、长度和宽度；（3）注浆材料包括浆材种类和浆液配方；（4）浆液影响半径指浆液在设计压力下所能达到的有效扩散距离；（5）钻孔布置根据浆液影响半径和注浆体设计厚度，确定合理的孔距、排距、孔数和排数；（6）注浆压力规定不同地区和不同程度的允许最大注浆压力；（7）注浆效果评价用各种方法和手段检测注浆效果。超前地质预报结果分析探地雷达在隧道围岩判定中的应用

阿拉坦隧道围岩全部为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，因此以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为例，进行典型分析。1.Ⅲ级围岩本次雷达预报探测范围RK6+898～RK6+933段，从点测及线测结果来看，掌子面前方35m范围雷达反射波特征基本相同，波幅及相位变化不大，预计本段范围内围岩特征与掌子面基本相似，岩性为微风化凝灰岩，节理、裂隙较发育，整体稳定性一般。预计该段范围内围岩特征与掌子面相比基本一致。岩性为微风化凝灰岩，岩体较完整，整体上呈块状结构，稳定性一般。按照有关技术规范的规则判定，围岩分级为Ⅲ级。超前地质预报结果分析2.Ⅳ级围岩本次雷达预报探测范围RK6+793～RK6+828段，从点测及线测结果来看，本测段范围内雷达反射波特征基本相同，波幅及相位变化不大，预计本段范围内围岩特征与掌子面基本相似。相比较而言，雷达波在RK6+812处相位稍微变大，此处围岩强度可能变低。雷达波在RK6+821.6波幅变大，此处围岩破碎，应根据炮孔钻进情况谨慎掘进。雷达波形图如图所示。超前地质预报结果分析3.软弱夹层的探测

本次雷达预报探测范围RK6+828～RK6+863段，从点测及线测结果来看，本测段范围内雷达反射波特征基本相同，波幅及相位变化不大，预计本段范围内围岩特征与掌子面基本相似，岩性为中风化～微风化凝灰岩，节理、裂隙较发育，整体稳定性一般。相比较而言，RK6+849～RK6+851段波形显异常，此处波幅变大，可能为一软弱夹层，应根据炮孔钻进情况谨慎掘进。超前地质预报结果分析地震反射波法在隧道围岩判定中的应用

经开挖实际验证，预报结果与实际围岩状况较为接近。

由于物探方法的间接性和多解性以及目前所采用的各种地质预报手段都有一定的缺陷，因此隧道施工期间的地质超前预报必须是“以地质方法为基础，集各种预报方法所长”的综合预报。隧道监控测量实施方案

监控量测的目的与内容隧道施工量测是反馈动态设计的重要依据，它关系到施工安全、结构稳定及工程造价等方面。针对阿拉坦隧道具体情况，本次施工量测的目的为通过适时的施工监控量测，得到客观的符合实际的量测数据，对支护的设计参数进行调整，保证隧道结构稳定。

1.地表沉降对隧道进出洞口位置浅埋段，进行地表沉降观测；

2.拱顶下沉及其周边收敛

周边收敛、拱顶下沉测点布设地表沉陷测点布设隧道监控测量实施方案3.寒区隧道岩体分层沉降

量测仪器主要采用我校自行研制的多点位移计，最小读数可达0.02mm，结构见图。根据隧道地质和洞顶外地表特征，在隧道左线出口浅埋段，桩号Ｋ7+340和K7+250两断面安装位移计。岩体监测平面布置图多点位移计结构图隧道监控测量实施方案K7+340钻孔断面（A断面）隧道监控测量数据分析A1号位移计竖向观察曲线

A2号位移计竖向观察曲线

A3号位移计竖向观察曲线

A4号位移计竖向观察曲线

A5号位移计竖向观察曲线

A6号位移计竖向观察曲线

隧道监控测量数据分析A7号位移计竖向观察曲线岩体变形过程（位移—掌子面位置）图4.1为A断面（桩号K7+340）各点竖向变形观察曲线，A1~A7号位移计各层曲线与地表曲线趋势一致，表明对于周围岩体中某一坐标因隧道开挖而产生的竖向变形与该坐标地表竖向变形趋势相一致。A1与A7号位移计各层曲线重合，且在-10~+10mm之间，表明隧道的开挖的影响范围在A1与A7之间；A3~A5号位移计各层曲线与地表曲线之间有明显的距离，表明岩层之间有明显位移，隧道洞径范围岩体岩层竖向变形大于地表变形，特别是A3号位移计岩体岩层虽然间隔只有1米但竖向变形差异仍然很明显。隧道监控测量数据分析

岩层各点随开挖纵向沉降变化规律

综合本隧道其他地表监测结果，掌子面开挖岩层各点竖向位移与地表基本一致（如图4.18），同样可以分为以下四个区域：（a）微小鼓起区域。当掌子面在测点距离相差-2~-0.8范围时，岩层有上鼓趋势。（b）微小沉降区域。当掌子面与测点距离相差-0.8~0倍洞径时，该段沉降值占总沉降值的10%。（c）沉降剧增区域。随着开挖工作面的向前推进，在开挖面后距测点0-1.2倍洞径范围，岩层沉降速率急剧增长，沉降值增大。该段沉降值约占总沉降值50-60%，累计沉降已经超过70%。（d）沉降基本稳定区域。在开挖工作面后距测点2倍洞径后，沉降增长缓慢，沉降曲线区域平缓。纵向岩层沉降L为开挖工作面距测点的距离；D为地下工程开挖直径；u为沉降值；u0为最终沉降值。隧道监控测量数据分析岩层横向沉降变形（d）掌子面距测点断面2洞径时岩层变形曲线（c）掌子面距测点断面1洞径时岩层变形曲线掌子面距测点断面-0.5洞径时岩层变形曲线（b）掌子面距测点断面-0洞径时岩层变形曲线隧道监控测量数据分析（e）测点断面最终岩层变形曲线掌子面距测点断面不同距离时岩层变形从图4.19中可以看出，岩层横断面变形与地表类似，呈漏斗形，近似正态分布曲线。隧道中心轴附近地表沉降值最大，越向两边地表沉降值越小，当距隧道中心轴位置12m时，沉降值不超过5mm。由于地表横向有坡度，左低右高，导致最大竖向位移点左移，表明埋深是影响岩层竖向位移的重要因素之一。对图4.19中曲线采用正态分布曲线（公式4.13）拟合：式中：为距离隧道中心轴线x处的地表沉降，mm；

为隧道中心线处的地表最大沉降，采用实测值，mm；A为拟合时的常数。图4.20为拱顶上部岩体内部竖向变形图，从图中看隧道开挖松动圈已经波及地表，拱顶附近变形最大，然后向外扩散逐渐减小，横向递减比纵向快得多。

岩体竖向变形图云图隧道监控测量数据分析确定适当的进尺长度当掌子面开挖至K7+340，短短的4天内，拱顶附近的岩体沉降以接近70mm，最大沉降速率超过10mm/d并且岩体分层明显，根据目测、地质调查等本段岩体破碎，岩体的完整性差，极有可能发生塌方、冒顶事故，为了确保前方岩体的稳定，降低掌子面爆破对本断面的扰动采取缩短进尺来降低爆破强度办法——由原来的3m减至1m并继续监测该断面，对K7+325再次进行量测，结果如下：我们发现，只改变进尺长度，开挖后5天拱顶附近的岩体沉降不足50mm，最大沉降速率小于10mm/d，此外K7+340也趋于稳定。从两个监测断面我们发现，进尺长度，对岩体变形十分重要，对于变形过大一般稳定岩体，调整进尺长度，可以实现对岩体变形的控制。在根据本段测试数据修改进尺长度时，周边收敛才刚刚开始测试，而地表数据虽然与岩体变形趋势类似，但是由于岩层的“缓冲”，变形量降低了不少。故对于浅埋隧道的进尺长度应根据岩体变形来确定较为科学合理。A3号位移计沉降速率观察曲线B号位移计沉降速率观察曲线寒区隧道洞口段注浆控制技术（安全施工）注浆方案：地表注浆孔位平面图注浆加固图寒区隧道洞口段注浆控制技术评价注浆效果分析与评价通过对基本相同地质条件下的注浆段与未注浆段地表下沉、拱顶下沉、净空收敛等监测变形结果，评价围岩的注浆效果。由监测结果可以看出，场地工程地质条件基本相同时，经地表注浆加固后，洞内拱顶累计下沉明显减小。寒区隧道应力场现场测试及分析测试断面布设方案

依据阿拉坦隧道工程特点，在深埋段依据围岩级别分别在Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩与Ⅴ级围岩段布设一个主测断面和一个辅测断面。在隧道围岩Ⅴ级围岩浅埋段，布设一个主测断面和一个辅测断面。阿拉坦隧道洞口段，由于左、右线净距较小，为小净距段，在此处布设一组测试断面，同样布设一个主测断面和一个辅测断面。

压力盒布置图锚杆钢筋计布置图钢格栅内力钢筋计布置或二次衬砌混凝土应变计布置断面图

寒区隧道应力场现场测试及分析现场测试内容

1.围岩压力采用XYJ-3型压力盒量测，每个断面布设测点5个。判断围岩的稳定性及围岩的应力分布状态，指导安全施工。

2.钢支撑内力及外力采用XJG-2型CD25钢弦式应力计进行量测，每个量测断面布设5个点，每个测点布设2个应力计，量测钢支撑内力和外力，推算作用于钢支撑上的弯矩和轴力的大小。判断钢支撑尺寸、间距及参数等。掌握钢支撑的实际工作状态，确定钢支撑的安全性。

3.二次衬砌内应力用XJH-2型埋入式混凝土应变计，每个量测断面布设5个测点。每个测点布置2只((1对)应变计。通过量测二次衬砌的外侧和内侧的应力和应变，推算其轴力和弯矩，判断二次衬砌的应力和应变，确保隧道二次衬砌支护的安全性。

4.锚杆轴力每个测试断面5个测试锚杆，依据锚杆长度，每根锚杆2~3个测点，了解锚杆实际工作状态及轴向力的大小。结合位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区的界限；修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果。寒区隧道应力场现场测试及分析Ⅴ级深埋断面测试围岩压力时程曲线

锚杆轴力时程曲线

表面应变计时程曲线

混凝土应变计时程曲线

寒区隧道应力场现场测试及分析Ⅴ级小间距浅埋断面测试初支压力时程曲线

仰拱及边墙压力时程曲线

锚杆轴力时程曲线

初支型钢拱架轴力时程曲线

寒区隧道应力场现场测试及分析Ⅴ级小间距浅埋断面测试仰拱及边墙型钢拱架轴力时程曲线

二衬压力时程曲线

隧道结构数值仿真应用研究Ⅳ级围岩K7+100断面计算模型

计算模型图计算模型细部图隧道结构数值仿真应用研究a）

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图：左洞上、下台阶初支护弯矩a）、b）；右洞上、下台阶初支护弯矩c）、d）；左右洞二次衬砌支护弯矩e）、f）（单位：N.m）隧道结构数值仿真应用研究a）

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图：左洞上、下台阶初支护轴力a）、b）；右洞上、下台阶初支护轴力c）、d）；左右洞二次衬砌支护轴力e）、f）（单位：N）隧道结构数值仿真应用研究a）

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图：左洞上、下台阶初支护剪力a）、b）；右洞上、下台阶初支护剪力c）、d）；左右洞二次衬砌支护剪力e）、f）（单位：N）隧道结构数值仿真应用研究a）

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图：左洞上、下台阶初支护锚杆轴力a）、b）；右洞上、下台阶初支护锚杆轴力c）、d）（单位：N）隧道结构数值仿真应用研究支护结构分析小结1、支护结构弯矩分析小结在隧道初支护和二次衬砌支护弯矩图5.26上，分析可知，在初支护的拱脚和拱腰位置处弯矩较大，弯矩最大值发生在左隧道的左下拱脚处，弯矩为M=10.949KN.m，相应截面初支护洞外侧上的弯拉应力为-8.251MPa，相应截面初支护洞内侧上的弯压应力为12.305MPa，即该位置处初支护的洞内外两侧均不会出现拉应力，满足C25喷射混凝土抗拉设计强度值1.3MPa，也满足C25喷射混凝土弯曲抗压设计强度值13.5MPa。在d）右隧道初支护上最大弯矩发生在右侧拱腰处，弯矩为M=10.873KN.m，但由于该处受到的轴力较大，相应截面初支护洞内侧上的弯压应力为16.015MPa，大于25喷射混凝土弯曲抗压设计强度值13.5MPa，但小于混凝土弯曲抗压强度标准值18.5MPa。由于喷射混凝土内配有工字钢拱架，作为主要的受压构件，可以满足要求。在隧道二次衬砌支护弯矩图上，弯矩最大值发生在左洞左侧拱腰位置处，为M=53.791KN.m，相应截面二衬洞外侧上的弯拉应力为1.519MPa，相应截面二衬洞内侧上的弯压应力为1.251MPa，稍大于C30混凝土设计抗拉强度值1.5MPa，但小于C30混凝土标准抗拉强度值2.2MPa。在实际工程中，针对拱腰处的弯矩和轴力较大，在初支护中采用索脚锚杆和配置工子刚能有效地减小拱腰处的弯矩和轴力，也使二次衬砌支护中的弯矩和应力变小，满足二次衬砌抗弯拉设计要求。2、支护结构轴力分析小结在隧道初支护和二次衬砌支护轴力图5.27上，分析可知，在初支护的拱腰和拱脚位置处轴力较大，最大值发生在左隧道左侧拱腰处，最大轴力为：Z=-2.78E+06N，即初支护截面上受到的压应力为：15.440MPa，大于混凝土弯曲抗压强度设计值13.5MPa，小于混凝土弯曲强度标准值18.5MPa，但是喷射混凝土内配有工字钢拱架，可以承担较大部分的轴力，可以满足要求。在隧道二次衬砌支护轴力图上，最大拉力发生在左洞左侧拱腰位置处，最大压力发生在左洞左侧的拱脚位置处，最大拉力为：Z=554.096KN，最大压力为：Z=-432.5181KN，即相应的轴心拉应力为1.385MPa，压应力为1.081MPa，小于C30混凝土抗拉强度设计值1.5MPa和抗拉强度标准值2.2MPa，在设计上一般是加大拱脚二次衬砌厚度，做矮边墙，能有效地抑制拱脚处围岩的推力，同时使拱底二次衬砌中的轴力减小。隧道结构数值仿真应用研究支护结构分析小结3、支护结构剪力分析小结在隧道初支护和二次衬砌支护剪力图5.28上，分析可知，在拱腰和拱脚位置处剪力变化较大，在拱底和拱顶位置处剪力较小。初支护中剪力最大值发生在左洞左侧拱腰处，最大值为36.705KN，相应截面上的剪应力为0.204MPa。剪应力小于《隧规》中C25喷射混凝土设计强度值1.0MPa，初支护满足抗剪要求。在隧道二次衬砌支护剪力图上，在拱腰位置处剪力变化较大，且剪力最大值都发生在隧道右侧拱腰位置处，在拱底和拱顶位置处剪力较小。二次衬砌中最大剪力发生在右洞右侧拱腰处，剪力最大值为114.843KN，相应截面上的剪应力为0.287MPa。可知隧道二次衬砌支护上受到的剪应力小于《隧规》中C30混凝土剪应力容许值1.1MPa，二次衬砌满足抗剪要求。4、锚杆轴力分析小结在隧道初支护锚杆轴力图5.29上，隧道上台阶开挖初支护，在隧道的拱顶和左右两侧的起拱线位置处锚杆轴力较大，且可以看出左隧道锚杆受到的拉力和压力均比右洞隧道锚杆受力大。隧道下台阶开挖初支护后，上台阶开挖初支护中的锚杆轴力重新分布，且轴力增大，在拱顶和拱腰处锚杆轴力较大，锚杆最大轴力发生在右洞拱腰位置处，最大值为36.861KN，小于二级钢筋ф22早强砂浆锚杆的设计值50KN要小，满足工程要求。

公路隧洞施工过程三维动态可视化研究

将阿拉坦隧洞施工场地地形等高线数据进行处理，确保每条等高线有高程属性值；并保证等高线疏密程度适合，若等高线密度太稀，则通过插值进行加密。将整理好的等高线数据加载入3DSMAX系统，利用MAX系统自带的地形命令生成TIN格式的三维数字地形模型（DigitalTerrainModel，DTM），并消除由于等高线数据过于密集或采集信息缺乏所造成的细小、狭长三角形，获得高精度的TIN模型。阿拉坦隧洞施工场地地形如下图所示。公路隧洞施工过程三维动态可视化研究阿拉坦隧洞施工场地地形图公路隧洞施工过程三维动态可视化研究

对于地下隧洞，隧洞断面形态控制隧洞建筑物的几何形态，隧洞中心线则控制其空间位置。根据这两项数据，加上控制坐标，利用路径扫描法实现洞室三维建模，然后将所有完成的隧洞实体集合，清除多余的曲线或曲面，合并重复部分，得到完整的隧洞三维几何模型。阿拉坦隧洞模型如下图所示。公路隧洞施工过程三维动态可视化研究

阿拉坦隧洞模型图公路隧洞施工过程三维动态可视化研究阿拉坦隧洞施工工程VR模型交互界面设计图

公路隧洞施工过程三维动态可视化研究

阿拉坦隧洞施工过程VR初始界面

阿拉坦公路隧洞施工仿真与成果分析

阿拉坦公路隧洞施工系统动态仿真CPM层模型阿拉坦公路隧洞施工仿真与成果分析

经过仿真计算，阿拉坦公路隧道施工工期为512天，约17个月（1年5个月）。开始于2007年9月1日施工准备，结束于2009年2月1日交工验收。各工序的开始结束时间及持续时间如下表所示。阿拉坦公路隧洞施工仿真与成果分析

进度计划横道图

阿拉坦公路隧洞施工仿真与成果分析在仿真计算中，循环各参数如循环进尺大小以及测量、钻孔、清底、安检等各环节的时间是决定每个循环时间的重要因素，进行敏感度分析能确定影响工期的主导因素，为提高效率和缩短工期提供重要依据。从表4-6到4-9可知，测量、钻孔、清底、安检等时间越长，工期越长。其中，由于清底时间和安检时间相等，它们的变化对工期的影响是一致的。阿拉坦公路隧洞施工仿真与成果分析

阿拉坦隧洞施工过程三维动态可视化分析工具简便、直观地表现了复杂的隧洞施工过程并提供了一个明朗、形象的视觉效果，使工程技术人员和决策人员能够更加全面掌握隧洞开挖施工过程的信息、提高施工效率和决策水平。整个施工过程的各个主要的面貌如下：2007年11月20日面貌

2008年1月9日面貌

2008年3月4日面貌

2008年4月29日面貌

2008年11月19日面貌

2009年2月1日面貌

提纲1、寒区隧道面临的问题2、渗漏水的现状与原因3、寒区隧道病害防治技术4、防排水设计与施工5、寒区隧道保温技术6、寒区隧道防冻保暖措施的不足7、寒区隧道防冻保暖新技术一、寒区隧道面临的问题

新疆的天山二号公路隧道，长1007m，投资5480多万元，1988年8月底完工时就发生了严重的渗漏现象，进入9月后由于路面结冰、洞顶挂冰，车辆无法通行。多年来，由于反复冻融破坏，该隧道目前已不再通车运营，近乎报废。

1989年建成的甘肃七道梁公路隧道，每到冬季，排水沟便冻结，使隧道排水不畅，衬砌背后也产生冻胀现象，导致衬砌混凝土开裂，造成隧道渗漏、路面结冰，严重影响行车安全。1990年冬季，为了确保该隧道通行，管理站不得不组织30多人，冒着严寒反复刨冰，工作条件极其艰苦，劳动强度极高，而工效极低，但无法根除冻害。之后，虽经多次防渗漏、防冻害治理，但仍有问题。一、寒区隧道面临的问题2002年12月26日实地考察，目前，该隧道采取了向洞内排水沟供暖的措施使冻害得到大大缓解，但隧道衬砌壁面多处仍有挂冰现象；每逢冬季，仍需组织养护人员清除路面与人行道结冰。秦青公路梯子岭隧道总长1142.72m，纵坡为4.1%的直线隧道。1993年8月开工建设的，1994年12月竣工交付使用。由秦皇岛冶金设计研究院设计，设计标准：净宽7m，侧墙高3.6m，拱高1.75m，净高5.35m，未做路面设计和防排水设计。交付使用后就发生了冻害现象。一、寒区隧道面临的问题一、寒区隧道面临的问题冻害现象严重，所占比例比较高图1我国40个寒区隧道冻害统计一、寒区隧道面临的问题冻害种类多1、隧道衬砌漏水、挂冰2、隧道衬砌开裂、酥碎、剥落3、隧道底部冒水、积冰、冻胀1.1隧道衬砌漏水、挂冰渗漏的地下水通过混凝土裂缝逐渐渗出，在渗出点出口处受低温影响积成冰柱，尤其在施工接缝处渗水点多，结晶明显，累积十至几十厘米厚的冰溜子（又称为挂冰）。如不清理，冰溜子越积越大，侵入限界，危及行车安全。拱部渗漏逐渐形成冰柱子（冰葫芦），一般地区仅仅是影响限界。隧道排水沟槽设施，保温不良引起冰冻称冰塞子。水沟地下排水困难，因结冰堵塞，使水沟（管或槽）冻裂破损，地下水不易排走，衬砌周边因水结冰而冻胀，致使隧道内各种冻害接踵而来。1.1隧道衬砌漏水、挂冰1.1隧道衬砌漏水、挂冰1.1隧道衬砌漏水、挂冰1.1隧道衬砌漏水、挂冰1.1隧道衬砌漏水、挂冰2、隧道衬砌开裂、酥碎、剥落

隧道砌筑在围岩良好地段，一旦衬砌壁后有空隙，渗透岩层的地下水，在排水不通畅时水就积在衬砌与壁后围岩间，结冰冻胀产生冰冻压力，传递给衬砌，导致衬砌施工缝处充水冻胀，衬砌开裂、疏松、剥落。（1）隧道拱部衬砌发生变形与开裂（2）隧道边墙变形严重（3）隧道内线路冻害（4）衬砌材料冻融破坏（5）隧底冻胀和融沉2.1隧道衬砌开裂、酥碎、剥落2.2隧道底部冒水、积冰、冻胀2.2隧道底部冒水、积冰、冻胀一、寒区隧道主要面临的问题冻害后果严重威胁结构稳定，侵占建筑界限影响行车安全隧道不能正常使用治理及维护费用高昂二、渗漏水的现状与原因隧道渗漏水的现状与原因二、渗漏水的现状与原因隧道渗漏水的现状与原因二、渗漏水的现状与原因隧道渗漏水的现状与原因二、渗漏水的现状与原因隧道渗漏水的现状与原因二、渗漏水的现状与原因隧道渗漏水的现状与原因二、渗漏水的现状与原因隧道渗漏水的现状与原因二、渗漏水的现状与原因隧道渗漏水的现状与原因二、渗漏水的现状与原因

隧道渗漏水的现状与原因二、渗漏水的现状与原因隧道渗漏水的现状与原因二、渗漏水的现状与原因

隧道渗漏水的现状与原因三、寒区隧道病害防治技术冻害防治技术寒区隧道防冻保暖技术渗漏水处治技术寒区隧道防排水设计与施工

新技术新工艺在寒区隧道设计与施工

中的应用四、寒区隧道防排水设计与施工

防排水基本原则加强防排水，减少隧道结构附近的积水，避免地下水进入隧道内，是做好寒区隧道保温防冻的重要基础。寒区隧道防排水设计施工应遵循以下原则：1对于已经进入隧道区域的渗水，采取“以排为主，防排结合”的原则进行处治。2防水和排水应紧密结合，形成完整的防排水体系，为地下水形成有效的排泄网络。3鉴于寒区隧道水害及冻害的严重后果，宜在规范基础上，采取措施适当提高隧道防排水等级。4寒区隧道防水应以“复合防水层+防水混凝土”结构为主，多道设防。5寒区隧道应采取有效措施，保证冻融交替期间排水系统的通畅。6寒区隧道防排水施工应采取有效措施，减少施工和运营期间的防水体系的损伤和排水体系的破损和堵塞。4.1防排水基本原则四、寒区隧道防排水设计与施工

4.2防水设计与施工

寒区隧道防水体系至少应包括以下几部分：1.以土工布和防水板构成的专用防水层；2.以防水混凝土为结构防水层；3.在衬砌循环缝内设置专门的止水条或止水带。四、寒区隧道防排水设计与施工

4.2防水设计与施工

专用防水层设计要求（1）寒区隧道防水层设计材料除除应具有良好的抵抗拉伸、撕裂、顶破性能外，还应对其低温性能、耐久性和抗搓柔特性进行专门测试。（2）寒区隧道防水层至少应形成对隧道衬砌结构半包结构，使地下水通过两侧拱脚排水管排除，有条件或有特殊需要的隧道，可设置全断面包裹的防水层。（3）设计时应对防水卷材的材质及施工质量指标做出专门的要求，并提供检测方法。四、寒区隧道防排水设计与施工

4.2防水设计与施工

专用防水层施工要求专用防水层是寒区隧道防水的核心，应采取有效措施保证防水层的完整性和耐久性，专用防水层的施工一般按如下步骤进行：（1）安装基面检查处理（2）防水层垫层铺挂（3）防水层铺挂（4）防水层检查、保护当采用垫层和防水层复合卷材时，步骤（2）和步骤（3）同步完成。在条件允许或水量较大时，在安装基面和防水层之间还可设置透水网格。四、寒区隧道防排水设计与施工

4.3防水混凝土设计与施工

防水层混凝土的种类防水混凝土是指以调整配合比或掺用外加剂的方法增加混凝土自身抗渗性能的一种混凝土。隧道衬砌常用的防水混凝土包括普通防水混凝土和外加剂防水混凝土两大类。

普通防水混凝土是指以控制水灰比，适当调整含砂率和水泥用量的方法来提高其密实性及抗渗性的一种混凝土。

外加剂防水混凝土是指在混凝土中掺入适量的外加剂，如引气剂、减水剂或密实剂等，使其到达防水的要求的混凝土。四、寒区隧道防排水设计与施工

4.3防水混凝土设计与施工

防水层混凝土的种类防水混凝土是指以调整配合比或掺用剂的方法增加混凝土自身抗渗性能的一种混凝土。隧道衬砌常用的防水混凝土包括普通防水混凝土和外加剂防水混凝土两大类。

普通防水混凝土是指以控制水灰比，适当调整含砂率和水泥用量的方法来提高其密实性及抗渗性的一种混凝土。

外加剂防水混凝土是指在混凝土中掺入适量的外加剂，如引气剂、减水剂或密实剂等，使其到达防水的要求的混凝土。四、寒区隧道防排水设计与施工

4.3防水混凝土设计与施工

普通防水混凝土的抗渗性受施工质量、材料类型和质量影响较大，在施工中需要严格控制。外加剂防水混凝土只要使用得当，一般能满足隧道衬砌的防水要求。因此，为确保二次衬砌防水质量，寒区隧道二次衬砌宜采用外加剂防水混凝土。不管采用何种类型的防水混凝土，都应在现场进行水泥、集料、外加剂的配合比试验，以保证防水混凝土能够达到设计要求的防渗和防冻等级，并对混凝土的强度和耐久性进行评估。四、寒区隧道防排水设计与施工

4.3防水混凝土设计与施工

防水混凝土的施工

防水混凝土的施工，必须注意每一个环节的施工质量，堵塞一切可能造成渗漏的隐患。特别注意保证缝孔处的施工质量。合理地设计仅仅是达到工程防水的前提，而严格掌握施工要求是地下工程防水成败的关键。其主要环节有以下几个方面：

1、严禁被水浸泡；

2、原材料必须符合要求；

3、钢筋固定符合规范；

4、必需采用机械搅拌，严格确定搅拌时间；

5、防水混凝土运输；

6、浇筑、振捣与养生；

7、拆模时间四、寒区隧道防排水设计与施工

4.4止水带（条）设计与施工止水带（条）设计在隧道衬砌浇注过程中，不可避免的留下各种施工缝、变形缝等，这些部位很容易出现渗漏。在隧道工程中多采用止水带和止水条进行堵水。由于寒区隧道对防渗的特殊要求，考虑止水条的耐久性，寒区隧道应采用止水带进行施工缝和变形缝的处理，最好采用可排水型止水带，在堵水的同时，起到排水作用，实现无压堵水。可排水复合橡胶止水带是能对环向施工缝中的渗水进行“先排后堵”的新型止水带。它由绕道、翼缘、膨胀橡胶条和止浆滤水带组成（图1），其中绕道和翼缘构成止水带主体，止浆滤水带粘贴在翼缘上并与绕道形成排水通道。四、寒区隧道防排水设计与施工

4.4止水带（条）设计与施工止水带（条）设计图1可排水复合橡胶止水带四、寒区隧道防排水设计与施工

4.4止水带（条）设计与施工可排止水带施工止水带在端头模板上的固定是止水带安装的关键。止水带固定的好坏直接关系到止水带在衬砌中能否垂直于工作缝，是否能使排水通道与工作缝相通。具体安装工艺如下：1）用Φ8钢筋卡间隔一米固定在止水带上。

2）用穿板铁丝固定钢筋卡与板外钢筋段（图2）；

3）将Φ10背托钢筋穿与止水带和钢筋卡之间，并用扎丝绑扎在钢筋卡上；

4）先浇衬砌段拆模后，先将钢筋卡外露段扳直，并用其将自然伸直的止水带外露部分卡紧。图4-6可排水止水带在端头模板上的固定四、寒区隧道防排水设计与施工

4.4排水系统寒区隧道排水体系组成：1、隧道初期支护过程中逐层敷设在喷射混凝土中的半圆排水盲管；2、隧道衬砌环向铺设的环向排水管；3、隧道两侧拱脚的纵向排水管；4、连接纵向排水管和中央排水管的横向排水管；5、埋置于隧道中央路面以下的中央排水管6、中央排水管在洞外的出水口。在经济条件允许或围岩渗水较大的隧道，还可在初期支护与防水层之间增设排水网格，加强防水板背后的排水性能；有的隧道将中央排水管设置在路面一侧。四、寒区隧道防排水设计与施工

4.4排水系统寒区隧道排水体系组成：1、隧道初期支护过程中逐层敷设在喷射混凝土中的半圆排水盲管；2、隧道衬砌环向铺设的环向排水管；3、隧道两侧拱脚的纵向排水管；4、连接纵向排水管和中央排水管的横向排水管；5、埋置于隧道中央路面以下的中央排水管6、中央排水管在洞外的出水口。在经济条件允许或围岩渗水较大的隧道，还可在初期支护与防水层之间增设排水网格，加强防水板背后的排水性能；有的隧道将中央排水管设置在路面一侧。五、寒区隧道防冻保暖技术

为了达到保温防冻的目的，国内外研究了多种保温防冻技术措施，不同的技术措施适用条件不同，保温防冻效果也不同。被动防寒防排水系统隧道防冻保暖措施防寒保温门隔热法洞口段供暖保温水沟加热主动供暖表层隔热处理法双层隔热处理法保温水沟中心深埋水沟防寒泄水洞直接加热衬砌加热洞内空气保温水沟通暖气保温水沟加热电缆保温水沟铺供热管5.1保温技术五、寒区隧道防冻保暖技术

5.2保温技术分区最冷月平均气温（℃）最大冻结深度（m）主排水沟形式寒冷地区-5～-10≤1.0一般水沟-10～-151.0～1.5保温水沟严寒地区-15～-251.5～2.5中心深埋水沟

＜-25

＞2.5防寒泄水洞寒区隧道排水系统规定的适用条件：六、寒区隧道防冻保暖技术的不足6.1主动供暖技术主动供暖技术的应用现状洞口段供暖二衬与保温隔热层之间铺设供热管在防水层与衬砌之间设置电加热带隧道内通暖气保温水沟加热保温水沟铺设加热电缆保温水沟内布置供热管上述主动供暖技术均得到成功应用，以避免冻害发生！六、寒区隧道防冻保暖技术的不足6.1隔热层法隔热层法的不足

隔热法是在衬砌表面或初期支护与二次衬砌之间设隔热材料，使围岩的热量在冬季不逸出隧道衬砌，并保持隔热材料的表面在冰点以上，从而防止冻害的发生。适用于发生线状漏水、寒冷程度较小的既有隧道。六、寒区隧道防冻保暖技术的不足6.1隔热层法隔热层法的不足六、寒区隧道防冻保暖技术的不足6.1隔热层法隔热层法的不足隔热层本身并不能产生热量，只能减缓围岩的冻融速度。单一保温层并不能阻挡冻结层的形成。需要与其他防冻措施配合使用，才能达到良好的防冻保暖效果。

六、寒区隧道防冻保暖技术的不足6.2中心排水沟中心深埋水沟的不足中心深埋水沟对隧道结构产生不利影响

在隧道底部挖深槽势必会威胁整个衬砌的稳定。

中心深埋水沟不能彻底避免冻害。当冻结深度大于水沟埋深时，依然会发生冻害。保温水沟的不足保温水沟应用范围有限因保温水沟埋深浅，只适合应用于最冷月平均气温高于-15℃，冻深小于1.5m的地区，所以应用范围有限。六、寒区隧道防冻保暖技术的不足6.3隧道衬砌及保温水沟加热的不足利用主动加热防冻保暖技术可以彻底避免冻害发生，但给后期运营及维护带来巨大负担。增加了后期的运营成本。由于寒区隧道车流量很小，难于收回运营成本。

六、寒区隧道防冻保暖技术的不足6.4防寒泄水洞的不足不能彻底避免冻害，已有工程中存在失败的案例；防寒泄水洞前期投入高；施工工序复杂；对主洞有影响；七、寒区隧道防冻保暖新技术7.1概述

被动防寒措施只能进行被动防御，当出现极端天气时，隧道依然会产生冻害，不能彻底避免冻害发生；主动供暖方式可以彻底避免隧道冻害的发生，但存在运营成本高，管理不方便，环境污染等问题；急需研制和开发节能型主动加热系统，如寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术。七、寒区隧道防冻保暖新技术7.2寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术

图2寒区隧道地源热泵型防冻保暖工作原理图

七、寒区隧道防冻保暖新技术7.2寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术七、寒区隧道防冻保暖新技术7.2寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术七、寒区隧道防冻保暖新技术7.2寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术七、寒区隧道防冻保暖新技术7.2寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术七、寒区隧道防冻保暖新技术7.3双源供热型背贴式可排水止水带七、寒区隧道防冻保暖新技术7.3双源供热型背贴式可排水止水带七、寒区隧道防冻保暖新技术7.3双源供热型背贴式可排水止水带七、寒区隧道防冻保暖新技术7.4寒区隧道地源热泵型防冻保暖