[发明专利]热力及冻融风化对隧道影响分析

说明书

技术领域

本发明属于土木工程领域，特别是涉及热力及冻融风化对在建和运营隧道影响分析。

背景技术

在平均海拔3850m情况下，由于冻土的后封闭作用，热力风化作用，使得无论是运营的隧道，还是在建隧道，常常出现多处渗漏水及冻融破坏现象，二次衬砌重新修建和隧道维护成本高。为克服冻融风化、热力风化作用，避免围岩、混凝土含水的高压现象，降低隧道养护、维修成本。开展了热力及冻融风化对在建和运营隧道影响分析研究。

发明内容

1、平均海拔3850m隧道施工中，不同进尺的气温、水温和地温的变化曲线分析，其特征是：所述的变化曲线，不同进尺隧道围岩冰点变化曲线，围岩、混凝土的含水量变化曲线。

2、包括在平均海拔3850m隧道，冻结期在200天以上，反复冻融深度均大于衬砌厚度3～6倍，达到2～4.5m，随贯通后使用年限的增加，尤其富水地段，岩体和混凝土的含水量逐步增加，在完工3～4年后，强度开始逐步减小，7～10年后，一般为原强度的40％～70％。钢筋混凝土强度降低速率大于素混凝土，风化围岩大于整体围岩，单晶矿石围岩大于多晶矿石围岩。研究出不同时间混凝土含水量与混凝土强度变化曲线，其特征是：所述的不同时间混凝土含水量与混凝土强度变化曲线，机械加热、洞内保温对围岩、混凝土热力风化影响曲线，冻融风化对衬砌和围岩的破坏曲线。

3、隧道区季节冻融深度2.5～4.5m，冻结期内平均冻速1.67～3.3cm/d，可产生强或中等冻胀，在经过20次反复冻融循环后，蚀变闪长岩的抗压强度损失一半以上，其余岩性抗冻系数均大于0.75。

4、机械加热、冬季洞内保温等施工措施会加剧隧道围岩、混凝土热力风化、冻融风化的作用，其中冻融风化占衬砌结构混凝土破坏的主导作用，寒暖季气温的高频变化引发融化层地温在冰点附近的多次温度浮动，按新奥法施工时，此频率在-14℃～1℃之间5次/1天以上，冻融风化具有明显的加剧作用。

5、新冻土层在埋深不同的情况下，围岩孔隙、裂隙水的冰点在0℃～-17℃之间。在衬砌浇注完成3～3.5年混凝土含水量持续升高，强度变化不大；4年后，含水量持续增加，强度受冻结影响开始逐渐减小，同时洞内地温在围岩或混凝土的含水冰点附近形成每日的多次反复频率。

具体实施方式

1、温度测量

气温引发水温和地温变化。施工或运营中中机械、人员、混凝土水化反应以及隧道保温等施工因素，造成洞内中间段气温反复变化，普遍高于洞外气温，高于围岩渗流水温度，高于岩体温度，发生热量交换，地温发生冰点上下的高频高幅变化，为围岩和二次衬砌热力风化和冻融风化创造了条件

洞内水温年变化较小，水温一般在0～5℃之间，差值一般小于4℃；最高出水点一般在二次衬砌养护段，此水温并不能真实代表裂隙水的出水温度；寒季进出口水温低，中间高，暖季在进口阳面最高，其次为出口端，最低为中间段。

隧道中间段因受洞内热源的影响，在集中施工二次衬砌地段，围岩融化深度随热源能量的增加、混凝土水化热的增加而加深。未贯通前，热源解除后，岩石或混凝土达到与周边相同温度，暖季期间洞内要比两端快，在寒季重新回冻两端速度大于中间段。贯通后，两端1000m范围内，回冷速度或回冻速度大于中间段。

温度记录数据分析表明，高原地区因人员、机械等的功率降低，施工中往往通过增强配置来提高人员、机械效率，这就不可避免的产生更大的热量，提高了洞内的气温；同时在施工中，为确保混凝土工艺，采取外部加热的方式保温，混凝土水化热也产生一定的热量释放。数据显示，在集中加热施工、加热保温地段，由于施工工艺引起的混凝土温差最大值在30℃，大于5℃的变化频率达到12次/天，为新冻土层热力风化创造了生成条件。新冻土层(含水衬砌或围岩)的封闭承压水冰点往往低于0℃，这种高幅高频的温度变化使得洞内温度在冰点附近反复升降，冻融变化幅度也同时加大。

2、混凝土强度监测

早期混凝土，在湿度保证的情况下，养护温度对混凝土强度增长有显著影响。温度降低，强度增长缓慢。当温度降至冰点以下时，混凝土强度停止发展，并受冻胀破坏；湿度是水泥水化的必要条件。养护实践证明，若环境湿度较低，水泥不能正常水化，甚至停止水化，这将严重降低混凝土强度。为保证后期强度，隧道洞内衬砌混凝土养护，仍必须采取外部加热提高温度和覆盖保湿的措施。

隧道混凝土在浇注完成3～3.5年含水量持续升高，强度变化不大，4年后，强度受冻结影响开始逐渐减小。

3、应力断面监测

祁连山区隧道的主要特点：