[01775065]寒冷地区隧道冻害机理及其防治技术研究

1、任务来源 本项目为教育部新世纪优秀人才支持计划（合同编号：NCET-07-0118） 2、技术原理及性能指标 本项目以寒冷地区公路隧道工程为依托,采用理论分析和现场试验的方法,对寒冷地区隧道冻害机理、隧道防冻设计与施工、隧道冻害治理技术3个方面进行系统研究。 达到的性能指标 （1）项目揭示了寒冷地区隧道冻害机理,开辟了隧道冻害分析新思路 （2）发现总结了全多年冻土隧道、局部多年冻土隧道和非多年冻土隧道温度场分布规律,提出了寒冷地区隧道冻害防治原则 （3）创建了一套系统完整的寒冷地区公路隧道冻害防治技术体系,制定了隧道抗冻设防等级,提出了防冻隔温层铺设在衬砌表面和衬砌中间的设计厚度计算方法,编制了《寒冷地区公路隧道冻害防治技术指南》 （4）研制了隧道新型防冻隔温层、防水层、排水管、止水带等一系列防冻害和防排水产品,解决了寒冷地区隧道防冻隔温和防排水施工中的难题,有效防止了隧道冻害的发生 （5）授权发明专利3项,实用新型专利9项 （6）成果被纳入交通运输部《公路隧道加固设计规范》和《公路隧道加固施工技术规范》（送审稿） （7）应邀在全国各地举办了10余次共计1000余人参加的专题培训讲 （8）重要核心期刊发表论文9篇（EI收录4篇）,全国性学术会议交流论文1篇,出版专著1部 （9）培养工学硕士研究生6名,工学博士研究生1名。 3、技术的创造性及先进性 （1）项目揭示了寒冷地区隧道冻害发生机理,开辟了隧道冻害分析新思路。从隧道冻害现象入手,结合围岩和混凝土的冻胀特性,以及隧道所处地区温度和围岩地下水分布情况,分析了隧道发生冻害的充分必要条件,提出在防止隧道冻害发生过程中“防水是基础,排水是核心,保温是关键”,三者必须有机地结合起来。首次引入故障树理论,将隧道冻害看作一种故障,建立隧道冻害故障树,利用模糊数学的概念构造T-S模棚门,计算各底事件对顶事件的重要度,分析隧道冻害产生的原因,形成了一种新的隧道冻害分析方法。 （2）发现总结了寒冷地区隧道温度场分布规律,提出了寒冷地区隧道冻害防治原则。对全多年冻土隧道、局局部多年冻土隧道和非多年冻土隧道温度场的现场实测数据进行分析,发现长隧道贯通后洞内气温都具有“冬暖夏凉”的特点,即暖季洞内温度低于洞外气温,寒季洞内温度高于洞外气温,提出了“保温与防排水相结合,加强洞口保温和排水”的冻害防治原则,攻克了寒冷地区隧道衬砌漏水挂冰、路面溢水结冰和衬砌剥落掉块等技术难题 （3）创建了一套系统完整的寒冷地区隧道冻害防治体系。首次综合考虑气温和地下水对隧道冻害程度的影响,将隧道抗冻设防划分为5个等级;依据等效厚度法和绝热原理,提出了防冻隔温层表面铺设和中间铺设的厚度计算方法;首次在国内将防冻隔温层中间铺设法和表面喷涂法应用于公路隧道冻害防治,并对其效果进行了测试,有效防止了隧道冻害的发生。 4、技术的熟练程度 本课题的研究成果已经在依托工程中得到了成功应用,是成熟的、具有可推广性。通过对隧道冻害机理的研究,提出在防止隧道冻害发生过程中“防是基础,排水是核心,保温是关键”,三者必须有机地结合起来;以故障树理论为基础,将隧道冻害看作一种故障,建立T-S模害故障树,提出了一种新的隧道冻害分析方法;采用空间插值理论中的 Kriging法,提出了隧道洞口气温计算方法;采用综合评判的方法,以最冷月平均气温、冻结深度、地下水的存与补给、地下水渗入隧道情况为评价指标,将隧道抗冻设防等级划分为级;以故障树和事件树理论为基础,建立隧道冻害事件树,根据后果件的损失费制定分级标准,对隧道冻害发生后的严重程度进行了分级;依据等效厚度法和绝热原理,提出了防冻隔温层表面铺设和中间设的厚度计算方法;首次在国内将防冻隔温层中间铺设法和表面喷涂法应用于公路隧道冻害防治,并对其效果进行了测试,有效防止了隧道冻害的发生。 5、应用情况 项目研究成果可应用于寒冷地区隧道冻害防治设计与施工。已成功应用于依托工程,技术相对成熟,推广应用技术障碍不大。