高原寒區(qū)隧道建設技術

第一章青藏高原典型鐵路隧道工程概況與特點

第一節(jié)隧道工程概況

一、風火山隧道

二、祁連山隧道

三、大梁隧道

第二節(jié)高原環(huán)境特征

一、風火山地區(qū)

二、祁連山和大梁地區(qū)環(huán)境特征

三、氣候狀況及降雨量

四、生態(tài)環(huán)境及保護要求

第三節(jié)高原地質(zhì)特征

一、風火山隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

二、祁連山隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

三、大梁隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

第四節(jié)隧道工程特點

一、自然條件惡劣

二、環(huán)境保護

三、凍土隧道施工技術

四、隧道長距離穿越碎屑流地層

五、極高地應力軟巖隧道大變形

六、穿越高壓富水軟硬結合段落長，施工過程突水涌泥

七、高海拔隧道凍害問題嚴重，防止凍害發(fā)生難度極大

第二章寒區(qū)隧道洞內(nèi)環(huán)境溫度場分析

第一節(jié)寒區(qū)隧道洞內(nèi)空氣流體力學和傳熱學理論基礎

一、流體力學基本概念及性質(zhì)

二、隧道空氣動力學基本方程

三、圍巖傳熱學理論

四、寒區(qū)隧道內(nèi)空氣與圍巖對流換熱耦合控制方程

五、Fluent求解寒區(qū)隧道內(nèi)導熱與對流換熱耦合問題

第二節(jié)寒區(qū)運營隧道洞內(nèi)溫度場計算分析

一、計算模型及相關參數(shù)

二、自然風速影響因素分析

三、洞外環(huán)境氣溫影響因素分析

四、洞外環(huán)境氣溫與自然風速綜合影響因素分析

五、圍巖溫度（地溫）影響因素分析

第三節(jié)寒區(qū)隧道圍巖溫度場分析

一、計算模型的建立

二、 邊界條件及計算參數(shù)的設置

三、自然風速計算結果及分析

四、洞外環(huán)境平均氣溫計算結果及分析

五、圍巖初始溫度計算結果及分析

第四節(jié)祁連山隧道洞內(nèi)空氣及圍巖溫度場計算分析

一、祁連山隧道現(xiàn)場溫度實測

二、祁連山隧道洞內(nèi)空氣及圍巖溫度場分析

三、小結

第三章風火山隧道凍土圍巖保護技術

第一節(jié)隧道供熱保溫與控制系統(tǒng)

一、寒季洞內(nèi)供熱風溫估算和供熱系統(tǒng)加熱量計算

二、 高海拔高寒區(qū)隧道專用通風/空調(diào)一體化機組的研制

三、供熱通風系統(tǒng)的控制

四、洞內(nèi)施工防寒保溫技術

第二節(jié)凍土圍巖融化圈深度對隧道穩(wěn)定性影響分析

一、隧道穩(wěn)定性分析方法

二、計算結果與分析

三、洞內(nèi)外環(huán)境與巖面溫度測試分析

第四章祁連山隧道碎屑流形成機理及穩(wěn)定性控制技術

第一節(jié)碎屑流工程特征與形成機理

一、碎屑流定義

二、碎屑流工程特征

三、碎屑流形成機理分析

第二節(jié)隧道穿越碎屑流穩(wěn)定性控制技術

一、碎屑體超前預報

二、掌子面封堵

三、超前高位泄水

四、超前支護

五、初期支護

六、小結

第五章大梁隧道高地應力薄層板巖隧道大變形控制技術

第一節(jié)薄層板巖工程特性

一、地質(zhì)概況

二、圍巖物理力學性質(zhì)

三、地應力

四、軟巖變形特性

第二節(jié)高地應力板巖隧道大變形機理及分級

一、隧道大變形機理

二、隧道大變形的分級方法

三、大梁隧道大變形等級的劃分

第三節(jié)支護參數(shù)及預留變形量

一、現(xiàn)場試驗

二、極高地應力變形的統(tǒng)計分析

三、預留變形量

第四節(jié)薄層板巖隧道施工錨桿作用效果

一、現(xiàn)場測試

二、錨桿控制變形數(shù)值模擬分析

三、錨桿作用效果分析

第五節(jié)薄層板巖隧道格柵與型鋼作用效果

一、現(xiàn)場試驗方案設計

二、試驗結果

三、型鋼與格柵支護效果對比分析

第六節(jié)薄層板巖隧道施工變形輔助控制技術措施

一、大拱腳

二、長鎖腳錨管

三、鋼腰帶

四、濕噴混凝土施工技術

五、仰拱換填

第七節(jié)小結

第六章富水斷層及軟硬巖接觸帶隧道突水涌泥防治技術

第一節(jié)隧道施工突水涌泥災害情況

一、第一次突水涌泥

二、第二次突水涌泥

三、第三次突水涌泥

第二節(jié)突水涌泥災害特征和原因分析

一、災害特征

二、災害原因分析

第三節(jié)防治技術

一、預報技術

二、預警系統(tǒng)

三、綜合治理技術

第四節(jié)小結

第七章嚴寒地區(qū)富水隧道凍害防治技術

第一節(jié)國內(nèi)外寒區(qū)隧道凍害調(diào)研及凍害程度劃分

一、國內(nèi)寒區(qū)隧道綜合防凍害措施研究

二、國外寒區(qū)隧道綜合防凍害措施研究

三、國內(nèi)寒區(qū)隧道凍害調(diào)研

四、寒區(qū)隧道分區(qū)

五、國內(nèi)寒區(qū)隧道凍害類型及成因分析

六、 寒區(qū)隧道保溫排水技術分析

第二節(jié)隧道保溫段長度分析

一、寒區(qū)長大隧道洞內(nèi)溫度實測與分析

二、不同影響因素條件下圍巖溫度場變化規(guī)律

第三節(jié)隧道保溫層厚度分析

一、極端氣溫條件下保溫層適用范圍

二、不同氣溫和地溫條件下無保溫層溫度場分布規(guī)律

三、不同氣溫和地溫條件下有保溫層溫度場分布規(guī)律

第四節(jié)防凍脹內(nèi)置式保溫襯砌結構

一、內(nèi)置式保溫襯砌結構形式與參數(shù)

二、內(nèi)置式保溫襯砌施工

三、運營階段出現(xiàn)的凍害情況

第五節(jié)防排水及防凍害技術

一、祁連山隧道、大梁隧道施工中涌水情況

二、隧道施工階段的防排水

三、嚴寒地區(qū)隧道主要防排水措施設計

四、運營階段凍害情況及附加防寒排水設施

第六節(jié)小結

第八章高原隧道施工機械保障技術

第一節(jié)高原型工程機械的特殊要求

一、青藏鐵路早期施工機械設備情況

二、高原型工程機械的特殊要求

第二節(jié)高原發(fā)動機功效測試

一、測試系統(tǒng)的搭建

二、參數(shù)標定

三、測試步驟

四、新機外特性分析

五、舊機外特性分析

六、新舊發(fā)動機性能對比分析

七、工作效率的數(shù)學模型

第三節(jié)高原空壓機功效測試

一、測試系統(tǒng)的搭建

二、實驗結果與分析

第四節(jié)高原內(nèi)燃機功率保持技術

一、高原對柴油發(fā)動機的影響

二、柴油機功率補償

三、柴油機功率匹配

四、發(fā)動機高原適應性改造技術

第五節(jié)設備維修保養(yǎng)技術

一、建立完善的設備管理制度

二、設備防寒防凍技術及措施

三、油料使用與管理

第九章高原隧道施工人員健康保障技術

第一節(jié)高原隧道制氧、供氧系統(tǒng)

一、高原制氧方式的選擇

二、供氧方法分析與選擇

三、供氧量及能耗計算

四、系統(tǒng)方案

五、制氧、供氧系統(tǒng)運行及使用效果

第二節(jié)風火山隧道通風模式及通風設計

一、高海拔隧道施工通風標準及系統(tǒng)設計計算方法

二、工程特點及對環(huán)境控制的要求

三、通風系統(tǒng)設計

四、GYFS100型高原軸流式隧道通風機的研制

五、高原軸流風機性能特性的分析與評價

六、通風系統(tǒng)工作參數(shù)測試結果

第三節(jié)祁連山隧道通風系統(tǒng)設計

一、通風方案的制定依據(jù)

二、隧道施工環(huán)境標準

三、通風管理

四、祁連山隧道通風系統(tǒng)設計

第四節(jié)洞內(nèi)空氣質(zhì)量測試分析

一、主要試驗測試儀器和方法

二、風火山隧道洞內(nèi)空氣質(zhì)量測試分析

三、祁連山隧道洞內(nèi)空氣質(zhì)量測試分析

第五節(jié)高原施工人員健康保證技術

一、體力勞動強度分級

二、高原地區(qū)人體技機能測試

三、高原環(huán)境下的人體機能保障措施

第十章結論與展望

第一節(jié)結論

一、克服了高原高寒極端環(huán)境和多項不良地質(zhì)問題，成功建設了青藏

高原長大鐵路隧道

二、形成了高海拔、高寒區(qū)、多年凍土保護技術

三、成功研制和應用了高海拔、高寒區(qū)、凍土隧道通風與供熱一體化

系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道洞內(nèi)沿程環(huán)境氣溫的全面控制

四、分析掌握了寒區(qū)鐵路隧道洞內(nèi)空氣溫度場和圍巖溫度場規(guī)律

五、祁連山隧道碎屑流形成機理及隧道穩(wěn)定性控制技術

六、大梁隧道高地應力薄層板巖隧道大變形控制技術

七、高原隧道排水防寒技術

八、形成了高原隧道制氧、供氧系統(tǒng)技術

九、高原隧道施工機械保障技術

第二節(jié)展望

一、高原、高寒、凍土隧道施工經(jīng)驗不足

二、寒區(qū)隧道洞內(nèi)溫度場理論需進一步深入

參考文獻

后記

任少強，陜西藍田人。工學博士，教授級高工，中鐵20局集團公司總工程師.長期從事橋梁、隧道施工技術、現(xiàn)場科技攻關工作，參加了南昆、西康、西南、青藏、蘭新二線等多項鐵路大線施工。積累了豐富的施工經(jīng)驗，是20局集團科技骨干之一。先后榮獲陜西省勞模、火車頭獎章、“十二五”全國建筑業(yè)企業(yè)優(yōu)秀總工程師等稱號，享受國務院特殊津貼。

朱永全，男，1960年3月出生，著名隧道專家、教授、博導、全國勞模，現(xiàn)任石家莊鐵道大學地下工程系主任，學術帶頭人，國家“地下工程教學團隊”和河北省“隧道教學團隊”負責人，國務院特殊津貼。

陳宏偉，字省非，甘肅甘谷人。經(jīng)濟學博士，高級工程師、一級建造師。

王平安，男，1978年9月出生，2011年畢業(yè)于西安理工大學，土木工程專業(yè)，工學學士，隧道高級工程師。

冀勝利，男，1968年10月出生，1991年畢業(yè)于石家莊鐵道學院，地下工程與隧道專業(yè)，教授級高工。

譚忠盛，男，1963年5月出生，1999年畢業(yè)于西南交通大學，橋梁與隧道工程專業(yè)，獲博士學位，現(xiàn)任北京交通大學教授、博士生導師。

楊星智，男，1987年6月出生，2011年畢業(yè)于石家莊鐵道大學，交通工程專業(yè)，工學學士，工程師，項目副總工程師，主要從事隧道、橋梁和軌道工程施工技術。 2100433B

本書為高原寒區(qū)隧道建設技術與實例。全書共十章，主要內(nèi)容包括：青藏高原典型鐵路隧道工程概況及特點， 寒區(qū)隧道洞內(nèi)環(huán)境溫度場分析，風火山隧道凍土圍巖保護技術，隧道洞內(nèi)碎屑流、高地應力薄層板巖隧道大變形和軟硬巖接觸帶隧道突水涌泥施工技術，嚴寒地區(qū)富水隧道凍害防治技術，高原隧道施工機械保障和高原隧道施工人員健康保障技術等。

隨著寒區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，我國進行了青藏公路、格爾木至拉薩輸油管線、光纖通訊工程、大坂山隧道等著名工程方面的建設稱為寒區(qū)工程。

隨著寒區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，人們在寒區(qū)大興土木，如道路工程、水利工程、隧道工程、工業(yè)與民用建筑等方面的建設。在我國進行了青藏公路、格爾木至拉薩輸油管線、光纖通訊工程、大坂山隧道等著名工程方面的建設，即將建設的還有青藏鐵路工程、青康公路工程、大小興安嶺地區(qū)道路工程等。 寒區(qū)工程修筑過程中，必須考慮凍土這一特殊地基。

凍土工程在寒區(qū)建設中非常重要，由于熱脹冷縮及受力不均，建筑物往往會發(fā)生斷裂、扭曲、下陷等現(xiàn)象。在寒區(qū)建設中處理不好就會嚴重危害人類生命安全和國民經(jīng)濟建設。2100433B

水利部寒區(qū)工程技術研究中心結合國內(nèi)外該領域研究發(fā)展前沿，總結寒區(qū)工程建設的經(jīng)驗，圍繞工程建設中的關鍵技術問題，寒區(qū)中心目前主要的研究方向是：黃河、黑龍江凌汛的冰情預報與冰災防治技術研究：寒區(qū)水科學和水問題研究；寒區(qū)工程設計技術研究；寒區(qū)工程新材料、新設備研發(fā)；寒區(qū)工程施工技術研究；寒區(qū)工程質(zhì)量檢測及安全評估技術研究；黑土區(qū)糧食基地建設與寒區(qū)黑土保護及修復問題研究。

水利部寒區(qū)工程技術研究中心的宗旨是在開展前瞻性、戰(zhàn)略性的應用基礎和重大公益類研究的同時，緊緊圍繞寒區(qū)水利工程建設中的熱點和難點問題，開展工程技術研究、開發(fā)及成果轉化，為寒區(qū)水利工程的勘測、設計、施工和管理提供技術支撐。