【博士】多年凍土隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性及其滲漏水特征分析【2005】

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　　學(xué)科專(zhuān)業(yè)：巖土工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：中南大學(xué)　　學(xué)位年度： 2005年　　針對(duì)青藏鐵路昆侖山隧道工程中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——多年凍土隧道工程的開(kāi)挖與襯砌矛盾和昆侖山隧道滲漏水特征分析及相應(yīng)的治理方案展開(kāi)研究，首先介紹了工程背景，以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用有限元技術(shù)對(duì)不同模型進(jìn)行數(shù)值模擬；通過(guò)施工溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)，形成了昆侖山隧道工程開(kāi)挖施工控制與預(yù)報(bào)系統(tǒng)；通過(guò)昆侖山隧道洞內(nèi)排水溝流量測(cè)試、連通試驗(yàn)、地溫及水位觀測(cè)，闡明了昆侖山隧道滲漏水特征，同時(shí)也驗(yàn)證了移動(dòng)邊界計(jì)算模型的正確性，而移動(dòng)邊界計(jì)算模型的引入又從理論上解釋了昆侖山隧道形成這種滲漏水特征的原因。　　昆侖山隧道的開(kāi)挖與襯砌：　　1)通過(guò)對(duì)昆侖山隧道自然環(huán)境特征分析，初步把握了昆侖山隧道工程的自然氣溫規(guī)律，為整個(gè)隧道工程的施工和研究提供了依據(jù)?！　?)通過(guò)對(duì)施工環(huán)境溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，第一次提出了分區(qū)溫度場(chǎng)適應(yīng)不同工序作業(yè)的理念，解決了多年凍土隧道工程開(kāi)挖與襯砌的矛盾，極大地改善了洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，且將施工對(duì)多年凍土環(huán)境的熱擾動(dòng)降到最低。　　3)根據(jù)昆侖山隧道工程實(shí)際情況建立有限元模型，對(duì)隧道不同開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，以發(fā)現(xiàn)可能存在的穩(wěn)定問(wèn)題，從而選取了合理的隧道開(kāi)挖方案。　　4)根據(jù)工程實(shí)際情況選取了瞬態(tài)傳熱分析有限元模型和邊界條件，對(duì)圍巖狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)合旖工安全的需要，將昆侖山隧道的開(kāi)挖過(guò)程分為四個(gè)階段，并在此基礎(chǔ)上建立了第一個(gè)多年凍土隧道工程施工控制與預(yù)測(cè)系統(tǒng)，成功地指導(dǎo)了昆侖山隧道工程的開(kāi)挖與襯砌拖工?！　±錾剿淼罎B漏水特征分析：　　1)重新定義了移動(dòng)邊界的概念，將其增加新的內(nèi)涵，并提出了產(chǎn)生移動(dòng)邊界特征的充要條件，首次揭示了流動(dòng)的熱載體(水)對(duì)多年凍土熱融蝕作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜態(tài)水對(duì)多年凍土的熱融蝕作用的原因，為工程界進(jìn)一步認(rèn)識(shí)凍土提供了新的理論依據(jù)?！　?)根據(jù)移動(dòng)邊界的定義，建立了移動(dòng)邊界特征計(jì)算模型，并在通用商業(yè)有限元程序的基礎(chǔ)上，編寫(xiě)了自開(kāi)發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)邊界特征計(jì)算程序化。討論了具有移動(dòng)邊界特征的多年凍土(巖)融化速度的影響因素，明確臨界阻力距離是影響多年凍土融化速度的關(guān)鍵因素。采用本有限元程序?qū)Σ煌Ｐ瓦M(jìn)行了模擬計(jì)算，創(chuàng)造性地從理論上解釋了昆侖山隧道滲漏水特征形成的原因。　　3)通過(guò)分析滲漏水位置與地形特征的關(guān)系，初步判斷昆侖山隧道之上的溝谷是該隧道滲漏水的原因?！　?)通過(guò)連通試驗(yàn)，證實(shí)了昆侖山隧道#1和#2沖溝的地表水是隧道滲漏水的主要水源，同時(shí)進(jìn)一步證明了在#l和#2沖溝處形成隧道滲漏水的水流路徑的存在?！　?)通過(guò)地溫及水文觀測(cè)資料分析，充分證實(shí)了位于昆侖山隧道#2沖溝沿溝心縱斷面方向存在至少一條未被凍結(jié)的通道，同時(shí)還證明了隧道工程對(duì)周邊多年凍土環(huán)境具有一定的影響。　　6)從昆侖山隧道滲漏水位置與地形特征出發(fā)，通過(guò)連通試驗(yàn)、地溫與水位測(cè)試和移動(dòng)邊界特征數(shù)值模擬，得出昆侖山隧道實(shí)際上是位于多年凍土區(qū)而存在局部?jī)鋈诘乃淼篮拖鄳?yīng)的治理方案?！　?

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