寒區隧道溫度場分析與凍害防控關鍵技術 孫克國 9787030832597 【台灣高等教育出版社】

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台灣(台北市)在地出版社。
書名：寒區隧道溫度場分析與凍害防控關鍵技術
ISBN：9787030832597
出版社：科學
著編譯者：孫克國
頁數：236
所在地：中國大陸 *此為代購商品
書號：1767596
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內容簡介
《寒區隧道溫度場分析與凍害防控關鍵技術》系統、全面地介紹了寒區隧道溫度場分析方法與凍害防控關鍵技術，《寒區隧道溫度場分析與凍害防控關鍵技術》共8章，*先，從寒區隧道定義與分佈、凍害類型與特徵、凍害後果以及所面臨的科學問題和技術難點四個方面進行了概述；其次，從理論、現場測試、室內試驗三個方面對寒區隧道的相關理論和技術進行介紹，具體包括寒區隧道凍害機理與基礎理論、寒區隧道現場測試與試驗技術、寒區隧道溫度場與凍害室內模擬試驗系統研發；再次，對寒區隧道的溫度場時空演化和影響規律進行了分析，具體包括多場耦合模型的建立與驗證、溫度場縱橫向演化規律、主控因素及其影響規律；然後，介紹了地下水對隧道溫度場的影響及相應的新型防排水結構，並建立自由表面流模型分析了其過水能力；接著，對保溫層、防寒保溫門、中心深埋水溝、陽光棚等寒區隧道的抗防凍關鍵技術與參數設計進行了闡述和梳理；*後，以高緯度的京沈高鐵同盛隧道和高海拔的西察高速關角山隧道為例，對隧道防寒保溫與防排水方面的設計和施工進行了較為系統的介紹。

目錄

目錄

第1章 寒區隧道工程概述 1
1.1 定義與分佈 1
1.2 凍害類型與特徵 5
1.3 凍害後果 8
1.4 科學問題與技術難點 9
1.5 本章 小結 10
第2章 寒區隧道凍害機理與基礎理論 11
2.1 寒區隧道凍害影響因素與分析 11
2.1.1 氣象條件 11
2.1.2 水文條件 12
2.1.3 圍岩條件 12
2.1.4 工程措施 12
2.1.5 其他因素 13
2.1.6 根本因素對比分析 13
2.2 溫度場基本理論 14
2.2.1 基本方程 14
2.2.2 物性方程 22
2.2.3 定解條件 25
2.2.4 控制方程 27
2.2.5 數值解法 29
2.3 寒區隧道溫度場研究成果 36
2.3.1 理論分析 36
2.3.2 現場監測 38
2.3.3 室內試驗 39
2.3.4 數值仿真 41
2.4 本章 小結 42
第3章 寒區隧道現場測試與試驗技術 44
3.1 高緯度寒區隧道 44
3.1.1 工程概況 44
3.1.2 現場試驗方案 46
3.1.3 試驗數據分析 51
3.2 高海拔寒區隧道 69
3.2.1 工程概況 69
3.2.2 現場測試方案 77
3.2.3 測試數據分析 82
3.3 溫度分佈差異 93
3.4 本章 小結 94
第4章 寒區隧道溫度場與凍害室內模擬試驗系統研發 95
4.1 寒區隧道溫度場試驗系統與試驗研究 95
4.1.1 寒區隧道溫度場試驗系統 95
4.1.2 寒區隧道溫度場試驗研究 99
4.2 寒區隧道積水凍脹試驗系統與試驗研究 102
4.2.1 寒區隧道積水凍脹試驗系統 102
4.2.2 襯砌背後積水凍脹試驗研究 106
4.3 本章 小結 124
第5章 寒區隧道溫度場數值計算方法與規律分析 125
5.1 數值模型建立與驗證 125
5.1.1 計算模型與參數 125
5.1.2 邊界條件 126
5.1.3 初始地溫場 126
5.1.4 數值模型驗證 127
5.2 寒區隧道溫度場時空分佈規律 128
5.2.1 橫向分佈規律 128
5.2.2 縱向分佈規律 131
5.3 寒區隧道溫度場主控因素及其影響規律 133
5.3.1 氣流因素對寒區隧道溫度場的影響規律 133
5.3.2 圍岩熱物理參數對隧道溫度場的影響規律 143
5.3.3 列車運營條件對隧道溫度場的影響規律 148
5.4 本章 小結 167
第6章 地下水對隧道溫度場的影響及新型防排水結構 168
6.1 地下水對隧道溫度場的影響 168
6.1.1 計算模型及初始溫度場 168
6.1.2 中心排水溝水溫影響因素分析 173
6.2 寒區隧道新型防排水結構 183
6.2.1 防排水結構介紹 183
6.2.2 防排水結構分析模型 185
6.2.3 防排水結構過水能力 188
6.3 本章 小結 191
第7章 寒區隧道抗防凍關鍵設計參數與對策 192
7.1 保溫層技術 192
7.2 防寒保溫門技術 195
7.3 中心深埋水溝技術 196
7.4 地源熱泵技術 200
7.5 陽光棚技術 202
7.5.1 數值計算模型 203
7.5.2 陽光棚作用效果 205
7.6 本章 小結 209
第8章 典型寒區隧道凍害防控系統設計與施工 210
8.1 京沈高鐵同盛隧道 210
8.1.1 隧道防寒排水設計關鍵技術 210
8.1.2 防寒排水現場施工技術 214
8.2 西察高速關角山隧道 219
8.2.1 隧道防排水設計關鍵技術 219
8.2.2 防排水系統施工技術 221
8.2.3 結構保溫防凍設計 229
8.3 本章 小結 230
參考文獻 231

精彩書摘
第1章 寒區隧道工程概述
1.1 定義與分佈
廣義而言，寒區主要是指人類活動或自然環境受環境低溫顯著影響的地區，其劃分標準和具體區劃，不論是在全球還是在全國均存在多種說法。寒區概念*早由加拿大學者K.ppen[1]提出，即按照*冷月平均氣溫≤-3.0℃以及月平均氣溫＞10.0℃不超過4個月劃分加拿大寒區。據研究[2]，自1901年至2019年，北半球寒區面積平均為4.1×107km2，約占北半球陸地總面積的37.8%。北半球寒區可分為中高緯度寒區和青藏高原寒區，其空間範圍分別為3.8×107km2和3.1×106km2。北半球中高緯度寒區主要分佈在北美洲北方、冰島大部分地區、阿爾卑斯山、歐亞大陸北部和大高加索地區。中國青藏高原、巴基斯坦北方、吉爾吉斯斯坦大部分地區都是寒區。
借鑒國外寒區的劃分方法，在21世紀初，我國學者[3]結合中國*特的地理位置和氣候條件，將我國寒區定義為*冷月平均氣溫＜-3.0℃、月平均氣溫＞10.0℃的月份不超過5個月以及年平均氣溫≤5.0℃的地區，按照該標準我國寒區面積約為4.2×106km2，約占我國陸地總面積的43.7%。
我國於2019年10月1日正式實施的現行標準《民用建築設計統一標準》[4]中對建築氣候區域進行了劃分，「本資訊為台灣高等教育出版社所有，請前往本社賣場訂購，商用複製必究。」其中也包括對寒區的描述。建築氣候區劃以累年1月和7月平均氣溫、7月平均相對濕度等為主要指標，以年降水量、年日平均氣溫≤5℃和≥25℃的天數等作為輔助指標，將全國劃分成7個1級區。同時，根據*冷月平均氣溫劃分了5個熱工區域，分別為嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區、溫和地區，具體如表1-1所示。
我國寒冷地區具有冬季嚴寒且持續時間長、乾燥等氣候特點[5]。在這些地區除了具有顯著的低溫特點，還分佈有特殊的凍土地層。凍土是一種溫度低於0℃且含有冰的特殊岩土體，其物理力學性能與溫度密切相關[6]，主要包括季節 性凍土以及多年凍土（又稱永久凍土)兩種類型，分別占我國國土面積的55%和20%[7]，凍土具體又可細分為高緯度多年凍土、高原多年凍土、高山多年凍土、中深季節 凍土、淺季節 凍土、瞬時凍土。對於我國的寒區隧道工程，目前多分佈于季節 性凍土區，因此季節 性凍土區隧道也成為我國隧道工程凍害防治的熱點。
我國幅員遼闊、地大物博，寒區的氣象環境和地質環境不能一概而論。在寒區修建的交通隧道工程出現凍害問題屢見不鮮，所以在隧道工程前期的勘察和設計過程中，需要確定相應的關鍵參數以指導採用合理的抗防凍措施，從而達到避免凍害發生的目的。鑒於不同地區負溫環境的作用強度不同，從抗防凍措施的經濟性和有效性出發，在確定具體對策和設計參數時需要結合寒區隧道與環境的具體特點，對隧址區的寒冷等級進一步細化。目前，針對寒區隧道的分區主要有以下幾種劃分方式。
1)以*冷月平均氣溫和年平均氣溫作為劃分標準
馬志富和楊昌賢[8]總結了既有交通隧道的抗防凍技術和隧道已發生的凍害情況，以*冷月的平均氣溫和年平均氣溫作為分區的氣象特徵參數，劃分了隧道高緯度和高海拔寒區隧道設計分區，具體如表1-2和表1-3所示。
2)以*冷月平均氣溫和凍結深度作為劃分標準
羅彥斌[9]以*冷月平均氣溫和凍結深度作為劃分標準，將寒區隧道的寒冷程度劃分為5個等級，具體見表1-4。
3)以緯度和海拔作為劃分標準
高焱等[10]通過對既有寒區隧道凍害情況進行調研分析，將隧道寒區劃分為高緯度寒區和高海拔寒區，具體見表1-5。此外，他們還根據*冷月平均氣溫和凍結深度確定了寒區隧道亞區分級標準與凍害特徵，詳見表1-6。
4)現行規範的劃分標準
在現行的《鐵路隧道設計規範》[11]中，將嚴寒及寒冷地區隧道所處的氣候環境按照*冷月平均氣溫進行分類，具體見表1-7。同時，規定寒區隧道存在凍害的地段應根據隧道長度、當地*冷月平均氣溫、地下水水量、隧道內外氣溫、風速風向、行車速度和密度等綜合確定其抗凍設防段長度。
在公路隧道方面，《公路隧道設計規範第1冊土建工程》[12]中沒有對寒區進行分類，而《公路隧道設計細則》[13]中規定保溫水溝宜用於寒冷地區，*冷月平均氣溫在-15～-5℃、凍結深度1.0～1.5m內和中心深埋水溝宜用於嚴寒地區，*冷月平均氣溫在-25～-15℃、凍結深度1.5～2.5m內，則可根據表述總結其寒區劃分標準，見表1-8。
在《寒區公路隧道設計標準》[14]中，將*冷月平均氣溫作為劃分標準，對寒區公路隧道氣候進行了分類，見表1-9。
1.2 凍害類型與特徵
通過調研已建的千余座寒區隧道，發現寒區隧道凍害問題仍然時有發生，特別是在初凍與春融時節 更為普遍。調研發現寒區交通隧道的凍害形式多樣，結合前人的研究成果，將其主要形式歸納為襯砌漏水掛冰、襯砌開裂、道床(路面)積水結冰、排水系統凍結失效、隧道洞口熱融滑塌五種類型。
1)襯砌漏水掛冰
冬季，寒區隧道洞內氣溫降至負溫，襯砌滲漏水凍結，形成掛冰、冰柱等凍害，如圖1-1所示，嚴重時甚至侵入隧道限界。此外，地下水凍脹產生凍脹力，
圖1-1 襯砌漏水掛冰[15]
造成襯砌結構進一步開裂，產生更多滲水點。多個凍融循環作用下將造成冰柱發展直至脫落，從而可能造成行車安全事故。隧道滲漏水及掛冰的程度與地下水富集程度正相關，入冬和春融季節 是隧道掛冰出現的高峰期。隧道襯砌掛冰主要發生在施工縫、襯砌開裂、襯砌不密實等結構或防水薄弱區，常伴有施工質量缺陷。
2)襯砌開裂
寒區隧道普遍存在襯砌開裂問題，按照裂紋在襯砌結構上的空間分佈形式，主要可分為環向、縱向及斜向三種[16]。寒區隧道襯砌開裂除了地質環境、結構類型、施工影響和材料劣化等因素外，由於凍土地區氣溫的日較差及年較差都很大，隧道襯砌上產生的溫度應力和凍脹力的作用是寒區隧道襯砌開裂的主要原因之一。隧道襯砌環向開裂是垂直于隧道軸向的襯砌開裂，是寒區隧道普遍且突出的開裂形式，絕大部分環向裂縫產生在襯砌混凝土的施工縫附近。絕大部分隧道襯砌縱向及斜向開裂產生在隧道邊牆處，與隧道襯砌的結構形式關係密切，直牆式襯砌比*牆式襯砌的開裂要更為嚴重。隧道襯砌開裂如圖1-2所示。
圖1-2 隧道襯砌開裂
3)道床(路面)積水結冰
公路隧道路面或者鐵路隧道道床積水結冰與隧道排水系統有著密切的關係，隧道圍岩內的地下水常具有承壓性，在排水不通暢的情況下，隧底易出現冒水，在入冬及春融季節 會發生凍結，形成冰錐和隧底凍脹，從而影響隧道的使用功能和交通安全。隧道底部道床結冰、路面積水如圖1-3所示。
4)排水系統凍結失效
當冬季氣溫逐漸降低時，排水系統內的地下水受負溫作用發生凍結堵塞，對排水結構產生較大的凍脹力，同時由於圍岩內的地下水不能及時排出隧道外，還易誘發其他類型的凍害，如襯砌漏水掛冰、道床和路面結冰等。可見，排水系統凍結是引起寒區隧道嚴重凍害的根本原因之一。隧道排水系統凍害如圖1-4所示。
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