高岩温隧道热害机理与控制

本书根据隧道工程建设向更低高程、更大埋深的发展趋势，面向高岩温不良地质引发的诸多科学问题和技术难题，从隧道地热成因、温度场演化规律、衬砌结构性能评价、施工隔热及降温措施、运营降温控制等方面，系统阐述了高岩温隧道热害机理与控制方法。
　　全书共9章，分别介绍了高岩温隧道典型特征、隧道选址区域地热成因分析、高岩温隧道围岩温度场演化规律、高岩温隧道洞内热气流响应特征、高岩温隧道温度场现场试验、衬砌结构热-力耦合损伤机制及长期性能评价、高岩温隧道初支轻骨料混凝土与二次衬砌隔热、高岩温隧道通风降温-减湿物理模型试验、高岩温隧道施工运营降温控制方法。

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 高岩温隧道典型特征 1
1.1.1 地形地貌特征 1
1.1.2 地层岩性特征 3
1.1.3 地质构造与水文地质特征 3
1.1.4 热害特点及研究意义 4
1.2 国内外研究现状 5
1.2.1 地热成因研究现状 5
1.2.2 隧道温度场研究现状 8
1.2.3 隧道热害控制方法研究现状 9
第2章 隧道选址区域地热成因分析 14
2.1 尼格隧道工程概况 14
2.1.1 主要技术标准 15
2.1.2 初期地温、放射性及地应力测试 15
2.1.3 气象条件 18
2.1.4 隧道热害分级标准 18
2.1.5 隧道主体工程设计 20
2.2 区域地热地质背景 28
2.2.1 区域地貌特征 28
2.2.2 地层岩性特征 28
2.2.3 地质构造及地震特征 28
2.2.4 水文地质特征 33
2.3 地热水化学特征 35
2.3.1 水的理化特征 35
2.3.2 离子关系分析 37
2.3.3 氢氧同位素、锶同位素分析 37
2.4 热储分布特征 39
2.4.1 热储温度分析 39
2.4.2 热储深度分析 42
2.5 热源及控热构造模型 42
2.5.1 热源分析 42
2.5.2 高岩温隧道控热构造模型 43
2.6 高地温隧道勘察选线方法 45
2.6.1 高地温区隧道勘察重点 45
2.6.2 高地温区隧道勘察技术 45
2.6.3 高地温区隧道线位优选 46
第3章 高岩温隧道围岩温度场演化规律 48
3.1 隧道围岩温度场随时性分析理论 48
3.1.1 热传导基本理论 49
3.1.2 隧道围岩温度场计算模型及假定 50
3.2 隧道围岩温度场数值模拟方法及验证 50
3.2.1 计算原理 50
3.2.2 有限元分析模型 51
3.2.3 数值模拟方法验证 52
3.3 施工期围岩温度场随时性演化规律 54
3.3.1 工况设置 54
3.3.2 仿真结果和讨论 57
3.4 运营期围岩温度场随时性演化规律 61
3.4.1 工况设置 61
3.4.2 仿真结果和讨论 62
第4章 高岩温隧道洞内热气流响应特征 65
4.1 隧道洞内热气流响应分析理论 65
4.1.1 热对流基本理论 65
4.1.2 隧道洞内气流场计算模型及假定 66
4.2 隧道热气流响应数值模拟方法及验证 67
4.2.1 隧道热气流现场测试 67
4.2.2 隧道热气流数值仿真 68
4.3 高岩温隧道热气流响应特征 70
4.3.1 计算工况 70
4.3.2 高地温隧道气温特征 72
4.3.3 高地温隧道风速特征 74
第5章 高岩温隧道温度场现场试验 77
5.1 温度场测试项目 77
5.1.1 贯通前温度场测试项目 77
5.1.2 贯通后温度场测试项目 78
5.2 围岩温度场测试方法与结果 78
5.2.1 掌子面前方地温测试方法 78
5.2.2 掌子面区域壁温、气温、水温测试方法 80
5.2.3 开挖阶段全隧总体地温特征 81
5.2.4 开挖灰岩段壁温、气温和相对湿度关系 83
5.2.5 超前探孔原位岩温特征 84
5.2.6 贯通断面围岩径向温度特征 85
5.3 洞内环境温度测试方法与结果 86
5.3.1 钻爆施工集中区(掌子面后 10m)各施工环节气温测试方法 86
5.3.2 洞内长期壁温、气温测试方法 87
5.3.3 风速、相对湿度测试方法 87
5.3.4 花岗岩段非爆施工、爆破施工和暂停施工环境下壁温、气温特征 88
5.3.5 钻爆施工循环中的气温-时间数学关系 89
5.3.6 贯通后不同时间尺度下的洞内地热特征 95
5.4 二次衬砌、隔热层温度测试方法与结果 101
5.4.1 二次衬砌温度特征 101
5.4.2 二次衬砌施作后浅层地温特征 102
5.4.3 隔热层温度特征 104
第6章 衬砌结构热-力耦合损伤机制及长期性能评价 107
6.1 高岩温隧道衬砌结构热-力耦合损伤背景 107
6.1.1 围岩-衬砌热物性参数的温度敏感性 107
6.1.2 隧道围岩温度场-应力场演变特征 109
6.1.3 衬砌结构损伤特征与长期防控需求 110
6.2 岩石热-力损伤特性与损伤本构模型 111
6.2.1 高温损伤岩石的力学试验 111
6.2.2 高温损伤岩石的宏-细观力学特征 115
6.2.3 岩石热-力耦合随机损伤本构模型 121
6.3 热-力耦合作用下衬砌结构劣化机制与力学响应 127
6.3.1 高温隧道围岩温度场分布特征及响应规律 127
6.3.2 高温养护环境下衬砌混凝土的强度劣化特征 134
6.3.3 衬砌结构内力的热-力耦合响应及分布特征 138
6.3.4 高岩温隧道衬砌结构稳定性分析 142
6.4 高温-腐蚀环境下隧道衬砌长期性能评价 145
6.4.1 高温-荷载作用下混凝土腐蚀试验 146
6.4.2 基于细观尺度的混凝土腐蚀模拟 156
6.4.3 高温-腐蚀环境下混凝土力学性质劣化模型 162
6.4.4 高温-腐蚀环境下隧道衬砌长期性能评价 168
第7章 高岩温隧道初期支护轻骨料混凝土与二次衬砌隔热 171
7.1 高岩温隧道合理支护结构形式 171
7.1.1 隔热材料选择 171
7.1.2 隔热形式选择 173
7.1.3 轻骨料混凝土 176
7.2 轻骨料混凝土隔热性能 177
7.2.1 高温养护下室内试验 177
7.2.2 轻骨料混凝土热-力学性能研究 183
7.2.3 轻骨料混凝土热-力学性能预测模型 187
7.3 轻骨料混凝土衬砌热害防控 188
7.3.1 轻骨料混凝土隔热衬砌分析模型及验证 188
7.3.2 轻骨料混凝土衬砌结构隔热效果研究 190
7.3.3 轻骨料混凝土隔热层参数优化 195
第8章 高岩温隧道通风降温-减湿物理模型试验 197
8.1 相似模型试验原理 197
8.1.1 对流换热的影响因素 197
8.1.2 对流换热的数学描述 198
8.1.3 对流换热的相似理论 198
8.1.4 相似常数关系式 201
8.2 高岩温隧道热-湿环境相似模型试验系统 202
8.2.1 试验系统主要功能 203
8.2.2 试验系统组成 203
8.2.3 模型几何尺寸的设计 215
8.3 试验方法及工况 216
8.3.1 试验参数 216
8.3.2 试验工况 222
8.3.3 试验步骤 222
8.4 降温-减湿效果分析 223
8.4.1 干热型高岩温隧道通风降温效果分析 223
8.4.2 湿热型高岩温隧道通风降温-减湿效果分析 233
第9章 高岩温隧道施工运营降温控制方法 238
9.1 高岩温隧道工程通风设计方法 238
9.1.1 高岩温隧道工程通风基本原理 238
9.1.2 隧道施工阶段通风设计方法 240
9.1.3 隧道运营阶段通风设计方法 243
9.2 高岩温隧道施工综合降温方法 244
9.2.1 通风降温影响因素 244
9.2.2 通风降温风量需求 246
9.2.3 风机选型 247
9.2.4 竖/斜井设置需求 249
9.2.5 局部辅助降温措施 256
9.3 高岩温隧道运营通风控制方法 260
9.3.1 隧道运营通风计算 260
9.3.2 隧道风机选型 262
9.3.3 隧道通风设备状态评估与维护 263
参考文献 267