高原寒区隧道建设技术

第一章青藏高原典型铁路隧道工程概况与特点

第一节隧道工程概况

一、风火山隧道

二、祁连山隧道

三、大梁隧道

第二节高原环境特征

一、风火山地区

二、祁连山和大梁地区环境特征

三、气候状况及降雨量

四、生态环境及保护要求

第三节高原地质特征

一、风火山隧道工程地质及水文地质

二、祁连山隧道工程地质及水文地质

三、大梁隧道工程地质及水文地质

第四节隧道工程特点

一、自然条件恶劣

二、环境保护

三、冻土隧道施工技术

四、隧道长距离穿越碎屑流地层

五、极高地应力软岩隧道大变形

六、穿越高压富水软硬结合段落长，施工过程突水涌泥

七、高海拔隧道冻害问题严重，防止冻害发生难度极大

第二章寒区隧道洞内环境温度场分析

第一节寒区隧道洞内空气流体力学和传热学理论基础

一、流体力学基本概念及性质

二、隧道空气动力学基本方程

三、围岩传热学理论

四、寒区隧道内空气与围岩对流换热耦合控制方程

五、Fluent求解寒区隧道内导热与对流换热耦合问题

第二节寒区运营隧道洞内温度场计算分析

一、计算模型及相关参数

二、自然风速影响因素分析

三、洞外环境气温影响因素分析

四、洞外环境气温与自然风速综合影响因素分析

五、围岩温度（地温）影响因素分析

第三节寒区隧道围岩温度场分析

一、计算模型的建立

二、 边界条件及计算参数的设置

三、自然风速计算结果及分析

四、洞外环境平均气温计算结果及分析

五、围岩初始温度计算结果及分析

第四节祁连山隧道洞内空气及围岩温度场计算分析

一、祁连山隧道现场温度实测

二、祁连山隧道洞内空气及围岩温度场分析

三、小结

第三章风火山隧道冻土围岩保护技术

第一节隧道供热保温与控制系统

一、寒季洞内供热风温估算和供热系统加热量计算

二、 高海拔高寒区隧道专用通风/空调一体化机组的研制

三、供热通风系统的控制

四、洞内施工防寒保温技术

第二节冻土围岩融化圈深度对隧道稳定性影响分析

一、隧道稳定性分析方法

二、计算结果与分析

三、洞内外环境与岩面温度测试分析

第四章祁连山隧道碎屑流形成机理及稳定性控制技术

第一节碎屑流工程特征与形成机理

一、碎屑流定义

二、碎屑流工程特征

三、碎屑流形成机理分析

第二节隧道穿越碎屑流稳定性控制技术

一、碎屑体超前预报

二、掌子面封堵

三、超前高位泄水

四、超前支护

五、初期支护

六、小结

第五章大梁隧道高地应力薄层板岩隧道大变形控制技术

第一节薄层板岩工程特性

一、地质概况

二、围岩物理力学性质

三、地应力

四、软岩变形特性

第二节高地应力板岩隧道大变形机理及分级

一、隧道大变形机理

二、隧道大变形的分级方法

三、大梁隧道大变形等级的划分

第三节支护参数及预留变形量

一、现场试验

二、极高地应力变形的统计分析

三、预留变形量

第四节薄层板岩隧道施工锚杆作用效果

一、现场测试

二、锚杆控制变形数值模拟分析

三、锚杆作用效果分析

第五节薄层板岩隧道格栅与型钢作用效果

一、现场试验方案设计

二、试验结果

三、型钢与格栅支护效果对比分析

第六节薄层板岩隧道施工变形辅助控制技术措施

一、大拱脚

二、长锁脚锚管

三、钢腰带

四、湿喷混凝土施工技术

五、仰拱换填

第七节小结

第六章富水断层及软硬岩接触带隧道突水涌泥防治技术

第一节隧道施工突水涌泥灾害情况

一、第一次突水涌泥

二、第二次突水涌泥

三、第三次突水涌泥

第二节突水涌泥灾害特征和原因分析

一、灾害特征

二、灾害原因分析

第三节防治技术

一、预报技术

二、预警系统

三、综合治理技术

第四节小结

第七章严寒地区富水隧道冻害防治技术

第一节国内外寒区隧道冻害调研及冻害程度划分

一、国内寒区隧道综合防冻害措施研究

二、国外寒区隧道综合防冻害措施研究

三、国内寒区隧道冻害调研

四、寒区隧道分区

五、国内寒区隧道冻害类型及成因分析

六、 寒区隧道保温排水技术分析

第二节隧道保温段长度分析

一、寒区长大隧道洞内温度实测与分析

二、不同影响因素条件下围岩温度场变化规律

第三节隧道保温层厚度分析

一、极端气温条件下保温层适用范围

二、不同气温和地温条件下无保温层温度场分布规律

三、不同气温和地温条件下有保温层温度场分布规律

第四节防冻胀内置式保温衬砌结构

一、内置式保温衬砌结构形式与参数

二、内置式保温衬砌施工

三、运营阶段出现的冻害情况

第五节防排水及防冻害技术

一、祁连山隧道、大梁隧道施工中涌水情况

二、隧道施工阶段的防排水

三、严寒地区隧道主要防排水措施设计

四、运营阶段冻害情况及附加防寒排水设施

第六节小结

第八章高原隧道施工机械保障技术

第一节高原型工程机械的特殊要求

一、青藏铁路早期施工机械设备情况

二、高原型工程机械的特殊要求

第二节高原发动机功效测试

一、测试系统的搭建

二、参数标定

三、测试步骤

四、新机外特性分析

五、旧机外特性分析

六、新旧发动机性能对比分析

七、工作效率的数学模型

第三节高原空压机功效测试

一、测试系统的搭建

二、实验结果与分析

第四节高原内燃机功率保持技术

一、高原对柴油发动机的影响

二、柴油机功率补偿

三、柴油机功率匹配

四、发动机高原适应性改造技术

第五节设备维修保养技术

一、建立完善的设备管理制度

二、设备防寒防冻技术及措施

三、油料使用与管理

第九章高原隧道施工人员健康保障技术

第一节高原隧道制氧、供氧系统

一、高原制氧方式的选择

二、供氧方法分析与选择

三、供氧量及能耗计算

四、系统方案

五、制氧、供氧系统运行及使用效果

第二节风火山隧道通风模式及通风设计

一、高海拔隧道施工通风标准及系统设计计算方法

二、工程特点及对环境控制的要求

三、通风系统设计

四、GYFS100型高原轴流式隧道通风机的研制

五、高原轴流风机性能特性的分析与评价

六、通风系统工作参数测试结果

第三节祁连山隧道通风系统设计

一、通风方案的制定依据

二、隧道施工环境标准

三、通风管理

四、祁连山隧道通风系统设计

第四节洞内空气质量测试分析

一、主要试验测试仪器和方法

二、风火山隧道洞内空气质量测试分析

三、祁连山隧道洞内空气质量测试分析

第五节高原施工人员健康保证技术

一、体力劳动强度分级

二、高原地区人体技机能测试

三、高原环境下的人体机能保障措施

第十章结论与展望

第一节结论

一、克服了高原高寒极端环境和多项不良地质问题，成功建设了青藏

高原长大铁路隧道

二、形成了高海拔、高寒区、多年冻土保护技术

三、成功研制和应用了高海拔、高寒区、冻土隧道通风与供热一体化

系统，实现了隧道洞内沿程环境气温的全面控制

四、分析掌握了寒区铁路隧道洞内空气温度场和围岩温度场规律

五、祁连山隧道碎屑流形成机理及隧道稳定性控制技术

六、大梁隧道高地应力薄层板岩隧道大变形控制技术

七、高原隧道排水防寒技术

八、形成了高原隧道制氧、供氧系统技术

九、高原隧道施工机械保障技术

第二节展望

一、高原、高寒、冻土隧道施工经验不足

二、寒区隧道洞内温度场理论需进一步深入

参考文献

后记

任少强，陕西蓝田人。工学博士，教授级高工，中铁20局集团公司总工程师.长期从事桥梁、隧道施工技术、现场科技攻关工作，参加了南昆、西康、西南、青藏、兰新二线等多项铁路大线施工。积累了丰富的施工经验，是20局集团科技骨干之一。先后荣获陕西省劳模、火车头奖章、“十二五”全国建筑业企业优秀总工程师等称号，享受国务院特殊津贴。

朱永全，男，1960年3月出生，著名隧道专家、教授、博导、全国劳模，现任石家庄铁道大学地下工程系主任，学术带头人，国家“地下工程教学团队”和河北省“隧道教学团队”负责人，国务院特殊津贴。

陈宏伟，字省非，甘肃甘谷人。经济学博士，高级工程师、一级建造师。

王平安，男，1978年9月出生，2011年毕业于西安理工大学，土木工程专业，工学学士，隧道高级工程师。

冀胜利，男，1968年10月出生，1991年毕业于石家庄铁道学院，地下工程与隧道专业，教授级高工。

谭忠盛，男，1963年5月出生，1999年毕业于西南交通大学，桥梁与隧道工程专业，获博士学位，现任北京交通大学教授、博士生导师。

杨星智，男，1987年6月出生，2011年毕业于石家庄铁道大学，交通工程专业，工学学士，工程师，项目副总工程师，主要从事隧道、桥梁和轨道工程施工技术。 2100433B

本书为高原寒区隧道建设技术与实例。全书共十章，主要内容包括：青藏高原典型铁路隧道工程概况及特点， 寒区隧道洞内环境温度场分析，风火山隧道冻土围岩保护技术，隧道洞内碎屑流、高地应力薄层板岩隧道大变形和软硬岩接触带隧道突水涌泥施工技术，严寒地区富水隧道冻害防治技术，高原隧道施工机械保障和高原隧道施工人员健康保障技术等。

随着寒区经济发展，我国进行了青藏公路、格尔木至拉萨输油管线、光纤通讯工程、大坂山隧道等著名工程方面的建设称为寒区工程。

随着寒区经济发展，人们在寒区大兴土木，如道路工程、水利工程、隧道工程、工业与民用建筑等方面的建设。在我国进行了青藏公路、格尔木至拉萨输油管线、光纤通讯工程、大坂山隧道等著名工程方面的建设，即将建设的还有青藏铁路工程、青康公路工程、大小兴安岭地区道路工程等。 寒区工程修筑过程中，必须考虑冻土这一特殊地基。

冻土工程在寒区建设中非常重要，由于热胀冷缩及受力不均，建筑物往往会发生断裂、扭曲、下陷等现象。在寒区建设中处理不好就会严重危害人类生命安全和国民经济建设。2100433B

水利部寒区工程技术研究中心结合国内外该领域研究发展前沿，总结寒区工程建设的经验，围绕工程建设中的关键技术问题，寒区中心目前主要的研究方向是：黄河、黑龙江凌汛的冰情预报与冰灾防治技术研究：寒区水科学和水问题研究；寒区工程设计技术研究；寒区工程新材料、新设备研发；寒区工程施工技术研究；寒区工程质量检测及安全评估技术研究；黑土区粮食基地建设与寒区黑土保护及修复问题研究。

水利部寒区工程技术研究中心的宗旨是在开展前瞻性、战略性的应用基础和重大公益类研究的同时，紧紧围绕寒区水利工程建设中的热点和难点问题，开展工程技术研究、开发及成果转化，为寒区水利工程的勘测、设计、施工和管理提供技术支撑。