本發明涉及隧道冬季連續施工，具體是指一種高寒區深長隧道冬季連續施工方法。

背景技術：

1、高寒地區的氣候條件十分復雜，溫度低，溫差大，冬季長。為了縮短工程建設期，盡早發揮工程投資效應，高寒區隧道在負溫條件下進行施工往往是不可避免的。冬季環境溫度對于混凝土的施工質量有極大影響，當氣溫下降到冰點以下時，混凝土中的水開始結冰膨脹，導致內部結構破壞，形成混凝土凍害。

2、高寒區深長隧道往往圍巖條件十分復雜，如果施工控制不當，常常會產生較多的施工質量和施工安全問題。超欠挖現象是一個典型的施工質量問題，過度的超挖會增加隧道掘進的排巖量，延長初期支護工期，增加建設成本，影響施工進度；超欠挖也會在局部產生應力集中現象，造成安全隱患。更值得關注的是，深長隧道復雜的地質條件使得隧道施工安全風險源種類多樣且不固定，不同風險源之間還極易產生耦合作用，進而易引發更多難以預料的施工災難與風險。

技術實現思路

1、本發明要解決的技術問題是克服以上缺陷，提供一種高寒區深長隧道冬季連續施工方法，可以有效控制冬季施工質量，保證冬季施工進度，保證不良地質帶隧道的施工質量與安全。

2、為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案為：一種高寒區深長隧道冬季連續施工方法，包括以下步驟：

3、s1、通過隧道地勘資料及設計資料，獲取隧道出入洞口的年平均氣溫、極端最高溫度，極端最低溫度、凍土的標準凍深、最大凍深；

4、s2、初期支護噴射混凝土以及二次支護模筑混凝土試驗及最優配合比確定；

5、s3、通過ansys-fluent模擬隧道洞口風場－溫度場；

6、s4、通過fluent和workbench的建立流固耦合模型；

7、s5、通過ansys-workbench模擬施工階段洞口應力場模型；

8、s6、隧道洞口溫度和風速監測，獲取實測洞口溫度場和風場信息；

9、s7、模擬洞口保溫設施；

10、s8、噴射混凝土現場施工防凍措施；

11、s9、通過隧道地勘資料及設計資料，獲取圍巖特征、地層物理力學參數、巖體完整程度、圍巖基本質量指標、圍巖鉆爆施工方法，通過圍巖穩定性評價預判超欠挖重點控制斷面及施工安全高風險斷面；

12、s10、鉆爆法施工超欠挖控制；

13、s11、高風險斷面施工安全控制；

14、作為改進，步驟s2包括以下具體內容：

15、1)以往類似工程實踐經驗確定四組混凝土配合比；

16、2)選取外加劑；

17、3)實驗儀器選取：強制式混凝土攪拌機sh-03、水泥混凝土振實臺sh-11、坍落度測定儀sh-14、水泥混凝土滲透儀；

18、4)根據不同混凝土配合比方案分別制作150mm×150mm×150mm的混凝土試塊，并進行28天的養護，使用強制式混凝土攪拌機sh-03攪拌混凝土配置用于實驗的拌合物；

19、5)強度試驗：把試塊放置在壓力機內，輸入加速荷載，當試件接近破壞而開始迅速變形時，應停止調整試驗機油門，直至試件破壞，記下試塊的破壞極限荷載，依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(jtg?3420-2020)的(t0553-1)公式計算出混凝土試塊的抗壓強度(mpa)；

20、6)坍落度試驗及坍落度經時損失實驗：使用坍落度測定儀sh-14，依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(gb/t?50080-2016)(第4章)對各個配合比制作的拌合物進行坍落度實驗和坍落度經時損失實驗，測定經時坍落度損失值；

21、7)抗滲實驗：使用在28d—90d齡期內的試件，干燥后涂抹一層熔化的密封材料，然后立即在螺旋加壓器上壓入經過烘箱或電爐預熱過的試模中，試模冷卻后放入滲透儀上進行試驗，滲透儀實驗時，水壓從0.1mpa開始，每隔8h增加水壓0.1mpa，經8h試件不滲水；抗滲等級依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(jtg?3420-2020)的(t0568-1)進行計算；

22、8)抗凍試驗：首先將制作和養護好的試塊進行浸泡，浸泡后進行凍融實驗。每次凍融循環應在2～5h完成。通常每隔25次凍融循環對試件進行一次橫向基頻的測試并稱重，也可根據試件抗凍性高低來確定測試的間隔次數。達到這兩種情況之一可以停止實驗：a、試件的相對動彈性模量下降至60％以下；b、試件的質量損失率達5％；

23、9)分析強度實驗中滿足要求的配合比，按照抗壓強度由高到低的順序進行坍落度實驗，選用坍落度經時損失最少的配合比，如果該配合比依然滿足抗滲實驗且滿足混凝土設計要求，則該配合比為最優配合比。

24、作為改進，步驟s3包括以下具體內容：

25、1)建立隧道模型：使用cad導入模型至scdm，建立3d的幾何圖形，模型的隧道截面尺寸采用隧道的設計尺寸，隧道內輪廓設計采用單心圓斷面，ansys中的scdm(前處理模塊)設置圍巖屬性、隧道縱深、隧道曲率半徑、隧道上方地面巖層厚度、隧道下方巖層厚度，建立包裹隧道模型的大型風場模型。

26、2)建模基礎上，選用realizable?k-ε兩方程模型，建立湍流模型。將建立好的幾何模型導入fluent求解器中進行網格劃分、邊界條件、風速溫度等參數設置處理。

27、湍動能k的運輸方程：

28、

29、湍動能耗散率ε的運輸方程：

30、

31、3)導入fluent后，對模型劃分網格時優先采用結構化網格對隧道三維模型進行劃分。

32、4)隧道進口邊界：隧道進口的邊界采用fluent中的速度入口(inlet)，隧道出口邊界：隧道出口的邊界處設置為自由出口邊界(outflow)；壁面邊界：在上述隧道進口邊界、隧道出口邊界對模型邊界做出定義外，其余部分都定義為壁面邊界條件，壁面邊界溫度設置為恒溫且無滑移。

33、5)參數設置：設置進口風速、出口回流參數、湍流方程。

34、6)選擇simple算法作為數值模擬的計算方法。

35、根據收集隧址凍土信息及氣象信息以及設定隧址冬季施工掌子面不同掘進深度工況，記錄不同工況下隧道洞口和風場情況。

36、7)對fluent創建模型進行results計算，得到隨風速變化時，隧道洞口處風跡與風向等風場分布云圖。

37、作為改進，步驟s4包括以下具體內容：

38、1)在已建立的ansys?workbench中導入fluid?flow(fluent)模塊所創建的fluent流體分析項目，在進行溫度場和應力場耦合時，需要將solid?65轉變為等效結構的三維solid45單元。

39、2)在fluent工程視圖中mesh上點擊右鍵選擇edit，進入網格劃分meshing界面，先去掉固體部分，只保留流體幾何，采用icem?cfd進行網格劃分，method選項選擇multizone。

40、3)在meshing中更新網格，關閉scdm后自動回到model界面，選擇update進行更新。

41、4)根據收集隧址凍土信息及氣象信息，設定隧址冬季施工溫度工況記錄不同工況下隧道洞口的大氣溫度、山體溫度、大地溫度和初始溫度。

42、5)計算模型：關閉mesh回到fluent工程窗口，右鍵點擊setup，選擇edit，采用k-e湍流模型進型計算。計算后可得到因風速和風溫變化時，隧道洞口段溫度場的溫度分布。

43、6)導入流體和溫度荷載：插入流體荷載和溫度荷載，連接static?structural板塊中的imported?load，選擇pressure進行屬性設置。

44、7)設置固體約束：約束底面為fixed，設置好后進行流固耦合計算，得到流體荷載圖的應力計算結果。

45、8)查看流熱固耦合模型的溫度云圖：計算結果后在solution界面的equivalentplastic?strain，右鍵選中evaluate?all?results。設置好后在模型界面右鍵選中showallbodies查看全部模型，查看由溫度和風速耦合之后參數變化導致的溫度分布云圖。

46、作為改進，步驟s5包括以下具體內容：

47、1)將solid45轉變為可以模擬混凝土材料開裂、壓碎、塑性變形和蠕變的能力的solid?65單元；

48、2)將s3中的前處理模塊導入workbench中的steady-state?thermal模塊的engineering?data進行材料屬性編輯；

49、3)編輯材料并在軟件的綜合材料庫中導入材料，更改材料物性；

50、4)在model中使用自帶功能spanangle?center生成網格；

51、5)在附加模型中加入各項熱力學參數(熱傳導系數、比熱、密度、對流換熱系數)。

52、熱量傳導規律為：

53、

54、流體溫度升高時：

55、q＝h(tw-tf)

56、流體溫度降低時

57、q＝h(tw-tf)

58、公式中，tw及tf分別為壁面溫度和流體溫度，h是表面傳熱系數，也稱之為對流換熱系數，單位為w/(m2.k)；

59、6)隧道出口為壓力出口邊界壁面設置為對流換熱邊界，周圍圍巖為固定溫度邊界，導入熱荷載和流體中的風壓荷載。

60、7)添加圍巖和混凝土的容重、彈性模量、泊松比、粘聚力、內摩擦角、線膨脹系數；

61、8)計算結果后在solution界面的equivalentplastic?strain，右鍵選中evaluateallresults。設置好后在模型界面右鍵選中showallbodies查看全部模型，查看由溫度和風速耦合之后參數變化導致的混凝土應力云圖并判斷襯砌結構開裂情況。

62、作為改進，步驟s6包括以下具體內容：

63、1)根據結構特點、環境復雜性、項目可行性，制定風速、溫度、應力，監測點的布置原則為測點布置在隧道冬季施工段，伴隨著施工掌子面的推進，不斷增加監測斷面。

64、2)在洞口冬季施工段的設置7個監測斷面，分別距離洞口10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m，斷面測點分別布置在拱頂、拱腰、拱腳、仰拱位置，用來監控溫度、風速、風壓、風向等數據；

65、3)在隧道洞口襯砌表面的拱頂，拱腰，拱腳和仰拱位置分別設置測點，用來測量襯砌應力、風速和溫度，并且分別在拱頂、拱腰、拱腳、拱底處向圍巖布置1.5m深的測溫孔測控，測溫孔中各溫度傳感器與襯砌結構內表面的距離分別為0m，0.3m，0.8m，1.5m；

66、4)監測圍巖環境溫度、凍土溫度和大地溫度，分別在隧道頂距洞口處30m、35m、40m處從山頂向隧道方向放置測溫孔，因洞口段圍巖厚度薄，所以選擇斜向打孔；分別在有圍巖的隧道斷面25m處、無圍巖隧道斷面10m處和距離洞口外25m處布置大地溫度測點，各測溫孔中溫度傳感器與襯砌結構表面的距離分別為0m，0.3m，0.8m，1.5m。

67、5)通過采集溫度、風速風向、應力傳感器的數據，繪制拱頂、拱腰、拱腳、仰拱監測孔不同位置的溫度、應力、風速變化曲線，分析拱頂、拱腰、拱腳、仰拱不同深度處溫度變化規律和應力變化規律。

68、6)將實際監測數據，輸入到有限元模型中模擬現場風場—溫度場情況，得到有限元模型隧道內部溫度和襯砌應力數據和趨勢，與實際監測的隧道內部溫度、應力數據和趨勢進行對比，驗證模型的擬合精度，判斷是否需要進行保溫處理，從而輔助指導施工實際。

69、作為改進，步驟s7包括以下具體內容：

70、1)判斷是否需要進行保溫設置，如果不滿足，需要設置額外保溫設施。

71、2)使用ansys?fluent模擬空氣源熱泵采暖設備、熱風炮及保溫棚，已知外界溫度的條件下，設置保溫措施的初始溫度，添加邊界條件和保溫材料物性。

72、3)按照fluent劃分網格步驟重新劃分網格，將ansys?icem劃分的墻體網格導入ansys?fluent中。

73、4)網格讀入檢查無誤后，設置求解器參數，并打開能量方程，定義保溫棚材料物性，設置區域條件以及邊界條件。

74、5)模擬結果分析，滿足《公路隧道設計規范》(jtg?3370.1-2018)中的條款(5.2.3)條款(5.2.6)的混凝土應力要求及條款(9.2.4)的安全系數要求即為合格。

75、作為改進，步驟s8包括以下具體內容：

76、1)根據s7中模擬結果及實際工程經驗設置施工防凍措施；

77、2)隧道洞口設置空氣源熱泵采暖設備、熱風炮及保溫棚，噴射混凝土施工在保溫棚內進行，混凝土運輸車開到洞內作業，保證洞內混凝土施工溫度5℃以上；

78、3)混凝土拌合站采用保溫棚保溫，保溫暖棚采用夾芯保溫彩鋼板；

79、4)混凝土輸送泵設置在暖棚內，混凝土輸送管一側敷設一根蒸汽管，并用5cm厚棉被包裹保溫；

80、5)在洞口附近設置高壓風站，以縮短風管的洞外長度，便于保溫。洞外風管及進洞100m左右包裹保溫材料保溫；

81、6)在洞口暖棚內設置蓄水箱，水車外運水保障施工用水。

82、作為改進，步驟s10包括以下具體內容：

83、1)分析不同地質和圍巖狀況對應的隧道鉆爆施工方法并預判超欠挖重點控制斷面。

84、2)ansys/ls-dyna主要包括lagrange算法、euler算法、ale算法以及結合了前兩者的流固耦合算法，在進行爆破分析時采用lagrange法和多物質流固耦合的方法。

85、3)模型建立

86、①應用ansys/ls-dyna材料庫中的巖石、節理、空氣、炸藥等材料模型，模擬爆破過程中應力波以及爆生氣體對巖石的作用。

87、②根據實際工程對模型進行建立，模型上邊界至地表，下邊界選取隧道毛洞高度的3～5倍，左右邊界應在離相鄰側隧道毛洞壁面的距離3～5倍以上，建立隧道二維基本模型。

88、③建立模型坐標系，對隧道二維模型沿坐標系進行拉伸，建立完整隧道三維模型。

89、4)網格劃分采用掃略網格劃分法，炮孔周圍網格劃分密集，離炮孔越遠，網格劃分越稀疏。

90、5)設置邊界條件：

91、①模型不考慮因應力波在邊界處的反射，四周均采用無反射邊界；

92、②計算初始自重應力和開挖效應時，左右邊界為受水平向位移約束的邊界，底部邊界為受垂直向位移約束的邊界，上部邊界為自由變形邊界。

93、6)隧道爆破模擬

94、①模擬爆破設計方案，模擬時只設置周邊一排孔；

95、②周邊孔各個炮孔之間形成爆破應力場，記錄各個時間的模型等效應力云圖及爆破成型輪廓線。

96、7)預判超欠挖量值，對爆破設計方案進行調整修正，保證最小的超欠挖量，建立系統的施工管理體系，加強人員培訓，嚴格按照規范進行設計，保證開挖輪廓線的精度，嚴格控制裝藥量和鉆孔質量。

97、作為改進，步驟s11包括以下具體內容：

98、1)控制斷面選擇

99、分析不同地質和圍巖狀況對應的隧道鉆爆施工方法：預判施工安全高風險斷面，一般選為v級圍巖、斷層處及其他不良地質帶。

100、2)高風險斷面模型建立

101、①根據設計資料確定隧道截面大小，通過cad將隧道截面導入到midas/gts當中。

102、②根據實際隧道材料參數，建立結構材料特性；

103、③根據實際地質材料參數，建立地層材料特性；

104、④根據實際工程對隧道模型進行建立，模型上邊界至地表，下邊界選取隧道毛洞高度的3～5倍，左右邊界應在離相鄰側隧道毛洞壁面的距離3～5倍以上，建立隧道二維模型。通過對二維模型進行拉伸建立3d模型。

105、⑤對于斷層部位，通過嵌入功能在對應位置作出相應的實體。斷層與山體之間連接采用布爾運算的方法。

106、3)網格劃分

107、①對不同結構進行網格劃分，對圍巖斷層部位進行網格劃分時，選取小型網格劃分，使模型計算更準確；

108、②不同結構部位之間選取布爾運算進行連接。

109、4)施加荷載

110、加入自重荷載，通過靜力邊坡分析—自重，方向與最開始創建模型時保持一致即可。

111、5)通過靜力邊坡分析—邊界—約束對模型添加約束，左右邊界為受水平向位移約束的邊界，底部邊界為受垂直向位移約束的邊界，上部邊界為自由變形邊界。

112、6)施工過程

113、①通過荷載釋放系數(ldf)模擬支護結構施作時機的效應。ldf＝0.0，即隧道開挖后立即支護。

114、②計算時，荷載釋放系數的確定應結合隧道的工程實際監控量測的結果以及以往的施工經驗，近似地將其確定為本開挖步隧道控制測點的變形值與該測點總變形值的比值。在缺乏實測變形資料的情況下，可按工程類比法，用同類隧道的實測結果予以確定。

115、③通過施工階段管理中添加施工過程，每個階段按照“開挖—初支—二襯”的順序依次向前開挖。

116、7)建設完地層結構法模型之后，需要對工況進行分析，采用“分析—新建”創建開挖工況。通過工況預判施工過程中的圍巖應力和結構變形，預判施工方法是否滿足施工安全要求。并通過更改模型施工參數：如鉆爆開挖方法、施工開挖進尺等，預估施工過程中圍巖最不利情況。

117、8)在高風險斷面的施工過程中，根據超前地質預報及施工監控結果，調整模型參數，預判真實施工狀況下隧道圍巖的施工安全性，根據安全性預測結果，調整不同鉆爆開挖方法、施工開挖進尺尺寸及初期支護的支護形式和支護剛度等實際施工參數。

118、本發明與現有技術相比的優點在于：

119、1、本發明注重寒區隧道的施工質量控制和施工安全控制，在冬季施工的傳統防凍保溫措施過程中，加入空氣源熱泵采暖設備，提高了洞口冬季施工的升溫水平，降低了冬季施工能耗、減少了環境污染。

120、2、以試驗數據、實際監測數據和理論模擬數據聯合為施工指導，高寒區深長隧道冬季施工過程可參考性強，指導意義明顯：

121、首先根據實驗室試驗結果、《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(jtg?3420-2020)、《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(gb/t?50080-2016)規范要求以及設計要求選取出最適合寒區項目的初期支護噴射混凝土+二次支護模筑混凝土配合比。

122、其次，在施工前，預先通過ansys-fluent和ansys-workbench建立溫度、風速、應力的三項流固耦合模型，確定隧道洞口冬季施工混凝土應力狀態，并轉換單元計算混凝土開裂情況，根據模型計算的開裂情況確定隧道溫度、襯砌應力監測方案。根據監測方案安裝監測儀器，采集山體溫度、大地溫度、隧道風速風向、襯砌溫度、襯砌應力等數據。根據洞口冬季施工段的監測數據，使用ansys模擬實際風場、溫度場、應力場，預判冬季施工隧道初期支護噴射混凝土是否滿足設計要求。并模擬洞口額外保溫措施，以模型為指導，設置施工實際保溫措施。

123、最后，通過ansys/ls-dyna對重點控制斷面的爆破方案進行模擬，預判超欠挖情況，對爆破設計方案進行調整修正，保證最小的超欠挖量；

124、通過midas/gts對高風險斷面的施工過程進行模擬，預判施工風險性，調整不同鉆爆開挖方法集實際施工參數保證施工安全。

125、3、通過ansys-fluent、ansysworkbench、ansys/ls-dyna、midas/gts建立施工聯合模擬體系，指導高寒區深長隧道的冬季施工和軟弱圍巖施工，提高隧道的施工質量，預判施工風險點并及時采用施工控制措施，保證施工安全。