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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 国内外研究现状及评述3

1.2.1 岩石冻融特性研究3

1.2.2 隧道冻融破坏机理研究19

1.2.3 寒区隧道设计与施工技术研究22

1.2.4 寒区隧道涌水规律与注浆堵水技术研究31

1.2.5 地下结构地震反应特性35

1.2.6 地下结构震害类型与机理38

1.2.7 地下结构抗震分析方法40

第2章 含低温相变岩体温度-渗流耦合特性研究54

2.1 引言54

2.2 温度-渗流耦合模型54

2.2.1 理论基础54

2.2.2 岩体温度-渗流耦合模型推导56

2.3 温度-渗流耦合模型参数取值方法研究63

2.3.1 渗透系数63

2.3.2 密度63

2.3.3 等效体积热容63

2.3.4 导热系数64

2.4 温度-渗流耦合模型有效性验证70

2.4.1 试验概况70

2.4.2 有限元计算边界条件与参数取值71

2.4.3 有限元模拟结果与试验结果对比验证与分析71

2.5 含低温相变岩体温度-渗流耦合效应分析76

2.5.1 计算基本条件和参数76

2.5.2 计算结果77

第3章 考虑空气温度和湿度影响的寒区隧道风流场湍流模型及其与围岩热交换规律研究82

3.1 引言82

3.2 考虑空气温度与湿度影响的隧道风流场湍流数学模型83

3.2.1 基本假定83

3.2.2 隧道风流场湍流控制方程推导83

3.3 湍流的数值模拟方法研究89

3.3.1 湍流数值模拟三大基本方法90

3.3.2 湍流控制方程的时均化处理91

3.3.3 基于湍流黏性系数法的k-ε两方程湍流模型92

3.3.4 低雷诺数k-ε模型与壁面函数法95

3.4 湍流条件下空气与围岩热交换规律研究97

3.4.1 总换热系数h研究现状98

3.4.2 温度壁面函数法101

3.5 数学模型有效性验证103

3.5.1 试验概况104

3.5.2 有限元计算定解条件与参数取值104

3.5.3 有限元模拟结果与试验测量结果对比验证与分析104

3.6 空气温度、湿度和风速对围岩温度场影响规律研究108

3.6.1 计算基本条件与参数取值109

3.6.2 计算结果109

第4章 岩石冻融力学试验与冻融损伤本构模型研究115

4.1 引言115

4.2 岩石冻融力学试验115

4.2.1 试验设备115

4.2.2 试验方案116

4.2.3 试验结果与分析117

4.3 岩石冻融损伤本构模型研究126

4.3.1 损伤力学基础126

4.3.2 多次冻融循环损伤演化127

4.3.3 损伤本构模型与试验验证130

第5章 通风条件下冻岩隧道温度-渗流-应力-损伤（THMD）耦合模型及施工技术研究132

5.1 引言132

5.2 温度-渗流-应力-损伤（THMD）耦合机理132

5.3 通风条件下寒区隧道温度-渗流-应力-损伤（THMD）耦合模型134

5.3.1 基本假定134

5.3.2 温度场控制方程推导135

5.3.3 地下水渗流场控制方程推导137

5.3.4 岩体应力场控制方程推导138

5.4 数学模型有效性验证140

5.4.1 试验概况140

5.4.2 有限元计算定解条件与参数取值141

5.4.3 试验结果与数值分析结果对比142

5.5 低温淋水地段喷射混凝土技术研究143

5.5.1 室内配合比试验研究144

5.5.2 冻融循环对喷射混凝土-围岩交界面剪切强度影响规律研究149

5.6 二衬模筑混凝土配合比设计与冬季施工温控技术研究153

5.6.1 嘎隆拉隧道二衬混凝土配合比设计154

5.6.2 二衬混凝土冬季施工温控技术研究157

5.6.3 二衬模筑混凝土施工工艺总结177

第6章 高原寒区破碎地层隧道涌水规律及注浆堵水技术研究179

6.1 引言179

6.2 涌水特征与涌水规律研究179

6.2.1 嘎隆拉隧道进口端施工阶段渗漏水情况179

6.2.2 隧道施工期间水流量观测及其涌水特征分析182

6.2.3 基于裂隙网络模型的嘎隆拉隧道大涌水断面等效裂隙宽度研究183

6.2.4 基于数字图像处理技术的隧道洞口堆积体渗流特征分析191

6.3 高原寒区破碎地层隧道注浆堵水技术研究197

6.3.1 注浆参数及施工工艺调整试验198

6.3.2 嘎隆拉隧道注浆堵水方案数值模拟研究202

第7章 防寒、抗震泡沫混凝土新材料特性研究220

7.1 引言220

7.2 高原寒区隧道保温及抗震材料研制221

7.2.1 试验原材料221

7.2.2 试验设备222

7.2.3 试样制备方法222

7.2.4 试验方案223

7.2.5 正交试验结果与分析223

7.3 泡沫混凝土导热系数测试234

7.3.1 测试方法234

7.3.2 测试结果234

7.4 泡沫混凝土冻融劣化特性研究234

7.4.1 试验方案234

7.4.2 冻融次数对泡沫混凝土冻融劣化特性影响规律235

7.4.3 泡沫掺量对泡沫混凝土冻融劣化特性影响规律236

7.4.4 珍珠岩对泡沫混凝土冻融劣化特性影响规律238

7.4.5 聚丙烯纤维对泡沫混凝土冻融劣化特性影响规律239

7.5 泡沫混凝土动力特性研究241

7.5.1 试验原理与方法241

7.5.2 试验结果与分析242

7.5.3 泡沫混凝土的率相关模型244

第8章 地震波的合理选取和合理的地震动输入机制研究246

8.1 引言246

8.2 地震波的合理选取和调整247

8.2.1 合理选择地震波的必要性247

8.2.2 地震波的选取和调整249

8.2.3 近断层地震动记录的人工合成254

8.3 合理的地震动输入方法研究261

8.3.1 无限元边界262

8.3.2 波场分离的方法266

8.3.3 无限元人工边界运动方程267

8.3.4 无限元人工边界上的波动输入267

8.3.5 算例验证270

8.4 数值分析中的几个问题272

8.4.1 阻尼的设定272

8.4.2 网格尺寸的限定和滤波273

8.4.3 地震波的基线校正274

第9章 高烈度地震下隧道动力响应特性研究及稳定性评价277

9.1 引言277

9.2 隧道地震响应特性研究277

9.2.1 计算模型及参数277

9.2.2 地震波强度对隧道响应特性的影响278

9.2.3 地震波持时对隧道响应特性的影响279

9.2.4 地震波频率对隧道响应特性的影响280

9.2.5 地震波入射方向对隧道地震响应特性的影响280

9.2.6 隧道埋深对隧道地震响应特性的影响281

9.3 高烈度地震对隧道结构安全性的影响研究282

9.3.1 近断层地震动的模拟282

9.3.2 近断层地震与一般地震作用下洞室响应对比分析283

9.3.3 隧道进洞口活断层对隧道的影响评价288

9.4 隧道洞口边坡动力响应分析295

9.5 次级断层走滑错动对隧道安全性影响的研究300

9.5.1 活断层对深埋隧道的影响300

9.5.2 走滑断层错动对嘎隆拉隧道的影响研究300

第10章 高烈度地震区隧道抗震方法研究308

10.1 引言308

10.2 隧道一般的抗减震措施308

10.3 隧道抗减震措施研究310

10.3.1 隧道断面形式优化研究311

10.3.2 减震层的减震效果研究317

10.3.3 两类抗震思路的比较335

10.3.4 加固围岩的减震效果研究338

10.3.5 洞口抗震设防长度的研究339

10.3.6 隧道抗错断设计研究342

10.4 隧道抗震设计的适用性建议348

第11章 工程应用350

11.1 引言350

11.2 工程概况及其特点分析350

11.2.1 嘎隆拉隧道区域地形地貌351

11.2.2 嘎隆拉隧道区域水文气象352

11.2.3 近场区主要断裂活动性353

11.3 嘎隆拉隧道现场试验研究及远程无线健康诊断系统研制363

11.3.1 嘎隆拉隧道现场试验363

11.3.2 远程无线健康诊断系统研制370

11.4 嘎隆拉隧道施工与运行期间围岩温度场及防寒保温措施研究381

11.4.1 嘎隆拉隧道初始温度场381

11.4.2 嘎隆拉隧道施工期围岩温度场391

11.4.3 嘎隆拉隧道运行期间围岩温度场394

11.4.4 嘎隆拉隧道防寒保温措施研究400

11.5 嘎隆拉隧道冻胀力大小及围岩冻融劣化对结构稳定性影响研究413

11.5.1 计算模型、参数与边界条件414

11.5.2 计算结果414

11.6 嘎隆拉隧道动力响应及抗震研究423

11.6.1 隧道近场区地震构造环境423

11.6.2 计算模型及参数424

11.6.3 地震荷载426

11.6.4 嘎隆拉隧道动力响应分析427

11.6.5 嘎隆拉隧道合理的抗震措施研究434

参考文献438