在高寒冻土区全线铺筑黑色沥青路面是世界首例和创举。沥青路面与冻土互为灾害根源，属于国际难题。随着全球环境的退化，高原冻土区的公路安全正面临严峻的考验。本申请基于青藏高原公路建设、养护、再生的常规技术，拟通过对路面层沥青材料的微、纳米改性技术，及从复合体系的导热有效媒质理论出发，研究设计具有单向导热功能的沥青路面层结构和材料,即热半导体型沥青路面结构。综合考虑微纳米颗粒的形状效应、物理各向异性，建立单向导热沥青路面模型传热学数值模型；模拟改性沥青路面新结构的温度场变化；实验研究改性沥青和沥青混合料在新结构设计中组份选取、配比、导热参数变化情况。该功能结构既能阻止太阳辐射热下传，又能加速路基中多年积热'的上传，进而减轻高原冻土区黑色沥青路面的病害。目标的实现，可为高原冻土区沥青路面、路基的的稳定性提供新原理，在政治、国防、经济方面具重大意义。

基于微分颗粒复合体系的有效媒质理论，我们提出了单向导热沥青路面结构。首先，通过研究复合材料导热的显微结构特征，建立了考虑界面热阻的导热和阻热热传导理论预测模型。预测模型表明片状、微米级石墨能够有效增强沥青混合料的热导率，而球状、微米级漂珠能够有效降低沥青混合料的热导率。 利用ANSYS有限元软件对改性混合料的传热特性进行了数值模拟。结果表明热量流经石墨时，热量发生“越界迁移”效应; 热量流经漂珠时，热量发生“沿界迁移”效应。为解决复合材料的界面问题，采用偶联剂对粉体进行表面改性，改性后的粉体与沥青搅拌，形成改性沥青胶浆，在集料表面形成沥青与粉体混合的热量传输网络体系。 通过对粉体改性沥青混合料的主要热物理参数进行测量发现，在低体积含量时，石墨沥青混凝土的有效热导率与石墨含量成线性关系。例如，当漂珠掺量为5%时，沥青混凝土的热导率降低了22.2%，这表明少量漂珠的添加可使沥青混凝土获得较好的阻热性能。 基于IEC标准，研制了试验测试模型，其绝热的边界条件保证了试件测试的稳定性。通过沥青膜测试筛选各面层粉体的配比，优选了最优比例粉体搭配为上面层10%石墨、中面层10%漂珠和下面层40%漂珠。根据IEC标准，对最佳配比试件进行3个循环的热效应试验，结果表明试验组测试试件底部表面温度比对照组降低了2.5℃。对冬季基层热量释放模拟的研究表明，实验组的表面温度与对照组相比提高约1.0 ℃，证明了单向散热试件结构可以有效地增强测试试件的热量释放能力，冷却试件的底部温度。 依据“五道梁”工程背景，通过ANSYS软件分析了带有相变的沥青公路路基温度场的变化，结果表明对照组路基下多年冻土融土核的厚度降低、融化深度降低、冻结深度增加，多年冻土的年平均地温出现下降。因此，所设计的单向导热沥青路面结构对路基具有明显的降温效果，有望减缓冻土退化，保护路基下多年冻土。 总之，通过改变沥青路面材料的热传导特性，并建立单向散热层状路面结构，可实现低吸热沥青路面，保护路基下冻土。由于该项技术容易结合常规沥青路面建设、养护和再生技术，因而施工容易、建设成本相对较低。项目组基本完成计划任务书确定的研究内容，申报国际专利1项，发表SCI论文2篇，目前正在开展更深入的理论研究以及路用性能的测试。 2100433B

1　绪论

1.1　引言

1.1.1　冻土研究发展史

1.1.2　冻土工程研究进展

1.1.3　冻土工程病害研究

1.2　国内外高原多年冻土隧道研究现状

1.2.1　理论研究

1.2.2　隧道工程实践

1.2.3　冻土工程应用研究

2　昆仑山隧道工程概况

2.1　昆仑山隧道工程概况

2.1.1　工程概况

2.1.2　工程地质特征

2.1.3　水文地质特征

2.1.4　地应力状态分析

2.1.5　衬砌支护结构

2.1.6　防排水及保温措施

2.2　研究背景

2.2.1　多年冻土隧道开挖与衬砌的矛盾

2.2.2　昆仑山隧道渗漏水病害简介

.　2.3　昆仑山隧道工程相关测试

2.3.1　自然气温监测

2.3.2　施工环境温度监测

2.3.3　围岩收敛监测

2.3.4　衬砌内外温度监测

2.3.5　隧道内排水沟流量观测和连通试验

2.3.6　地温及水位测试

3　移动边界特征计算的理论与实际

3.1　移动边界概念

3.2　移动边界计算的理论基础

3.3　利用有限元求解移动边界的基本过程

3.4　移动边界特征计算模型

3.4.1　有限元模型

3.4.2　移动边界特征计算模型

3.5　计算结果分析

3.5.1　融化深度与网格精度的关系

3.5.2　融化深度与计算时间步长的关系

3.5.3　融化深度与临界阻力距离的关系

3.5.4　考虑与不考虑移动边界特征的计算结果比较分析

3.5.5　昆仑山隧道冲沟的融化特征

4　隧道围岩温度场研究

4.1　运用微分方程研究隧道围岩温度场

4.1.1　一般导热微分方程

4.1.2　围岩导热控制微分方程

4.1.3　边界条件

4.1.4　围岩导热控制微分方程的差分解法

4.1.5　围岩温度场计算程序及参数

4.1.6　毛洞计算及结果分析

4.1.7　初衬后围岩的温度场计算及结果分析

4.1.8　二衬后围岩的温度场计算及结果分析

4.1.9　洞内气温对围岩温度场的影响

4.1.10　原始地温对围岩温度场的影响

4.1.11　结果分析

4.2　隧道实测温度资料分析

4.2.1　温度数据处理

4.2.2　数据分析

4.3　运用隧道围岩温度场规律指导施工

4.3.1　控制围岩暴露时间

4.3.2　控制洞内空气温度

5　多年冻土隧道工程的开挖与衬砌

5.1　自然环境特征

5.2　施工环境特征

5.3　昆仑山隧道工程地质和水文地质特征

5.3.1　工程地质

5.3.2　水文地质特征

5.3.3　地应力状态分析

5.4　昆仑山隧道开挖仿真分析

5.5　瞬态传热分析

5.5.1　有限元模型

5.5.2　边界条件

5.5.3　参考点的选择

5.5.4　计算结果分析

5.6　施工控制与预测方法

5.6.1　围岩稳定评估子系统

5.6.2　局部崩塌评估子系统

5.6.3　实时监测子系统

6　施工温度场研究及通风、供氧技术

7　湿喷凝土支技及工艺试验研究

8　模筑衬砌混凝土及防水隔热层施工工艺

9　昆仑山隧道排水技术试验研究

附件a　昆仑山隧道渗漏水治理方案

参考文献2100433B

青藏铁路作为我国的重大基础工程受到了世界各国人民的普遍关注，其高原缺氧、多年冻土与恶劣的环境气候条件给青藏铁路的修建带来了很大的困难，而多年冻土问题更是青藏铁路修建的三大关键技术难题之一。青藏铁路格尔木至拉萨段，全长1118km，多年冻土区长度为632km，其中连续多年冻土区长度约550km、岛状不连续多年冻土区长度82km，全线海拔4000m以上地段约为965km。昆仑山隧道位于青藏高原海拔4642m以上的多年冻土区，是目前世界上在高原多年冻土层这一特殊围岩环境条件下修建的最长隧道工程。本书以铁道部多个重点科研项目和昆仑山隧道工程实际为依托，针对高原多年冻土隧道施工的工程实际难题，如多年冻土隧道围岩温度场的变化规律、喷射混凝土黏结强度、隧道通风温度场、高原供氧、机械设备的效率等施工的关键技术问题，从理论上进行了比较深入的研究，并将计算机数值模拟结果与室内模型试验、现场试验结果进行对比分析，获得了一些有益的成果。最后对昆仑山隧道渗漏水的来源、路径、水量进行了分析，提出了综合治理的方案。

近20年来青藏高原冻土分布的表现是，永冻土在不断萎缩、季节冻土不断增加。冻土相对面积减少4.3%，约3.1万km²，相应的季节冻土面积增加3.1万km²。由于季节冻土面积增大、永冻土萎缩、冻土下界上升、冻土温度上升、季节冻结时间缩短、冻土深度变浅等一系列的退化问题，使冻土控制植被成为适应寒旱生境的年轻植物区系、冻土中的大厚度区域性隔水层及其活动层对水资源的调节作用等特殊生态环境功能减弱，影响工程建筑稳定性的冻胀、融沉地质功能增强，从而加速了高寒草场的退化和地表水资源的减少，引发出更多的冻土区工程地质问题。而青藏高原连续永冻土区内某些融区的出现，特别是深埋藏永冻土层的发现，说明这种情况不是偶然的。地面温度的突变升温可能来自地面状况的改变，如植被的破坏、动水被覆盖等，青藏公路沥青路面铺设以后下覆永冻土的变化是可以检测到的最好证明；也可能来自气温的突变，如在十几米深度处发现古冻土上限。