隧道地源热泵供热系统加热段隔热层厚度及热负荷计算

 为解决寒区隧道冻害问题,首次将地源热泵供热系统应用于内蒙古博牙高速林场隧道中。系统由取热段、加热段、热泵和分、集水管路组成。加热段位于隧道洞口处,由位于二衬和保温隔热层之间的供热管对隧道进行加热。将复杂的隧道加热段热传导问题转化为便于求解的圆形复合介质热传导问题,利用有限积分变换法获得其温度场解析解。利用考虑隔热层材料造价和耗能的经济计算模型,计算分析隧道全寿命周期30 a的隔热层厚度和供热负荷。计算结果表明：随着隔热层厚度的增加,隔热层材料费呈线性增加,供热消耗的电费呈递减趋势,材料费与电费之和呈递减趋势。建议林场隧道保温隔热层厚度取8 cm,年供热负荷取580 MJ/m2。     

寒区隧道地源热泵型供热系统岩土热响应试验

 为解决寒区隧道冻害问题,将地源热泵型供热系统应用于内蒙古博牙高速林场隧道中。通过开展寒区隧道地源热泵供热系统岩土热响应试验,研究热交换管管内循环介质的入口温度、流量和管间距对换热量的影响以及热交换对隧道围岩和衬砌温度场的影响。试验结果表明：管内循环介质的流量一定时,换热量随着入口温度的增加而呈线性增加;管内循环介质的入口温度一定时,换热量随着流量的增加而呈指数增加。增加流量可以提高热交换管内循环介质的换热能力,但却增加管内循环介质与管壁之间的阻力,建议热交换管管内循环介质流量不宜超过0.75 m3/h。热交换管间距为100和50 cm时,围岩温度场的影响深度分别约为75和100 cm。热交换管间距越小,围岩温度场的影响范围则越大,温度增量也越大。     

排水作用下高海拔隧道温度场特性影响研究

冻害是高海拔隧道所面临的重要挑战,隧道冻害防治的基础在于对温度场的分析研究。文章以国道317线珠角拉山隧道为研究对象,通过建立有限元模型,研究排水作用下高海拔隧道的温度场特性,对比分析隧道上部水头高度对温度场分布的影响。研究结果表明:考虑排水作用后,围岩和衬砌温度均有所升高;衬砌和围岩温度随着隧道上部水头高度的升高而逐渐升高;围岩温度的变化幅度随着埋深的增加而减小,不同水头高度下各月份的温度差异也逐渐减小;考虑排水作用后,隧道调热圈半径显著减小。     

考虑衬砌和隔热层的寒区隧道温度场解析解

将隧道非齐次的瞬态传热分解为周期函数边界下的瞬态传热和恒温边界下的稳态传热,利用分离变量与Laplace变换相结合的方法,求解有保温隔热层的寒区隧道瞬态温度场的显式解析解。根据能量守恒,建立隧道洞内气体的气–固耦合传热模型,并获得洞内气体年平均温度和温度振幅的显式解析解。衬砌温度影响因素分析表明,随着隧道埋深和年平均气温的增加,二衬内、外两侧的温度呈线性增加,当年平均气温低于0℃,季冻区隧道埋深小于80m时,5cm厚隔热层很难单独满足防寒需求,应与主动供暖措施联合;随着隔热层厚度的增加,二衬的温度呈增长趋势,但增长速率却逐渐减小;当隔热层厚度超过5cm时,通过增加隔热层厚度来提高衬砌温度要考虑其经济性。依据隧址区的气候及地形条件,采用工程类比和解析解相结合的方法分段计算隔热层厚度。与实测值对比结果表明,理论解满足工程精度要求。     

隧道围岩温度场分布的数值分析及预测

利用FLAC3D程序模拟计算了隧道围岩的传热能力及其温度场的演化规律.首先对某过江隧道进行了围岩传热模拟,提出了围岩热物理参数的修正系数,模拟结果对比实测数据显示两者基本一致,表明利用此模型进行数值演算,其结果较为可靠.随后利用此模型对某地铁区间断面的围岩温度场演化规律进行了预测分析,得到了地铁围岩的热套厚度、传热稳定时间及传热量的大小,其结果可为相关领域内的科研设计人员提供参考.     

基于毛细管传热模型对地铁隧道围岩温度场的预测分析

利用毛细管地源热泵系统可以改善地铁运行过程中产热量对隧道围岩温度场和地铁热环境的影响,同时实现在冬季和夏季分别为地上建筑供热和供冷.通过数学传热模型,分别针对毛细管地源热泵系统不运行和运行的情况,对地铁隧道围岩温度场变化进行了预测分析,从而得到:地铁列车运行10a后,隧道壁面处、5、15、25m深处温度依次升高6.92、5.20、2.90、1.70℃,隧道围岩热堆积现象明显;系统运行10a,夏季每天运行12h,冬季每天运行时间从10h增加到14h,则地铁隧道壁面处温降值从0.68℃增加到0.97℃,距壁面深25m处温降值从0.97℃增加到1.45℃.     

隧道内地源热泵热交换管布置优化与施工技术

寒区隧道地源热泵型防冻保暖系统由取热段、热泵和加热段三个部分组成。在Adam研究能源土工布热交换器中热交换管布置形式的基础上,考虑了寒区隧道热交换管的抗冻性,对热交换管布置形式进行了优化评估分析,得出串联横向布置形式是寒区隧道热交换管的最佳布置形式。对热交换管的布置位置进行了优化分析,包括轴向和环向两方面,得出热交换管的轴向最佳布置位置为每板二衬内,不宜跨板布置,环向最佳布置位置为高于环向预埋件。系统首次应用于内蒙古林场隧道,结合试验段开展进行了热交换管的施工关键技术、施工质量控制和施工后期保护的研究,为林场隧道顺利实施提供理论依据和技术支持,并为今后类似工程的施工提供宝贵的经验。     

浅埋偏压土质隧道削坡减载措施有效性分析

针对登攀右线偏压隧道进口段开挖围岩变形过大的实际情况,并根据洞口段偏压地形和工程地质资料,分别建立了未削坡减载和削坡减载开挖隧道进口段的两个模型,比较分析两个模型围岩变形和衬砌受力状况,证实了削坡减载方法对控制围岩变形和加强衬砌安全的有效性。     

岩土介质在冻融过程中的温度场研究及工程应用

基于"三区域"(已冻区、正冻区和未冻区)理论,建立岩土介质在冻融过程中的温度场数学模型,并将利用有限元数值计算方法得到的结果与V.J.Lunardini等得到的经典解析解结果进行对比,验证该数学模型的正确性和可靠性。在此基础上,探讨岩土介质在冻融过程中相变潜热和正冻区的大小对温度场分布的影响,并对西藏嘎隆拉隧道围岩温度场以及保温层保温效果进行数值仿真分析。研究结果表明:采用二衬表面附设保温材料方法对隧道衬砌及围岩温度影响效果明显,在二衬表面施作6 cm厚的福利凯保温层后,衬砌和围岩不会承受冻融破坏。该研究成果对于寒区隧道冻融圈大小的确定及防寒保温措施的选用具有重要的理论和现实意义。     

圆形隧道衬砌内毛细管前端换热器流-热耦合传热模型

隧道衬砌内置毛细管前端换热器(CHE)的热泵系统是解决地铁运营高能耗和隧道热堆积问题的有效途径之一.以青岛地区某示范工程为对象,对其CHE的物理模型合理简化,建立了基于面热源假设的圆形复合介质内CHE流-热耦合传热模型,采用理论与数值相结合的方法,求得了该耦合传热模型的解.基于理论模型及上述求解方法,在TRNSYS平台...     

考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场及防寒保温材料敷设长度研究

 基于流体力学、传热学和空气动力学的基本原理与方法,推导出考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场模型,该模型包括：围岩温度场控制方程、隧道内风温场控制方程以及风流场湍流控制方程。在此基础上,采用数值分析方法探讨西藏嘎隆拉隧道通风条件下围岩温度场的变化规律及其防寒保温措施。研究结果表明：隧道未开挖前,随着季节的变化,山体浅部温度出现明显变化,该变化较明显的深度为18 m,当岩体埋深大于18 m后,岩体温度随季节的变化幅值小于0.5 ℃;隧道贯通后,由于通风影响,在环境温度最冷月(1月),隧道进出口段一定范围内的围岩温度出现了0 ℃以下的不利工况,进一步研究显示：在嘎隆拉隧道进口端600 m和出口端400 m范围内,二衬表面敷设6 cm厚的聚酚醛保温材料,可以有效地防止嘎隆拉隧道衬砌和围岩发生冻融破坏。     

寒区隧道二衬混凝土冬季施工温控技术研究

 冬季寒区隧道二衬模筑混凝土施工由于低温水泥水化不充分、不均匀,极易出现强度不达标、表面出现贯穿性裂缝等问题。根据含低温相变岩体温度场控制方程,从研究开挖时间对围岩温度影响入手,在充分考虑混凝土水化热影响条件下,分析寒区隧道围岩与二衬混凝土热量迁移传递规律,研究隧道内环境温度、浇注时洞内加热温度和加热时间对二衬模筑混凝土温度影响规律。研究结果表明,随着开挖时间的增加,围岩温度受环境温度影响的范围逐渐增大;围岩被加温一段时间后,表面温度和深部围岩温度较高,中间温度较低,形成了两头热,中间冷的温度分布情况;二衬混凝土24 h内的最低温度随着加热时间、加热温度和环境温度的增加(升高)而升高。在此基础上,提出一种简洁、实用的加热时间计算公式。现场实施效果表明,应用该计算公式,可实现嘎隆拉隧道冬季低温环境条件下二衬模筑混凝土高效不间断施工、表面无裂纹且现场实测强度大于C30强度等级的目标。     

Three-dimensional nonlinear analysis for the coupled problem of the heat transfer of the surrounding rock and the heat convection between the air and the surrounding rock in cold-region tunnel

According to the basic theories of heat transfer, geocryology and fluid mechanics, taking the coupled problem of the heat transfer of the rock surrounding the tunnel and the heat convective between the air in the tunnel and the rock surrounding the tunnel into account, three-dimensional calculating model of the coupled problem are presented. The finite element formulae of this problem are obtained by Galerkin’s method, and the computer program of the finite element is compiled. Using the program, three-dimensional nonlinear analyses for the coupled problem of the heat transfer of the rock surrounding the tunnel and the heat convective between the air in the tunnel and the rock surrounding Fenghuo mountain tunnel on the Qinghai–Tibet Railway are made. The agreement between the calculated results and the in-situ observed data is seen to be very good. The calculated results illustrate that the freezing–thawing situation of the rock surrounding the tunnel can correctly be predicted even if the air temperature distribution along the tunnel is unknown. In thus way, the large cost of in-situ observation for the air temperature in the tunnel can be saved.     

相邻洞室爆破施工对已有洞室的影响

 爆破施工振动对邻近已有洞室的影响及其控制是隧洞工程中的关键技术问题。新建隧洞在与已有隧洞间距比较小的情况下进行爆破开挖,爆破开挖产生的爆破波会危及已有隧洞围岩和衬砌结构的安全与稳定性。结合锦屏一级水电站左岸洞群工程施工爆破的相互影响分析课题,应用动力有限元数值模拟,研究不同的围岩类别、洞室间距、岩体阻尼比、单响药量情况下爆破振动对邻近已有洞室围岩和衬砌结构的影响问题。根据洞壁振动速度允许值与隧洞衬砌在邻近爆破振动波作用下的动拉应力值,得出施工爆破洞室的最小间距及单响药量控制：III类围岩、洞间距为(1.5～2.0)D时,单响药量应控制在15 kg以内;IV类围岩、洞间距为(1.5～2.0)D时,单响药量应控制在12 kg以内;V类围岩、洞间距为(1.0～1.5)D时,单响药量应控制在10 kg以内。研究结果为实际工程的施工和设计提供了参考和依据。     

海底隧道衬砌结构设计

 海底隧道围岩水通常具有稳定水位和充足补给,隧道结构受长期的水压力作用,衬砌计算中应首先确定水压力荷载大小,并综合考虑隧道涌水量的大小,由此对衬砌断面的拟定、衬砌类型的选择、衬砌结构安全性进行评价计算。正在建设的厦门翔安海底隧道衬砌结构设计时,通过不同防排水方式下衬砌背后水压力特征的模型试验表明,作用于全封闭衬砌上的水压力是不能折减的;根据陆域和海域不同地段预测全隧道涌水量,由于无法满足运营期间的排水,衬砌结构必须采用全封闭形式或限制排放形式;利用ANSYS有限元软件,根据外水压力大小与围岩压力组合下对不同的隧道衬砌断面进行对比分析计算,以得出结构受力最为经济合理的断面形式;并以此断面按荷载结构模式法进行全封闭衬砌结构计算。计算结果及建设的实际情况表明衬砌受力合理。