寒区隧道温度场的围岩热学参数影响及敏感性分析

寒区隧道抗防冻设计受周边温度场控制,隧道围岩的热学参数直接影响温度场分布。本文依托某寒区公路运营隧道,采用现场实测、数值仿真和理论推导三种方法对寒区隧道温度场分布和围岩热学参数的影响敏感度进行了系统研究。首先,通过对比分析有限元计算结果和现场监测数据,验证了有限元计算分析的准确性。然后,采用该有限元分析方法,基于敏感性分析方法,对围岩导热系数、比热容和赋存温度三个因素对寒区隧道温度场的影响进行了敏感性分析。结果表明,三个因素的影响敏感度具有明显差异,其中赋存温度是影响隧道温度场最敏感参数。研究成果可为寒区隧道选址及类似工程的抗防冻设计提供参考。     

寒区公路隧道保温层厚度的相变温度场研究

 寒区公路隧道一般要受到季节性冻融冻胀作用的影响，因而不可避免地引起一系列的隧道病害问题，不仅影响隧道的正常使用，而且危及结构的长期运营安全性。结合寒区公路隧道气候特点，选择外敷保温材料作为隧道的抗防冻措施；采用相变温度场有限元模型，对不同材料及厚度保温材料性能进行对比分析，并采用现场跟踪测试手段，研究保温层施作后围岩及衬砌的温度场分布，对保温材料的性能进行现场验证，给出了合适的寒区隧道保温层材料及厚度。     

巴朗山隧道保温层设计参数数值模拟分析

为了确定巴郎山隧道防冻保温材料设计参数,通过有限元数值模拟对隧道温度场分布情况进行了计算。计算结果表明:隧道开挖后若不铺设防冻保温材料,隧道围岩会产生冻害;当防冻材料选用硅酸铝纤维保温板,铺设厚度达到5 cm时,可以有效地防止隧道洞口处衬砌及围岩产生冻害。     

风火山隧道温度特性非线性分析

风火山隧道是青藏铁路的控制性工程之一,全隧道位于多年冻土之中,这种特殊隧道的温度分布将直接影响隧道结构的稳定性。根据带相变瞬态温度场问题的热量平衡控制微分方程,应用Galerkin法推导出了三维有限元计算公式。根据风火山隧道内的实测大气温度,利用三维有限元计算公式,计算分析了该隧道在未来50 a的温度特性,并与现场实测围岩温度进行了对比分析,分析表明计算理论、模型、参数和条件是可靠的,风火山隧道在未来50 a内不会出现季节性融化。从而为寒区工程设计提供理论依据和计算方法。     

巴朗山隧道中心排水沟设计参数研究

巴朗山隧道为高海拔寒区特长隧道,考虑到隧道防冻保温要求,对中心排水沟进行了深埋设计。施工时由于隧道平导洞较窄,开挖中心排水沟沟槽对隧道施工速度影响很大。文章通过调研已建成的寒区隧道温度分布特征,并对巴郎山隧道围岩温度场进行数值模拟分析,对已有的中心排水沟设计方案进行了修正。修正后的中心排水沟设计方案满足防冻保温要求,同时也更利于施工的进行,使得施工速度加快,带来一定的经济效益。     

寒区隧道三维温度场非线性分析

根据带相变瞬态温度场问题的热量平衡控制微分方程 ,应用Galerkin法推导出了三维有限元计算公式。根据一座已经建成的寒区隧道内的实测大气温度 ,利用三维有限元计算公式 ,计算分析了隧道铺设保温材料和没有铺设保温材料时的温度场。分析表明对隧道进行空间温度场分析是非常必要的 ,保温材料对于减小隧道围岩的冻融范围是有效的。从而 ,为寒区的实际工程设计提供理论依据和计算方法。     

寒区隧道围岩温度场分布特征及影响因素分析

中国高纬度、高海拔地区的隧道数量越来越多,在隧道实际运营过程中发生了不同程度的冻害,给隧道结构及公共交通带来隐患,因此冻害防治刻不容缓。通过建立寒区隧道三维传热模型,对寒区隧道温度场分布规律进行研究,讨论了初始地温、围岩密度、导热系数及比热容对温度场的影响,并对其影响程度进行了比较。结果表明：洞外低温空气是引起隧道内温度场发生显著变化的主要因素,导致隧道围岩出现径向变温圈,在自然风作用下(2 m·s^-1,-10℃),初始地温为10℃的隧道围岩变温深度达到了8 m;初始地温对运营期的隧道温度场有着直接影响,初始地温每升高5℃,运营期围岩温度增大2.5℃;隧道围岩温度与围岩比热容、密度呈正相关,但与导热系数的关系和隧道径向距离有关,径向距离小于1.3 m时,呈正相关,反之呈负相关;采用灰色关联分析法得到的隧道温度场的影响敏感性从大到小排序依次为初始地温(1)、围岩密度(0.74)、围岩导热系数(0.71)、围岩比热容(0.68),可见初始地温对温度场的影响最大。     

寒区隧道防冻保温层隔热作用机理及其厚度影响因素研究

针对寒冷地区公路隧道防冻保温层表面铺设,共设置了21组计算工况,通过对年周期下隧道防冻保温层、衬砌结构和围岩沿径向温度场变化以及各工况所需的防冻保温层厚度进行数值模拟计算,研究隧道防冻保温层隔热作用机理及其所需厚度的影响因素。结果表明：防冻保温层隔热作用显著,主要体现在使隧道衬砌结构和围岩年温度振幅降低上,同时年平均温度也有一定升高;随着防冻保温层铺设厚度增大,隧道衬砌结构和围岩年平均温度和年温度振幅分别呈指数函数升高和降低,相应的年最低温度也呈指数函数升高,防冻保温层厚度越大,隔热效果越好,但是隔热效率不断降低;围岩导热系数越大,导温系数越小,防冻保温层隔热效果越显著;防冻保温层所需厚度随围岩导热系数和围岩初始温度升高呈指数函数减小,随围岩导温系数升高呈对数函数增加,随年平均气温和年温度振幅升高分别呈线性减小和增加,防冻保温层厚度应综合考虑以上各因素进行计算确定。     

风火山隧道空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合问题的三维非线性分析

根据流体力学、冻土学和传热学的基本理论,建立了寒区隧道空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合问题的三维计算模型,用Galerkin法进行了有限元分析,进一步编制了有限元计算程序。运用该计算程序对青藏铁路风火山隧道空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合问题进行了三维非线性分析。结果表明:运用该计算模型和有限元计算程序,在不知道寒区隧道内气温的情况下,能够正确预测围岩的冻融状态,从而节约现场观测隧道内气温的费用。     

寒区隧道地源热泵型供热系统取热段温度场解析

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。供热系统由取热段、加热段、热泵和分、集水管路组成,可用于隧道洞口段衬砌和排水系统加热。取热段位于隧道中部,获取围岩中的地热能。隧道取热段温度场由热交换管外围岩温度场和热交换管内流体温度场两部分组成。建立考虑衬砌结构和热源的隧道取热段热交换管外围岩传热模型,利用叠加原理、拉普拉斯变换和积分变换相结合的方法获得取热段温度场解析解。基于能量守恒原理建立热交换管内流体传热模型,根据热交换管外围岩温度场,利用迭代法计算热交换管的出口温度。采用反分析的方法确定试验段围岩的综合热物性参数,将理论解与现场试验数据对比分析,其精度满足工程要求。取热段温度场理论解为系统的设计提供理论指导。     

Stochastic analysis for the uncertain temperature field of tunnel in cold regions

In cold regions, the temperature is important to determine the stability of tunnel construction. However, the conventional finite element methods for stability analysis are always deterministic, rather than taking stochastic parameters and conditions into account. In this paper, the boundary conditions are considered as stochastic processes and the rock properties are considered as random fields. A stochastic analysis for the uncertain temperature characteristics of tunnel is presented. The stochastic finite element formulae are obtained by Neumann stochastic finite element method (NSFEM), and the stochastic finite element program is compiled by Matrix Laboratory (MATLAB) software. Using our program, the random temperature fields of a tunnel in a cold region are obtained and analyzed. The results show that the temperature of a large quantity of frozen surrounding rock is stochastic, and it is bad for the thermal stability of actual tunnel engineering in cold regions. The distributions of mean temperature are the same and the distributions of standard deviation are similar for the two cases in this paper. The average standard deviation increases with time, which implies that the results of conventional deterministic analysis may be far from the true value. These results can improve our understanding of the random temperature field of tunnel and provide a theoretical basis for actual engineering design in cold regions.     

寒区高速铁路隧道温度场模型试验系统的研制及应用

 基于寒区高速铁路隧道温度场研究现状及存在问题,以俄罗斯400 km/h的莫喀高铁隧道防寒保温设计为研究对象,研制不同洞外气温、围岩地温、列车运行速度和运行间隔等条件下寒区高速铁路隧道的温度场模型试验系统。该系统由高速列车模型驱动装置、隧道模型、温度控制装置、测试系统以及列车模型五部分组成：高速列车模型驱动装置采用伺服电机,通过PLC梯形图语言编程技术实现列车模型加速、匀速和减速过程的精确控制;隧道模型主体材料采用有机玻璃,通过法兰、螺栓和密封条连接而成,整个试验过程可视化并兼具美观性,还可根据试验需求通过预留多组螺栓孔实现纵向尺寸的拓展,从而模拟不同长度的隧道;温度控制装置由洞外温度控制装置和围岩地温控制装置构成;测试系统由高灵敏度的温度测试元件、风速测试元件以及数据采集仪构成;列车模型以CHR 380A高速列车为模型蓝本,主体材料采用有机玻璃,原型与模型几何相似比为50∶1。试验结果表明：采用控制变量法,洞外气温每降低5 ℃,洞内气温负温长度平均增加104 m;围岩地温每升高5 ℃,洞内气温负温长度平均减少145 m;列车运行间隔短于15 min的寒区隧道,在防冻保温设计时应考虑列车运行间隔对保温设防长度的影响。     

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.     

不同因素对地铁隧道围岩侧土壤温度场分布影响的模拟研究

以地铁隧道围岩土壤温度场分布为研究对象,上海某地铁站隧道内空气温度全年实测值为边界条件,利用CHAMPS-BES热湿耦合传递软件模拟地铁从新建到投入运营多年以后,不同因素(如土壤比热容、导热系数、密度及容积含水率等)对土壤温度场分布、温度场峰值、温度场厚度的影响。结果表明土壤热物性参数的变化对土壤温度场分布的影响明显;而且在确定的土壤热物性参数情况下,随着地铁运行年限的增长,土壤温度场峰值增大,温度场厚度增加。     

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。     

冻融循环下隧道非冻土段底部融沉变形规律

为研究寒区隧道非冻土段在冻融循环条件下的底部融沉规律以及洞内不同的气温对隧道底部融沉变形的影响。利用温度场解析解确定非冻土段范围,采用有限元进行建模计算。计算结果显示:在冷空气作用下,原来处于非冻结状态的围岩开始发生冻结,并产生向上的冻胀位移,表层围岩的冻融位移最大,初期最大冻胀位移可达8 mm,随着洞内气温的周期性变化,底部围岩出现周期性的冻融,最大融沉位移逐年增加,第8年开始冻融变形达到稳定,最大融沉位移可达20.0 mm,冻胀位移则稳定在5 mm左右。总体来说,随着围岩温度周期性变化趋于稳定,其冻融位移的周期性变化也趋于稳定。在不同气温影响下,随着隧道进深的增加,隧道底部的最大冻胀位移和融沉位移均减小。