列车运行引起的高寒地区隧道内活塞风效应研究

对于高寒区隧道,列车运行产生活塞风会影响隧道内空气与衬砌围岩之间的对流换热,进而影响隧道结构的安全性和使用寿命.结合高寒地区隧道工程实例,运用动网格技术真实地模拟了列车进入隧道、在隧道中持续运行和驶出隧道的全过程,对列车以现行速度运行、快速运行、高速运行时在隧道内引起空气动力学效应进行了研究,分析了活塞风风速的变化规律,得到了列车头部进入隧道和列车尾部离开隧道的时间段内隧道内活塞风风速和列车速度之间的关系.结果表明,无论是列车头部刚驶入隧道时刻还是列车尾部离开隧道的时刻,隧道内的活塞风风速总是随着列车运行速度的增大而增大,为高寒地区高速铁路修建提供参考.     

铁路隧道列车相会时活塞风理论计算

由于占据了部分隧道空间,列车在运行时会产生活塞作用效应,列车周围的流场和压力场均发生变化,造成了隧道与外部空间的空气交换.为了找出列车相会时活塞效应的关键因素,根据粘性流体力学的非稳定流理论,分析了列车在隧道内的运行情况,采用相对坐标法建立了列车相会时的活塞风数学模型,提出了在自然风速影响下列车相会以及减速相会时的活塞风速计算方法.结果表明,列车活塞效应的影响因素主要有隧道净空尺寸、自然风速和阻塞比等.     

着火列车隧道内行驶时的速度场数值模拟

地铁隧道火灾中,列车着火的可能性较大,目前的应急处置办法是尽量带火运行到前方车站进行救援.运用STAR-CCM+的滑移网格功能,研究着火列车以不同的速度行驶时,隧道内速度场的变化规律.结果表明:距离车头较近的位置,活塞风速大小不均匀;当离开车头大于3 m后,活塞风速分布区域均匀;当列车车速较大或在隧道内运行足够长的距离,列车前方活塞风速约为列车行驶速度的1/3.研究结果将为科学评估隧道列车火灾的安全风险和疏散能力提供参考.     

地铁活塞风的分析计算与有效利用

为了对地铁活塞风有一个比较全面和深入的认识与了解,对活塞风的形成机制及其作用于地铁隧道内的空气流动特性和影响规律进行了分析.以北京正在运营中的某地铁为研究对象,比较了SES与CFD商业计算软件PHOENICS(3.6.1)的计算结果,两者计算结果具有较好的一致性;将SES软件计算结果与现场实测结果进行了比较,结果同样具有较好的一致性.进一步将研究结果应用于正在设计中的北京某地铁通风空调工程设计,提出通过在地铁区间隧道内合理设置活塞风井,有效利用活塞风以减少空调能耗的设计方案.     

地铁车站内流动特性的数值模拟

应用计算流体力学(CFD)方法对地铁列车的进站、出站过程进行了瞬态模拟,得到了不同工况下地铁车站内的气流场分布,分析了列车的运行对车站内流场的影响,并讨论了活塞效应在车站自然通风中的作用.模拟结果表明,列车运行形成的活塞风对车站内的气流组织影响显著,同时也起到了通风换气的作用.站端设置活塞风井能够有效加强车站的自然通风,并降低站内的气流速度.     

磁悬浮列车在隧道内影响活塞风速的因素

从空气动力学的基本方程出发 ,推导了按非恒定流计算活塞风速的理论公式 .通过理论计算和结果分析 ,对磁悬浮列车在进入隧道后 ,影响活塞风速度的因素进行了较系统的研究 .     

高速铁路隧道列车活塞风计算方法

采用一维非定常可压缩流动模型和特征线法,建立了列车通过高速铁路隧道时产生的活塞风的计算方法,并将该方法与国外学者模型试验数据及常规一维非定常不可压缩流动模型计算结果进行对比,证明其有较高的精度。最后,通过不同阻塞比、列车速度、列车长度和隧道长度时的组合计算,进一步得出各主要因素对活塞风的影响程度,即从大到小分别为列车速度、阻塞比、列车长度和隧道长度。     

高速铁路隧道列车风作用下接触网安全性分析

采用数值模拟方法,对高速列车在隧道内运行过程中所产生的列车风速度的变化过程进行分析,计算隧道内不同位置在列车运行过程中的最大风速和最大风压,进一步研究隧道内预留滑道槽型和螺栓锚固型接触网在列车反复冲击压力作用下的安全性。研究结果表明:隧道内不同断面的接触网设施只在列车车身运行至该断面的一段时间内才承受负向列车风(与列车运行方向相反);离列车表面越近的位置,列车风的速度越大;对于螺栓锚固型接触网悬挂件,在单线隧道350 km/h行车条件下,隧道衬砌混凝土中的最大拉应力已接近混凝土的疲劳抗拉强度,应采取适当的加强措施;对于滑道槽式接触网悬挂件,在列车风的反复作用下是安全的。     

草木沟隧道温度场实测与分析

为了探究寒区隧道贯穿运行后温度场的演化规律,以吉图珲铁路草木沟隧道为研究对象,根据现场温度实测数据,采用ANSYS有限元软件建立等比例隧道温度场模型。基于热传导理论分析影响温度场演化的主要因素,采用控制变量法计算得出不同冻结期、有无列车风及不同外界气温条件下隧道纵向和径向温度场的分布规律。研究结果表明：隧道实测断面温度呈正弦规律分布,距衬砌表面越远,温度振幅越低;隧道全线冻结期内仅有280 m温度处于0 ℃以上,故需对隧道全线进行防寒保温措施;隧道洞口段冻结深度与冻结时长、外界气温密切相关,冻结时间越长冻结深度越深,极端气温下洞口冻结深度最高可达8.2 m;列车风速对冻结深度影响较小,但列车风的影响不容忽视。研究成果可为草木沟隧道冻害整治提供理论数据支持。     

基于正交试验的寒区隧道温度场影响因素敏感度研究

影响寒区隧道温度场的因素众多,建立基于有限差分的隧道非稳态传热计算模型,以实际寒区铁路隧道南山隧道为例,采用正交试验法分别以隧道衬砌内部节点平均温度、隧道某断面衬砌温度和隧道洞口纵向冻结长度为指标对影响隧道温度场的各因素进行敏感度研究.结果表明:不同指标下各因素敏感度排列有局部差异;总体来讲,隧道埋深、洞内风向、隧道断面大小、洞内风速、入口风温、围岩导热系数、隧道埋深是影响隧道温度场的主要因素,围岩比热容、围岩密度是影响隧道温度场的次要因素.在寒区隧道抗防冻设计中,除去围岩比热容、围岩密度、围岩导热系数、入口风温等不可更改因素,对隧道温度场影响较大的隧道埋深、洞内风向、洞内风速、隧道断面大小、隧道埋深等隧道设计参数必须合理设置.     

基于Lyapunov理论的运营期地铁隧道沉降稳定性分析

针对运营期地铁隧道沉降稳定性分析中存在的不足,在Lyapunov理论的基础上,利用主成分分析法,选取地铁隧道沉降的主要影响因素作为地铁隧道沉降系统的状态变量,通过数据反演的方法构建地铁隧道沉降系统的动力学模型,并给出地铁隧道沉降稳定性分析判据。实例计算结果表明,基于Lyapunov理论的运营期地铁隧道沉降稳定性分析方法是合理且可行的,可为类似工程提供参考。     

考虑地层蠕变效应的桥梁桩基施工对邻近运营地铁隧道的影响

为研究桥梁桩基施工引起地层蠕变行为对邻近地铁隧道安全运营的影响,依托实体工程,采用卸荷条件下黏土蠕变特性试验确定了隧道周围土体的蠕变模型,通过数值模拟手段(FLAC3D软件)与现场监测相结合的方法,分析了桩基开挖期间地铁隧道的竖向位移、水平位移和应力分布状态。结果表明：广义Kelvin本构模型能够较为准确的描述黏土体开挖卸荷时的蠕变效应;桩基开挖后,邻近地铁隧道衬砌位移不断增大,随后进入稳定状态;随着桩基开挖数量的增加,地铁隧道竖向位移和水平位移总体表现为下沉和向外收敛趋势;桩-隧最小净距越小,桩基施工对隧道影响越大,采用隧道双侧布桩的施工方式,能够有效降低桩基开挖时隧道拱腰的累计水平位移,有利于地铁隧道的安全稳定运营。     

基坑施工对下方运营地铁隧道影响的研究

广州某明挖隧道基坑工程位于正在运营的地铁区间隧道正上方,坑底距隧道顶的最小距离仅为2.76 m.基坑开挖对该地铁区间隧道的影响成为该工程的一个关键问题.为此建立了该基坑工程的三维空间模型,考虑了设计中采用的施工保护等措施,对实际施工工况进行了模拟,动态地分析了施工过程中开挖卸荷对下方既有地铁隧道的影响.计算结果表明该基坑施工采用的地铁保护措施能确保地铁线路结构的安全和地铁的正常运营,为设计和施工提供了有益的参考.     

V形坡度对地铁隧道火灾临界风速的影响

由于穿越隧道、燃气管线和地质条件的工程需要,部分地铁隧道是V形坡度隧道。V形坡度隧道的烟囱效应会增加地铁隧道火灾烟气控制的复杂性和困难。该文采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究V形隧道夹角和高差对地铁隧道火灾临界风速和烟气返流长度的影响。研究结果表明,坡度隧道的隧道夹角对地铁隧道火灾临界风速有较大影响,隧道火灾临界风速随着上坡隧道夹角增大而变小,隧道火灾临界风速随着下坡隧道夹角增大而变大;V形坡度隧道自然通风竞争效应会对地铁隧道火灾临界风速有较大影响,隧道火灾临界风速随着上坡隧道高差的增大而变小,隧道火灾临界风速随着上坡隧道夹角的增大而变小。该文的研究结果可以为V形坡度隧道通风防排烟系统设计过程中的火灾临界风速取值提供理论参考和依据。     

不同装载情况下矿井活塞风效应的数值模拟

为了减少运输设备对矿井通风系统的影响,分别建立了矿车在空栽和满载两种情况下的矿井活塞风数值分析模型,对两种情况下的活塞风效应进行数值模拟,绘制流场迹线图。在相同列车运行速度和巷道通风速度条件下,得出空载情况下产生的活塞风大于满载时效应、对巷道通风阻力影响较大;空载条件下活塞风对列车运行前方静压场影响距离小于满载情况下影响距离,对列车运行后方影响距离大于满载情况下影响距离;空载条件下活塞风对列车运行前方、运行后方速度场影响距离均大于满载情况;活塞风控制应着重空载情况。     

地裂缝隧道衬砌结构与围岩相互作用机理

针对台凹型活动地裂缝正交区间隧道,通过有限差分数值方法模拟地裂缝区间隧道的开挖施工、分缝衬砌结构与地裂缝上下盘之间相对错动,从地表和衬砌的沉降位移、围岩位移场、围岩土压力以及衬砌结构内力方面分析了隧道结构与围岩的变化特征.结果表明：台凹型活动地裂缝不均匀变形主要发生在上盘内地裂缝一定范围的地层内;分缝衬砌结构端部的拱顶土压力呈现出集中增大和减小的变化特征,上盘内地裂缝附近仰拱底的土压力出现松弛;变形缝两侧衬砌结构的端部出现轴向应力集中现象.分缝衬砌结构一方面能够适应地裂缝错动位移,避免结构内力过大而引起强度破坏;另一方面,能够抑制地层的不均匀沉降变形,使得地裂缝处变形缝两侧衬砌结构的相对位移减小,并改善地裂缝区间隧道的运行条件.     

基坑施工降水对邻近地铁隧道的影响

基坑施工降水对邻近地铁隧道产生附加沉降,正确评估其大小及对地铁运营安全的影响具有重要意义。介绍了某工程基坑支护结构及周边复杂环境条件,考虑基坑围护桩人工挖孔桩施工降水实际情况,在某些假定条件下,采用简化大井降水分析方法。分五种工况对围护桩施工降水对邻近地铁隧道产生的附加沉降进行了计算分析。结果表明:考虑降水对地铁最大影响时,地铁隧道产生的最大沉降为5.7 mm,不满足地铁运营线路轨道变形的要求;采用跨三桩施工降水可将地铁隧道产生的附加沉降控制在地铁运营线路轨道变形范围内。针对减少基坑施工降水对地铁隧道的影响,提出了一些建议与措施。     

基于SES的地铁环控通风节能技术

对地铁隧道通风系统从排热风机运行策略和中间风井取舍进行节能研究。以成都某地铁线路的设计方案为模型,基于VBA编程优化后的SES程序对不同运营时期、不同风量工况下地铁环控系统进行逐时模拟,通过分析不同时期土壤蓄热、列车运行模式和客流量等变化因素的影响,得到车站隧道排热风机各种工况下的节能运行策略及效果。计算结果表明,车站活塞井在初期、近期和远期主要表现为引进新风,远期进风量远大于排风量,环线线路具有特殊性。同时分析了中间风井对附近活塞风井空气流动影响和对隧道内壁面与空气温度的影响,并以温度为评价指标,从地铁环控通风系统的节能角度分析了中间风井的利与弊,得出可以取消中间风井的结论,为实际设计提供了理论依据。     

寒区长大隧道温度实测与仿真

基于现场实测数据对寒区长大隧道内温度的变化规律进行了分析,基于数值仿真分析对不同环境气温、围岩原始地温、自然风速、列车运行速度和频率条件下隧道洞内温度场和冻结深度的变化规律及保温层的适用范围进行了研究.研究结果表明:若环境气温或围岩原始地温低,自然风速大,或列车运行速度大和运行频率高,则洞内可能出现负温分布,所以寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段;保温层法不能完全解决寒区长大隧道洞口保温问题,当环境气温低于15℃,持续冻结时间超过45d时,需要采取主动保温措施.     

紧邻浅埋暗挖地铁隧道地下密集管线及土层变形

针对地铁隧道施工影响下紧邻密集管线保护问题,依托南昌地铁实际工程,采用ABAQUS软件建立土体-密集地下管线-隧道暗挖三维有限元模型,结合现场实测数据与数值模拟结果,分析了隧道CRD (cross diaphragm)工法施工时的地层变形规律、地下管线应力特性与地下管线变形规律,并对管线周边土体有无注浆加固时的管线力学特性进行了对比。研究结果表明：(1)隧道开挖引起的管线变形以沉降为主,管土刚度差异对管线变形和应力影响显著。(2)管土刚度差异越小,管线变形趋势与土体变形趋势越接近;管土刚度差异越大,管线对地层变形的抵抗作用也越强会产生较大应力。(3)隧道左右导洞上方管段是危险区域,需重点保护。(4)密集地下管线主要表现为管线材质、管线几何特性、管线与隧道的空间位置关系不同,保护地下管线的核心在于控制地层沉降,地下管线保护关键阶段是隧道掌子面接近管线,此时应确保超前注浆效果和初期支护快速封闭,并加强对管线变形的监测。