寒区隧道轴向及径向温度分布理论解

考虑与隧道纵向深度及时间相关的非齐次对流边界条件,建立寒区圆形隧道传热模型,利用叠加原理及贝塞尔特征函数的正交及展开定理,得到了寒区隧道围岩径向温度的理论解.利用能量守恒法及经验公式法求得寒区隧道洞内气体年平均气温及年温度振幅沿隧道轴向随时间变化的解析表达式,并得出年平均温度在隧道轴线方向呈指数增长,而年温度振幅呈负指数增长.将隧道围岩轴向和径向温度场理论计算结果与实测值进行比较,两者吻合得非常好.在确定洞口外气温分布规律、风速及围岩的热物性参数后,通过围岩轴向及径向温度场理论解便可计算隧道洞内及围岩温度分布规律,并确定寒区隧道防寒保暖段的设防长度.同时,该解析法可用于验证其他数值方法的计算结果,也便于工程设计人员和施工人员对同类寒区隧道温度场的计算,因而具有一定的工程应用价值.     

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.     

寒区隧道保温层铺设长度的计算方法

目前寒区隧道保温层铺设长度的设计要求隧道洞内温度场已知,为克服设计时暂无洞内气温实测资料的问题,基于由隧道进、出口气象条件及隧道地形条件求解的温度场解析解,提出了一种保温层铺设长度的计算方法.首先根据由隧道进口气象参数得到的洞内空气年温度振幅与由出口气象参数得到的洞内空气年温度振幅相等这一条件,计算得到受进出口气象影响的临界长度lM.当距隧道进口的长度小于临界长度lM时,利用进口气象参数计算隧道进口段围岩及衬砌温度场;当距隧道进口的长度大于临界长度lM时,利用出口气象参数计算出口段围岩及衬砌温度场,然后由隧道温度场中初期支护与围岩交界面出现0℃的位置确定保温层铺设长度.在铺设保温层后,洞内空气与围岩的对流换热发生变化,根据未铺设保温层和铺设保温层两种情况下的流入控制体的能量相等的条件,推导了保温层铺设长度的修正系数,从而计算出保温层铺设的最终长度.结合实际工程,利用提出的方法计算出保温层铺设长度,分析了关键参数对铺设长度的影响,结果表明:铺设长度随着地温梯度的增加逐渐减小,铺设长度随洞内风速的增加迅速增大.     

西成铁路寒区主要隧道温度场及防寒设计分析

为探究西成铁路寒区隧道温度场分布规律,依据实测气象资料并考虑热位差对寒区隧道温度场分布的影响,对沿线20座隧道温度场进行了计算分析,归纳总结了寒区隧道洞内温度场分布规律.通过计算可知,隧道围岩径向的冻结深度随着地温增加以及洞外气温升高而减小,气温每降低1℃围岩径向冻结深度增加0.12 m;地温每增加1℃,围岩径向冻结深...     

新建隧道爆破对既有隧道衬砌的影响分析

主要通过分析某Ⅳ级围岩双孔平行隧道,采用MIDAS/GTS软件进行二维模型计算得出了爆破振速数据,分析出隧道埋深相同新建隧道与既有隧道间距不同情况下,新建隧道爆破开挖产生的振动对既有隧道衬砌迎爆侧的边墙的墙顶和墙腰之间部位影响最大,既有隧道衬砌的振动速度随着隧道间距的增大而减小.     

高海拔寒区隧道通风降温研究

高海拔寒区修建的隧道的防冻胀措施是其一项重点工程,如果该类地区隧道未做有力防冻胀措施,在隧道营运后将会出现严重的冻害,例如衬砌开裂、剥落,以及隧道积冰等,将会严重影响隧道运行。通风降温系统主要用于隧道处于地热地质情况下,极少运用到高海拔寒区隧道实践中,此次通风降温研究为防止施工开挖产生的热量融化一部分裸露的围岩从而加重冻害的发生,为防冻害奠定基础。     

流变岩体中支护圆形隧道施工过程的时效理论解

针对水平和竖向地应力不相等的一般地应力条件下圆形隧道的断面开挖、纵向推进及衬砌施工问题,用任意黏弹性模型模拟不同岩石流变特性,用与时间相关的开挖函数模拟隧道断面开挖过程,用虚拟支护力等效纵向开挖效应,并在隧道开挖完成后的任意时刻施加弹性支护.采用复变函数方法和拉普拉斯变换技术给出用复位势表达的边界条件和围岩、衬砌接触位置协调条件,建立关于复位势中待定项系数的方程.通过求解方程确定待定项系数,从而得到开挖与支护整个施工过程任意时刻围岩位移和应力理论解答,并与相同条件下有限元解进行了对比.根据解答分析了围岩位移和应力的分布规律以及衬砌施加时刻对围岩位移和应力的影响.根据现有解析程序,可以形成快速预测隧道施工力学状态的计算机系统,方便、快捷地进行相似工程条件下的初步设计.     

黄土隧道围岩压力影响因素及其弹塑性理论解

以平定高速公路太平隧道为例,简要介绍了地质因素、开挖方法、衬砌设置时间等对黄土地区隧道围岩压力的影响,并给出了黄土地区隧道围岩压力计算的弹性及弹塑性解,对黄土地区隧道施工技术的发展具有一定的指导价值。     

水-热耦合作用下严寒地区高速铁路隧道温度场分布规律

为研究严寒地区高速铁路隧道修筑后,衬砌背后围岩冻结引发的隧道冻胀病害问题,以吉图珲客运专线榆树川隧道为例,综合考虑水分迁移和冰-水相变潜热对衬砌-围岩热传导的影响,建立了围岩冻结过程中的水-热耦合模型,结合现场实测大气温度,利用有限元法对榆树川隧道温度场进行了计算,得到了严寒地区隧道温度场的分布规律,确定了隧道发生冻结的最不利位置和最不利时间,并建立了隧道最大冻结深度与大气年平均温度之间的关系,分析了保温层对隧道防冻的作用,给出了保温层厚度和导热系数与隧道冻结深度的关系,提出了防止榆树川隧道发生冻结的保温层导热系数和厚度的建议值.     

小净距隧道在不同开挖方式下的力学效应分析

结合某公路隧道出口端隧道间距较小的实际情况，运用数值计算的方法，对软岩条件下小净距隧道在不同开挖方式下达到稳定后围岩和复合衬砌的力学效应进行了分析，同时，考察不同净距对中夹岩墙塑性区的影响。结果表明：施工小净距隧道应慎重选择后继施工隧道的开挖方式；后继隧道施工的开挖方式直接对先行既有隧道锚杆、喷射混凝土和二次衬砌应力状态产生很大影响；中夹岩墙塑性区大小与净距紧密相关，同时，隧道埋深和围岩类别也是影响塑性区大小的重要因素。     

考虑相变的寒区隧道温度与渗流耦合的理论与数值模拟

岩体渗流场与温度场的耦合问题是岩体水力学最重要的研究内容之一,随着越来越多的寒区工程问题暴露,对寒区岩体渗流场与温度场进行系统的分析势在必行.推导了考虑相变的温度场影响下的渗流场控制微分方程以及渗流场影响下的温度场控制微分方程,并利用FLAC3D3.0软件中的FISH语言编写程序模拟嘎隆拉隧道,在考虑相变的情况下,通过对比考虑渗流和不考虑渗流的温度场,得知不考虑渗流的影响会夸大冻融圈厚度的结果.     

祁连山隧道洞内空气及围岩温度场分析

为了探究寒区隧道洞内空气及围岩温度场设计问题,以世界上海拔最高的高原冻土隧道-祁连山隧道为研究对象,建立非稳态的隧道温度场模型,采用变量控制法探讨不同时间、距离以及有无保温层条件下寒区隧道洞内空气和围岩温度场的变化规律。研究结果表明:当洞外气温为-16.77℃,围岩地温为5℃条件下,祁连山隧道单侧防寒保温长度应该大于1 770m;当洞外气温为-16.77℃,围岩地温为5℃,计算时间为10 d条件下,5 cm厚的聚酚醛保温板保温效果很好,可以保证不出现冻害;当洞外气温为-16.77℃,围岩地温为5℃,当计算时间超过30 d,有保温层时距离进口10 m处隧道初支和二衬范围内出现负温,说明保温层具有一定的适用范围,并不能完全消除寒区隧道的冻害问题。     

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.     

寒区隧道围岩水热力耦合数值分析

利用“三区域”理论,建立考虑水分迁移和水冰相变的寒区隧道水热耦合问题的联合求解微分方程,然后采用 COMSOL Multi-physics 软件实现温度场和水分场耦合数值模拟,进而将数值模拟结果与土柱冻结试验的结果进行对比,验证水热耦合数值模拟模型的有效性.根据冻胀理论,着重对寒区隧道的应力场控制方程进行推导,利用孔隙冰与冻胀率之间的关系建立寒区隧道水热力三场耦合计算模型.最后以牡丹江到绥芬河区间的牡绥隧道为例,对温度场、水分场以及应力场进行了模拟分析.结果表明:外界温度的变化对开挖后的隧道会有很大影响.随着时间的增加,隧道洞口冻结圈厚度逐渐增加,在1月份达到最大冻深2m左右.     

热位差以及洞口净压差影响的寒区隧道温度场研究

为探究寒区隧道温度场分布规律,对国内26座已建成寒区隧道温度场实测数据进行了统计.在考虑隧道进出口高程差引起的超净压差和洞内外温差导致的热位差时,寒区隧道洞内纵向温度场呈不对称分布规律明显,低洞口段洞内纵向负温距离明显高于高洞口段.通过理论分析和数值计算并与实测数据进行对比发现:超净压差以及热位差越大,隧道纵向温度场不对称性分布越明显,且当低洞口端存在大气自然风时隧道纵向温度场不对称性更加突出.     

高地温引水隧洞支护混凝土过水试验及数值模拟研究

高地温引水隧洞通水时,围岩及支护混凝土的温度变化是制约隧洞稳定的重要因素。为了研究衬砌混凝土在隧洞运行期间受低温水流作用的温度场,进行了喷射混凝土过水试验和数值模拟研究。结果表明:不同温度工况下,混凝土温度场达到稳定状态所需的时间不同。初始温度越高,所需时间越长。在不同温度条件下,混凝土相对应部分的温度变化趋势基本一致;不同温度工况下,混凝土稳定后的温度值空间变化趋势一致;从表层到底层逐渐增高。研究成果为隧洞工程衬砌混凝土稳定性和强度研究提供重要参考。     

寒区隧道围岩水热耦合数值分析

寒区隧道土体中的水分迁移和相变是冻害问题的主要诱因.基于混合物理论,建立考虑水分迁移和水冰相变的联合求解微分方程对水热耦合问题进行求解,并使用 COMSOL Multi-physics 软件进行模块开发,实现渗流-温度耦合数值模拟,进而将模拟结果与土柱冻结实验的结果进行对比,证明水热耦合模型是正确的.最后以西藏自治区米林隧道为例,对温度场、水分场模拟分析并对是否考虑水分迁移的温度场进行对比.结果表明:随着时间的增加,隧道顶部边界气温由-0.82℃降低到-9℃,隧道内部边界温度由-0.74℃ 降低到-11.11℃,并在3月份隧道温度回升;含冰量峰值出现在1月份,在3月份含冰量开始下降.同时,未考虑水分迁移的温度场中热传导速度较快,证明相变潜热对隧道中温度场的分布影响远大于液态水靠重力迁移造成的热对流传热.研究成果直观反映富水寒区隧道的冻害发生过程,具有一定的参考价值.