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。     

寒区隧道温度场计算模型与保温层设防数值分析研究

我国大量寒区隧道冻害问题严重,对隧道结构稳定性和行车安全性造成极大威胁.对严寒地区哈尔滨天恒山隧道保温层施工前后进行温度监测,建立了考虑相变的平面瞬态温度场计算模型,并利用ANSYS有限元进行数值分析研究.计算了保温材料在三种不同工况下的设置方式,完成了热-应力耦合作用下的隧道结构变形分析.结果表明,利用瞬态温度场原理建立的ANSYS模型具有较高的精度和可靠性;在防冻措施上采取分层设置保温层的做法效果明显;隧道结构应力受到温度变化影响较大,设置10 cm厚PU聚氨酯保温层后,能够避免混凝土衬砌层开裂,有效减少冻害现象的发生.     

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.     

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℃，围岩径向冻结深度减小0.08 m。隧道纵向温度场分布不对称性随隧道内外温差的增加以及进出口海拔高差的增加而显著，低海拔洞口段进出口高差每增加50 m，纵向冻结长度增加约360m；气温每降低1℃，低海拔洞口纵向冻结长度增加约300 m，高海拔洞口增加约110 m。     

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.     

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.     

基于正交试验的高海拔寒区隧道温度场影响因素及防冻措施

为保证高海拔隧道在服役期间内不受冻害破坏,以青沙山隧道为例,模拟分析了高海拔隧道温度场的一般性规律;通过正交试验对影响因素进行敏感性分析;并建立衬砌保温层厚度计算公式及衬砌寿命预测模型.结果表明:海拔较低的洞口处温度较低,进出口压差每增加25 Pa,洞壁温度约下降0.8℃;正交试验得出环境温度、压差和埋深是影响高海拔隧道温度场的主要因素;根据保温模型计算得,当冻结时间30 d,冻结深度1.87 m时,所需保温层厚度为1.6 cm;根据混凝土的冻融循环试验数据提出隧道衬砌寿命预测模型,水灰比0.55、0.45和0.35的抗冻混凝土服役寿命约为25年、58年和98年.     

高海拔严寒地区特长公路隧道温度场计算分析

寒区隧道修建的技术问题比一般地区要复杂得多,其中一个关键问题是这些地区一般要受到冻融、冻胀状态的影响。这两种状态周期性的交替变化将造成隧道结构的破坏。隧道处在何种状态可由隧道衬砌与围岩温度场的变化情况得出。通过对寒区隧道温度场的计算分析,确定隧道开挖前后围岩温度场的变化情况,为隧道采取相应的防冻技术措施提供依据。考虑相变潜热情况下对雀儿山隧道围岩瞬态温度场进行数值计算分析,确定隧道开挖前初始地温场。计算和预测隧道围岩在正常运营通风条件下的温度场变化,得出不同情况下保持隧道衬砌与围岩100年不冻的隔热层敷设厚度。     

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。     

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.     

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.     

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.     

斜风作用下季冻区隧道冻胀力分布规律及结构安全性评价

为分析不均匀冻胀荷载对季冻区隧道结构受力及安全性的影响,本文依托某新建铁路隧道工程,在凝练工程区气象特征的基础上,利用数值模拟手段分析了斜风作用下隧道温度场的分布特征,解析得到了支护结构的冻胀力荷载,在此基础上分析了支护结构的受力特征并开展了安全性评价。研究结果表明：斜风作用下隧道较小进深范围内迎风侧与背风侧温度场存在差异,进深10m处差异最为显著;未铺设保温层条件下迎风侧围岩冻结深度约为背风侧的1.8倍,铺设保温层后迎风侧围岩冻结深度减小了约80%,背风侧围岩冻结区基本消失;围岩冻结深度不一致导致冻胀力荷载不均匀分布,冻胀力荷载作用下支护结构迎风侧的应力、轴力、弯矩均明显高于背风侧;未铺设保温层条件下仅仰拱区域符合安全性要求,铺设保温层后各区域均满足要求,但迎风侧安全性明显低于背风侧。     

气象因素对季冻区超长铁路隧道温度场的影响

寒区隧道温度场研究是揭示隧道冻害机理、优化隧道服役性能的基础。当前多关注工程地质条件对隧道温度场的影响,而气象因素对季冻区隧道温度场影响的相关研究较为少见。本文依托某季冻区隧道工程,引入统计分析方法基于工程区近41年气象数据总结了典型气象条件参数,设置3种不利风向组合,利用三维有限元模拟分析了典型气象条件下不同风向组合的隧道温度场。以隧道出入口负温区长度及温差为评价指标,通过正交试验方法分析了气象因素对隧道温度场影响的敏感性。结果表明：研究区风温服从正态分布,风速及持续时间服从对数正态分布；典型气象条件下隧道入口负温长度约2680m,出口约240m,隧道入口为抗冻设防重点区域；隧道入口温差约7.2℃,出口温差约4.5℃,隧道入口温差大于隧道出口；隧道入口温度场主要受风温、风速影响,出口温度场受风温影响最大；隧道出入口负温长度及温差均随风温的降低逐渐增大,主导风向风速增加入口负温长度增大但温差逐渐减小。     

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.     

长大公路隧道火灾温度场分布试验研究

为了掌握长大公路隧道内的火灾行为,提升秦岭特长公路隧道的火灾安全性,进行了火灾时隧道内温度场的纵向、横向分布规律及温度场扩散范围的大比例(1:6)火灾模型试验.模型隧道内径为1.8 m,长100 m.隧道内的风速在10 m/s范围内.试验中设定了3个火灾规模用以模拟实际的隧道火灾场景.试验中隧道内烟流温度通过CAN数据采集系统自动记录.试验结果表明,横向温度分布呈现拱顶最高,拱腰、边墙次之,底部最低的规律.对纵向温度分布而言,火区温度最高,随着远离火区温度逐渐降低.火灾规模及通风速度对温度分布及温度扩散范围具有明显的影响.随着火灾规模的增大,隧道内各点烟流温度及影响范围均增大.而随着通风速度的增大,温度扩散范围增大,火区最高温度降低,隧道内温度分布趋于均匀.此外,根据试验成果对结构防火措施、设备布置方案、火灾时通风风速的设定以及行车距离的限制等给出了合理的建议.     

寒区隧道衬砌电加热试验研究

寒区隧道冬季易出现衬砌破损甚至滴水结冰等冻害，为此，除了做保温层外，主动加热系统也是必要的，主动加热系统主要由二次衬砌和保温层间的电热带组成.为了模拟隧道衬砌混凝土表面滴漏水结冰后从负温加热至正温的工况，对负温条件下的混凝土试件进行电加热模型试验研究，包括对单独试件及三联试件进行加热试验.结果表明:在采用长度2m、功率30W、埋置深度10mm的电热带，并选用40mm厚的聚氨酯板作为保温层时，混凝土试件表面温度能够在60min之内从-4℃升高至0℃以上.研究成果可为寒区隧道融冰防冻提供指导.     

极端气象条件下季冻区超长铁路隧道温度场分布规律

季冻区隧道温度场的分布及演变规律研究是提升隧道服役性能,保障通车效率的基础性工作。气象参数的代表性是决定隧道温度场分布规律的重要因素。以新宾隧道工程为例,在分析工程区近41年气象数据的基础上,通过三维足尺数值模拟分析了极端气象条件下隧道温度场分布规律。研究表明：新宾地区最冷月份以12-15方位风为主,其持续时间基本服从对数正态分布;不同气象组合条件下隧道温度场存在显著差异,新宾隧道抗冻设防重点在入口端;风向使得隧道出入口附近南北两侧温度存在较大差异,随进深增加温差逐渐减小直到消失;隧道出入口附近围岩负温区域随通风时间逐渐扩大且分布渐趋不均匀,隧道入口负温区长度和深度均随通风时间非线性增大,增大速率渐趋减缓。     

寒区隧道衬砌结构冻胀破坏规律研究

冻胀力是造成寒区隧道冻害时常发生的主要原因。通过对寒区隧道衬砌结构冻胀力产生机理进行研究,认为冻胀力是围岩整体冻胀和局部冻胀共同作用的结果,并采用弹性力学计算方法推导了冻胀力的计算公式。利用有限元分析软件TRAS研究了青沙山隧道衬砌结构冻胀破坏规律及防治措施,研究发现:拱顶和拱脚处衬砌结构安全系数较低,容易发生冻胀破坏;增加衬砌厚度来预防冻胀力效果不明显,建议采用钢筋混凝土结构。     

高岩温铁路隧道隔热效果研究

由于西部山区地质复杂,隧道在修建时都会不同程度地受到地质灾害的影响,其中高岩温便是比较显著的一种地质灾害.高岩温不仅对衬砌结构存在安全隐患,而且恶化隧道施工环境,甚至严重影响隧道施工人员和机具的正常作业.本论述以拉日线上的吉沃希嘎隧道工程为依托,通过现场实测、结合传热学理论,采用ANSYS有限元软件进行数值计算,通过在隧道初支和二次衬砌之间设置隔热层,研究了隔热层对二次衬砌温度场分布的影响.由ANSYS有限元软件数值模拟计算结果可知,无隔热层时,衬砌施做5d后的最大温度为45.976℃,分布在衬砌外边缘,最小温度分布在仰拱处,为28.342℃.在初支和二次衬砌之间设置了10 cm厚的隔热层,加载5d后,衬砌的最大温度为30.226℃,同样分布在衬砌外边缘,最小温度为28.024℃,分布在仰拱处.由此可见,隔热材料在很大程度上可以抑制围岩的高温向隧道内传递.