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.     

寒区隧道沿径向温度场变化规律及影响因素分析

为揭示寒区隧道衬砌结构和围岩沿径向温度场变化规律,采用控制变量法设置了21组计算工况,以年温度振幅等于0.05℃作为围岩温度影响边界确定标准,通过数值模拟计算,研究隧道衬砌结构和围岩年平均温度、年温度振幅沿径向深度变化规律,分析空气年平均温度、空气年温度振幅、围岩初始温度、围岩导热系数和导温系数5个因素对其影响。研究结果表明：隧道衬砌结构年平均温度和年温度振幅沿径向深度近似呈线性变化,围岩则分别呈对数函数升高和指数函数降低;衬砌结构、围岩年平均温度和空气年平均温度、围岩初始温度之间呈正线性相关,年温度振幅和空气年温度振幅也呈正线性相关,但不受围岩初始温度影响;空气年温度振幅降低,围岩温度影响边界深度减小,衬砌结构和围岩年平均温度整体上升;围岩导热系数增大,衬砌结构和围岩年平均温度整体略有升高,但空气至围岩表面年温度振幅衰减倍数明显升高,围岩年温度振幅整体减小,相应冬季围岩冻结深度减小;围岩导温系数增大,空气至围岩表面年温度振幅衰减倍数降低,围岩年温度振幅沿径向深度衰减减缓,衬砌结构和围岩年温度振幅整体较高,同时围岩温度影响边界深度增大,衬砌结构和围岩年平均温度整体减小,相应冬季围岩冻结...     

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.     

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.     

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.     

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。     

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...     

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.     

冻结壁温度场模型试验及其导热系数反分析

冻土导热系数是计算冻结壁温度场的重要参数，本文根据冻结壁温度场物理模型试验的结果，建立非线性多维导热系数反分析的数学模型，采用选择法和有限元法，反分析冻结壁整体导热系数，为冻结壁温度场数值分析和冻结壁厚度的设计计算提供参考。     

季节性寒区隧道保温隔热层厚度计算方法

为了解决冻结锋面移动可能带来的保温层厚度不足的问题。以河北延崇高速棋盘梁隧道为研究对象,采用现场监测、数值模拟以及理论推导等研究方法对季节性寒区隧道冻结锋面的移动规律进行探究,并结合移动规律研究结果得出考虑冻结锋面移动规律的保温隔热层计算公式。结果表明：（1）在同一断面内,由于较厚的仰拱填充对温度的传递起到了一定的阻碍作用,冻结锋面在拱顶处的深度大于边墙处的深度。（2）季节性寒区隧道的冻结锋面随着时间的推移,冻融循环的反复进行,其深度会逐渐加深,最终趋近于某一稳定值。（3）不同断面的冻结锋面最终稳定深度与断面处年平均温度呈现线性相关关系,而与温度振幅呈现非线性相关的关系。（4）对所推导的保温隔热层厚度计算公式中的冻深参数进行了基于冻结锋面移动规律的修正,保证了保温层长期的有效服役。     

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.     

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.     

加气混凝土墙体的热桥效应及局部保温措施

加气混凝土砌块作为一种能满足寒冷地区65%节能要求的自保温墙体材料,在严寒地区应用时,局部易产生热桥效应,且热桥部位极易产生发霉、冻胀和墙体抹灰层空鼓等问题.本文针对加气混凝土砌块墙体中的外转角及丁字墙部位进行实测,确定了这些部位热桥的影响范围,并分别建立了传热计算模型对温度场进行模拟.同时根据模拟结果设计了热桥部位的局部保温形式,分析了局部保温层厚度和保温层位置对温度场的影响.结果证明,局部保温措施能够提高热桥部位温度,减弱甚至消除热桥的影响,有效抑制墙体内部冷凝及其引发的冻胀冻融现象.研究结果可为加气混凝土砌块自保温墙体在寒区的应用和推广提供理论依据.     

川西高原公路隧道海拔高度分级

低温缺氧是川西高原公路隧道建设面临的主要难题,由于尚无高海拔隧道设计规范,隧道保温与供氧分级设计缺乏依据,存在盲目性。优选了气管氧分压、最冷月平均气温与最大冻结深度3个分级指标,依托川西高原3座典型隧道6个隧址区不同海拔高度长期监测与已有气象资料对比分析,明确了三个分级指标与海拔高度存在良好的对应关系。提出了2 100 m和4 200 m的海拔高度分级指标,将川西高原公路隧道分为一般海拔、高海拔和超高海拔,给出了不同等级海拔高度相应的排水防冻和制氧供氧措施。海拔分级标准与防冻供氧方法可为川西高原新建隧道设计与施工提供依据,降低隧道施工工期,保障隧道使用寿命与运营安全。     

含水对低温管道保冷结构传热的影响研究

大庆油田天然气分公司15套天然气处理装置低温设备及管道外表面,均不同程度地存在结冰现象。而低温设备及管道保冷效果的好坏,直接影响到装置的能耗以及轻烃产量。因此,分析含水对低温管道保冷结构传热的影响,能够为今后低温装置及管道保冷相关改造提供科学依据。通过建立含水低温管道保冷结构传热模型,分析不同保冷厚度、不同管道介质温度下含水对低温管道保冷结构传热的影响。研究结果表明:(1)同一管径及介质温度下,随着保冷结构中含水率的增大,热流密度变大,冷损失变大;同样,含水率相同时,随着保冷厚度的增大,热流密度减小,冷损失减小。(2)在管径、保冷厚度及介质温度相同情况下,随着保冷结构中含水率的增大,热流密度变大,冷损失变大;同样的,含水率相同时,随着管道中介质温度的降低,热流密度变大,冷损失变大。     

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。     

寒区隧道围岩初始温度场及保温材料对非稳态温度场的影响

本研究利用商用模拟软件FLUENT,分别使用非稳态初始条件和均温初始条件,对寒区隧道围岩内温度场随时间的变化特性进行了模拟仿真,表明隧道围岩的初始温度场分布对准确模拟寒流导致的围岩温度分布有重要影响。分析了不同保温层材料对隧道围岩结构温度分布的影响,由于三种保温材料的热导率均比较小,5 cm厚保温层后的围岩温度相差不大,但是5 cm厚保温层不足以保证所依托隧道结构不发生冻害;需要根据寒区隧道的气象条件铺设主动加热带,从而有效防止冻害现象的发生。