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360 m;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。     

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。     

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.     

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.     

季冻区隧道衬砌渐进劣化规律及工程影响

为研究季节性冰冻区隧道服役数年后衬砌混凝土劣化对隧道结构的影响,以隧道温度场测试结果为基础,建立隧道衬砌渐进劣化模型,通过数值模拟研究了隧道结构发生劣化后的工程影响.对甘肃省乌鞘岭隧道群3座不同长度的隧道,采用智能温度记录仪并以小时为监测频率对隧道温度场进行了测试,揭示了季冻区温度日周期正负温交替引起隧道衬砌混凝土经受...     

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。     

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...     

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2 m、功...     

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;相较于自然风的影响,不同列车风速对冻结深度影响较小,但列车运行情况下隧道径向冻结深度平均增加了0.19 m,因此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.     

正盘台隧道洞内空气和围岩温度场分析

基于京张高铁第一长隧道正盘台隧道为研究对象,根据现场实测温度数据,应用ANSYS有限元软件求解计算模型温度场。以热传导方程为理论基础,分析影响隧道温度场的因素,并通过控制变量法计算得出不同工况下正盘台隧道内部温度场的变化规律,为研究隧道内部温度场问题及运营之后的防寒保养工作提供了一定的理论和数据基础。分析结果表明:通过计算值与实测数值的对比可发现,在当地最冷月,隧道内温度呈现"两头低、中间高"的趋势;隧道内围岩的初始温度是影响隧道整体温度场的主要因素,初始温度越高的工况,隧道整体温度越高,冻融圈深度和冻结里程越小,温度每升高5℃,冻结里程减小160 m;环境风速对于隧道进出口1 000 m左右的区间段影响较大,此区域应作为防寒抗冻的重点;冻结时长是影响冻融圈深度的关键因素,冻结时间一个月、两个月、三个月的冻融圈深度为2.1、3、3.6 m。     

易县主要景区负氧离子变化规律及影响因素分析

负氧离子因其具有改善空气、维持身体健康的积极作用,日益成为旅游养生的关注重点.通过连续观测河北省易县境内主要景区负氧离子浓度,分析负氧离子浓度变化规律及相关影响因素,结果表明:(1)易县境内各景区负氧离子浓度月变化呈现单峰模式,不同景区浓度峰值出现月份存在差异;(2)狼牙山、千佛山、摩天岭、易水湖景区负氧离子浓度夏季>...     

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.     

寒区公路隧道软弱围岩破碎带塌方段支护方案探索

寒区隧道过断层破碎带极易引起塌方,给施工和支护带来难度。结合连霍(连云港-霍尔果斯)高速公路高岭隧道塌方段为工程实例,提出了高岭公路隧道支护思想和优化方案。研究结果表明,寒区公路隧道过软弱破碎带是特殊地质赋予条件下的一种情况,对该工程应用了一些具体措施后,通过对方案的选比,同时加强现场监测,取得了良好的效果,为寒区隧道的安全性施工提供了技术支撑。该成果对寒区隧道过区域性软弱破碎带的支护参数研究提供了重要指导作用和应用价值。     

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、数值模拟以及理论分析等方法对季节性寒区隧道冻结锋面的移动规律进行探究,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：在同一断面内,较厚的仰拱填充对温度的传递起到一定的阻碍作用,冻结锋面在拱顶处的深度大于边墙处的深度。随着时间的推移,冻融循环的反复进行,季节性寒区隧道的冻结锋面深度会逐渐加深,最终趋近于一稳定值。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,而与温度变幅呈现非线性相关的关系。基于冻结锋面移动规律,对保温隔热层厚度计算公式中的冻深参数进行了修正,保证了保温层长期有效服役。     

寒区隧道地源热泵供热系统及优化分析

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.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.在分析研究该系统传热机理的基础上,建立考虑热阻和热源的隧道取热段传热模型,利用叠加原理、格林函数法和拉普拉斯变换法相结合的方法获得其解析解.热交换管间距对热交换管换热量有显著影响,随着管间距的增加,换热量呈线性增加.热交换管换热量随隧道埋深的增加而呈线性增加,热交换管应布置在埋深深的部位.与热泵持续运行相比,间歇运行有利于土壤温度场的恢复,有助于提高热泵运行效率.     

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.     

隧道衬砌施工质量影响因素和控制方法研究

本文阐述了常见的隧道衬砌施工质量问题并分析了引起施工问题的影响因素,如衬砌环接缝处错台,地下水对衬砌混凝土的腐蚀等,针对上述问题,结合理论和实际,就施工工艺、施工控制等方面提出处理措施。