考虑通风与围岩条件的寒区隧道温度场模型及作用规律研究

为了解决寒区隧道温度场的预测问题,为寒区隧道抗冻设防提供指导,结合传热学、流体力学的基本方法,根据能量守恒原理,推导寒区隧道风流温度场的传热模型,并在此基础上,借助有限差分方法,探讨通风和围岩条件对寒区隧道温度场分布的作用规律。研究结果表明: 1)入口风温越低,风流速度越大以及断面越大,相同位置处洞内温度越低,这是由于进入洞内的冷空气更多,入口风温每降低5 ℃,同位置洞内风流温度平均降低3. 8 ℃; 2)风流温度决定了离壁面一定范围的围岩温度大小,风流温度越低,冻结深度与受到影响的围岩范围更大; 3)初始岩温越大,围岩温度分布曲线越陡峭,围岩导热系数则相反,且初始岩温每增加 5 ℃,冻结深度减少0. 24 m,受影响的围岩径向深度减少0. 32 m。     

多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律

针对高温多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律开展深入的理论分析、数值模拟和现场监测研究。首先,基于热传导理论,建立隧道衬砌和围岩径向传热模型,利用叠加原理和拉普拉斯变换法求得寒区隧道衬砌和围岩的温度场理论解;其次,建立洞内空气的传热微分方程,根据能量守恒原理,建立隧道纵向洞内空气与洞壁的气-固耦合传热模型,结合径向温度场理论解,提出多年冻土区隧道衬砌、围岩及洞内空气的三维温度场计算方法,该计算方法可考虑围岩、衬砌、保温层等多层传热介质及隧道沿洞轴线的不同埋深;最后,根据依托工程现场实测数据,反演围岩的热物性参数,并运用推导的隧道纵向传热模型和横向传热模型,分析姜路岭隧道不同冻土区内衬砌和围岩中的温度场分布规律。研究结果表明：在隧道径向,多年冻土和非冻土围岩温度都会随洞内气温的变化而产生波动,距离围岩表面越近,温度振幅越大,且热量在围岩径向传递过程中有一定的滞后性;在隧道纵向,在一年中最冷时刻,隧道衬砌及围岩温度呈“两端低,中间高”,此时姜路岭隧道围岩、二衬表面最高温度分别为-2.72℃,-7.80℃;在一年中最热时刻,衬砌温度呈“两端高,中间低”,此时姜路岭隧道二衬表面最低温度为1.92℃,但由于受围岩初始地温的影响,围岩表面的温度呈倒V形,最低温度为-1.22℃。     

隧道围岩温度分析解及隔热层对衬砌温度的影响分析——以大瑞铁路高黎贡山隧道为例

高岩温会降低隧道衬砌结构的稳定性并恶化施工环境,在隧道结构中设置隔热层是一种较为有效的应对措施。为分析隔热层对衬砌温度的影响,基于隧道径向及轴向二维轴对称的围岩温度导热模型,引入第三类边界条件和莱维级数法推导得到隧道围岩温度分布的分析解,计算结果与已发表文献数据一致。以高黎贡山越岭段铁路隧道为工程背景,分析影响衬砌内外表面温度的主要因素。研究结果表明:1)利用分析解不仅能够方便地量化不同隔热层敷设方式对衬砌的降温效果,还能确定不同内表面对流换热系数条件下衬砌内外表面温度及其梯度与隔热层导热系数之间的连续变化关系,例如对流换热系数取0. 25 W/(m2·℃)工况下,采用夹心式敷设方式时衬砌平均温度比贴壁式低了约1. 6℃; 2)当对流换热系数较大时,隔热层导热系数减小对降低衬砌内外表面温度的作用减弱,表明洞内通风条件较好时选择热阻较小的隔热材料也能满足隔热要求。     

穿越断层破碎带隧道支护结构受力特性分析

依托雅康高速公路紫石隧道,建立三维数值模型,运用有限差分软件分析围岩施工期的应力和变形特征,研究穿越断层破碎带隧道的支护结构受力特性。结果表明:断层破碎带处围岩和衬砌的变形相对普通断面均较大;在断层破碎带与普通岩体交界处会产生非均匀变形,导致衬砌结构出现压应力集中现象;隧道二衬达到受力稳定状态需要较长时间,且安全系数较低。     

高海拔特长隧道低温大风环境及对围岩-结构温度场的影响

为探明高海拔特长隧道洞外低温大风的成因、特征及对洞内风场、围岩-结构温度温度场的影响,以国道317线雀儿山隧道为工程依托,采用气象站、手持风速仪、红外测温仪、埋入式多点铂电阻温度传感器等,对冬季隧道贯通前后进出口两端隧址区、洞内净空风速、风向、温度以及隧道轴向、径向的围岩-结构温度场进行现场实测,分析低温大风成因和特征、隧道贯通前后负温区范围、风速风向变化规律以及对洞口段和洞深部围岩-结构温度场的影响。研究结果表明：受高原大尺度大气环流产生的高原季风以及雀儿山两侧日照时间、地形引起的小尺度范围内自由大气热力差影响,隧址区冬季风速高、温度低;大风时段主要集中在14：00~21：00,平均风速达10 m·s^-1,负温时段主要在19：00~8：30,隧道进、出口日最大气温差分别为23.5℃和28℃;隧道贯通前,进出口两端负温区段在860 m以内;贯通后,出口端主洞和平导负温区段为1 200,1 280 m,分别比进口端长了340,420 m;贯通前后,隧道深部最低风速分别为1.1,2.2 m·s^-1,洞内风向由两端向洞内方向转化为主要由出口向进口方向;隧道洞口浅埋段围岩和衬砌结构径向负温范围在贯通前为1.20 m,贯通后为0.80 m,且在上述范围内温度变幅较大;低温大风对隧道深部的围岩温度影响不大,但对结构表面温度影响明显,由于变温区主要集中在二衬混凝土结构内部,因此要重视结构内部产生的冻胀作用。     

基于FLUENT的隧道衬砌模型温度场分布规律研究

摘要：以江西省昌奉（南昌一奉新）高速公路A3标梅岭隧道项目制作的3组小尺寸隧道衬砌模型为模拟对象,利用FLUENT2D软件,在HC标准火灾曲线条件下对3组小尺寸隧道村砌模型进行温度场分布规律数值模拟,研究衬砌不同位置温度分布规律,并与小尺寸隧道衬砌模型现场温度场分布试验数据进行对比,验证了FLUENT2D软件模拟火灾条件下隧道村砌内部温度分布规律的适用性。     

注浆圈对高水位山岭隧道衬砌的结构影响分析

为了探究高水位山岭隧道建设中地下水渗流对隧道衬砌的结构影响,运用有限元计算软件MIDAS GTS NX对某隧道工程进行建模计算,分析了不同注浆圈厚度(0m,3m,6m,9m)和注浆圈渗透系数(2.5×10-8 m/s,2.5×10-7 m/s,2.5×10-6 m/s,2.5×10-5 m/s)对衬砌结构竖向位移、大主应力和隧道涌水量的影响规律.结果 表明:注浆圈厚度的增加,可以减小衬砌结构的大主应力、竖向位移和隧道涌水量,不过减小幅度在厚度大于3m之后有明显的降低;随着注浆圈渗透系数的降低,衬砌结构的竖向位移和隧道涌水量都呈现出先急后缓的减小趋势,衬砌结构的大主应力与注浆圈渗透系数大致呈正相关关系.     

基于对流-导热耦合作用的寒区隧道保温隔热层研究

寒区隧道的抗冻措施研究对隧道建设有重要意义,基于对流-导热耦合作用的非稳态传热有限差分计算模型,计算分析寒区隧道多年冻土和非冻土段外贴式及中隔式保温隔热层的保温隔热效果,并对寒区隧道纵向铺设保温隔热层后的抗冻效果展开研究。结果表明:1)在非冻土地层外贴式保温层保温效果较佳,在多年冻土地层中隔式隔热层隔热效果较佳,两者效果相差不大;2)受周期性入口风温的影响,隧道衬砌背后温度呈现周期性变化,变化幅度逐年递减。在材料、施工允许的前提下,建议采用外贴式保温隔热层;设计时,保温隔热层厚度应作经济技术比选。本文研究成果可供寒区隧道设计者与研究者参考。     

六甲洞隧道病害衬砌结构的安全性评价

隧道衬砌出现病害时,衬砌结构的承载能力和安全性能会发生较大改变。根据相关的病害检测资料,利用带病害的隧道衬砌结构计算模型,计算分析了六甲洞隧道病害断面在加固前和加固后的断面衬砌结构的承载性能,并对隧道整体结构的安全性能做出了评价。     

高地温隧道荷载模式及二次衬砌安全特性研究

为解决高地温隧道衬砌结构受力特性不明晰问题,以川藏线桑珠岭超高地温隧道为工程依托,采用现场试验和热-力耦合数值计算手段,研究二次衬砌在高地温环境下的力学特性和安全特性,提出高地温隧道荷载设计方法。结果表明： 高地温隧道二次衬砌施作后10 d内应力变化较大,20 d后趋于稳定;最大拉应力位于拱顶处,最大压应力出现在边墙处;高地温隧道荷载修正系数可表示为围岩初始温度的多项式关系;衬砌内外侧压应力均随围岩温度升高呈现出增大趋势,但各点增大速率存在一定的差异,拉应力值随温度呈波动增长;最小安全系数出现在拱顶,随围岩温度的升高而降低,当温度高于60 ℃时,存在被破坏的可能性;二次衬砌最大裂缝宽度位于拱顶处,随着温度升高,裂缝宽度增大。     

高寒高海拔隧道进出口海拔差下列车内外压力计算方法及应用

为研究西部艰险山区长大隧道进出口存在较大海拔差下的车内外压力计算方法，采用理论分析方法对现有平原地区车内外压力单维计算模型进行修正，使之适用于进出口存在海拔差的隧道。通过青藏铁路列车内压力实测数据的对比，验证计算方法的正确性，并在实际设计中进行应用。主要结论如下： 1）根据大气压力随海拔变化的规律，通过调整原有计算模型中每一时刻对应的基准压力、温度、密度和声速，可实现进出口存在海拔差隧道内列车内外压力的计算； 2）通过此计算方法，确定了某高海拔山岭轨道交通单线隧道断面净空面积为19.5 m2，双线隧道断面净空面积为41.5 m2，列车动态密封指数最低要求为2.5 s。     

考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解

为了得到考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解,基于复变函数理论引入一种新的考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形的求解方法。首先,为克服非圆形隧道断面、注浆圈几何形状和考虑衬砌支护造成的计算困难问题,引入了保角变换及复变函数幂级数解法。通过采用最优化解法确定保角变换中各项系数,得到计算模型映射函数。其次,通过幂级数复变函数法和弹性力学连续性条件克服隧道衬砌以及围岩注浆圈带来的多连通域问题,确定应力函数各项系数。随后,将得到的应力函数代入应力、位移方程求解考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形值。最后,将新方法所得结果分别与未考虑注浆作用的非圆形隧道应力及位移解和数值模拟计算结果进行对比分析。研究结果表明：注浆后注浆圈环刚度增大,整体性提升;衬砌变形减小,衬砌受到的围岩压力减小;围岩注浆有效改善了衬砌受力状态,使衬砌拱顶下沉减小约21.8%,拱底隆起减小约18.1%,拱脚附近法向应力减小约19.9%,环向应力减小约8.9%;围岩注浆可以有效加固岩体,封闭隧道周边岩体裂隙,改善衬砌受力状态,提高隧道抵抗变形和破坏的能力;解析解与数值解吻合较好,所得规律符合工程实际规律。研究结果可为考虑注浆加固作用下的非圆形隧道开挖问题提供一种新的快速、准确的计算方法,并为考虑注浆加固作用的非圆形隧道数值计算和安全运行提供参考依据。     

分水界隧道偏压段衬砌受力分析

高速公路隧道洞口段常存在浅埋、偏压等不利因素，在进行隧道结构设计时需要特别考虑。文中针对分水界隧道洪江端V级围岩浅埋、偏压段隧道衬砌结构，选取典型断面，运用有限差分软件FLA^2D进行数值计算，分析了隧道支护结构的受力特征，进行了支护参数的检算与调整。计算结果表明，除隧道拱脚处受力最为不利外，其余截面受力较小，设计采用的支护参数满足安全性要求。     

华蓥山隧道富水带衬砌结构安全性评估

以华蓥山隧道工程为依托,就涉及富水区隧道衬砌结构的安全性开展研究,运用FLAC3D有限差分软件对隧道的开挖进行了仿真分析,计算隧道衬砌各处内力,并按照破损阶段法求得断面各处的安全系数,进而对衬砌结构的安全性进行评价。计算结果表明:仰拱部位易发生涌水,拱脚处安全系数最小,不满足规范要求,是衬砌结构强度的薄弱环节,应适当加强来提高二衬的安全储备,该评价结果可为隧道的安全施工提供一定的指导意见。     

新建隧道正交下穿施工对既有隧道的影响

为揭示新建隧道正交下穿施工对既有隧道结构安全及地表建筑物产生的影响,依托某新建地铁区间隧道工程,采用三维有限差分方法构建了新建隧道正交下穿既有隧道的三维数值计算模型,探讨了新建隧道正交下穿施工对地表沉降及既有隧道衬砌结构产生的影响,得出了地表横向、纵向沉降规律以及既有隧道衬砌结构变形、内力的变化规律。     

深埋长大隧道风流温湿度的预测及应用

深埋长大隧道在施工过程中产生的湿热环境不仅对施工安全有着一定程度的影响,而且还会影响工作人员的身体健康。为了预先改善深埋长大隧道在施工过程中的热环境,根据隧道三维围岩温度场的理论数学模型,并将隧道潮湿围岩壁面在水分蒸发情况下的显热量和潜热量考虑在内,分别推导出隧道内风流在水平流动方向和倾斜流动方向的换热量,进而推导出隧道围岩内部温度的计算模型及隧道内风流温度和风流湿度预测的数学模型。通过数学模型编制出隧道内部风流温湿度的解算程序,并且基于隧道围岩内的热传导及隧道中风流的热湿交换对隧道内部风流温湿度的变化规律进行了模拟。结果表明:基于已知的原始参数并根据编制的解算程序可以分别计算出隧道内部不同时间段、不同隧道推进长度的风流温度和风流湿度;对隧道内部风流温湿度进行预测计算时可以将隧道入风口的温度作为预测计算的输入初值;隧道围岩壁面的潮湿率对风流的温度有着一定的影响;通过对在建隧道风流温湿度的实测与程序结算的结果对比可知解算软件在隧道施工热环境中的实用性和可行性。     

寒区隧道含相变围岩传热渗流耦合数值分析

为研究寒区隧道围岩在冻融循环过程中的水-冰相变现象和渗流速率对围岩温度场分布的影响,基于COMSOL Multiphysics 多物理场分析软件,建立含相变的围岩温度场与渗流场耦合模型,通过改变模型中的渗流速率、已冻区和正冻区的边界温度Tm,对寒区隧道的围岩温度场进行数值分析。数值分析结果表明： 边界温度Tm影响正冻区的范围和不同深度处围岩水-冰相变发生的时刻,但不同的边界温度Tm对围岩温度场的影响较小; 当渗流速率高于1×10-6 m/s时,渗流速率的改变对围岩温度场具有明显影响,但当渗流速率低于1×10-6 m/s时,渗流速率的改变对围岩温度场无明显影响。因此,在地下水渗流速率较高的地区,应同时考虑水-冰相变现场和渗流速率对寒区隧道围岩温度场的影响。     

基于矿山法铁路隧道复合式衬砌断面尺寸的施工问题分析及解决对策探讨

矿山法铁路隧道复合式衬砌有开挖成形、超欠挖、衬砌厚度控制难等诸多隧道断面尺寸问题及质量“顽疾”。基于高铁双线单洞隧道复合式衬砌设计和施工实践,分析隧道断面尺寸的预设、施工误差、断面测量、欠挖处理、二次衬砌混凝土厚度和方量等方面的问题,按照保证衬砌不欠挖同时严格控制超挖的理念,在隧道断面的尺寸预设和调整、断面测量方法、欠挖处理和初期支护基面修整、拱墙衬砌台车二次衬砌浇筑混凝土方量计算、断面尺寸质量控制等方面提出施工解决对策和建议。     

重庆龙家湾隧道病害整治设计

根据重庆主城区龙家湾隧道病害的现场检测数据,选取其病害严重区段制订加固整治方案,并针对其二衬结构严重大面积脱空欠厚区段选取典型断面建立了带病害的隧道衬砌结构计算模型,计算分析了该隧道加固前和加固后的断面衬砌结构承载性能,并对隧道整体结构的安全性做出了评价,对同类工程有一定的参考价值。     

带裂缝隧道衬砌的安全评价及有限元分析

为研究衬砌裂缝对隧道结构安全的影响,以某公路隧道的裂缝监测为工程背景,从80 处裂缝监测点中选取10 条典型裂缝, 采用综合判定法进行安全性评估,得出危险的裂缝断面,随后应用Midas/ GTS 软件建立典型裂缝断面的有限元模型,并对隧道衬砌结构的承载能力进行安全性分析。计算结果表明: 隧道衬砌出现裂缝使得衬砌结构的承载能力发生变化,其整个受力分布规律也会发生改变,重新分布力会导致现有裂缝发展,并使其他位置发生新的开裂,应根据计算结果对薄弱部位进行加固。研究结果表明: 通过采用定性的安全性评价与定量的理论计算相结合的方法,可以对带裂缝隧道衬砌结构的安全性作出科学的评估。