寒区隧道温度简谐波传热特征与影响因素的敏感性

为探究寒区隧道温度场的时空演化规律, 以波的视角从时间尺度和空间尺度建立了寒区隧道温度简谐波径向传热模型, 基于傅里叶传热定律推导了寒区隧道温度简谐波径向传热表达式; 依托兴安岭公路隧道温度测试结果, 验证了温度简谐波径向传热表达式的可行性, 分析了温度简谐波沿隧道径向深度的分布特征与随冻融周期的变化规律; 采用系统稳定分析法, 研究了温度简谐波对各影响因素归一化的敏感度因子。研究结果表明: 沿隧道径向深度0.00~4.00 m, 温度振幅呈负指数函数形式衰减, 变化范围为11.67℃~0.45℃; 温度相位移呈正比例函数形式增大, 变化范围为0.00~75.24 d; 年平均温度呈线性升高的趋势, 变化范围为-0.62℃~1.98℃; 受隧道区气温逐年变暖趋势的影响, 隧道进口端壁面年平均温度从2016~2019年升高了约0.75℃, 年平均温度随冻融周期逐年增大, 2.00 m深度内年平均温度受冻融周期影响较大, 超过2.00 m年平均温度受冻融周期影响相对较小; 隧道进口端壁面温度振辐从2016~2019年衰减了1.48℃, 温度振幅随冻融周期逐年衰减, 2.00 m深度内温度振幅衰减较快, 超过2.00 m温度振幅衰减较慢; 隧道进口端壁面日相位从2016~2019年延迟了7.20 d, 日相位随冻融周期逐年增大。温度简谐波对各影响因素的敏感性由高到低依次为壁面温度振幅、壁面年平均温度、围岩含冰率、围岩含水率、围岩孔隙率、骨架颗粒的质量热容量与导热系数。      

季节性冻土区运营铁路隧道实测温度场分布规律研究

季节性冻土的冻融变化是隧道产生冻害的主要原因,隧道温度场分布规律研究是季节性冻土区隧道冻害研究的技术基础。以运营的准池铁路杀虎口隧道为工程背景,通过隧道温度的自动监测,研究了隧道洞内外环境温度随时间的变化规律及洞内温度沿隧道纵向的分布规律。研究结果表明:隧道洞内气温受洞口气温影响显著;冬季洞内气温呈洞口低、中间高分布,夏季呈洞口高、中间低分布;冬季洞内气温0℃位置受外界气温、风向风速及列车运行影响波动较大。     

CRTSⅠ型双块式无砟轨道冬季温度场试验

为探讨无砟轨道结构温度场分布,通过对成都地区CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构冬季温度场监测,分析了不同天气轨道结构温度场的变化规律.基于数理统计方法,提出了成都地区双块式轨道道床板冬季垂向温度荷载模式.研究结果表明:道床板昼夜温度变化较大,支承层温度变化较小,道床板表面最大温差17.50 ℃,支承层底面最大温差0.35 ℃;随深度增大,温度变化幅值减小,道床板温度峰值滞后于气温峰值;轨道结构最大正温差出现在14:30左右,最大负温差出现在约08:00;道床板温度沿深度呈指数函数关系.      

寒区隧道冻胀效应测试与分析

为研究寒区隧道冻胀力随时间和空间的分布规律, 基于温度场变化定义了测试冻胀力, 通过衬砌压力和钢架应力间接反映真实冻胀力的变化规律; 提出了冻胀力简化测试方法, 研发了温度场-冻胀力同步测试系统; 以四川省省道215线鸡丑山隧道为例, 布置5个测试断面开展大规模现场测试, 并选取典型断面K117+700 (简称700断面) 和K117+600 (简称600断面) 分析了隧道环境温度、围岩温度、衬砌压力与钢架应力; 以围岩冻结(12~次年2月) 和未冻(7~9月) 时对应的衬砌压力和钢架应力差值为测试冻胀力, 结合温度场分析了隧道周边各测点测试冻胀力; 采用现有冻胀模型计算理论冻胀力, 并与测试冻胀力进行了对比, 研究了寒区隧道冻胀规律。分析结果表明: 隧道环境温度随时间呈季节性正弦函数变化, 受环境温度影响, 围岩温度呈季节性正负温变化, 并出现季节性冻融现象; 当围岩为负温时处于冻结状态, 支护系统受到围岩压力和冻胀力的共同作用, 且温度越低冻胀效应越明显, 各断面测点应力峰值均出现在1月, 700断面衬砌和钢架最大应力分别为149kPa、31MPa; 当围岩为正温时处于未冻结状态, 支护系统仅受到围岩压力作用; 同一断面不同测点的测试冻胀力差值可达5.23MPa, 说明冻胀力除与围岩温度有关外, 还与富水条件和围岩级别有关; 最大冻胀力实测值比理论计算值小1.25MPa, 因此, 寒区隧道支护设计时建议考虑89.17%的冻胀力折减系数。      

高海拔隧道热固型材料防冻保温层厚度的隔热效果仿真分析

在建立隔热层/衬砌/围岩的二维传热学分析模型基础上,基于二维稳态导热有限元分析方法对隧道围岩、衬砌温度场分布进行模拟仿真计算。首先,对地域环境年平均气温-3.5℃条件下,不同设计厚度的热固性隔热料福利凯(FLOLIC FOAM)的防冻保温效果进行了分析;其次,对防冻保温层设计厚度为5 cm且隧道环境温度由-3.5℃下降至-10℃时,单位厚度隔热层防冻保温导致的温差变化及其产生的隔热效果进行了对比;第三,当隧道环境气温从-3.5~-35℃范围变化且隔热层厚度为5 cm时,给出了可达到的防冻保温最低温度范围。     

寒冷地区梯子岭隧道温度场测试与分析

前言寒冷的气温是诱发隧道冻害的首要因素,对隧道冻害的基础性研究,首先是对隧道温度场进行测试,揭开隧道内温度场的变化规律。但是,目前国内工程界在这方面还缺乏数据的积累和成功经验。     

高海拔地区高速铁路隧道空气动力学特性

为了获得高海拔地区隧道空气动力学效应随海拔高度的变化规律,针对我国中西部及西南部艰险困难山区高海拔低温的气候特点,给出了高速列车进入隧道时产生压缩波的三维可压缩、粘性、非定常流场数值模拟方法,对高速列车进入低气压隧道时产生的气动效应进行研究.研究结果表明:隧道所处海拔高度的变化对隧道内压缩波及隧道出口微气压波的影响较大,随着海拔的升高,大气压的降低会导致隧道内压缩波及隧道出口微气压波的最大值及最小值呈线性降低,降低幅度分别为70%和71%,而大气压的变化对测点压力波形无影响;随着温度的降低,隧道内的压缩波及隧道出口微气压波的最大值及最小值均降低,降低幅度分别为34%和36%,基本呈线性效应;海拔高度的变化对隧道内及隧道外气动效应的影响比温度的大.针对我国高海拔地区的气候特点,根据旅客的舒适度准侧,提出了CRH380B型高寒列车在列车速度为350 km/h、气压为75.99 kPa及气体温度为250 K时的隧道净空断面积约为96 m2,可为下一步高海拔低温条件下高速铁路隧道净空断面积的设计提供参考.      

高岩温隧道初期支护应力场及安全性研究

为评价高岩温隧道施工过程中初期支护的安全性,研究了高岩温隧道初期支护温度场、应力场的施工期特征和演变规律. 首先通过热-应力耦合三维数值模拟和现场测试,研究了不同原始围岩温度场中,高岩温隧道开挖过程中初期支护温度场的变化规律;其次考虑围岩荷载和温度荷载共同作用,分析了高岩温隧道开挖过程中初期支护应力场的变化规律;最后基于初期支护应力值,评价了高岩温隧道初期支护的安全性. 研究结果表明:受施工通风影响,初期支护温度在隧道开挖后急剧降低,约5 d后基本与洞内气温一致;受施工工序影响,初期支护最大拉应力先增后减,最大压应力持续增加;随着围岩初始温度增大,在不同施工步序中,初期支护的最大拉应力和最大压应力均增大;初期支护安全性由喷射混凝土抗拉强度控制,当围岩初始温度大于60℃时,C25喷射混凝土将发生拉裂破坏.      

甘肃省近54年气温时空变化特征分析

基于甘肃省1960~2013年27个气象站点以及省外16个站点的年尺度和月尺度的气温数据,通过GIS空间分析技术、Mann-Kendall非参数检验和其他数理统计方法相结合分析了54年来甘肃省气温时空变化特征及其演变规律.结果表明,54年来甘肃省气温总体呈上升趋势,其中年平均气温、年平均最高和最低气温、年极端最高气温在0.05显著性水平下均呈显著上升趋势,尤其年平均最低气温增幅最大,只有极端最低气温呈小幅下降趋势,但在0.05显著性水平下不显著.季节尺度上,春夏秋冬四季各气温参数也均呈现出波动式上升趋势,尤其冬季气温上升幅度最大.年际尺度上,各气温参数在20世纪60年代均发生突变,20世纪90年代末开始甘肃省气温整体上升趋势显著.空间变化上,受海拔高度、地形及下垫面等因素影响显著,整体上呈现出河西地区高于河东地区,城市地区高于农村地区,其中陇南的武都区气温最高,而气温最低的地区是位于河西走廊与陇中高原分界线的乌鞘岭,且城市区域增温显著.     

扁薄锥壳在变温条件下的大振幅振动问题

从能量变分原理出发，推导出扁薄锥壳在温度载荷下的大振幅振动控制方程．考虑了周边固定的边界条件，均布和线性分布两种情况的温度载荷．采用assumed-time-mode位移模式，并利用数值计算的方法对问题进行了数值求解，得到了固有频率随温度、振幅及锥壳初始高度的变化曲线，并得到了振动时温度和中心静平衡住移关系曲线以及振动的振幅和中心静平衡位移的耦合关系．     

循环荷载下重塑黄土变形特性

为研究主应力方向和大小耦合变化对土体应力-应变状态及非共轴性的影响, 采用空心圆柱扭剪仪对饱和重塑黄土开展一系列循环扭剪试验, 分析了应力-应变状态和非共轴角的变化规律及影响因素。试验结果表明: 轴向应变始终处于压缩状态, 环向应变先负向累积再正向累积, 径向应变基本处于受拉状态, 剪切应变的受拉与受压状态交替出现, 轴向、环向和剪切应变曲线的波动特性明显, 而径向应变曲线的波动特性弱, 说明循环荷载作用下各应变分量表现出不同的发展规律; 轴向和径向应变及环向和剪切应变变化幅值随中主应力系数的增大先增大后减小, 说明中主应力系数影响各应变分量的累积; 随着主应力方向角旋转范围的增大, 轴向和径向应变逐渐减小, 环向应变由负向往正向变化的趋势提前, 剪切应变变化幅值逐渐减小, 说明主应力方向角旋转范围影响各应变分量的发展趋势; 剪切和正偏应力-应变曲线滞回现象明显, 且刚度发生循环强化, 但剪切刚度的循环强化比正偏刚度更明显, 说明土体出现次生各向异性, 这是引起非共轴现象的内在因素; 非共轴角变化曲线随中主应力系数的增大先下移后上移, 随循环次数的增大而逐渐上移, 随偏应力幅值的增大其变化范围增大。可见, 循环荷载下中主应力系数、循环次数和偏应力幅值可显著影响饱和重塑黄土的应力-应变状态及非共轴性, 在黄土工程设计和本构关系研究中应加以考虑。      

川藏铁路特殊气象环境对动车组隧道气动阻力的影响

为研究川藏铁路温度与气压条件变化对动车组隧道气动阻力的影响，通过调研川藏铁路雅安至林芝段各站点气象数据，建立了川藏铁路特殊高原气象条件下动车组列车隧道气动阻力的计算模型，分析了川藏铁路沿线气压与温度变化对动车组隧道气动阻力的影响. 研究结果表明:动车组列车的隧道气动阻力与线路环境的气压、温度密切相关；环境气压越低，隧道气动阻力越小，环境温度越低，隧道气动阻力越大；与平原地区的气象环境相比，川藏铁路沿线气压变化对动车组列车隧道运行阻力的影响能达到30%左右，温度变化对动车组隧道运行阻力的影响在10%左右.      

基于实测数据的动车组轴箱横向载荷特性

研究了轴箱横向载荷高精度测试方法，将经过标定的轴箱安装于运用车辆，获得了载荷-时间历程，结合车辆运行状态分析了在高速线路典型服役条件下的载荷特性，编制了对应于进出站工况、低速运行、高速运行的恒幅载荷谱。研究结果表明:轴箱横向载荷影响因素主要为列车运行速度、曲线半径、道岔、轨道不平顺；运行中普遍存在着相对固定且与车辆运行速度无关的2 Hz的低载荷主频；对于大于5 Hz的频率，载荷主频与列车的运行速度直接相关，曲线通过时内轨侧轴箱载荷变化幅值稍大于外轨侧，且载荷均值以及最大载荷幅值均随列车运行速度的增大而增大；曲线半径增大的同时横向载荷均值逐渐接近于0，最大载荷幅值也逐渐减小；进出站道岔会造成横向载荷出现约10 s的一次波动，同时包含短时间冲击载荷；横向轨道不平顺会造成轴箱横向载荷在通过相应区间时出现多个大幅波动，随着运行速度的增加，波动周期缩短，峰值减小；进出隧道对横向载荷影响不明显；对于不同运行工况下的载荷谱，进出站工况载荷幅值最大，作用频次占很少部分；低速运行载荷幅值次之，作用频次占比约为1/3，高速运行载荷幅值最小，作用频次占比达到60%以上。      

高速公路隧道入口区域视线诱导系统有效性研究

为了达到高速公路隧道入口区域驾驶人早发现、早适应、早决策的目的,分析了隧道入口区域的交通安全现状,提出了一种高速公路隧道入口区域视线诱导系统的改善思路与方法;通过室内驾驶模拟仿真平台,利用眼动仪采集了驾驶人的眼部数据;将驾驶人浏览兴趣区域划分为5类,分析了驾驶人在各区域的眼动参数变化;采用注视点分布位置、视觉敏感区面积等指标,描述了驾驶人视区的变化规律,评价了视线诱导系统改善后的效果。研究结果表明:隧道入口区域视线诱导系统改善后,驾驶人对道路前方远处的浏览时间占比(50.55%)、注视时间占比(53.13%)相比现状方案均有显著的提升,且扫视幅度(5.47°)明显减小;改善后驾驶人的注视点更加集中于前方远处,而道路两侧的注视点减少;现状方案中驾驶人的视觉敏感区面积在距离隧道洞口180 m左右处急剧减小,在隧道内又开始缓慢增大;改善后驾驶人的视觉敏感区面积在距离隧道洞口350 m左右处开始减小,此后一直保持相对平稳的状态;改善后驾驶人的视觉敏感区面积在各隧道区域的变化速度均小于现状方案。视线诱导系统的有效性得到了验证,使得驾驶人更加关注道路前方远处及洞内的交通信息,同时视区变化幅度更小,并且视觉负荷降低。      

盾构近距下穿既有地铁盾构隧道施工参数控制

为研究盾构下穿既有盾构隧道时施工参数的合理取值,以北京南水北调东干渠工程盾构隧道穿越既有地铁盾构隧道施工为依托,通过对既有隧道沉降的数值模拟和现场监测数据、盾构施工参数的分析,讨论了既有左右线隧道沉降存在差异的原因,总结了控制沉降的施工参数经验,阐述了既有隧道受穿越施工扰动的沉降规律,提出并验证了盾构隧道病害整治的方法.研究结果表明:受盾构施工参数的影响,既有左线隧道沉降23.9 mm,而右线仅沉降4.8 mm,沉降差异明显,但规律基本一致;盾构施工时,土仓压力调整级差不宜大于0.005 MPa,严格控制同步注浆压力在0.50 MPa,二次补浆压力在0.20~0.35 MPa,曲线段适当减缓掘进速度;已投入运营的地铁维修作业时间短,宜通过化学注浆治理管片接缝和螺栓孔处的渗漏水,压力注胶充填树脂治理道床裂缝.      

公铁平层桥梁桥塔遮风效应风洞试验研究

车辆经过桥塔区域时，由于桥塔的遮风效应，其气动荷载会产生突变，且公铁平层桥梁的桥塔由于纵向尺度较大，车辆经过桥塔区域时气动荷载的变化更加剧烈.为明确某公铁平层桥梁上车辆在桥塔区域的气动特性，制作了1/20大比例尺的风洞试验模型；基于优化后的测试系统，测试了车辆通过公铁平层宽幅桥梁桥塔时的气动荷载，研究了车道位置、车辆类型以及桥塔外形对通过桥塔车辆的气动特性的影响.结果表明：越靠近桥塔车道上的车辆，经过桥塔时的横向力系数、摇头力矩系数的突变量更大，正向升力也越大，因而更容易发生侧滑与侧偏；车长对车辆通过桥塔区域的性能有显著影响，长度较小的车辆具有更大的横向力系数突变量，长度较长的车辆具有更大的倾覆力矩系数、摇头力矩系数及点头力矩系数突变量；与矩形截面桥塔相比，带倒角的桥塔使得厢式货车的横向力突变量减小了43.7%，使集装箱车的横向力系数突变量减小了25.8%，且使集装箱车的摇头力矩系数突变量减小了29.2%.     

轨道平顺性与土动力特性对地铁隧道振动的影响

为精确计算列车动荷载作用下软土地铁盾构隧道频域振动响应,考虑地基动刚度随应变频响的非线性变化,建立了车辆/轨道/隧道/软土地基的垂向耦合动力学模型,研究了不同轨道平顺等级下软土动刚度随应变频响非线性变化对地铁盾构隧道随机振动的影响规律.研究结果表明:随着轨道平顺性的恶化,地基动刚度随应变频响非线性的变化将引起地铁盾构隧道各频段内的振动加速度级出现明显的非均匀变化;轨道不平顺恶化后,软土地基动刚度的非线性将改变地铁盾构隧道频域振动幅值大小,且其对应频率会出现约有0.2 Hz的偏移,致使地铁盾构隧道频域振动能量出现重分布现象.      

隧道火灾疏散安全性的数值模拟分析

隧道发生火灾时,影响人员疏散的3大因素是高温、烟气的毒害性,以及烟气对可视距离的影响.文中对一段长200 m的隧道进行火灾数值模拟,获得了温度与烟气的时空变化规律.采用确定临界值,比较各个危险因素达到临界值的最短时间,辨识出隧道火灾疏散中的最大危险有害因素,指出隧道火灾疏散过程中的最重要工作是控制温度.     

基于三台阶七步开挖法的三车道公路隧道 极限位移研究

为确定实际工程中大跨度隧道的变形基准，结合特征曲线法讨论了公路隧道极限位移的定义，给出基于三台阶七步法的初期支护极限位移确定方法；找出极限状态下各控制点的位移关系，即预警位移、容许位移和极限位移；基于三车道隧道设计洞形，采用连续体弹塑性有限元模 型，按同一围岩级别中的物理力学参数分位值组合计算，分析了不同埋深条件下的三车道初期支护极限位移，并进行t 分布统计，得出基于工法的三车道公路隧道初期支护相对极限位移基准值；对比分析同一围岩、同种工法在不同埋深及相同埋深条件下，隧道围岩表面的位移变化规律；研究同种工法、相同埋深条件下，弹性模量、黏聚力、泊松比、内摩擦角与位移曲线的关系；对比分析基于三台阶七步开挖法的现场监测数据，得出围岩变形的规律基本上符合计算结果的判断，即该方法的合理性得到验证。