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。     

公路隧道火灾衬砌结构温度分布现场试验研究

为了掌握实际公路隧道火灾对衬砌结构内部温度分布的影响,对某一公路隧道人行横通道进行了现场火灾试验研究,并详细介绍了本次隧道火灾试验及火源的设计方法。试验得到了火灾工况下隧道内空气温度的分布结果,揭示了衬砌和围岩内部的温度变化规律,为下一步研究火灾对公路隧道衬砌损伤特性提供了基础数据。     

火灾高温时隧道衬砌结构温度场的数值模拟

国内外发生的大量隧道火灾案例都显示了火灾对衬砌结构的严重损害以及衬砌结构耐火的重要性。依托青岛胶州湾隧道,详细介绍采用数值模拟对隧道衬砌结构火灾高温时的瞬态温度场的模拟过程,研究在火灾高温时温度沿隧道衬砌厚度的分布规律,给出一系列研究成果,对确定隧道衬砌的耐火性能、提高隧道衬砌的火灾安全性有重要意义。     

公路隧道衬砌混凝土火灾高温下的物理力学损伤规律

围绕公路隧道衬砌混凝土火灾高温下的物理力学损伤特征,通过大量的公路隧道衬砌混凝土试件烧蚀试验,及试件烧蚀后的探伤试验（超声波法、回弹法）、强度试验和刚度试验,系统研究国内公路隧道C20～C35常用混凝土标号区间的混凝土材料火灾损伤,给出各种工况下的损伤规律与表现特征。对公路隧道衬砌结构温度损伤形式进行划分,对混凝土材料的火灾后力学性能进行归纳分析,建立衬砌混凝土外观和力学指标与火灾温度的定性、定量关系,总结提出衬砌混凝土损伤等级,为定量与定性评价公路隧道衬砌混凝土损伤状况提供试验依据。     

公路隧道衬砌火灾损伤专用测强曲线试验研究

依托西部交通建设科技项目,针对公路隧道中常用的C30混凝土制备试块,采用不同温度、不同燃烧时间对隧道衬砌试块进行烧损试验;并通过抗压强度试验得到混凝土试块强度分别随温度与受火时间的变化规律,以及分别通过回弹试验与超声试验分别得到回弹值与温度、波速比与受火时间的关系;最后通过以上相关试验建立了公路隧道衬砌火灾损伤专用测强曲线,为以后相关试验及实际应用提供参考.     

梧桐隧道火灾结构损伤评定及处治加固研究

在梧桐隧道火灾后病害调查检测基础上,依据目前国内隧道火灾结构损伤评定方法,对梧桐隧道病害严重段衬砌结构损伤进行评定,同时对严重损伤程度区段火灾前及火灾后衬砌结构进行受力验算,评估受损隧道安全性,并制定灾后隧道处治加固措施,对保证隧道安全运营有着十分重要的意义。     

火灾高温下盾构衬砌结构试验与力学模型综述

复杂运营环境下自然与人为因素所引发的众多隧道火灾已造成了重大的社会影响和经济损失。火灾已成为威胁隧道安全运营的主要灾害之一,其对隧道衬砌结构会产生严重的损伤乃至破坏。盾构衬砌为装配式结构,接缝多以螺栓连接,火灾高温下易发生管片爆裂和接缝连接薄弱部位受损而诱发的突然破坏;同时,由于盾构隧道周围地层的约束作用有限,其衬砌结构体系受火损坏后垮塌的风险极高。为提高软土地层环境下盾构隧道装配式衬砌结构体系的耐火能力及火灾安全性,本文调研了盾构隧道火灾安全研究现状,对与盾构隧道火灾安全研究相关的试验及理论分析工作做了较为全面的综述,主要包括:火灾高温下盾构隧道衬砌管片力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下管片接缝力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构衬砌体系力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构隧道周围地层力学行为研究。在此基础上,针对大直径盾构隧道的火灾试验,高温引起的盾构衬砌管片材料性能劣化评价及主动式抗火管片的材料设计,火灾高温条件下盾构衬砌结构计算模型精细化这3个核心问题,展望了盾构衬砌受火灾影响的研究方向和思路。     

隧道衬砌结构火灾工况下受力分析

通过参考国内外有关研究资料,并结合过往项目情况,对高速公路隧道内火灾特点及火灾对隧道衬砌结构的损害机理进行分析,并以洞内燃烧3h作为基本条件对隧道结构火灾工况下的受力情况进行分析,从而判定衬砌结构在高温后是否仍能满足适用要求。     

隧道衬砌结构火灾损伤评定方法

根据隧道火灾的特性，采用隧道火灾后检查和隧道现场试验的方法，对隧道火灾进行评估；根据调查统计和试验分析结果建立了隧道衬砌结构损伤评定分级。在此基础上，结合隧道结构的实际情况，制定了衬砌结构修复加固的建议方案。     

公路隧道过火衬砌结构安全分析及处治措施探讨

为查明火灾对隧道衬砌的影响程度及采用何种处治措施较为有效,以历经火灾事故的淘金山隧道为例,对隧道过火衬砌进行外观病害检测,以及对衬砌内部承载力进行安全计算分析,基于表观检测和应力计算分析,采用喷射混凝土联合钢筋网对受损衬砌进行处治,以修复和加固受损二次衬砌,并对喷射混凝土及周边熏黑的段落进行人工打磨、平整表面,对外观进行修复改善。经处治后的受损衬砌安全系数达到公路隧道设计规范要求,该处治措施有效、快速、经济,确保隧道恢复安全营运。     

桃花源隧道火灾后混凝土损伤层厚度测试与分析

本文以包茂高速公路桃花源隧道火灾为工程依托,采用超声检测法对隧道火灾后衬砌混凝土损伤层厚度进行测试与分析,测试结果表明:桃花源隧道火灾及其影响段非剥落部位二次衬砌混凝土损伤层厚度小于6cm,拱部混凝土损伤层厚度较边墙要大,火灾段损伤层厚度大于火灾影响段,损伤层厚度分布规律与火灾分布规律基本一致。     

运营隧道衬砌结构火灾损伤技术状况检测与评价

文章介绍了运营隧道衬砌结构火灾损伤机理和火灾损伤技术状况评价方法,重点介绍了检测与评价程序、检测方法及数据分析方法。并以实例介绍隧道衬砌结构火灾损伤技术检测、评价全过程。为隧道火灾损伤技术状况评价提供借鉴与参考。     

隧道火灾后衬砌损伤规律的研究

为了在隧道火灾后准确迅速地对衬砌损伤程度进行判断,首先应用层次分析法,确定了影响衬砌损伤的各因子权重,然后应用灰色理论对不同温度量级及不同烧蚀时间下的衬砌损伤程度进行了灰色综合评判,并确定其损伤等级。得到残余强度系数指标的权重最大为0.6;温度量级为400℃,烧蚀时间为2 h和4 h,其损伤等级都为2度;温度量级为600℃,烧蚀时间为2 h和4 h,其损伤等级都为3度;温度量级为800℃,烧蚀时间为2 h,其损伤等级为3度,烧蚀时间为4 h,其损伤等级都为4度;温度量级为1 000℃,烧蚀时间为2 h,其损伤等级为4度,烧蚀时间为4 h,其损伤等级都为5度。结果表明:衬砌的损伤主要为强度的损失。400℃时,其结构整体承载力不会受到显著影响;600℃时,受到显著的影响;800℃时,结构的整体承载力已临近失效状态,但仍有少量的残余承载力,1 000℃时,已经失效。温度越高,衬砌损伤等级越高;烧蚀时间越长,衬砌损伤等级越高;但是,温度的影响比烧蚀时间大,所以当隧道内发生火灾时,应当重点控制火灾的温度。     

盾构隧道管片及接头耐火试验

盾构隧道衬砌由预制钢筋混凝土管片通过螺栓连接拼装而成,存在很多薄弱接头,这使其在火灾高温条件下会呈现出更加复杂的力学响应。因此,为了获取盾构隧道管片及接头高温下力学性能,对7组足尺管片试件进行了火灾试验,研究了火灾类型(ISO834、HC及RABT标准升温曲线)、管片类型(标准块、标准块接头及封顶块接头)和密封设置对盾构隧道管片在火灾高温下力学性能的影响。试验结果表明：①在较快的升温速率和较高的温度下,管片受火面混凝土发生严重剥落,导致大量钢筋外露,影响盾构管片高温下承载力,威胁盾构隧道衬砌结构安全;②当各试验距受火面25 mm处混凝土温度均超过《建筑设计防火规范》规定的耐火极限判断标准时,试验管片变形较小且未出现破坏现象,可知仅将温度作为隧道内承重结构体耐火极限判定依据较片面和保守;③管片接头处手孔密封设置及接缝密封设置分别对连接螺栓螺母和螺杆起到了很好的保护作用,但对止水条的温度变化趋势和特征影响不大;④混凝土严重剥落导致的管片厚度减少、大量裂缝产生造成的管片完整性下降以及混凝土水分受热蒸发留下的与外界贯通的毛细孔道均严重降低管片的抗渗性能。     

基于多尺度方法的道路隧道温度场特征研究

隧道火灾往往会造成严重后果。为实现快速准确的火灾报警,以大连路隧道、青浦隧道、白茫雪山隧道正常运营及火灾试验工况下采集的大量正常运营工况温度数据和火灾工况温度数据为对象,使用多尺度分析方法,研究道路隧道火灾工况和正常运营工况不同尺寸下的温度场特征。结合隧道光纤光栅温度系统采集的数据,对隧道火源及其邻域的温度、温度梯度和温度二阶导数进行大量统计描述分析; 同时对火灾时隧道内温度场的波动特征进行论述。通过分析,得出隧道火灾时的温度场具有强烈波动特征,建议使用单位时间内温度的标准差、离散系数来表征隧道温度的波动程度;使用单位时间内温度一阶导数的标准差、离散系数（均值大于0.1）来表征温升的波动程度,并给出常规工况下单位内时间温度标准差的建议取值。最后,通过识别火源点及其邻域的温度波动特征可判断火灾是否发生。     

运营公路隧道局部换拱效果及其工程影响

通过对运营公路隧道换拱工程试验段衬砌荷载和温度的现场监测,并将之与新建隧道衬砌荷载分布规律进行对比,评价换拱工程中新施作衬砌的承载性能。通过采用数值计算分析的手段,对换拱过程临近结构附加影响进行研究。结果表明:换拱工程与新建隧道工程衬砌荷载分别在荷载曲线形态和达到峰值的时间这2个方面存在明显差异;结合衬砌温度变化规律,揭示了换拱工程的新施作衬砌基本不发挥承载作用,现场监测所得荷载主要是由温度应力引起的;分析换拱过程中,邻近结构在卸荷作用下产生一定的附加沉降和附加应力。综合换拱工程衬砌承载效果及对临近结构的影响,提出了在运营隧道衬砌病害处理过程中,宜优先采用非破坏性防护措施,慎用局部换拱方案的工程建议。     

公路隧道火灾烟气沿程温度分布的合理确定

掌握火灾工况下隧道内烟气的温度分布规律,有利于制定有效的人员逃生方案并对隧道衬砌结构实施科学保护。基于火灾烟气流动特性分析,并根据能量守恒原理,从理论分析的角度分别得到烟气扩散区和火源区的烟气温度分布结果。结果表明,扩散区和火源区的烟气温度分布都受到烟气流速、隧道壁面温度、对流和辐射换热系数的影响;此外火源热释放率和烟气发生量也是影响火源区烟气温度分布的重要因素。     

青海省G227线大坂山隧道病害整治设计

大坂山隧道经过8年多的运营,出现了较严重的病害,如衬砌开裂、严重渗漏水、混凝土冻害和劣化等,在对隧道进行检测的基础上,对隧道病害进行了有针对性的整治设计,整治后的隧道套拱段滴水不漏,且隧道结构得到了有效加固,非套拱段只有3处渗漏水;同时在隧道整治时增设套拱背后混凝土温度观测系统,对衬砌混凝土温度进行长期观测,为掌握衬砌混凝土冻害提供基础数据。     

季节性寒区隧道温度场规律数值分析

为研究季节性寒区隧道围岩温度场的变化规律,以吉林图珲高速东南里隧道为依托,通过ANSYS建立数值模型,分析了深埋和浅埋条件下围岩的温度随保温层厚度的变化规律。结果表明,相同时刻沿衬砌表面从拱脚到拱顶路径的温度值不断减小,在拱顶位置处达到最小值;隧道衬砌及背侧一定深度内围岩各点的温度时程曲线呈正(余)弦函数变化,并且随着距衬砌表面距离的增大,围岩温度时程曲线呈现出的正(余)弦波动趋势越不规则,振动幅度也逐渐减小;保温层安装位置对围岩温度场的影响较小,而围岩最低温度的变化则主要集中于前5年内。在隧道防抗冻设计中,保温层厚度不能一味增大,应根据现场的岩体和温度选取经济有效的保温方法。     

火灾高温下盾构隧道衬砌结构热力耦合模型试验

为研究火灾高温下盾构隧道衬砌结构的热力耦合行为,利用自主研制的温度加载设备和衬砌管环外压加载设备,分别设计并开展整环衬砌结构的无外压受热模型试验和热力耦合模型试验。试验使用不考虑接头效应的钢纤维混凝土匀质管片。首先,介绍2种试验设备的原理、主要构造和各类参数;在此基础上,针对模型试验过程进行细致的说明。然后,通过对衬砌管片结构形式的分析确定试验的火灾加载工况;详尽描述不同试验的相关结果,重点分析衬砌结构内表面各处温度场的变化过程、分布情况、管片的变形结果及破坏模式。研究结果表明：温度加载设备和衬砌管环外压加载设备能够较好的满足整环衬砌热力耦合研究的模型试验要求;试验初期底部管片的升温速率相对顶部管片有所滞后,但各部分间的温差数值随加热的持续进行会逐渐减小,衬砌结构内部能够形成稳定的温度场;无外力作用下匀质管片的破坏形式表现为沿幅宽方向的贯穿裂缝,各管片结构的裂缝发展路径存在差异;衬砌管片由于外压作用产生的压应变随温度的升高而减小;外压荷载对衬砌结构在高温下产生的膨胀变形存在抑制效果。研究结果可为盾构隧道整环衬砌结构热力耦合研究的进一步发展提供参考。