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。     

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。     

考虑隔热层的寒区隧道围岩温度径向传播规律及相关参数研究

寒区隧道围岩径向温度传播规律对隧道保温设计具有重要的指导意义。目前寒区温度场的研究多为现场实测与理论分析2个方面。为得到寒区隧道支护结构与围岩温度沿径向变化的规律,自行研制了温度模拟足尺试验仪器,并在此基础上开展了无隔热层与有隔热层2种条件下的模拟试验,分析了隧道围岩径向温度场变化规律。结果表明： 模拟环境温度为-12.5 ℃条件下,无隔热层时,90 h时环境温度降到-9 ℃,初喷混凝土层与围岩的交界面处的温度降低至0 ℃,当温度进一步降低时,围岩出现冻结状态,且随着时间的推移,冻结范围逐步扩大,192 h时环境温度降低到-12.5 ℃,各界面温度基本达到稳定; 设置4.5 cm隔热层时,由于隔热层作用,450 h时支护结构混凝土及围岩内的温度均大于0 ℃。结合试验最后确定了隔热层、隧道支护混凝土与围岩的导热系数与导温系数,结果可为寒区隧道保温设计提供依据。     

寒区隧道不同形式排水沟适用性研究

为了研究寒区隧道不同形式排水沟的适用性,依托延崇高速金家庄特长螺旋隧道,理论分析、现场测量与数值模拟相结合,建立不同隧道排水沟模型,并用对隧道温度场以及隧道排水沟保温抗冻进行数值模拟。以水沟边界最高温大于0℃为判断水沟正常工作的条件,计算出了4种形式的排水设计适用范围。金家庄隧道采用5cm厚的聚酚醛树脂防寒隔热层完全可以使环向排水盲管正常工作。双侧保温水沟适用于最冷月平均气温为-5℃到-15℃的寒区隧道;保温中心水沟适用于最冷月平均气温为-10℃～-20℃的寒区隧道;中心深埋水沟排水适用于最冷月平均气温为-15℃～-25℃的寒区隧道;防寒泄水洞适用于最冷月平均气温低于-25℃的寒区隧道。金家庄隧道排水沟采用中心排水沟。     

冻融循环对季冻区隧道衬砌混凝土导热系数影响研究

为研究冻融循环作用对衬砌导热系数的改变,将混凝土简化为多孔介质模型,利用Hamiltonand Crosser理论计算模型和COMSOL仿真软件对不同孔隙率的混凝土试件导热系数进行计算和分析。研究结果表明： 1）通过对混凝土随机分布模型的有效导热系数进行逆运算,得到不同冻融循环作用下不同孔隙率的混凝土模型的有效导热系数,进而确定混凝土试件有效导热系数与冻融循环次数之间呈非线性函数关系; 2）衬砌导热系数在冻融循环作用下,初期导热系数随着冻融循环次数的增加而下降,中期随着冻融循环次数的逐渐增加,导热系数出现较小程度的增大。     

寒区隧道结构抗防冻试验研究及仿真分析

高寒地区修建交通隧道的主要技术难题是隧道主体结构尤其是洞口带的结构抗防冻能力、运营期间的安全性及结构的长期寿命等问题。根据鹧鸪山隧址区水文、地质条件,进行隧道主体结构及围岩温度的现场测试研究,得出了隧道区环境温度、隧道结构体和围岩的温度场变化规律,并结合结构和围岩的热力学试验,对围岩及隧道结构的温度场分布进行仿真模拟分析,分析3种不同保温材料的隔热保温性能,从而为隧道的抗防冻设计提供参考。     

高寒山区隧道温度场及冻害控制措施研究

为探究高寒山区隧道的冻害问题并提出针对性的措施,针对九绵高速白马隧道现场冻害情况,通过有限元模拟了山岭隧道洞口段的冻害问题,分析了寒区隧道在低温下的围岩与衬砌温度场及其随时空的变化规律,探究了不同位置的冻结深度及中央排水沟深度,并针对冻害问题提出针对性的措施,现场采取措施后有效减小了冻害的发生。研究表明：(1)隧道低温效应及围岩冻害沿纵向逐渐减弱,地表低温及隧道低温在洞5.6 m处冻结影响区出现分离,洞内10 m范围内衬砌温度变化较快,隧道的拱顶和拱肩更易发生冻害,拱脚最不易发生冻害;(2)衬砌温度降低呈现两段式,在50 d后,衬砌温度趋近于最终值,越往洞口外侧的围岩对温度越敏感;(3)隧道前地表受洞口拱底下侧围岩温度影响,在近洞口处冻结深度快速下降,洞口段山体表面在纵向上冻结深度缓慢下降到定值,拱底冻结深度最大可达5.43 m,拱底冻结深度前期增长较慢,20～50 d增长较快;(4)通过模拟发现保温层能减小拱底冻结深度,保温水沟能增大水沟温度,减小其受外界负温影响,现场采取相应措施后减小了隧道冻害的发生,监测的保温水沟温度变化验证了保温水沟的作用。     

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。     

寒区隧道保温层铺设方式与材料选型优化研究

为了改善寒区隧道的冻害问题,对寒区隧道的保温防冻进行研究尤为重要。该文基于改进层次分析与灰色关联分析理论,优选出适用于不同保温铺设方式且保温效果良好的保温材料;其次,利用数值模拟方法分别对采用不同保温材料及铺设方式时的隧道温度场进行计算与分析,得出保温材料与铺设方式相互组合时的温度场,根据“组合温度场”对比结果,得出最佳的保温方案。研究表明：采用“离壁式铺设+福利凯保温板”的形式为最佳保温方案,其优势在于离壁式铺设形成的空气隔热层与福利凯保温板层组成的双保温隔热层能有效抵挡负温的传递,进而降低对衬砌结构与围岩的影响,而且铺设时施工便捷、维护成本低。研究成果可应用于工程实际,减小冻害发生概率,为寒区隧道保温防冻设计提供参考。     

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀力演化规律研究

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀演化机制是影响其运营安全的关键科学问题。为探究冻结圈围岩的冻胀力演化规律,开展含水围岩低温冻结作用下三维地质力学缩尺模型试验;采用环境冷气进入洞内降温的方式,模拟隧道洞口段围岩温度场分布特征;利用微型压力传感器对含水围岩在低温冻结过程中的冻胀力进行实时动态监测,以获取不同含水率和冻结圈厚度围岩下的冻胀力时空演化曲线。采用多元回归分析方法,建立围岩冻胀率、冻结圈厚度与含水率等参数的拟合计算式;据此建立平面应变状态下考虑围岩含水率和围岩比重指标的冻结圈围岩冻胀力理论解。采用热应力方法模拟冻胀力演化特征,对冻胀力的理论计算值和模型试验测试值进行对比分析,进一步验证试验方法和理论解的合理性。研究结果表明：围岩温度场呈三阶段变化特征以及类似带柄状“正勺”形状分布规律;含水围岩温度场的下降阶段呈非线性分布特征;围岩温度表现出滞后于环境温度变化的趋势。不同含水率和冻结圈厚度下的冻胀力演化规律曲线形态类似,表现为孕育-发展-稳定变化特征。冻胀力理论解与现场实测数值偏差19.7%,与数值解、试验值偏差均在0~20%之间,所提出的冻胀力理论计算方法可为围岩含水率为0~60%范围和冻结圈厚度为0~8.0 m范围冻胀力取值提供参考。研究结论可为寒区富水隧道冻结圈围岩的冻胀力设计及预测研究提供支持。     

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。     

自然浸水-冻融条件下寒区隧道有机保温材料劣化规律研究

为研究聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯3种寒区隧道有机保温材料的劣化特性,通过室内试验分析自然浸水-冻融条件下材料物理力学性能和微观结构的变化,并基于参数变化对比劣化速率。研究结果表明： 1）各保温材料吸水时均经历快速—平缓—稳定3个阶段。聚酚醛吸水时间最长,为192 h; 50次冻融循环后,聚苯乙烯质量吸水率最高,为67.50%。2）各材料导热系数与冻融循环次数、质量吸水/含冰率的关系采用二元线性模型预测,冻结状态的聚苯乙烯及融化状态的聚氨酯受冻融循环影响最大。3）未冻融时,聚苯乙烯导热系数最低,为0.029 1 W/(m·K); 但在50次冻融循环之后,融化状态的聚苯乙烯和冻结状态的聚酚醛导热系数最低,分别为0.034 4、0.047 3 W/(m·K)。4）聚氨酯压缩强度远大于其他材料,最高为0.476 MPa。材料隔热性能的劣化主要受微观气泡形态、孔径大小、气孔开裂等因素的影响。     

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。     

晋北地区气温的降尺度特征及其对隧道防冻的影响研究

本文对寒区隧道衬砌表面温度的动态监测以每小时变化为记录基准,对晋北地区气温变化特征进行了分析,揭示了寒区隧道在年度周期内经历的多频次短周期冻融循环特征,并探讨了其对寒区隧道混凝土材料和衬砌结构防冻的影响。     

非连续面倾角对岩体隧道工程稳定性影响研究

非连续面的倾角决定着工程的选址、走向以及开挖后的稳定性.通过有限元分析软件模拟得出:水平非连续面使隧道顶部产生应力集中;竖直非连续面使隧道底板部分的水平拉应力增大;倾斜非连续面使靠近它的隧道部分剪应力及变形增大,但可减小隧道底板水平拉应力.     

地铁隧道考虑流固耦合影响的微裂隙岩体注浆数值模拟研究

为研究浆液与岩体的耦合作用机制,采用有限元方法对微裂隙岩体开展单一裂隙注浆数值计算。将连续性方程作为浆液流动的控制方程,将修改后的达西定律用于描述浆液在裂隙中的运动过程。基于弹性力学理论,提出考虑流固耦合效应的微裂隙岩体注浆扩散过程计算方法,研究裂隙开度、岩体弹性模量对注浆扩散距离的影响。研究结果表明： 1）在注浆过程中,裂隙开度由注浆孔附近向浆液扩散锋面处衰减,考虑流固耦合效应时注浆压力的计算误差能够减小30%左右,注浆扩散半径的计算误差可减小15%左右; 2）在注浆设计中应充分考虑流固耦合效应对注浆扩散过程的影响。     

潮位变化对上海某越江盾构隧道变形的影响规律研究

为了探究潮位变化与越江盾构隧道的沉降和收敛变形之间的关联性,采用数据统计分析、相关性分析和周期性分析方法,对上海某越江盾构隧道的监测数据与同时期隧道上部的潮位变化进行研究分析。研究表明:1)江中段隧道在潮位变化的作用下产生均匀沉降,其波动性与潮位起伏具有近似的周期性;2)陆域段隧道沉降变化的波动性程度与河流的距离有关;3)潮位变化引起隧道管片断面的横径和竖径产生循环的收敛变形,其横径收敛变形大于竖径收敛变形。以上研究可为越江盾构隧道设计、施工和运维提供参考。     

隧道施工对地下管线的影响规律研究

城区地下空间管线交杂,既有管线下进行隧道建设时,既要考虑施工对地表及周边环境的影响,又要考虑对地下管线正常营运的影响,文中对地下管线不同直径、材料、埋深度管线与隧道的接近距离、岩土参数5个因素及其4种水平进行正交试验设计,利用ANSYS有限元软件建立管线、土体及隧道衬砌结构为一体的三维计算模型,通过模拟计算得到16组参数组合下地下管线的最大等效应力和最大等效竖直位移,通过分析这两个指标,得到城市浅埋暗挖法隧道施工对既有地下管线的影响规律.     

隧道开挖跨度对围岩级别的影响研究

为进一步提高公路隧道围岩级别判定的准确性,以围岩位移作为围岩自稳能力的评价依据,探讨洞室跨度对公路隧道围岩级别的影响.通过数值模拟方法,对公路隧道两车道、三车道和四车道3种断面尺寸,Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级6种围岩级别进行了模拟开挖,以围岩位移值增加幅度作为围岩稳定降低程度的评价依据,探讨不同围岩质量下跨度对...     

厦门莲花公路隧道火风压及其对气流组织的影响研究

利用ANSYS/FLOTRAN软件对南安（金陶）—厦门高速公路（厦门段）莲花公路隧道进行火灾温度场数值模拟,分析同一火灾规模在不同风速下,火灾时隧道内火风压特性及其对通风气流组织的影响,为厦门段莲花隧道和与其相似的大坡度公路隧道的消防预案和火区火风压研究提供参考依据。