延崇高速公路金家庄特长螺旋隧道温度场分布规律及保温层研究

为揭示寒区螺旋隧道温度场时空分布规律，依托金家庄特长螺旋隧道，采用现场监测方法研究寒区螺旋隧道温度场变化规律。基于此，通过数值模拟建立三维模型探究进口风速风温对温度场的影响，并拟合结果数据获得保温层敷设长度计算公式。研究表明： 1）随着进洞深度的增加，进、出口洞壁处空气年平均温度上升，而年温度振幅减小； 出口年温度振幅变化幅度略小于进口。2）隧道贯通后，洞内温度受两侧洞外相对低温的共同作用，同一断面处年平均温度下降，年温度振幅增大。3）隧道在直线段温度场分布规律与同条件的直线隧道一致，从曲线段开始内外径温度曲线发生分叉，外径侧温度较直线隧道温度大；而内径侧温度反之。4）进口风速越大、风温越低，对隧道温度场越不利，通过拟合公式，金家庄特长螺旋隧道进口的保温层长度至少需要1 239 m。     

寒区隧道围岩温度场变化规律及防冻保温分析

为解决寒区隧道的冻害问题,通过对现有寒区隧道保温措施调查分析,以青海省红土山隧道为依托,建立寒区隧道围岩温度场有限元分析模型,引入隧道环境温度实际监测数据作为模型分析温度参数与边界条件。分析了不同环境温度条件下保温层厚度对隧道围岩温度场的影响,计算了不同隧道环境下应铺设的保温层厚度,得到了不同风速、风温条件下隧道围岩温度场变化规律,探讨了沿隧道纵向分区段设置不同厚度保温层的效果。研究成果可为寒区隧道的保温防冻提供理论依据,并可为类似工程提供借鉴。     

冷凝对隧道通风热压的影响分析

为研究空气水分冷凝现象对隧道通风热压的影响,采用现场实测的某地下通风隧道空气参数以及文献中某隧道自然通风的测试数据,对选用的有限差分法隧道通风传热传质过程及热压计算数学模型进行了验证;并采用数值模拟方法研究分析了不同隧道入口空气温度、相对湿度及通风速度条件下,隧道内空气冷凝现象、沿程空气温度以及热压的变化规律。研究结果表明:冷凝会增大空气与壁面的传热量,使隧道内的空气降温速度减慢,导致通风热压变小,并且该影响会随入口空气温度与相对湿度的升高而增强,随风速提高而减弱;当未发生冷凝时,隧道沿程空气温度分布及热压几乎不受空气湿度的影响。以一个全纵向通风的地下隧道为例,在4~8月,隧道会出现较大范围的冷凝现象,考虑冷凝计算所得热压比不考虑冷凝时低30%,对应的自然风风速平均偏差为0.5 m·s^-1;在其余月份,不考虑空气冷凝计算所得通风热压与考虑冷凝时相同。因此计算湿热季节通风热压或对应的自然风风速时,应考虑冷凝的影响;其余季节可按不考虑冷凝的方法简化计算隧道热压。     

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℃。     

寒区隧道浅埋段温度场解析解

依据传热学中的固体热传导理论,结合寒区隧道浅埋段传热特征,建立了考虑地表和洞内气温联合作用下的浅埋段隧道传热数学模型。为便于求解,根据空气温度周期变化的特点,运用热叠加原理把复杂温度边界条件下的隧道瞬态传热问题分解为温度周期变化下的瞬态传热问题和恒温边界作用下的稳态传热问题,综合运用分离变量法与Laplace变换法相结合,理论推导隧道浅埋段温度场的解析解,并将其与隧道温度场实测数据进行对比验证,理论解与实测值的误差为4.5%,理论解达到了工程精度要求。分析隧道埋深、洞内气温和保温层厚度对隧道温度场的影响规律,并建立了寒区隧道浅埋段保温层厚度的设计计算方法,可为工程人员提供指导。     

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。     

寒区隧道温度场测试及其影响因素的正交试验

为探究多年冻土及季节性冻土区隧道环境及围岩温度的分布规律及其影响因素,依托吉林省图珲高速公路东南里隧道工程,现场开展隧道洞外、洞内气温测试及围岩温度测试,采用三角函数对温度测试结果进行拟合;通过ANSYS建立数值模型,对年平均气温、年温度振幅、隧道埋深和围岩的热物理参数及对流换热系数等温度场影响因素进行了正交试验。研究结果表明,隧道内气温随着距洞口距离的增大而增加,隧道洞口最大冻结深度不超过2.4m,隧道内温度及围岩温度随着时间的变化规律大致符合正弦曲线;年平均气温、年温度振幅、隧道埋深是隧道温度场的主要影响因素,而围岩的热物理参数是隧道温度场的次要影响因素。     

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。     

基于圆形断面的隧道温度场有限差分计算模型

除了少数圆形隧道外,大部分山岭交通隧道断面采用马蹄形或端墙式等形状。在隧道温度场的预测中,圆形断面模型能否代替马蹄形等实际隧道模型,其适应性值得研究。应用基于空气－衬砌－围岩的对流－导热耦合作用控制方程的有限差分方法,建立圆形断面模型对东北寒区马蹄形隧道温度场进行计算,并与现场实测温度场进行对比。结果表明： 1) 圆形断面隧道模型有限差分计算方法克服了通用有限元软件建模复杂、对硬件要求高的弊端,考虑了隧道内风流速度和入口风流温度的影响,在隧道温度场的预测计算中能够满足工程使用要求。2）隧道内风流速度和入口风流温度对隧道温度场影响较大。本文算例中,入口风流温度每升高10 ℃,二次衬砌表面温度升高约7.2 ℃,增幅均匀;从1～5 m/s,洞内风流速度每增大1 m/s,二次衬砌表面温度降低的幅度为6.6、2.7、1.5、0.9 ℃,降幅越来越小。     

公路隧道火灾烟气特性数值模拟分析

本文针对典型的隧道类型,基于计算流体动力学模型,通过数值模拟试验和理论分析,对隧道火灾的发生、发展状况以及烟气的扩散和运动规律进行了研究,分析了不同风速和火灾规模状况下的烟气层的运动状态,空间温度场的分布和变化规律以及火灾对人员疏散安全的影响等问题。同时,研究了风速、火源功率以及截面形状等关键参数对火灾烟气及温度变化的影响。研究表明,纵向通风速度对沿隧道长度方向的烟气层高度的分布有着很大的影响,圆形截面可以储存更多的烟气并能有效降低隧道底层的温度。该结论可为我国公路隧道防火措施的制定提供有益的参考。     

射流温度对公路隧道风机纵向间距的影响

依托公路隧道实际工程,运用FLUENT软件,采用RNGk-ε湍流模型,模拟分析了射流风机出口风速为30m/s时,针对第一组风机(距隧道入口52m)前端发生火灾,不同送风温度对隧道内温度场的影响。模拟结果表明,当风机出口温度为299,307,314,322,329K时,诱导段的长度分别缩短4%~10%。射流温度越高回流现象越明显,不利于诱导段气流组织的发展,风机纵向控制间距相应变大,从而影响了射流效率。研究结果为隧道内风机纵向控制间距的优化提供一定的理论依据。     

浅埋偏压隧道施工工法研究与非对称设计优化

为探究偏压隧道的适宜工法并针对偏压特性对支护结构进行非对称优化,基于九绵高速福隆隧道,通过现场监测深浅埋侧非对称周边收敛与地表变形,建立三维山体隧道模型,进行不同工法围岩、支护结构受力变形比选分析以及初期支护厚度、锚杆长度与倾角的非对称优化设计。相关研究表明:1)现场监测发现,地表沉降与周边收敛非对称特性明显,随着离隧道正中距离的增大,深埋侧地表沉降较浅埋侧数值减小较慢。深埋侧上拱腰收敛数值最大且波动较大,浅埋侧下拱腰收敛增速较慢。2)偏压隧道较适宜工法为CD法,能有效控制围岩支护结构变形、锚杆应力、初期支护压应力以及塑性区分布。3)初期支护非对称优化结果为将浅埋侧初期支护厚度减小2cm,深埋侧增大2cm,能将二次衬砌拉应力控制在较小数值。4)锚杆长度非对称优化结果为将浅埋侧锚杆长度减小0.5m,深埋侧增大0.5m,使锚杆受力更为均匀并减小右上拱肩与左下拱脚的塑性区。初期支护应力在右上拱肩与左下拱脚处存在显著偏压,通过将右上拱肩处锚杆朝深埋侧倾斜能一定程度减小初期支护受力不均匀。     

季节性冻土区隧道温度场分析与预测

为预防季节性冻土区隧道因防寒保温措施设置不足引发的冻害,研究季节性冻土区吐库二线中天山隧道温度场变化规律及其防寒保温参数。基于围岩温度场现场测试研究,利用ANSYS有限元软件,同时考虑水文地质条件、混凝土衬砌水化热、大气温度和地温随时间变化等影响因素,预测、比较隧道施加保温层和未施加保温层的冻融循环圈。总结出设置保温边沟和设置厚度≥5cm、导热系数≤0.03W/(m•K)的保温层是必要和合理的。     

火灾模式下公路隧道竖井温度场分布试验研究

公路隧道发生火灾时,高温和热烟气对隧道威胁巨大,竖井的烟囱效应严重影响温度和烟气的扩散,目前对竖井内温度发展情况的研究甚少。为分析火灾发生后竖井内的烟流特性及温度场的分布规律,利用大比例模型试验,以秦岭终南山公路隧道为研究对象,考察了不同火源点位置、通风工况、火灾规模情况下竖井内温度场的分布规律,对分析其它长大公路隧道火灾时竖井内温度场的分布也有一定的借鉴意义。     

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。     

季节性寒区隧道施工期围岩温度影响深度研究

季节性寒区隧道在冬季通常气候条件恶劣,常面临冻害问题,进而对隧道的施工和运营的安全造成威胁。通过数值模拟探究了某季节性寒区隧道冬季施工期温度分布规律及围岩温度影响深度的影响因素。研究结果表明:隧道已施作二次衬砌区段和未施作二次衬砌区段的围岩温度影响深度分别为9m、10m,未施作二次衬砌区段围岩对温度变化较敏感。对于已施作二次衬砌区段,温度影响深度大致相同,并且随开挖长度增加而减小,随进口风速的增大而增大,随围岩与外界温差增大而增大。对于没有施作二次衬砌区段,围岩的温度影响深度随隧道开挖长度增加减小,随围岩与洞外温差增大而增大,但不受进口风速影响。     

多年冻土地区的公路路基温度场研究

以青藏公路为研究对象,采用数值计算方法模拟其多年冻土区路基温度场,对冻土路基温度场的影响因素及其分布进行了分析。最终得出以下结果,路基温度场数值模拟表明,自然上限在第一年为1. 81 m,相对于低路基而言,此时高路基形成冻结核,路基内形成融化楹,随后开始冻结天然地表,边坡和路面的地温高于天然地表,会出现滞后现象。人为上限受边坡影响较小,在寒区道路工程中,边坡坡度不是影响路基热稳定性的主要因素。当修筑完成保温护道后,将会进一步增强天然地表受热面,如果天然地表的温度低于保温护道表面年均温度时,就会增大年平均地温差值。在深度相同时,阳坡土体温度大于阴坡,在路基横断面,冻结线为倾斜的非对称分布。     

隧道运营期内部空气温度的预测分析

运营隧道内空气温度的合理预测有助于改善隧道内部环境。为了准确预测分析运营隧道内气温，引入传热第三类边界条件，耦合隧道径向及轴向二维轴对称的围岩温度导热方程与洞内气流温度方程，推导出隧道空气温度和内壁面温度的分析解，该分析解法与文献报道数值解法计算得到的巷道内气温差值在０．５℃以内。以武汉长江隧道为例，对运营隧道内的空气温度进行计算分析。结果表明：洞内气温的计算结果与实测数据的差值大多在１℃以内，且温度变化趋势一致，进一步验证了本文分析解的正确性；随着风速的增加，出口气温不断降低且降幅逐渐减小，即降温效果已逐渐不明显，表明运营隧道内的风速控制需综合考虑降温效果和动力消耗。     

肋板式主梁温度场的数值计算方法

介绍了荆州长江公路大桥500m斜拉桥主染温度测点的布置情况，典型天气情况下24h内温度场的变化。根据实测温度结果提出了一种计算轴向应变ε0和曲率х的数值计算方法，以此作为温度参数可计算不均匀温度场对斜拉桥变形和受力的影响量。     

盾构隧道内堆载引起的隧道转动和错台变形计算

盾构隧道内堆载可以有效抑制隧道的上浮变形。为研究隧道内堆载对隧道纵向沉降及变形的影响规律,采用综合考虑管片环间错台和转动变形效应的协同变形模型,推导计算堆载引起的隧道附加荷载,通过最小势能原理求解隧道纵向沉降、环间剪切力、错台量和转角,并研究不同堆载大小、堆载长度、土质条件对隧道纵向沉降及位移的影响规律。研究结果表明： 1）采用该计算方法得到的结果与实测值和数值模拟结果比较吻合,说明方法可靠; 2）堆载引起的隧道附加应力和沉降沿隧道纵向呈正态分布,堆载中心处最大,且与堆载大小近似成正比; 3）隧道环间错台量、转角及剪切力三者变化规律相同,在堆载中心处近似为0,但在中心两侧急剧增大; 4）随着堆载长度的增加,隧道沉降量相应增大,但增大速度逐渐减缓; 5）不同土质条件对隧道堆载引起的隧道沉降量及沉降范围均有较大影响。