传热系数及围岩条件对寒区隧道温度场影响

研究目的:以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究传热系数、围岩初始温度、导热系数和比热容对温度场的影响,并建立围岩初始温度与保温层设计厚度间的数学关系式.研究结论:(1)围岩导热系数和初始温度对径向温度场的...     

寒区隧道洞内温度场分布规律及防寒设计探讨

为探究寒区隧道冻害机理,以吉图珲高铁沿线10座隧道为依托,结合现场长期实测数据和数值模拟实验,提出寒区隧道洞内温度场分布规律及计算方法。研究结果表明：隧道洞内空气温度场可采用二次抛物线来拟合和计算,其主要控制参数包括隧道长度、隧道洞口基准温度、隧道洞口温度增长梯度和隧道洞内平均风速;隧道衬砌结构具有较好的短波滤波特性,能够很好地过滤掉衬砌表面日温度的波动变化;隧道衬砌背后温度与衬砌表面5日平均温度曲线基本一致,可据此确定隧道钢筋混凝土衬砌设置长度;无保温层情况下,隧道二衬壁面温度与初支-二衬接触面温度平均差值为2.2℃,当隧道内二衬壁面温度低于-2.2℃时,需设置保温层;有保温层情况下,隧道二衬壁面温度与初支-二衬接触面温度平均差值为10℃,当隧道内二衬壁面温度低于-10℃时,保温层的保温效果会将难于满足隧道防寒的要求,此时需与其他保温措施相结合。     

吉图珲客运专线后安山隧道温度场分布规律测试及分析

以寒区后安山隧道工程为依托,通过对试验段温度场的测试,分析衬砌围岩温度分布规律、洞内纵向温度分布规律,并在此基础上,对保温板的保温效果进行探讨,分析结果表明:(1)边墙、拱腰、拱顶部位各测点随时间的变化规律成正弦函数,并和外界气温同步变化;距离衬砌表面60 cm内温度变化最为剧烈;在径向3 m范围内,围岩内温度呈线性变化趋势;围岩径向存在一个比较稳定的温度边界条件;隧道贯通后,各测点的温度下降3℃左右。(2)隧道纵向温度场沿路线呈抛物线分布,寒季为开口向下的抛物线,暖季则相反;进入隧道500 m后洞内气温受洞外气温的影响逐渐减弱,温度分布也逐渐均匀。(3)保温板内外两侧温度差最大9.21℃,证明其具有良好的保温效果;建议在隧道防寒保温段采取非等厚保温板的铺设方法更为经济合理。     

寒区隧道温度场模型试验及空气幕保温措施

依据相似理论,以俄罗斯莫喀高铁为设计原型,搭建由高速列车驱动系统、隧道模型、温度调控系统和测试系统4部分组成的寒区隧道温度场模型试验台,分析隧道内无列车运行和有列车运行时的寒区隧道温度场变化规律;依据流函数叠加与热平衡原理推导控制方程,提出1种新型的空气幕保温措施;以京张高铁正盘台隧道为算例,利用有限元软件模拟验证控制...     

寒区隧道电热膜加热保温技术研究

针对我国寒区隧道冻害问题,以吉林省东南里隧道为例,通过现场温度实测和数值模拟,分析保温层的设防长度、设置厚度和适应范围,并提出寒区隧道电热膜加热保温系统.采用等效厚度法,给出保温层厚度的计算方法和保温层变截面厚度的设置方法.结果表明:被动保温措施保温层法具有一定的温度适应性,当隧道外界气温低于-18.5℃时,应考虑其他...     

冰-水相变对寒区隧道动态温度场影响研究

为了揭示冰-水相变对寒区隧道动态温度场的影响,通过建立隧道有限元模型,对比分析考虑相变与否两种情况下隧道温度场的动态变化,研究隧道在内部气温变化作用下的冰-水相变发展过程。研究表明:围岩内部温度随深度增加而升高,年变化幅度逐渐减小,变化相位逐渐滞后;考虑冰-水相变后,隧道温度场年动态变化过程改变较大,温度年变化幅度显著减小;在外界低温的作用下,主洞与导洞部位均有结冰现象,衬砌和围岩内部在1月份开始结冰,4月份之后完全冻结区消失,仅在衬砌和围岩存在冰水混合区,至7月份完全解冻,解冻后重新冻结的月份为10月份,之后冻结范围逐渐扩大,全年冻结发展最快的时间为11月份。     

寒区隧道洞口保温层设防长度确定方法探讨

高海拔寒冷地区隧道冬季常因低温环境影响导致洞口段产生衬砌开裂、挂冰等冻害问题,如何科学合理地确定寒区隧道洞口保温层设防长度是寒区隧道安全运营的关键.以雀儿山隧道为例,基于现有不同的保温层设防长度确定方法得到洞口保温层设防长度,并结合现场测试对比分析各种方法确定的设防长度值,探讨其优缺点.同时研究提出,针对两端洞口环境条...     

自然风条件下寒区高速铁路隧道温度分布及防冻保温长度研究

针对严寒地区高速铁路隧道贯通后,冷空气吹入隧道引发的围岩冻结问题,以吉图珲高速铁路榆树川隧道为例,建立自然风条件下考虑围岩冰-水相变的寒区隧道空气与衬砌热交换的热流固耦合模型,结合现场空气温度和风速、风向,计算自然风条件下榆树川隧道围岩温度的分布规律,分析风速对隧道温度场分布的影响,并探讨隧道冻结长度.结果表明:隧道贯...     

寒区硬岩隧道冻胀力的量值及分布规律

根据寒区硬岩隧道冻胀力产生的机理,推导冻胀力的计算公式,并以此得出冻胀力的分布规律服从正态分布。采用半公式半经验的方法,即“等效弹性当量系数法”计算出冻胀力的量值。衬砌结构所受的冻胀力是由衬砌结构与围岩之间积存的水体冻胀引起的,其方向始终垂直于衬砌结构。积存的水体深度主要取决于施工因素,可近似为毛洞超挖的高度。冻胀力的大小与衬砌结构和冰的弹性当量系数的平均值、围岩的弹性抗力系数的平均值、水的冻胀率和积存水体的深度等有关,其量值随围岩级别的不同而有所差异,通常情况下冻胀力取0.9~1.43 MPa;而对冬季地下水仍很丰富的地区,其冻胀力取为0.92~2.31 MPa。当其它因素一定时,冻胀力随衬砌结构弹性当量系数的增大而增大,说明衬砌结构刚度的增加对抑制冻害不利,因此衬砌结构宜柔不宜刚。     

自然气压差对寒区隧道气温场影响主导性研究

研究目的:寒区隧道洞内温度场分布规律的研究是寒区隧道抗防冻技术的关键.实践经验表明,影响寒区隧道洞内温度场分布的因素包括隧道洞口的相对高差、平面线形,冬季主导风向与线路走向的关系、区域自然风速、围岩地温场、渗流场,列车活塞风作用等,但对于主导性因素尚未形成统一的认识.本文结合寒区隧道温度场分布的研究现状,选择东北高纬度...     

寒区隧道玻化微珠保温砂浆保温隔热效果分析

对于当前寒区隧道普遍采用的保温隔热材料存在的诸多不足,根据玻化微珠保温砂浆的物理力学性能,提出将玻化微珠保温砂浆应用于寒区隧道隔热层。结合工程实例,通过有限元计算,对玻化微珠保温砂浆在寒区隧道保温隔热效果进行分析,并对隧道围岩温度场的影响因素进行评定。结果表明,8cm厚的玻化微珠保温砂浆具有良好的保温隔热性能,可以减少自然气候对隧道围岩温度场的影响,为其在工程中的应用提供相应的依据。     

寒区隧道衬砌结构可靠性分析

为了研究寒区隧道在运营阶段衬砌结构的可靠性,考虑到冻胀力、围岩压力和结构自重应力对围岩衬砌结构的影响,以昆仑山寒区隧道工程为背景,采用ANSYS中的PDS(概率设计)模块和蒙特卡洛拉丁超立方抽样方法,对影响寒区隧道衬砌结构可靠性的主要因素以及保证隧道结构安全的可靠性指标进行研究。结果表明:基于ANSYS数值模拟,通过研究冻土围岩温度场和应力场的耦合结果,得到冻胀对衬砌结构产生的最不利的位置;以概率论和数理统计相结合的方式,对衬砌结构最不利位置的可靠性进行定性和定量的分析,得到衬砌结构的可靠性指标;蒙特卡洛法中的拉丁超立方抽样提高了抽样概率的精确性,概率设计的敏感性和设计变量之间的散点图分析,有利于确定影响衬砌结构可靠性的主控因素,进而针对可控因素采取措施,以此提高衬砌结构的可靠性。     

青沙山隧道地温场测试与分析

采用埋入式铂金属热敏电阻测试方法,对地处青藏高原东部的青沙山公路隧道地温场进行现场实测与分析。结果表明:隧道洞口段,当环境温度较低时,地温差值分布明显,隧道进出口段衬砌背后出现相当长时间的负温;隧道洞内段,11月至次年3月,环境温度与所测地温相差很大,4月至7月,地温不稳定,围岩内各测点的温度曲线按位置重新进行调整,低温曲线上升到最高温处,高温的曲线则到达最低温处;7月至11月,隧道进口端地温下降曲线同隧道区环境温度变化同步,而隧道出口端地温比该处隧道内环境温度滞后;在冬季,衬砌内温度始终呈现倒U型,从隧道口向隧道中间,地温是上升的,地温上升呈现进口幅度小,出口幅度大,在低温度月份进口温度稍高于出口温度,在较高温月份进口温度低于出口温度;随着围岩深度的加深,温度是增加的,浅处的温度增量要大于深处;围岩内隧道径向存在某一比较稳定的温度边界条件。     

寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究

为了研究寒区隧道衬砌背后积水位置不同时结构的受力变化规律和破坏形式,进行冻胀力的室内模型试验。模型试验采用不同水囊大小和分布位置来模拟衬砌背后积水情况,通过模型试验箱外界环境整体降温和隧道底部局部降温的方式,模拟隧道外界的低温环境。试验结果表明:衬砌背后冻胀力在拱顶处较小,在边墙和拱脚处较大;在相同的冻胀压力作用下,拱顶处更容易破坏。最后采用数值计算,对比分析围岩注浆前后3种试验工况下隧道衬砌结构的可靠度。结果表明:仅靠提高衬砌结构的厚度和强度来预防或消除衬砌结构冻害的方法是不可取的,在富水区的寒区隧道采用围岩注浆加固具有较好的效果。     

兰新高速铁路高寒地段路基温度场数值模拟分析

兰新高铁浩门至大梁区间所处地区海拔高,气温低,冻结期长,属于深季节性冻土区。为解决该区间路基冻害问题,依据当地气候条件,运用ANSYS有限元分析软件,对低路堤、零断面换填路基及不同深度处铺设保温材料的路基温度场进行数值模拟,分析路基冻结深度的变化规律和最大冻结深度,为高寒区高速铁路路基冻害防治措施设计提供参考。研究表明:(1)由于兰新高铁浩门至大梁区间海拔高、冬季冻结时间长、气温低等原因,导致路基冻结深度大;(2)零断面换填路基实测地温和数值模拟计算结果基本相符,所选计算模型、参数等可以为其他相同条件断面数值模拟分析采用;(3)铺设保温板路基温度场较未铺设保温板的0℃线上移,冻结深度增加速率变小,最大冻结深度明显减小,路基保温效果较好;(4)由于路基边坡、基床以下部位土层性质、厚度、热物理参数等影响,低路堤最大冻结深度比零断面换填路基大。     

深季节冻土区涵洞温度场分布规律测试分析

以深季节冻土区在建火渤铁路工程为依托,通过对涵洞温度场的现场监测,分析总结涵洞外侧和洞内温度场分布规律,测试结果表明:(1)涵洞外侧温度场分布曲线随季节变化呈近似正弦分布。(2)冬季低温时,涵洞顶部路基本体温度随深度的增加而逐渐升高,但均为负温,内外温差较小。(3)涵洞外壁温度场呈现出明显的阴阳坡效应,阳坡测点温度较阴坡大1.9℃左右。(4)涵洞洞内各测点温度相差不大,由于风流场作用,涵洞各截面较高温度测点均出现在涵洞涵角处,涵角温度高于其他测点1.2℃左右。测试分析结果可为深季节冻土区涵洞的设计与施工提供参考。     

高地温隧道隔热技术研究

相对于冻土隧道冻害的大量和深入的研究,高地温隧道热害的研究并不多,而且一般都侧重于对地温场进行模拟,对施工技术措施进行探讨,或者对热害的整体水平进行总体评估;在具体的隔热措施及其降温功效方面,研究甚少。通过有限元数值模拟,对不同隔热材料在不同地温条件下的隔热效果和所需的制冷功率进行试算、分析,确定其功率值,得出相应的制冷剂用量;通过计算得出了不同隔热层厚度对应的冷能补给量,分析得出者的关系。