寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解
高寒公路隧道温度场研究综述
科技视界Science&Technology VisionScience&Technology Vision科技视界0引言随着高海拔高严寒地区铁路、公路隧道的逐年增多,国内外开展了一系列专门针对寒区隧道温度场的研究,并取得了一些成果。
本文主要分为理论研究与现场实测研究两部分来阐述近年来国内外在寒区隧道温度场所做的研究,并在这些基础上提出一些关于寒区隧道温度场研究方面的建议。
1寒区隧道温度场理论研究我国冻土专家针对实际工程中遇到的寒区隧道,通过数值计算进行了温度场方面的研究。
理论研究得到了寒区隧道温度场的解析解与数值解,两者联系紧密。
1.1赖远明1999年求得了寒区圆形截面隧道温度场解析解。
2003年张学富、赖远明、喻文兵等根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出三维有限元计算公式并编制了计算程序。
2010年王成,丁敏,李晓红对鄂西地区沙子垭隧道进行了温度场与应力场的二维非线性耦合分析。
2003年贺玉龙进行了温度场、渗流场与应力场三场两两耦合作用强度的量化研究。
1.22004年裴捷等根据实测盘岭隧道围岩温度数据对围岩的导热系数进行了反分析,但是采用的是一维热传导模型。
1.3关于地壳温度场研究中得到了正常增温区地温预测经验公式。
1.4对于冻胀力的计算模型归纳起来主要有冻融岩石圈整体冻胀说、局部存水冻胀说、含水风化层冻胀说三种学说。
2寒区隧道温度场现场实测研究理论研究与实验研究是密不可分的。
根据现场实测结果,得出了关于寒区隧道温度场分布的结论,进一步论证了理论计算的可靠性。
本文主要介绍寒区隧道温度场的分布规律。
2.1环境温度与隧道内气温的相互关系环境温度及洞内气温的变化具有明显的周期性。
在冬季隧道内的气温随着离洞口纵深的增大而升高,而在夏季隧道内的气温随着纵深的增大而减小。
不管是夏季还是冬季,随着纵深的增大,温度的振幅呈下降的趋势。
整体上来看隧道内气温呈现一种“冬暖夏凉”的现象。
寒区隧道工程的研究现状
隧道 （ 青藏铁 路隧道 ） ｍ。年平 均气温 一３２～ 一５ ６ ， ． ． ℃ 极端最 高气 工完成 ２ ０ ０ ３年 ９月 ～ ０４年 ３月统计资料显示部分水沟及 ２０ 温２ ３ 电缆槽 结冰 ， 盖板挤 隆起 ， 盖板道床 积冰， 拱顶渗水挂 冰 ７ ， 端 最 低 气 温 一３ ． ℃ 极 ７７
表 １ 我 国 部 分寒 区 隧道 冻 害状 况 名 称 隧道 类 型 １ 概 况 程 主要 冻 害状 况
大坂 山 部 多 年 冻 土 隧 道 地 处 青 海 省 ， 拔 ３ ０ 隧 道 全 长 Ｊ３ ｌ 局 海 ８０ ｍ， ５ ０ｎ， 年平均气温 一 ．℃ ， 端最高气温 ２．℃ ， ３１ 极 ２５ 极 １９ ９ ９年 ８月 １ 日通 乍 。 冬 季没 有 出现 明显 的渗 漏 ， 内 无 积 ８ 洞 隧 道 （ 路 隧道 ） 公 端最低气温 水 、 冰 结 ３ ℃ ， 降水 量 ８ １４ｍｉ ４ 年 ４ ． ｌ ｌ
影响极大 ， 围岩的冻结 速度 与 围岩 的渗 透系数 成正 比， 与冻
结线到地下水 面之 间的距离 成反 比。 （） ３ 围岩因素 。寒区隧道冻害的产生主要 是因为围岩冻结 膨胀受到约束而产生的冻胀力引起的。因此 ， 那些抗压强度小 、 结构不密实 、 含水量大的围岩容易产生冻胀 ， 造成破坏。
生开裂 、 变彤 ， 导致 衬砌 承载 力降低 。寒 冷环境所 带来 的 一 系列 冻害使寒区隧道工程 的设计 和施 工 面临许 多新 的问题 ，
并给后期运营维护与管理带来 闲难。
不断增多 ， 隧道冻 害 问题 随之增 多 ：部 分寒 隧道 冻 害 ，
状况统计如表 １ 列 。 所
影响寒区隧道产生冻害 的因素很 多 ， 主要有 四个方面 ： （） １ 温度 。当隧道 围岩全年散失 的热量 与外 界大气补给
【国家自然科学基金】_隔热层_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
科研热词 高温 隧道工程 隔热层厚度 隔热层 陶瓷 间断性腐蚀法 金属 电阻温度系数 热障涂层 热时间常数 地源热泵供热系统 变形 发动机 反应釜 单晶高温合金 供热负荷 传感器 mems cfd
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
科研热词 热障涂层 隔热性能 陶瓷 等离子喷涂 热释电效应 热导率 激光驱动飞片 激光技术 日盲探测器 成形能力 微成形 复合飞片 堆焊 喷涂 zro2陶瓷 pvdf lati2al9o19 algan
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
科研热词 隔热层 隧道工程 隔热油管 隔热层厚度 隔热 降温 解析解 视导热系数 联合优化 纳卫星 碳纤维格栅 真空度 电热效应 火干扰 温度场 混沌遗传算法 混凝土路面 深井巷道 方差分析 散热面 技术 寒区隧道 化冰 分段计算 冻土活动层
2008年 序号 1 2 3 4 5
科研热词 隔热结构 热敏传感器 灵敏度 响应速度 mems
推荐指数 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
科研热词 隔热层 寒区隧道 轨迹规划 解析解 熔融态混合 热障层 温度场 温度 时间分割法 日光温室 打磨机器人 强脉冲离子束 导热系数 导弹弹体内壁 季节融化深度 季节冻结深度 墙体材料 厚度 s形加减速 cfd模拟
高寒公路隧道温度场研究综述
高寒公路隧道温度场研究综述【关键词】寒区隧道；冻土；温度场；实验；现场实测0 引言随着高海拔高严寒地区铁路、公路隧道的逐年增多，国内外开展了一系列专门针对寒区隧道温度场的研究，并取得了一些成果。
本文主要分为理论研究与现场实测研究两部分来阐述近年来国内外在寒区隧道温度场所做的研究，并在这些基础上提出一些关于寒区隧道温度场研究方面的建议。
1 寒区隧道温度场理论研究我国冻土专家针对实际工程中遇到的寒区隧道，通过数值计算进行了温度场方面的研究。
理论研究得到了寒区隧道温度场的解析解与数值解，两者联系紧密。
1.1 赖远明1999年求得了寒区圆形截面隧道温度场解析解。
2003年张学富、赖远明、喻文兵等根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程，应用galerkin法推导出三维有限元计算公式并编制了计算程序。
2010年王成，丁敏，李晓红对鄂西地区沙子垭隧道进行了温度场与应力场的二维非线性耦合分析。
2003年贺玉龙进行了温度场、渗流场与应力场三场两两耦合作用强度的量化研究。
1.2 2004年裴捷等根据实测盘岭隧道围岩温度数据对围岩的导热系数进行了反分析，但是采用的是一维热传导模型。
1.3 关于地壳温度场研究中得到了正常增温区地温预测经验公式。
1.4 对于冻胀力的计算模型归纳起来主要有冻融岩石圈整体冻胀说、局部存水冻胀说、含水风化层冻胀说三种学说。
2 寒区隧道温度场现场实测研究理论研究与实验研究是密不可分的。
根据现场实测结果，得出了关于寒区隧道温度场分布的结论，进一步论证了理论计算的可靠性。
本文主要介绍寒区隧道温度场的分布规律。
2.1 环境温度与隧道内气温的相互关系环境温度及洞内气温的变化具有明显的周期性。
在冬季隧道内的气温随着离洞口纵深的增大而升高，而在夏季隧道内的气温随着纵深的增大而减小。
不管是夏季还是冬季，随着纵深的增大，温度的振幅呈下降的趋势。
整体上来看隧道内气温呈现一种“冬暖夏凉”的现象。
在隧道完全贯通之后，与贯通之前相比，各断面的气温均明显降低，年平均温度和年温度振幅都有所降低。
寒区隧道围岩导温系数及其冻深分析
普遍重视 ， 虽然在设计和施工 中采取了种种措施加 以预 防 ， 往往 不尽 人 意 。据 文献 ［］ 但 １报道 ， 我 国 在 东北 和 西 北 地 区有 ３ 铁 路 隧道 和 多座 公 路 隧 ３座
关键 词 ： 区 ；围岩 ；导温 系数 ；防水层 ；冻深 寒 中图分 类号 ：Ｔｌｌ Ｕ ｌ Ｉ 文献 标识 码 ： Ａ
１ 引 言
寒 冷 地 区 隧道 的冻 胀 危害 近 年来 引起 人 们 的
２ 工程 实例
延吉 一图们二级公路上的小盘岭隧道 ， 向两 双 车道行车， ６０ 长 ０ 余米 ， 围岩为华力西晚期花岗岩 ，
１ 位于混凝 土衬砌 内， 点 ２ ３ ４ ５ 于 围岩 内。 测 、、、 位 现场测得各点的温度变化情况如 图 ２ 所示 。
１－ Ｌ
Ｉ 阴ｌ 测 点 ｌ
究 围岩冻胀机理的重要参数心５。迄今为止 ， － 】 我国
还 没有对 寒 区 隧道 围岩 的 温度 场 进 行 过 系统 的实
３ 问题 描 述
３ １ 热 传导 方 程 ．
的特定环境， 而周 围环境的影响常体现为边界上 的 物理 状况 。实测 得 到 围岩 在 内边 界 Ｘ ｍ处 温 】 ＝Ｏ
度分 布 ｇ（ ） ｌｔ 和围岩 内一定 深 度 ｘ ．５ 。 ＝１９ｍ处 的 温 度 分布 ｇ（ｅ， 图 ４所示 ， ２ｔ 如 ） 表达 式 如下 ：
Ｏ （ ｔ） ｕ ，。
—
（） ３ （） ４
－
ｕ ，。， ｌ ＝ ｇ （。 （ ｔ）－＿ ２ ｔ）
寒区隧道温度场变化规律及空气幕保温效果
寒区隧道温度场变化规律及空气幕保温效果高焱; 耿纪莹; 贾超; 周君; 朱永全; 何本国; 钟勇强【期刊名称】《《西南交通大学学报》》【年(卷),期】2019(054)005【总页数】8页(P1047-1054)【关键词】列车风; 寒区隧道; 温度场; 空气幕; 保温效果【作者】高焱; 耿纪莹; 贾超; 周君; 朱永全; 何本国; 钟勇强【作者单位】淮阴工学院交通工程学院江苏淮安223003; 西南交通大学土木工程学院四川成都610031; 石家庄市轨道交通有限责任公司运营分公司河北石家庄050043; 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043; 东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室辽宁沈阳110819【正文语种】中文【中图分类】U451.3随着“一带一路”倡议的兴起，寒区隧道数量越来越多，冻害问题也越发普遍.温度是诱发寒区隧道冻害发生的重要因素，要解决寒区隧道冻害问题，温度场的研究势在必行.目前国内外学者开展了许多温度场方面的研究，并取得了一定的成果.Bonaicina 等[1]提出了一种带相变温度场的数值解法.Comini等[2]采用有限元方法，分析了带相变温度场的非线性问题.Harlan[3]提出了Harlan方程，首次实现了渗流场和温度场的耦合分析.赖远明等[4]采用传热学和渗流理论，提出了带相变的寒区隧道温度场、渗流场和应力场三场耦合的计算模型.夏才初等[5]采用分离变量法和Laplace变换的方法，提出了寒区隧道空气和围岩耦合传热的计算模型.谭贤君等[6]采用流体力学、传热学和空气动力学的方法，提出了考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场的计算模型.以上学者尚未涉及列车风对既有寒区隧道温度场变化规律影响的研究，然而实测资料显示，列车风对寒区隧道温度场的影响不容忽视[7]. 鉴于此，本文采用叠加原理、分离变量法和贝塞尔特征函数建立了列车风影响下寒区隧道温度场的计算模型，给出了温度场理论解的计算方法，并以哈大高铁鞍山隧道为例对其进行验证.在此基础上，采用数值分析方法研究了不同列车运行速度和运行间隔时寒区隧道温度场的分布规律，并提出了一种新型节能的寒区隧道空气幕保温系统，最后分析了列车不同运行间隔下寒区隧道空气幕保温系统的保温效果.1 不同运行时速洞内温度场分布规律1.1 计算模型以列车速度为300 km/h为例，列车通过3 km的隧道，需用时36 s，由于列车通过隧道时间较短，在此不考虑相变的影响，为了简化计算，建立了圆形隧道温度场模型，如图1所示，图中：、、、、分别为二次衬砌半径、隔热层半径、一次衬砌半径、围岩的计算内半径和外半径，其中为0.5倍隧道跨度.图1 圆形隧道温度场模型Fig.1 Temperature field model of circular tunnel该模型的热传导方程为[8]式中：t为时间分别为二次衬砌、隔热层、一次衬砌和围岩的温度、导热系数和体积比热；Tc为围岩外边界处的温度.边界条件：式中：为考虑列车风影响时隧道内气温[9].初始条件：式中：分别是二次衬砌、隔热层、一次衬砌和围岩的初始温度；为隧道壁面温度；为列车隧道内单位长度散热量；为空气与围岩对流换热系数；为隧道周长；为隧道进口处空气温度；为空气密度；为空气比热；为换热面积.该计算模型是一个非齐次边界条件的非稳态热传导问题，依据叠加原理[10]可以将其分解成3个简单的问题进行求解，如式（4）所示.1.2 模型求解（1）是处具有非齐次边界条件的稳态热传导函数，由式（5）、（6）计算可得.边界条件：将通解形式代入边界条件，得其中：由克莱姆法则，可得（2）是处具有非齐次边界条件的稳态热传导函数，由式（7）、（8）计算可得.边界条件：将通解形式代入边界条件，得由克莱姆法则，可得（3）是具有齐次边界条件的非稳态热传导函数.由分离变量法，可得边界条件：初始条件：将函数分离变量为代入式（9）可得式（12）和式（13）的通解分别为由知由得即是的零点.令为的正零点，即其固有函数为将代入方程得式中：同理可求得根据叠加原理，满足方程的解为解的最终形式为由此可得列车风影响下寒区隧道洞内空气温度解析解.1.3 算例验证采用上述计算理论，以哈大高铁鞍山隧道为例[7]，隧道半径为6.86 m，隧道长度为3 km，二次衬砌厚度为0.5 m，一次衬砌厚度为0.4 m.保温层导热系数为比热为空气与围岩对流换热系数为围岩比热为钢筋混凝土的导热系数为比热为围岩、一次衬砌、保温层和二次衬砌初始温度为5 ℃，洞口空气初始温度为-16 ℃，空气比热为空气密度为换热面积为隧道周长为列车运行速度为列车在隧道内运行时间为，洞内空气温度实测值[8]和计算值对比如图2所示.图2 实测值和计算值对比Fig.2 Comparison of field monitoring and computing data由图2知，与实测值相比，计算值偏高，其原因可能是计算值没有考虑空气与围岩对流换热系数的变化.本次计算时，空气与围岩对流换热系数为固定值而在实际工程中，随着列车风的变化，隧道沿程的空气与围岩对流换热系数是不断变化的，风速越大，对流换热系数越大.1.4 不同列车运行时速时洞内空气温度场分布规律采用上述计算理论，当列车运行速度分别为200 km/h和300 km/h，列车通过隧道时，不同列车运行时速时洞内空气温度场分布规律如图3所示.图3 不同运行时速时洞内空气温度场分布规律Fig.3 Air temperature distribution in tunnel caverns under different running speed holes由图3可知：在距离隧道洞口两端大于550 m时，随着列车运行速度增大，洞内中部空气温度降低，最大下降值约1.49 ℃；当列车运行速度大于200 km/h时，洞内空气温度均为负值，由此可见寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段，需要全隧道防寒.由上述计算理论知：列车单次通过隧道时洞内空气温度的解析解，并且分析不同列车运行时速时洞内空气温度场分布规律，但是无法考虑列车运行频率和持续时间对洞内温度场的变化规律.鉴于此，首先采用理论计算公式得出列车风、余风和自然风的洞内空气温度曲线，再拟合洞内空气温度分布函数，在ANSYS中添加该自定义温度函数来实现壁面温度的施加，开展不同运行间隔时列车风影响下寒区隧道洞内温度场的数值分析.2 不同运行间隔洞内温度场分布规律采用变量控制法，当列车运行速度为300 km/h，外界气温为 -30 ℃，围岩地温为5 ℃，时间按40 d考虑，热力学计算参数如表1所示.采用ANSYS建立三维温度场分析模型，隧道模型长度为3000 m，在隧道进出口铺设1050 m保温层（5 cm厚聚氨酯），划分的单元数为196640，节点数为207441.表1 热力学计算参数Tab.1 thermodynamic calculation parameters热传导系数/（W•m-1•℃-1）材料密度/（kg•m-3）比热/（kJ•kg-1•℃-1）钢筋混凝土24001.570.85围岩 20561.181.05聚氨酯 560.031852模型前、后、左、右以及上边界采取绝热边界条件，下边界热流密度为隧道壁面边界条件主要包括温度边界条件和导热系数边界条件，其施加方法如下：（1）通过理论分析计算出列车风、余风和自然风的温度曲线，然后拟合成温度分布函数，在ANSYS中添加该自定义温度函数来实现壁面温度的施加；（2）导热系数边界条件是通过采用式（19）计算出列车风、余风和自然风的导热系数，然后添加到ANSYS中的.式中：为隧道内列车风导热系数；为隧道水力直径，12.2 ；为隧道壁面列车风的风速；为运动粘度，取1.637 × 10-5；为普朗特数，取0.7.无竖井和迂回风道匀速行驶时列车风的风速为[11]式中：为列车运行速度；为隧道入口处局部阻力系数；为隧道出口处局部阻力系数；为隧道壁面与空气的摩擦系数；为隧道长度；为列车长度；为隧道水力直径；为列车活塞作用系数.以列车运行间隔10 min为例，时速300 km/h的列车通过3000 m长的隧道需费时36 s，由式（19）计算得到列车风风速为15 m/s（隧道壁面的风速）；在列车通过隧道后，余风会持续约90 s，余风速度约为列车风速度的1/3[12]，即5 m/s；余风作用消失后，自然风速为1.5 m/s[13]，持续到下一趟列车开始进入隧道，列车运行如图4所示.图4 列车运行情况Fig.4 Train operation diagram列车在运行过程中的湍流场对空气与隧道壁面热交换系数影响很大，需要考虑对流换热系数的变化，其计算方法如式（19）所示[9]，对流换热系数如表2所示.表2 对流换热系数Tab.2 Convective heat transfer coefficient速度/(m•s-1)λ/(×10-2W•(m•K)-1) h/(W·(m2•K)-1)15.0 （列车） 2.323.385.0 （余风）2.39.711.5.0 （自然风） 2.33.71在隧道拱顶处沿着隧道进深方向设一条监测线，在监测线上每隔300 m设立监测点，不同计算时间洞内空气温度的变化规律如图5所示.图5 不同计算时间洞内温度的变化规律Fig.5 Changing law of temperature in tunnel with various computation time由图5可知，计算时间取40 d与60 d洞内温度的变化相差不大，为了节约计算时间，后面的计算时间均按40 d考虑.当列车运行间隔分别取10、15、30 min，不同运行间隔初衬后围岩温度与隧道进深关系如图6所示.图6 不同运行间隔下初衬后围岩温度与进深关系Fig.6 Relationship between temperature behind preliminary supporting and length under different train running intervals由图6知：在外界气温为-30 ℃、围岩地温为5 ℃、列车运行间隔为30 min条件下，距离隧道洞口约350 m处初支后围岩出现负温分布，在隧道洞口铺设保温层（5 cm厚聚氨酯）已无法满足寒区隧道保温工作的要求；随着列车运行间隔的变短，隧道中部与外界气温的温差在不断减小，列车运行间隔越短，隧道内初支后温度越低，隧道保温工作越趋于不利；寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段，若列车运行频率高（列车运行间隔30 min以内），寒区长大隧道需要全隧道防寒.3 空气幕保温效果研究3.1 寒区隧道空气幕保温系统空气幕保温技术已经很成熟，广泛地应用于超市、医院、车站、工业厂房大门、矿山和矿井中，目前在已建隧道中，尚无利用空气幕保温技术的先例.空气幕保温效果类似于防寒保温门[14]，利用垂直方向的强风减少隧道洞口处内部与外界之间的热交换，从而达到保持洞内温度的目的.空气幕保温技术在寒区隧道工程存在实际应用的可行性，可以考虑联合其它的保温措施共同使用.本文提出的寒区隧道空气幕保温加热系统包括风光互补发电子系统、空气幕供暖子系统、空气幕保温子系统、PLC智能控制系统和工业补充电源：风光互补发电子系统利用风能和光能转化的电能或工业补充电源提供空气幕供暖子系统和空气幕保温子系统中的风机用电；空气幕供暖子系统通过多对热风空气幕加热隧道洞口段空气；空气幕保温子系统通过多组自然风空气幕喷射的气流减少隧道内部和外界之间的热交换；PLC智能控制系统是以隧道洞口温度和风速来调节空气幕的开启和关闭，确保洞内气温为正温的，包括PLC电路、温度传感器、风速传感器、蓄电池电能监测器和各组接触开关，PLC智能控制系统可以对系统其他部分进行控制.寒区隧道空气幕保温系统控制原理如图7所示.图7 寒区隧道空气幕保温系统控制原理Fig.7 Control Principle of air curtain insulation system to tunnel in cold region3.2 空气幕计算参数空气幕按照喷射气流的温度可以分为非加热空气幕和加热空气幕.本次计算采用加热空气幕，空气幕主要计算参数有气流喷射速度、气流喷射角度和气流阻隔效率[14].（1）气流喷射速度依据空气幕（JB/T9067—1999）规定，当气流喷射速度时，系统运行较为稳定，故本次计算中气流喷射速度（2）气流喷射角度气流喷射角度对空气幕的气流阻隔效率影响较大，一般建议是垂直向下吹风，即气流喷射角度（3）气流阻隔效率气流阻隔效率是空气幕重要的计算参数，其计算方法如式（21）.式中：和分别为空气幕运行和未运行时隧道洞口渗透风量.当时，气流阻隔效率如表3所示.表3 气流阻隔效率Tab.3 Barrier efficient of airflow自然风速/（m•s-1）1.01.52.03.04.05.0images/BZ_173_440_2204_461_2238.png0.890.790.690.46 0.290.19由表3可知：当隧道内自然风速为1.5 m/s，气流阻隔效率此时进入隧道洞口的风速为0.32 m/s.当列车通过时，列车风速很大，空气幕的气流阻隔效率很小，计算时可认为列车风风速保持不变，其值为15 m/s；余风风速为5 m/s，气流阻隔效率计算时取4 m/s.3.3 空气幕保温效果分析在隧道进出口铺设1050 m保温层（5 cm厚聚氨酯），再分别设置50 m长的保温空气幕，使得洞口保温段的温度维持在10 ℃.假设外界气温为 -30 ℃、围岩地温为5 ℃、计算时间为40 d、列车运行时速为300 km，分别取列车运行间隔为10、15 min和30 min，不同列车运行间隔计算工况如表4所示.表4 不同列车运行间隔计算工况Tab.4 Computation cases with different train running intervals项目工况1工况2工况3运行时间间隔/min 102030列车运行速度/（m•s-1） 838383列车通过时间/s 363636隧道壁面列车风风速/（m•s-1） 151515余风风速/（m•s-1） 444余风作用时间/s 909090自然风风速/（m•s-1） 0.320.320.32自然风作用时间/s 47410741674在外界气温为 -30 ℃、围岩地温为5 ℃、列车运行间隔为10 min时，计算40 d 后，隧道进口处二衬温度如图8所示.列车运行间隔为 10 min 时洞内温度与隧道进深关系如图9所示.图8 隧道进口处二衬温度Fig.8 Temperature of lining at tunnel entrance图9 列车运行间隔为10 min时洞内温度与隧道进深关系Fig.9 Relationship between tunnel temperature and tunnel length for train operation interval of 10 min由图8、9知：50 m的保温空气幕能保证隧道进口处二衬后围岩温度为正温；50 m的空气幕再加上1050 m的保温层（5 cm厚聚氨酯）对于外界气温为-30 ℃、围岩地温为5 ℃、列车运行速度为300 km/h、列车运行间隔为10 min这种极端情况，也足以起到保温防冻作用，其保温效果良好.4 结论【相关文献】[1]BONACINA C， COMINI G， FASANO A， et al.Numerical solution of phase-change problems[J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 1973，16(6)： 1852-1882. [2]COMINI C， DEL GUIDICE S， LEWIS R W， et al.Finite element solution of nonlinear heat conducti-on problems with special reference to phase change[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering， 1974， 8(6)： 613-624.[3]HARLAN R L.Analysis of coupled heat-fluid transport in partial frozen soil[J].Water Resources Research， 1973， 9(5)： 1314-1323.[4]赖远明，吴紫汪，朱元林，等.寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析[J].岩土工程学报，1999，21(5)： I Yuanming， WU Ziwang， ZHU Yuanlin， etal.Nonlinear analyses for the couple problem of temperature seepage and stress fields in cold region tunnels[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 1999， 21(5)： 529-533.[5]夏才初，张国柱，肖素光.考虑衬砌和隔热层的寒区隧道温度场解析解[J].岩石力学与工程学报，2010，29(9)： 1767-1773.XIA Caichu， ZHANG Guozhu， XIAO Suguang.（1）在外界气温为 -30 ℃、围岩地温为5 ℃、列车运行间隔为30 min条件下，在隧道洞口铺设保温层（5 cm厚聚氨酯）已无法满足寒区隧道保温工作的要求.（2）寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段，若列车运行速度大（列车运行时速200 km/h以上）、列车运行频率高（列车运行间隔30 min以内），寒区长大隧道需要全隧道防寒.（3）50 m的保温空气幕联合1050 m的保温层（5 cm厚聚氨酯）可以满足外界气温为-30 ℃、围岩地温为5 ℃、列车运行时速为300 km/h、运行间隔为10 min这种极端情况下寒区隧道的保温需求.Analytical solution to temperature fields of tunnel in cold region considering lining and insulation layer[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010， 29(9)：1767-1773.[6]谭贤君，陈卫忠，于洪丹.考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场及防寒保温材料敷设长度研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32(7)： 1400-1409.TIAN Xianjun， CHEN Weizhong， YU Hongdan.Study of temperature field of tunnel surrounding rock in cold regions considering effect of ventilation and length design of insulation material[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013， 32(7)： 1400-1409.[7]卢炜.寒冷地区高速铁路隧道内温度场变化特性及其影响[J].铁道建筑，2014，3(9)： 67-70.LU Wei.Variation characteristics and influence of temperature field in high speed railway tunnel in cold region[J].Railway Engineering， 2014， 3(9)： 67-70.[8]奥齐西克.热传导[M].俞昌铭译.北京：高等教育出版社，1984：163-172.[9]王维，王丽慧.新建地铁隧道内活塞风温度变化理论分析[J].地下空间与工程学报，2014，10(4)：962-967.WANG Wei， WANG Lihui.Theoretical analysis on temperature change of piston wind in the new subway tunnel[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2014， 10(4)： 962-967.[10]张耀，何树生，李靖波.寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解[J].冰川冻土，2009，31(1)：114-118.ZHANG Yao， HE Shusheng， LI Jingbo.Analytic solutions for the temperature fields of a circular tunnel with insulation layer in cold region[J].Journal of Glaciology and Geocryology， 2009， 31(1)： 114-118.[11]沈翔.地下铁道活塞风特性的研究[D].上海：同济大学，2004.[12]王树刚，江亿，朱颍心.北京地铁列车活塞风的实测与分析[J].暖通空调，1998，28(5)： 47-49.WANG Shugang， JIANG Yi， ZHU Yinxin.Field test and analysis of piston action ventilation in Beijing underground railway system[J].Heating Ventilating &Air Conditioning， 1998， 28(5)： 47-49.[13]中铁二院工程集团有限责任公司.铁路隧道运营通风设计规范：TB10068—2010[S].北京：中国铁道出版社，2010.[14]龙垚.寒区长大隧道温度场的三维分析及保温措施研究[D].兰州：兰州交通大学，2013.。
寒区隧道温度场分析
寒区隧道温度场分析前言寒区隧道在运营过程中常受冻害的影响，严重时甚至因冻害而报废，因此，有必要对于寒区隧道进行保温，一种措施是给隧道衬砌表面铺设保温层，下面对铺设了保温层的隧道的温度场进行分析。
1.有限元模型建立平面有限元热传导问题的计算模型，同样将隧道横断面简化为圆环，隧道跨度取为10.10m，在其内侧铺设0.05m厚的保温层，初期支护和二衬合在一起取0.70m厚，围岩取到距离衬砌混凝土12.75m处，采用ANSYS二维实体单元PLANE55划分网格。
有限元模型如图1所示，网格划分情况如图2所示。
图1 整体有限元模型图2 有限元网格划分隧道及围岩的相关物理学参数如表1所示。
材料参数 表1(kg/有限元模型的内侧（即隧道内表面）的温度条件随时间变化，函数表达式为。
其中T=31104000（s ）=360（day ）；t 以秒为单位，其变化曲线如图3所示，其年平均温度为3.6℃，年最大温差为60℃。
有限元模型下边缘的边界条件：假定离混凝土12.75m 处围岩温度保持在6℃不变。
围岩及混凝土的初始温度为6℃。
2.结果及数据分析通过建模、网格划分、施加边界条件和荷载、求解和结果后处理等过程，得到温度场分析结果。
图3 隧道衬砌表面温度变化曲线图4 二月隧道温度沿径向变化曲线图5 五月隧道温度沿径向变化曲线图6 八月隧道温度沿径向变化曲线图7 隧道十一月温度沿径向变化曲线在图4中，二月份保温层远离围岩侧温度很低，为-26.4℃，但是保温层靠近围岩侧温度则为3.0℃左右，高于零度，所以此时隧道衬砌及围岩不会产生冻害。
可见，保温层效果显著。
在图5中，五月份气温开始回升，保温层远离围岩侧温度为3.5℃左右，保温层靠近围岩侧温度为2.8摄氏度左右，然后沿径向温度逐渐上升，由此可见，保温层在气温回升时会延迟衬砌及围岩温度的回升，因此，在设置保温层时应偏保守一些，以防止在冬季环向排水管冻结，而由于保温层的作用使得在春融季节环向排水管依然冻结无法排水的情况发生。
寒区路基温度场的数值分析
寒区路基温度场的数值分析摘要：为研究片石护坡对冻土路基稳定性的影响，建立了冻土路基温度场的三维数值计算模型，并采用有限元方法对普通路基、片石护坡路基在未来50年内气温上升2.6℃情况下的温度场进行了预报分析和比较。
计算结果表明：片石护坡路基融化深度均小于普通填土路基的融化深度。
随着时间的推移，片石护坡路基对于提升冻土上限起到了一定作用。
片石护坡对路基左侧、右侧的上限抬升幅度存在差异，路基左侧0℃等温线的抬升相对于右侧的上升幅度小。
关键词: 多年冻土;路基;片石护坡;稳定性;数值分析1引言地球上多年冻土分布面积广阔，全球多年冻土面积约占陆地面积的25%，我国多年冻土面积约占国土面积的22.4%[1]，随着社会、经济的发展，多年冻土地区公路、铁路等工程建设越来越多，冻土路基普遍存在的以冻胀和融沉为主的严重病害[2~4]，目前在对冻土的保护方面，采用片石护坡是其中一个措施。
在保护冻土路基的研究方面部分学者进行了相关研究[5~7]，其特点是对边界条件、初始条件进行假设，没有考虑实际地温场的变化及路基阴阳坡差异，因此造成计算结果可能和实际结果有差异。
本文针对上述情况，考虑路基阴阳坡差异，以现场实测地温场数据为依据，考虑受全球气候变暖的影响，青藏高原多年冻土区气温升高的条件下[8]，对普通路基和片石护坡路基的温度场变化进行了分析比较，进而对多年冻土区片石护坡对路基稳定性的影响进行分析。
2计算模型参数及初、边值条件本文以年平均气温为-5.6℃的唐古拉山冻土区的某路基结构为计算模型，计算中路堤高度取为4.0m，路基顶宽7.6m，边坡坡度取为1：1.5。
计算模型见图1、2所示。
计算区域中土体的密度和导热系数根据唐古拉山区钻孔取样实测值。
土体比热按照各物质成分加权平均计算，计算区域内土体参数见表1。
计算地段的初始温度场采用实测温度场，这样使得计算边界条件更接近与现场实际情况。
图1路基横断面图（单位：m）图2 路基三维有限元计算模型表1路基的土层热物理参数土层深度(m) 岩性说明含水量(%) 容重(g/cm3) 干容重(g/cm3) 热容量(kJ/(m3·℃) 导热系数(W/m·℃)融土冻土融土冻土地面以上路基填土，砂砾土 6.0 2.30 2.17 2183.0 1693.7 1.912.610~1.4m 细砂15.0 2.4 2.09 2785.2 1994.8 2.18 3.051.4~1.9m 粘土20.0 1.95 1.63 2676.5 2208.1 1.24 1.381.9~2.4m 粘土126.5 1.47 0.65 1030.0 890.0 1.13 1.582.4m~5.4m 粘土45.0 1.91 1.32 2990.1 2203.9 0.97 1.675.4m以下砂岩及风化岩15.0 2.18 1.90 2284.6 2284.6 2.702.703控制微分方程及有限元方程由于土体初始含水量不高，考虑到土骨架和介质水的热传导和冰水相变作用，且认为未冻水含量是温度的函数，因此对于冻土的冻结和融化过程均忽略土壤水份的流动和渗透作用。
考虑衬砌和隔热层的寒区隧道温度场解析解
收稿日期：2010–01–19；修回日期：2010–04–10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878150)；交通部西部交通建设科技项目资助(2009318822047)；内蒙古自治区交通科技项目(NJ–2008–25) 作者简介：夏才初(1963–)，男，博士，1984 年毕业于中南大学采矿工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事隧道、地下建筑工程、岩石力学及 能源地下工程等方面的教学与研究工作。E-mail：tjxiaccb@
1引言
已建成的寒区隧道数量与日俱增，寒区隧道所 暴露出来的冻害问题越来越多。对隧道温度场的研 究，成为冻害研究的关键。国内多条寒区隧道进行 了温度场的现场监测及研究[1～5]，并获得了寒区隧 道径向、轴向温度变化规律以及隧道洞内温度变化 规律。这些研究成果为寒区隧道温度场理论解的求 解提供了指导，为验证理论解提供了依据。但寒区 隧道温度场监测存在滞后性以及监测费用高等缺 点，需对寒区隧道温度场的解析解进行研究，为工 程设计提供依据和指导。
T3 = T0
(5)
f (z，t) = TM，in (z) + TA，in (z) cos(ωt + ϕ)⎪⎫
⎬ (6)
ω = 2π /φ
⎪⎭
第 29 卷 第 9 期
夏才初，等. 考虑衬砌和隔热层的寒区隧道温度场解析解
寒区隧道温度场的三维有限差分分析
誓
（ １ ）
【 收稿 日期 】 ０ ６ ０ － ２ ２０－ ５２ 【 金项 目】 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（０ ７ １９ 基 国 ４３２ １ ） 【 简 介 ］ 全胜 （９ ７ ）男 ， 作者 张 １７ － ， 安徽 萧 县 人 ， 士研 究 生 。 博
程 温度 场 的分析 起 到一 定 的参 考作 用 。
１ 控 制 微 分 方 程 及 有 限差 分 公式
岩 土体介 质 微元 体 内的 能量 守 恒 原理 为 ： 入导 出微元 体 的热 量 差＋ 元 体 内热 源 产生 的热 量＝ １ 导 微 ７ 起微 元体 温度 变化 的 热量 。假 定传 热 符合 傅 立 叶定 律 ， 数 学微 分表 达式 有 如下 形式 则
了隧道 铺 设保 温材 料 和没 有 铺设 保 温 材料 时 的温 度 场１ ７ ］ 有 的很多 通 用商 业 软 件 都可 以进 行 温 度 场 的分 。现 析 ， 友 好 的界 面 和前 后处 理 形 式 受到 了工程 技 术 人员 的喜 爱 ， 是 ， 乎所 有 软 件 都 只能 对 温 度高 于 ０ｏ 其 但 几 Ｃ
关键词 ： 区； 寒 温度 场 ； 胀 力 冻 中 图 分 类号 ： ５ ． Ｕ ４ １１ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号： ６ ２ ０ ７ （０ ６ ０ － ０ ５ ０ １７ — ６ ９２ ０ ）３０ １— ６
西部 大开 发 ， 础设 施 要 先行 ， 部 地 区多 处 于多 年 冻 土 区和季 节 冻 土 区 ， 基 西 即寒 区 。在 寒 区工 程 建设 和
维普资讯
苏 州科 技学 院学 报 （ 程 技 术 版 ） 工
第 ｌ ９卷
第 ３期
Ｊ ｏ ｉｅｓｔ ｆＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｆＳ ｚ ｏ ． ｆＵｎｖ ｒｉ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｕ ｈ ｕ ｙ
隔热层对高地温隧道温度场时空演变规律的影响
隔热层对高地温隧道温度场时空演变规律的影响发布时间：2021-12-13T02:09:50.160Z 来源：《城镇建设》2021年8月24期作者：单启航[导读] 我国西部地区多高原和其他特殊地形特征，地质复杂多变单启航东南大学摘要我国西部地区多高原和其他特殊地形特征，地质复杂多变，因此隧道在选址时难以避免各种地质灾害，其中高地温灾害便是近年来越发常见和严重的一项，逐渐引起人们的关注。
近年来国内隧道工程中对高地温的研究越来越多，但总体上研究成果并不完善。
本文以高黎贡山隧道为背景，对其地质条件、高地温灾害以及地温分布等进行了研究，并利用ANSYS软件，模拟研究了隔热层对隧道衬砌及围岩温度变化的影响。
关键词：高地温温度场 ANSYS 数值模拟高黎贡山隧道1.研究背景及意义由于西部经济发展的迫切需要，近年来我国铁路公路等基础设施建设的重点逐渐向中西部转移。
西部地区地质地形复杂多变，地热异常区较多，地下水活跃，因此隧道在选址时难以避免各种地质灾害以及复杂地质段，如断层、塌方、顺层、涌水、岩溶坍塌等，其中高地温灾害便是近年来比较常见并且危害较大的一项。
我国著名的拉日铁路有6条隧道受到高地温灾害的影响，而拉林铁路的高地温隧道更是达到了8条之多。
一般来说，隧道越长、埋深越深，高地温灾害越严重，随着工程技术的发展，长大深埋隧道必将增多，随之而来的高地温等热害问题必将引起更多人的关注和重视。
我国《铁路隧道施工规范》以及《矿山安全条例》规定：隧道或地下工作场所的温度不得超过28℃；交通部规定隧道内的温度不得超过30℃。
高地温的存在，一方面将对工人的身心健康产生不利的影响，妨碍工人施工活动的开展，加大施工难度以致影响施工工期、造成安全隐患，甚至当岩温异常高时会影响到施工的可行性；另一方面高温也会影响衬砌等结构的应力分布，可能引起衬砌开裂，材料强度降低等现象，破坏隧道的稳定性和安全性，因此温度场时空变化的研究对高地温隧道的设计和施工有着重要的意义。
【国家自然科学基金】_隧道洞口段_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
推荐指数 4 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7
科研热词 隧道洞口 衬砌混凝士 海底隧道 数值模拟 弯曲荷载 半明半暗法 冻融损伤
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
科研热词 寒区隧道 地源热泵 隧道工程 浅埋偏压 软弱围岩 解析解 温度场 洞口段下沉 洞口段 洞口 模糊综合评价 有限元计算 数值模拟 数值分析 抗震风险 山岭隧道 失稳 围岩稳定性 内出进洞方式 公路隧道 供热系统 优化埋管间距 优化分析
2011年 科研热词 隧道洞口段 隧道工程 瑞利波 静动力特性 隧道 连拱隧道 进洞技术 软弱围岩 超前支护 设防长度 衬砌混凝土 联合支护 渗透性 海底隧道 浅埋隧道 洞口段 注浆加固 氯离子扩散系数 桥隧相连结构 数值模拟 抗震设防 抗震措施 抗震 影响因素 强度 围岩应力 变形 保护层厚度 仰坡 三维数值模拟 推荐指数 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2008年 序号 1 2 3 4
科研热词 蠕滑-拉裂 围岩-边坡体系 双连拱隧道 偏压
推荐指数 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
季节性冻土区隧道温度场分析与预测
天 数 ， ） 。３ 保 温层 材 料 的 厚 度设 置 为 ５ｃ 导 热 ｄ ） ｍ， 系数 取 ０ ０ （ ・ ．３ Ｗ／ ｉ Ｋ）［ 。 ） 过使 用 指 数 形 式 的 ｎ ８ ４通 ３
关键词 ： 节性 冻土 区；隧道 ；现场测试 ； 季 温度场
ＤＯＩ ０ ３ ７ ／． ｓ．６ ２— ４ Ｘ ２ １． １０ １ ：１．９ ３ ｊｉ ｎ １７ ７ １ ．０ ２ Ｏ ． １ ｓ
中图分类号 ：Ｕ４ ２ ５
文献标志码 ： Ａ
文章编号 ：１７ ７ １ ２ １ ） １ ０ ５ ０ ６ ２— ４ Ｘ（０ ２ ０ — ０ ７— ４
交替的冻融圈， 从而使衬砌结构处在冻胀力往复作用的
不利环 境 中 ， 常常造成衬砌严 重 开裂甚 至破 坏 。季节性
冻土 区隧道常 在春 融期 出现 渗漏 ， 引发 各 种 冻 害 ， 并 影
响行车安全… 。基于寒区资源开发和工程施工的需要 ，
国 内外有关 学者 对 寒 区工 程进 行 了广 泛关 注 和 深入 研
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｈ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｌ ａ ａｉｎ ｒ ｌｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｍａ ｅ ａ ｄ ｔ ｎ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｏ ｈ ｎ ｔ ｎ ｈ ｎ ｔ ｎ ｅ ｎ Ｔ ｒ ａ — ｓｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｅｄ ｖ ｒ ｔ ｕ ｅ ｎ ｒ ｌｒ ｔｒ ａｉ ａ ａ ｔ ｒ ｆＺ ｏ ｇｉ ｓ ａ ｕ ｎ ｌｏ ｕ ｐ ｎ ｉ ｉ ｏ ｈ ｏ ａ
Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｎ ｅ ｉ ｔｏ ｆＴｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｄ ｏ ｎ ｅ ｓ Ｌｏ ａ ｅ ａ ｙ ｉ ｎ ａ ｄ Ｐｒ ｄ ｃ ｉ ｎ ｏ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ Ｆｉｌ ｆＴｕ ｎ ｌ ｃ ｔ ｄ
ｉ ｅ ｓ ｎａ ｏ ｅ ｅ ｎ Ｓ ａ ｏ ｌＦｒ ｚ ｎ Ａｒ ａ
寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解
0 引言
在高原多年冻土山区开挖隧道, 在夏季隧道围 岩会发生季节性融化, 为了使冻土围岩不融化, 目 前采取的方法是在一次衬砌和二次衬砌之间加防水 隔热层. 隧道衬砌内铺设防水隔热层以后, 围岩的 温度状况如何是 值得研 究的 问题. Lai Yuanming 等[ 1] 应用摄动技术考虑相变, 推导了圆形隧道围岩 的冻结深度; Lai Yuanming 等[ 2] 考虑围岩的 热传 导和空气与围岩的对流换热, 对风火山隧道进行了 三维数值非线性温度场分析; Yigit [ 3] 运用 摄动法 对有限厚度的正弦曲线模型、液相变固相的二维热 传导问题进行了近似解析解的求解; 张学富等[ 4] 运 用有限元法分析了施工对寒区隧道融化圈的影响; 何春雄等[ 5] 建立了隧道内空气与围岩对流换热及围 岩传热模型, 分析了隧道内空气分别为层流和紊流 的情况时, 隧道内气温及围岩的温度. 到目前为止 还没有含隔热层复合衬砌的寒区隧道温度场的解析 解. 本文考虑隧道内实测气温随时间正弦变化的对 流换热边界条件, 建立隧道一次衬砌、隔热层、二
土工程方面的科研和力学方面的教学工作. E2m ail: zhangyao@ mail. lzjt u. cn
1 14
冰
川
图 1 寒区含隔热层圆形隧道 F ig. 1 Cr oss2section of a cir cular tunnel
in cold r egion wit h an insulation layer
5T4 5r
r = R4, t > 0
( 5)
T4 = T 04 , r = R5 , t > 0
( 6)
式中: A为空气与围岩的对流换热系数; T ( t ) 为隧
道内的气温; T04 为围岩外边界处的温度.
寒区隧道温度场的三维有限差分分析
(9 " /( 9 5( ; 0 ) !5< ) !* (##
$
$
*:*3,$* *3,$*"*"*35$* *=*35$* "9 "; *:*3,$* *3,$*"*"*35$* *=*35$ *
（D ） （C ）
(; % &
$
（"; 8"9 05*8 （*3,$*） "9 5 6 ) !$* (##
西部大开发， 基础设施要先行， 西部地区多处于多年冻土区和季节冻土区， 即寒区。在寒区工程建设和 运营过程中， 如青藏铁路、 青藏公路以及西气东输等工程， 遇到了很多与常规工程不同的科学与技术难题。 以寒区隧道为例， 寒区隧道与其他隧道不同， 必须分析隧道围岩的温度场， 这是寒区隧道成功与否的关键。 因为修建隧道打破了围岩的原始热平衡， 使隧道衬砌因围岩冻胀或融化沉降而发生破坏， 有的隧道由于冻 胀力的作用， 衬砌裂缝宽达 ’ ;P， 严重影响正常交通， 乃至报废。 目前对寒区隧道温度场的研究非常多， +,*) 年 Q/2<;32< 等提出相变热传导温度场的数值求解方法 !+"。
$
%
第!期
张全胜等： 寒区隧道温度场的三维有限差分分析
(8
其中 ! 和 " 分别表示冻结区域和融化区域相应的物理量； # 为单位质量含水岩土的相变潜热， " # $%。 冻结锋面是随着热传导而变化的， 是时间的函数， 冻结锋面满足温度场的连续性条件和能量的守恒条 件
$!&% &&’， &’’$"&% &&’， &’’$( !! ’ !$! !$ *!" " ’# " *% &&’ *& !) !)
高寒公路隧道温度场研究综述
高寒公路隧道温度场研究综述
李 云 邹 威 韩风 雷 刘 瑞全 （ 重庆 交通 大 学 土木 建筑 学 院 ， 中国 重 庆 ４ ０ ０ ０ ７ ４）
【 摘 要】 近年来 国内外学者针对寒 区隧道进行 了广泛的研 究。 本文将 高寒地 区公路 隧道 温度场研 究分 为理论 与现场 实测 两部分进行 总结 归纳 。 从 中得到 了相关结论。在此基础上针对寒 区隧道 温度场 的研 究提 出几点建议 ， 以供 学者在 该领域的研究进行参考。 【 关键词 】 寒 区隧道 ； 冻土 ； 温度场 ； 实验 ； 现场 实测
２ ０ １ ０ 年张 国柱、 夏才初 、 殷卓考 虑与隧道纵 向深度及 时间相关 的 非齐次对流边界条件 ． 利用叠加原理及 贝塞 尔特 征函数的正交及展 开 随着高海 拔高严寒 地区铁路 、 公 路隧道 的逐年增多 ， 国内外开展 定理 ． 得到 了寒 区隧道 围岩径 向温度 的理论解 。 目前关于在保温板设 了一系列专 门针对寒 区隧道温度场 的研究 ， 并 取得 了一些成果 。本 文 计 中 ． 共有 三种计 算保温板 厚度 的方法 ： 等效厚 度换算法 、 气 象解 析 主要分 为理论研究 与现场实测研 究两部分来 阐述近 年来 国 内外在寒 法、 有 限元模拟计算法 区隧道温度场所做 的研究 ． 并在这些基础上 提出一些关于寒 区隧道温 ２ ． ４ 隧道施工过程 中围岩温度 场变化 规律
０ 引 言
度场研究方 面的建议 。
分析 隧道在开挖过程 中．围岩温度 场的变化规律 ， 对寒 区隧道 施 工具 有很 大的意义。 在同一时刻 ， 距 离壁面越近 ， 围岩受施工的影响越 １ 寒 区隧道温度场理论研究 大 同一处 的围岩温度随着 围岩暴露时 间的延长而增加 。在未进行初 我国冻 土专家针对实际工程中遇到的寒区隧道 ． 通过 数值 计算进 期 支护之前 ， 随着 时间的增加 ， 融化 圈的范围逐渐增大 。２ ０ ０ ３年贾 晓 行了温度场方面的研究。 理论研究得到了寒 区隧道温度场 的解析解与 云等通过对昆仑山隧道的开挖模拟 ． 分析 了在隧道在 开挖后 ３ ０ ｄ 还未 施作衬砌时 ． 围岩的温度随时间的变化规律。 数值 解 ． 两者联系紧密 。 １ ． １ 赖远明 １ ９ ９ ９ 年求得了寒区圆形截面隧道温度场解析解 。 ２ ０ ０ ３ 年 寒 区隧道施 工时 ． 为 了确保混凝 土的施工质量 ． 并满足施 工人员 张学富 、 赖远明 、 喻文兵等根据考虑相变瞬态温度场 的控制微分方程 ， 及施工机械等各 方面 的因素对施工环境 温度 的要 求 ． 保护冻 土 、 避免 应用 Ｇ ａ ｌ ｅ ｒ ｋ ｉ ｎ 法推导 出三维有 限元计算公式并编制 了计算程序 。 ２ ０ １ ０ 冻土融化 ． 就必须对隧道洞 内环境温度进行控制 。 年王成 ． 丁敏 ． 李晓红对 鄂西地 区沙 子垭隧道 进行 了温度 场与应力场 ２ ０ ０ ３ 年梁 文灏 ． 黄双林通过对青藏铁路 昆仑山 、 风火 山隧道的环 的二维非线性耦合分析 。 ２ ０ ０ ３ 年 贺玉龙进行 了温度场 、 渗 流场 与应力 境温度测试 ． 综合分析得 出洞 内的环境 温度控制在一 ５ ～ ５ ℃之间时能满 场三场两两耦合作用强度 的量化研究 。 足这些要求 ２ ０ ０ ４ 年刘 志春 、 李文 江等又在施工 阶段对风火 山铁路 隧 １ ． ２ ２ ０ ０ ４ 年裴捷等根据实测盘岭隧道 围岩 温度 数据对 围岩 的导 热系 道洞 内外环境温度进行 了长期 系统 的观测与分析 。 得 出采取 了结合通 数进行 了反分析 ， 但是采用 的是一维热传导模型 。 风 的供暖 、 洞 口保温 门等综合供热 、 保温措施 ， 可 以保证 洞内环境温度 １ ． ３ 关于地壳温度场研究 中得到 了正常增温 区地温预测经验公式 。 在一 ５ ～ ９ ℃ １ ． ４ 对 于 冻胀力 的计算 模型 归纳起 来 主要 有 冻融 岩石 圈整体 冻 胀 ３ 结 束 语 说、 局部存水冻胀说 、 含水 风化层冻胀说 三种学 说。 尽管在寒 区隧道 温度场研究方 面取得 了不小 的成果 譬 如在温度 场 的分 布规律上 ． 无 论是从现场 实测结果分 析 ． 还是从数值 模拟方 面 理论研 究与实验研究 是密不 可分 的。根 据现场实测结果 ， 得出了 都很好 的解释 了隧道在 空间和时间尺度上 的变化规律 但是还有很 多 关 于寒 区隧道温度 场分 布的结论 。 进一 步论 证了理论计算 的可靠 性。 需 要 深 入 研 究 的 问题 本 文主要介 绍寒 区隧道温度场的分布规律。 ３ ． １ 针对寒区隧道 围岩原始 温度场的现场测试研究较 少。但是在 数 ２ ． １ 环境 温度与隧道内气温的相互关 系 值计算模 拟时 ．原始 温度 场对寒 区隧道冻 融圈范围 的确定却很重 要。 环境温度及 洞 内气温的变化具有明显的周期性 在冬季隧道 内的 关 于围岩的本构模型还有待研究 气 温随着离洞 口纵深的增大而升高 ． 而在夏季隧道 内的气 温随着纵深 ３ ． ２ 对予隧道冻胀力 的机制有三种解释 ． 目前 的数值 计算冻胀力 基 的增大而减小。 不管是夏季还是冬季 ， 随着纵深的增大 ， 温度 的振幅呈 本 上是基于局部存水空间的理论 还没有推导得出较为普遍适用于工 下降的趋势 。 整体 上来看 隧道内气 温呈现 一种 “ 冬 暖夏凉” 的现象。 在 程技术人员计算的简化公式 隧道完全贯通之后 ． 与贯通之前相 比。 各断面 的气温均 明显降低 ， 年平 ３ ＿ ３ 围岩裂 隙中的水 分迁徙加剧 了冻融 圈产 生的冻胀力 ．在计算 冻 均温度和年温度振幅都有所降低 胀力时往往忽略这样影响 ， 这使得冻胀力的计算与实际有所不同。 ２ ． ２ 隧道 围岩及结构温度的纵 向分布规律 ３ ． ４ 在多年冻土段加 设一次模筑 、 二次模筑 ， 甚至还有三次模 筑。究 隧道 围岩及衬砌结构在纵 向方 向上 ．不仅受到原 岩地温的影 响． 竟各 自分担多大的荷载还没有进行具体的研究。 同时还与洞 内气温及外环境温度有很大 的关系 ３ ． ５ 保温隔热层 的设 防长度 、 厚度 、 导热 系数以及材料参数 的选 取还 在隧道 贯通前 ． 洞 内的温度 由于空气对流 作用小 ． 再 加上施工 时 有待进一步研究 。 车辆排放 的尾气和 隧道爆破等 因素 ． 洞 内温度 和洞外的温度相 比有较 ３ ． ６ 寒 区隧道在 开挖过程 中． 围岩 的温度 变化受到很多 因素 的影 响 ． 高 的温度 。 在夏季 ， 围岩及衬砌 的温度在纵 向方 向上 ， 随着 隧道纵深 的 所做的研究仅仅针对 的是二维温度场分析 。目前 。 还没有 针对围岩在 增大而增大 。 在冬季 ． 施工 时会在洞 内做一些保温措施 。 诸如加火炉 升 开挖过程时， 从三维角度来分析融化圈的 变化情况。 ● 温、 在施作二次衬砌前对加热水温等 ， 使得 隧道会 在中间段温度较 高 ， 两端温度较低 。 在 隧道贯通后 ． 由于空气对 流的作用 ， 洞 内外 的相对 温 【 参考文献】 １ ］ 何川， 谢 红强． 多场耦合分析在 隧道工程中 的应用 ［ Ｍ】 戚 都： 西南交通大学 出 差减小 。 围岩 和衬砌 结构 随着距离 洞 Ｅ ｌ 的增大 ， 温度越高 ， 温度 变化 振 ［ 版社 ． ２ ０ ０ ７ ． 幅越小 。 ２ ］ 陈建 勋 ， 罗彦斌 ． 寒冷 地 区隧道温度 场的变 化规律 【 Ｊ １ ＿ 交 通运 输工 程学报 ， 隧道 围岩及结 构在纵 向的分 布规律 ． 对 于分析确定 隧道抗 防冻的 ［ ０ ０ ８ ， ８ （ ２ ） ： ４ ４ ． ４ ８ ． 设 防长度具 有很 重要的意义 洞 口段设 防长度的确定是在现场温度测 ２ ［ ３ ］ 赖 远明 ， 喻文兵 ， 吴 紫汪， 何平 ， 等． 寒 区圆形 截面隧道温度场 的解 析解Ｕ ］ ． 冰 试 之前确 定 ２ ０ ０ ５ 年孙文吴又根据鹧 鸪山隧道内的温度变化规律 ， 利 川冻 土， ２ ０ ０ １ ， ２ ３ （ ２ ） ： １ ２ ６ — １ ３ ０ ． 用传 热学和热力学第一定律求得了隔热层设 防长度的修正系数。 ［ ４ ］ 李时赞． 嫩林线西罗奇 ２ 号 隧道温度场测试研究 ［ Ｊ 】 ． 隧道及地下 工程， １ ９ ８ ９ ， １ ０ ２ ． ３ 隧道围岩及 结构温度的径向分布规律 （ ３ ） ： ５ １ － ６ ０ ． 在现场布置测温元件 ． 是按照其在径 向不 同的位置 上测试 围岩及 ［ ５ ］ 马巍， 王大雁 ． 中国冻土力学研究 ５ ０ ａ 回顾与展望 【 Ｊ ］ ． 岩土 工程学报 ， ２ ０ １ ２ ， ３ ４ 衬砌的温度分布规律。实测结果均发现 ， 衬砌表面温度 与隧道洞 内的 （ ４ ） ： ６ ２ ５ — ６ ４ ０ 空气温度保持一 致。往往在 围岩及衬砌径 深 １ ｍ范 围内 ， 温度 的变化 梯度较大 。离衬砌越远 ， 变化梯度越小 。 ［ 责任编辑 ： 曹明�
高寒地区大断面公路隧道设计、施工关键技术研究项目建议书
项目名称高海拔地区大断面公路隧道设计、施工关键技术研究项目概要（宏观描述要解决的主要问题及达到的目标）如何在高海拔地区隧道中采取行之有效的措施，以避免冻害现象的发生，是当前隧道工程界迫切需要解决的问题，为我国严寒地区的待建隧道提供可靠的防冻保温设计和施工材料，从而减轻乃至杜绝我国严寒地区隧道冻害的影响。
高海拔地区公路隧道支护结构抗冻耐久性研究；高海拔地区公路隧道防排水体系防寒保温设计研究；高海拔地区公路隧道温度场变化规律及衬砌冻胀力数值模拟研究；高海拔地区大断面公路隧道设计、施工关键技术研究建议单位：中交第一公路勘察设计研究院有限公司（公章）申报日期： 2016 年 1 月 20 日1. 申报项目基本信息申报项目基本信息表主要研究内容机电照明在高海拔地区的节能应用研究；低温混凝土施工及养护技术研究；高海拔地区公路隧道施工工艺质量控制技术研究；高海拔地区公路隧道洞口热融冰、雪与路面防滑技术应用研究。
考核指标（1）保温段隧道排水体系的温度和洞口段路面温度不低于0℃；（2）科学、合理地计算出沿隧道纵向需要铺设保温材料的长度和铺设方式、厚度以及衬砌形式，确定保温水沟设置深度、长度；（3）可显著性提高隧道防冻工程的耐久性；（4）在满足隧道防冻要求的前提下，降低隧道防冻工程造价；（5）发表研究论文不少于5篇；（6）得出适用于高原地区的照明方案，降低造价，节约能源。
依托工程基本情况本项目隧道海拔在4000m以上，其中最长隧道仲果隧道全长5300米，进口高程4280，出口高程4170。
隧址区极端最低气温-37.7℃，年平均降水量1244.3mm，最大冻深184cm（敦化），最大积雪厚度59cm。
沿线地下水丰富，以孔隙水、基岩裂隙水为主，其补给来源主要为大气降水、地下水。
项目总经费350万申请配套经费300万完成年限4年申报日期2016-12. 项目的背景和必要性1. 1研究背景高海拔地区主要是从医学角度上人体机能的适应能力加以界定的,一般指平均海拔在3000m以上的地域，主要包括高原和高山。
隧道工考试测试题(强化练习)
隧道工考试：隧道工考试测试题（强化练习）1、单选从使用电话的角度看，隧道内噪声水平应保持在（）。
A.60dB以下B.60dB以上C.65dB以下D.65dB以上正确答案：A2、单选在严寒地区隧道内修筑的浅埋保（江南博哥）温水沟，两层盖板之间保温材料的厚度应不小于（）。
A.55cmB.60cmC.65cmD.70cm正确答案：D3、单选公路隧道内的纵坡坡度在考虑通风的情况下应不大于（）。
A.1.5％B.2.0％C.2.5％D.3.0％正确答案：B4、填空题锚杆的局部布置主要用在裂隙围岩，重点加固（）。
正确答案：不稳定块体5、填空题隧道开挖时，导致坍方的原因可归结为自然因素和（）。
正确答案：人为因素6、问答题围岩分类的基本要素有哪些？正确答案：现行的许多围岩分级方法中，作为分级的基本要素大致有三大类：第Ⅰ类：与岩性有关的要素，例如分为硬岩、软岩、膨胀性岩类等。
其分级指标是采用岩石强度和变形性质等。
第Ⅱ类：与地质构造有关的要素，如软弱结构面的分布与性态、风化程度等。
其分级指标采用诸如岩石的质量指标、地质因素评分法等等。
第Ⅲ类与地下水有关的要素。
7、单选当地形开阔、石质较稳定时宜采用（）。
A.端墙式洞门B.环框式洞门C.翼墙式洞门D.遮光棚式洞门正确答案：A8、多选隧道爆破中常采用的装药结构有（）。
A.偶合装药B.连续装药C.间隔装药D.不偶合装药E.正向装药正确答案：B, C, D9、问答题试述公路隧道内路面的特殊要求。
正确答案：公路隧道内的路面需具有足够强度和耐久性，作为特殊要求，有以下各点：（1）路面材料应具有抵御水冲刷和含有化学物质的水侵蚀的能力，路面的坡度应能迅速排除清洗用水。
（2）因为车辆在隧道内的减速及制动次数较高，横向抗滑要求高，故路面需能保证车体横向稳定。
（3）容易修补。
（4）路面漫反射率高，颜色明亮，才能获得良好的照明效果，路面作为发现障碍物的背景，比墙面和顶棚有更大的、关键性的作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
( 7)
式中: T 0j ( j = 1, 2, 3, 4) 分别是一次衬砌、隔热层、
二次衬砌及围岩的初始温度.
2 问题的求解
上述数学模型是一个非齐次边界条件的非稳态 热传导问题, 为了求解该问题, 必须对边界条件及 微分方程进行处理, 将其分解成下面简单的 3 个问 题. 前两个问题易于求解, 后一个问题的求解要复 杂一些, 需要用到计算机数值分析来辅助求解. 具 体形式如下:
第 31 卷 第 1 期 2 0 0 9 年 2月
冰川冻 土
JOUR NAL OF GLACI OLOGY AND GEOCR YOLOGY
文章编号: 100020240( 2009) 0120113206
Vol. 31 No. 1 F eb. 2 0 0 9
寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解
张 耀1, 2 , 何树生1 , 李靖波1
=
K4
5 H4 5r
r = R4, t > 0
( 33)
H4 = 0, r = R5 , t > 0
( 34)
及初始条件:
Hj = T 0j
Rj < r < R j+ 1 ,
t = 0 j = 1, 2, 3, 4
( 35)
将函数 Hj ( r , t ) 分离变量为如下形式:
Hj ( r, t ) = Wj ( r ) #( t) j = 1, 2, 3, 4 ( 36)
K1
5 W1n 5r
+
AW1n =
0,
r = R1
( 39)
W1n = W2n , W2n = W3n , W3n = W4n ,
K1
5 W1n 5r
=
K2
5 W2 n 5r
,
K2
5 W2n 5r
=
K3
5 W3 n 5r
,
K3
5 W3n 5r
=
K4
5 W4 n 5r
,
r = R2 ( 40) r = R3 ( 41) r = R4 ( 42)
具有如下齐次边界条件:
K1
5 H1 5r
+
AH1 =
0,
r = R1 ,
t> 0
( 30)
H1 = H2 ,
K1
5 H1 5r
=
K2
5 H2 5r
r = R2, t > 0
( 31)
H2 = H3 ,
K2
5 H2 5r
=
K3
5 H3 5r
r = R3, t > 0
( 32)
H3 = H4 ,
K3
5 H3 5r
K1
5T 1 5r
+
A( T1 -
T( t) ) =
0
r = R1, t > 0
( 2)
T1 = T 2,
K1
5T1 5r
=
K2
5T2 5r
r = R2, t > 0
( 3)
T2 = T 3,
K2
5T2 5r
=
K3
5T3 5r
r = R3, t > 0
( 4)
T3 = T 4,
K3
5T3 5r
=
K4
有下面边界条件:
K1
5 U1 5r
+
AU1 =
0,
r = R1
( 20)
U1 = U2 ,
K1
5 U1 5r
=
K2
5 U2 5r
,
r = R2 ( 21)
U2 = U3 ,
K2
5 U2 5r
=
K3
5 U3 5r
,
r = R3 ( 22)
U3 = U4 ,
K3
5 U3 5r
=
K4
5 U4 5r
,
r = R4 ( 23)
( 14)
对微分方程( 9) 进行求解, 将 K1 = K3 = Kc , K2
= Ki , K4 = Kf 代入结果可得:
1( r) =
ln
R3 r R 2 R4
+
Kc Ki
ln
R2 R3
+
Kc Kf
ln
R4 R5
Kc AR 1
+
ln
R 1 R3 R 2 R4
+
Kc Ki
ln
R2 R3
+
Kc Kf
函数 Uj ( r ) ( j = 1, 2, 3, 4) 分别是下列与原问题
有相同定义域, 在 r= R5 处有一非齐次边界条件的
稳态热传导问题的解:
1期
张 耀等: 寒区有隔热层的圆形隧道 温度场解析解
115
Kj cj
1 r
5 5r
(
r
5 Uj 5r
)
=
0
R j < r < Rj+ 1 j = 1, 2, 3, 4 ( 19)
ln
R4 R5
( 15)
2( r) =
ln
R3 R4
+
Kc Ki
ln
r R3
+
Kc Kf
ln
R R
4 5
Kc AR 1
+
ln
R 1 R3 R 2 R4
+
Kc Ki
ln
R2 R3
+
Kc Kf
ln
R4 R5
( 16)
3( r) =
ln
r R4
+
Kc Kf
ln
R4 R5
Kc AR 1
+
ln
R 1 R3 R 2 R4
二次衬砌及围岩的温度; Kj 、cj ( j = 1, 2, 3, 4) 分别为
一次衬砌、隔热层、二次衬砌及围岩的导热系数和
体积比热.
边界条件为:
收稿日期: 2008206203; 修订日期: 2008209217 基金项目: 中国科学院知识创新工程重要方向项目( KZCX32 SW2351) ; 国家自然科学基金项目( 40730736) 资助 作者简介: 张耀( 1968 ) ) , 女, 重庆人, 兰州交通大学副教授, 1998 年在四川大学获硕 士学位, 现为在读博士 研究生, 主要从事寒区 岩
层内侧半径 R 2 , 保温层外侧半径 R3 , 隧道外径为
R4 , 围岩半径取 R5 . 计算示意图见图 1. 该问题的热传导方程[ 6] 为:
Kj cj
1 r
5 5r
(
r
5T 5r
j
)
=
5T j 5t
Rj < r < Rj+ 1 j = 1, 2, 3, 4
( 1)
式中: Tj ( j = 1, 2, 3, 4) 分别为一次衬砌、隔热层、
W4n = 0,
r = R5
( 43)
下标 n 为有无穷多个不连续的特征值 B1 < B2 <
+
Kc Ki
ln
R2 R3
+
Kc Kf
ln
R4 R5
( 17)
4( r) =
Kc Kf
ln
r R5
Kc AR 1
+
ln
R 1 R3 R 2 R4
+
Kc Ki
ln
R2 R3
+
Kc Kf
ln
R4 R5
( 18)
式中: Kc、Ki 和 Kf 分别为混凝土、隔热层和围岩的
导热系数.
2. 2 函数 Uj ( r ) 的求解
2. 3 函数 Hj ( r , t ) 的求解
函数 Hj ( r , t ) ( j = 1, 2, 3, 4) 分别是下列与原问
题有相同定义域, 具有齐次边界条件的非稳态热传
导问题的解:
Kj cj
1 r
5 5r
(
r
55Hrj )
=
5 Hj 5t
R j < r < Rj+ 1 j = 1, 2, 3, 4 ( 29)
5T4 5r
r = R4, t > 0
( 5)
T4 = T 04 , r = R5 , t > 0
( 6)
式中: A为空气与围岩的对流换热系数; T ( t ) 为隧
道内的气温; T04 为围岩外边界处的温度.
初始条件为:
T j = T0j,
R j < r < Rj+ 1 ,
t = 0 j = 1, 2, 3, 4
次衬砌和围岩的热传导方程, 运用微分方程的求解 方法对其进行求解, 得到这 4 层材料的圆形寒区隧 道温度场的解析解公式, 该解析解既可用于工程估 算也可用来校核数值计算的结果.
1 问题的数学模型
为了得到完备的解析解, 首先将隧道假设成圆
形, 其次假设传递到围岩时的热量不足以使围岩融
化, 故没有考虑相变. 隧道的计算内径为 R1, 保温
T j ( r, t) = j ( r) T( t) + Uj ( r) T04 + Hj ( r, t) Rj < r < Rj+ 1 , t > 0 j = 1, 2, 3, 4 ( 8)
冻
土
31 卷
式中: 函数 j ( r ) 、Uj ( r ) 和 Hj ( r , t ) ( j = 1, 2, 3, 4) 分
( 1. 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000; 2. 兰州交通大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730070)