寒区高速铁路隧道温度场模型试验系统的研制及应用

 基于寒区高速铁路隧道温度场研究现状及存在问题,以俄罗斯400 km/h的莫喀高铁隧道防寒保温设计为研究对象,研制不同洞外气温、围岩地温、列车运行速度和运行间隔等条件下寒区高速铁路隧道的温度场模型试验系统。该系统由高速列车模型驱动装置、隧道模型、温度控制装置、测试系统以及列车模型五部分组成：高速列车模型驱动装置采用伺服电机,通过PLC梯形图语言编程技术实现列车模型加速、匀速和减速过程的精确控制;隧道模型主体材料采用有机玻璃,通过法兰、螺栓和密封条连接而成,整个试验过程可视化并兼具美观性,还可根据试验需求通过预留多组螺栓孔实现纵向尺寸的拓展,从而模拟不同长度的隧道;温度控制装置由洞外温度控制装置和围岩地温控制装置构成;测试系统由高灵敏度的温度测试元件、风速测试元件以及数据采集仪构成;列车模型以CHR 380A高速列车为模型蓝本,主体材料采用有机玻璃,原型与模型几何相似比为50∶1。试验结果表明：采用控制变量法,洞外气温每降低5 ℃,洞内气温负温长度平均增加104 m;围岩地温每升高5 ℃,洞内气温负温长度平均减少145 m;列车运行间隔短于15 min的寒区隧道,在防冻保温设计时应考虑列车运行间隔对保温设防长度的影响。     

高地温隧道地温特征及预测研究

尼格隧道属长大深埋隧道,兼有高水温与高岩温,最高水温达63.4 ℃,最高岩温达88.8 ℃,最高气温达56.4 ℃。为了研究隧道地温特征并进行地温预测,针对性地设计了一系列地温测量方案,研究成果表明:灰岩段表现为高水温,水温＞气温＞岩温,水温与气温随着隧道进深及埋深呈现上升趋势,出水量及水温在接触带附近达到高值,洞内气温受水温、隧道出水量、积水量影响大;花岗岩段表现为高岩温,无水,岩温与气温随隧道进深及埋深呈现上升趋势,两者差值约为25~30 ℃;超前钻孔在孔深＞2 m时岩温达到稳定;一个完整施工循环的施工环境气温呈现4个阶段:气温下降阶段(打钻施工环节),气温骤升阶段(爆破施工环节),气温快速上升阶段(新爆围岩散热),气温缓降阶段(出渣施工环节),出渣环节由于车辆及挖机等机械作业影响,气温出现多处异常高值;施作二衬后,二衬内外壁温差约3.4 ℃;利用热量传递理论、地热成因理论预测的最高地温值与实测值较为吻合。该工程案例颇为典型,本文研究对西南高地热区隧道工程建设具有指导意义。     

高原冻岩隧道施工中融化圈深度对围岩稳定性的影响分析

冻岩隧道施工中，开挖、初衬、保温层和二衬等作业，产生的施工热量及洞内外空气的热交换，将影响冻土围岩原始地温场。这种地温场的扰动，破坏了冻土地层的热力学平衡。使其冻土的热物理力学性能发生改变，其中包括冻土的融沉性、冻土回冻过程的膨胀性以及隧道的稳定性等工程力学性能。因此，保护冻土、减少施工对冻土原始地温场的扰动是冻土隧道施工的重要控制因素之一。通过建立冻土围岩、支护衬砌结构、隔热保温层和洞内环境气体热力学模型，根据实际工况和实测洞内环境温度及地温，应用ANSYS有限元程序，对不同施工工况下围岩的温度场变化进行模拟，分别研究毛洞暴露时间、初衬施作时机、初衬持续时间等不同状况下，冻岩温度场的扰动规律、融化圈深度。根据不同施工方法下融化圈大小对洞室稳定性的影响，为冻土隧道施工控制和决策提供科学依据。     

大跨度隧道冒顶设计方案分析处理

针对地质条件比较复杂,冬季施工隧道初期支护受气温的变化和隧道断面较大等情况影响,该隧道穿越溶槽区域,造成隧道冒顶,分别从洞外、洞内对洞顶加强支护等设计处理措施,使其通过溶槽段,并取得了良好的效果。     

分水关隧道防排水施工技术

对分水关隧道防排水施工技术进行了详细介绍,结合该隧道水文地质条件,分别阐述了洞内,洞外排水措施及洞内防水方法,为今后同类隧道防排水施工提供了经验。     

寒冷地区隧道防冻隔温层设计计算方法及应用

本文根据隧道衬砌表面、衬砌内部、围岩内部的温度及隧道洞内外气温和风速的实测结果 ,获取了隧道温度场的分布情况以及隧道内发生冰冻段的长度和冻结深度的第一手资料。在此基础上 ,提出了增设套拱、设置防冻隔温层的防冻害结构和防冻隔温层厚度的计算方法。该防冻结构和计算方法应用于某隧道防治冻害工程取得了成功。实测结果表明防冻隔温层防治冻害的效果非常显著。     

季冻区隧道洞口段施工温度测试及分析

随着我国越来越多的隧道施工建设项目进入寒区或季冻区,对隧道施工期间温度分布及传播规律的研究极有意义.文章以季冻区白马隧道为背景,采用温度采集仪、记录仪以及电阻式温度计对隧道洞口段内外气温、热源以及围岩温度进行现场监测和数据采集.基于现场测试结果,分析隧道洞口段施工期间洞外、洞内气温变化规律和围岩内温度分布和传播规律,并...     

超大断面隧道进洞技术的探讨

以港沟隧道的工程为例,通过对超大断面隧道进洞过程中的监控量测数据分析,确定了采用超前支护、洞内开挖及洞内支护相结合的进洞施工技术的可行性。     

某深埋隧道中的高地温问题研究

以某深埋隧道中普遍存在的高地温为对象,研究了高地温对隧道施工的影响,分析了高地温热量来源、岩体传热类型,提出了高地温预测模型,最后对高地温风险进行了分类,具有一定的现实指导意义。     

公路隧道施工阶段的环保问题探讨

从公路隧道施工入手，就隧道施工阶段洞内的环境保护工作，从隧道洞内施工的环境、施工与排水中的环保、废料处理与利用方面进行了阐述，可供公路工程及相关环保工作人员参考。     

考虑衬砌和隔热层的寒区隧道温度场解析解

将隧道非齐次的瞬态传热分解为周期函数边界下的瞬态传热和恒温边界下的稳态传热,利用分离变量与Laplace变换相结合的方法,求解有保温隔热层的寒区隧道瞬态温度场的显式解析解。根据能量守恒,建立隧道洞内气体的气–固耦合传热模型,并获得洞内气体年平均温度和温度振幅的显式解析解。衬砌温度影响因素分析表明,随着隧道埋深和年平均气温的增加,二衬内、外两侧的温度呈线性增加,当年平均气温低于0℃,季冻区隧道埋深小于80m时,5cm厚隔热层很难单独满足防寒需求,应与主动供暖措施联合;随着隔热层厚度的增加,二衬的温度呈增长趋势,但增长速率却逐渐减小;当隔热层厚度超过5cm时,通过增加隔热层厚度来提高衬砌温度要考虑其经济性。依据隧址区的气候及地形条件,采用工程类比和解析解相结合的方法分段计算隔热层厚度。与实测值对比结果表明,理论解满足工程精度要求。     

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

 基于流体力学、传热学和空气动力学的基本原理与方法,推导出考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场模型,该模型包括：围岩温度场控制方程、隧道内风温场控制方程以及风流场湍流控制方程。在此基础上,采用数值分析方法探讨西藏嘎隆拉隧道通风条件下围岩温度场的变化规律及其防寒保温措施。研究结果表明：隧道未开挖前,随着季节的变化,山体浅部温度出现明显变化,该变化较明显的深度为18 m,当岩体埋深大于18 m后,岩体温度随季节的变化幅值小于0.5 ℃;隧道贯通后,由于通风影响,在环境温度最冷月(1月),隧道进出口段一定范围内的围岩温度出现了0 ℃以下的不利工况,进一步研究显示：在嘎隆拉隧道进口端600 m和出口端400 m范围内,二衬表面敷设6 cm厚的聚酚醛保温材料,可以有效地防止嘎隆拉隧道衬砌和围岩发生冻融破坏。     

寒区隧道三维温度场非线性分析

根据带相变瞬态温度场问题的热量平衡控制微分方程 ,应用Galerkin法推导出了三维有限元计算公式。根据一座已经建成的寒区隧道内的实测大气温度 ,利用三维有限元计算公式 ,计算分析了隧道铺设保温材料和没有铺设保温材料时的温度场。分析表明对隧道进行空间温度场分析是非常必要的 ,保温材料对于减小隧道围岩的冻融范围是有效的。从而 ,为寒区的实际工程设计提供理论依据和计算方法。     

多层介质寒区公路隧道保温层厚度计算的一种解析方法

新疆天山的玉希莫勒盖隧道处于高海拔季节性冻土地区,为防止冻害的发生,需要对所需保温层厚度进行研究。针对这一问题建立计算模型,采用Laplace积分变换的方法得到了由于保温作用而没有相变发生时寒区隧道温度场的解析分析方法;通过与stehfest方法对比分析,基于高斯正交法则和快速Fourier变换的Den Iseger方法具有更好的稳定性和准确性,采用该数值反演方法进行Laplace逆变换的求解。根据对玉希莫勒盖隧道的分析表明,保温层、衬砌与围岩中的温度都随着大气温度呈简谐振动;现场采用的5 cm厚保温层内外温差达9.63℃,不能保证该隧道围岩不发生冻胀现象;要保证其在设计年限内不发生冻胀所需要的最小保温层厚度为27 cm;通过对相关物理参数的分析表明：对流换热系数对固体介质的表面温度的最值影响较大,但对保温层厚度的影响较小;随着年平均气温的升高所需保温层的厚度越小,保证的安全年限越长,厚度也越大;随着地层温度的升高,所需保温层厚度逐渐减小;最后对年平均气温和地层温度的不同组合情况进行拟合分析,得出保温层厚度与这两因素的相关关系,可为该地区其他隧道的设计提供参考。     

高地温隧洞温度场数值模拟研究

以新疆某水电站高地温引水发电隧洞为依托,对高地温段引水发电隧洞在有无EPS保温隔热层下的温度场分布进行模拟研究。结果表明,距离隧洞中心越远,在有、无EPS保温隔热层条件下隧洞的温度均越高;EPS保温隔热材料厚度依次取3、5、10cm时,隧洞衬砌支护结构温度梯度明显降低,且在EPS保温隔热层处温度发生突变,突变处温度幅值依次为20.6174、26.7323、39.3442℃;EPS保温隔热层越厚,衬砌支护结构温度梯度越小,与现场实测结果极为吻合。鉴于此,在高地温引水隧洞施工过程中,可在二次衬砌前施做保温隔热层,用于阻断来自围岩深处的高温,从而降低衬砌支护结构与洞内环境温度的温差,减小二次衬砌结构所受到的温度应力,为高地温引水隧洞降温措施的设计与施工提供理论依据。     

秦岭隧道在深埋高地热条件下围岩变形的粘弹性分析

根据秦岭隧道围岩在不同温度下的蠕变试验结果,用粘弹性理论对处于深埋高地热条件下的隧道围岩粘弹性变形进行了定量的分析,指出了高温与常温条件下围岩变形存在的差异及高温条件下可能带来的问题,对及早预防高地热引起的灾害有积极的作用。     

岩土介质在冻融过程中的温度场研究及工程应用

基于"三区域"(已冻区、正冻区和未冻区)理论,建立岩土介质在冻融过程中的温度场数学模型,并将利用有限元数值计算方法得到的结果与V.J.Lunardini等得到的经典解析解结果进行对比,验证该数学模型的正确性和可靠性。在此基础上,探讨岩土介质在冻融过程中相变潜热和正冻区的大小对温度场分布的影响,并对西藏嘎隆拉隧道围岩温度场以及保温层保温效果进行数值仿真分析。研究结果表明:采用二衬表面附设保温材料方法对隧道衬砌及围岩温度影响效果明显,在二衬表面施作6 cm厚的福利凯保温层后,衬砌和围岩不会承受冻融破坏。该研究成果对于寒区隧道冻融圈大小的确定及防寒保温措施的选用具有重要的理论和现实意义。     

不同类型冻土中隧道隔热保温层铺设方式的选择

寒区隧道工程中,铺设隔热保温层可以减轻隧道冻害。隔热保温层的铺设位置不同,起到的隔热或保温效果也不同。采用有限元计算法对不同类型冻土中隔热保温层表面铺设、夹层铺设以及离壁式铺设下的围岩温度场进行了模拟,从隔热保温效果方面对3种隔热保温层铺设方式进行了对比。季节冻土受洞内与外界气温的双重影响,铺设隔热保温层无法阻止围岩冻融循环的产生;多年冻土中隔热保温层夹层铺设以及表面铺设隔热效果相差不大,但夹层铺设时,隔热保温材料遇水以及受挤压后隔热保温效果将降低,应优先采用表面铺设方式。非冻土中隔热保温层离壁式铺设的防冻效果最好,当无法采用离壁式铺设时,将隔热保温层铺设在二衬表面的防冻效果要好于隔热保温层夹层铺设,但应对拱脚位置处的防排水系统进行保温处理。     

高温围岩封闭空气夹层隔热的理论与数值分析

随着矿井开采深度的增加以及深埋隧道的发展,高地温地下空间热害问题日益突出,研究如何控制围岩散热在其热害治理中具有重要意义。结合空气夹层在建筑围护结构中保温隔热的作用,提出应用封闭空气夹层控制围岩散热量的隔热方法。利用FLUNET建模分析了巷道为不同截面形状时相应封闭空气夹层结构内的自然对流换热特性,拟合了不同形状巷道的空气夹层内平均自然对流强化系数的计算式K_ave=f(Ra,2δ₂/d₃)。得到以下结论:(1)不同形状巷道的自然对流强化情况不同,差异产生的原因是空气夹层顶部对流换热强度不同;(2)空气夹层隔热方法可有效降低巷道壁面的总放热量;(3)空气层厚度对岩壁散热量影响不显著,但巷道底部宽度对总放热量有明显影响,最佳空气层厚度为8 cm左右。