寒區(qū)高速鐵路隧道溫度場理論與保溫技術(shù)研究.pdf

1、隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的興起，寒區(qū)高速鐵路隧道越來越多，寒區(qū)隧道凍害問題越發(fā)普遍。目前防寒設(shè)計多以經(jīng)驗為主，沒有形成明確的隧道寒區(qū)劃分標準，無法準確把握寒區(qū)隧道洞內(nèi)溫度場規(guī)律，更未掌握高速列車風(fēng)對寒區(qū)隧道溫度場的影響。為此，開展“寒區(qū)高速鐵路隧道溫度場理論與保溫技術(shù)研究”，通過寒區(qū)隧道凍害調(diào)查、現(xiàn)場實測、理論分析和室內(nèi)模型試驗等綜合手段，取得如下研究成果:
　　(1)調(diào)研分析156座寒區(qū)隧道凍害調(diào)研資料，將隧道寒區(qū)劃分為高緯度地區(qū)和

2、高海拔地區(qū)，并以最冷月平均氣溫和凍結(jié)深度作為寒區(qū)隧道亞區(qū)的劃分依據(jù)，對寒區(qū)進一步劃分5個亞區(qū)。依據(jù)凍害調(diào)研資料，得到不同分區(qū)設(shè)防長度與最冷月平均氣溫之間的關(guān)系曲線，并采用等效厚度換算法，推導(dǎo)保溫層厚度的計算方法。
　　寒區(qū)長大隧道結(jié)構(gòu)防寒不應(yīng)僅在洞口段，若環(huán)境氣溫低、圍巖初始地溫低、列車運行速度快或每日運行列車對數(shù)多，長大隧道需要全隧道防寒。目前常規(guī)保溫層最佳適用范圍為最冷月平均氣溫為-5℃～-15℃的地區(qū);最冷月平均氣溫在-15

3、℃以下地區(qū)，建議對洞內(nèi)環(huán)境氣溫低于-15℃的區(qū)段采取其它主動保溫措施。
　　(2)研發(fā)寒區(qū)高速鐵路隧道溫度場模型試驗系統(tǒng)，該裝置包括模型高速列車驅(qū)動系統(tǒng)、冷空氣溫度調(diào)控系統(tǒng)、圍巖溫度（地溫）調(diào)控系統(tǒng)、風(fēng)速和溫度測試系統(tǒng)及隧道模型。
　　基于寒區(qū)高速鐵路隧道溫度場模型試驗系統(tǒng)，研究不同試驗時間、洞外氣溫、圍巖地溫、列車運行速度和運行間隔等條件下寒區(qū)高速鐵路隧道溫度場的變化規(guī)律。
　　試驗結(jié)果表明，洞外氣溫每降低5℃，洞內(nèi)

4、氣溫負溫長度平均增加104m;圍巖地溫每升高5℃，洞內(nèi)氣溫負溫長度平均減少145m（不考慮自然風(fēng)的影響）;當列車運行間隔短于15min時，隧道內(nèi)氣溫變化幅度明顯增大，洞內(nèi)氣溫負溫長度明顯增加。因此，寒區(qū)高速鐵路隧道應(yīng)考慮列車行車間隔對保溫設(shè)防長度的影響。
　　(3)采用疊加原理、分離變量法和貝塞爾特征函數(shù)建立列車風(fēng)影響下寒區(qū)隧道溫度場的計算模型，得到列車風(fēng)影響下寒區(qū)隧道洞內(nèi)空氣溫度場解析解，為后文數(shù)值計算時設(shè)置洞內(nèi)空氣溫度邊界條件

5、提供依據(jù)。
　　采用Fluent軟件，建立流體和固體耦合瞬態(tài)熱傳導(dǎo)計算模型，分析不同自然風(fēng)速、洞外氣溫、圍巖地溫條件下寒區(qū)隧道洞內(nèi)空氣溫度場變化規(guī)律，并將計算結(jié)果與寒區(qū)高速鐵路隧道溫度場試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。
　　其它條件不變時，自然風(fēng)速每增加1m/s，相同位置處洞內(nèi)空氣溫度平均下降1.4℃，隧道進口的空氣溫度曲線向出口方向偏移133m，隧道出口的空氣溫度曲線向進口方向偏移48m;洞外氣溫每降低5℃，相同位置處洞內(nèi)空氣溫度平

6、均下降1.68℃;圍巖溫度每升高5℃，相同位置處洞內(nèi)空氣溫度平均上升2.9℃。
　　(4)采用Ansys建立三維溫度場分析模型，通過對比不同長度隧道的溫度場分布規(guī)律來確定出合適的模型長度，通過對比不同天數(shù)下隧道的溫度場分布規(guī)律來確定出合適的模擬計算的時間。最終以3000m長隧道、40d的模擬計算時間為基礎(chǔ)，研究不同氣溫、不同地溫條件下，有、無保溫層的圍巖的溫度場分布規(guī)律，并對保溫層的適用范圍以及保溫效果進行分析評價。
　　(

7、5)提出一種新型節(jié)能的寒區(qū)高速鐵路隧道洞口熱幕保溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)外部環(huán)境來自動調(diào)節(jié)空氣幕工作，有效減少進入隧道內(nèi)的冷空氣量及升高隧道內(nèi)空氣的溫度，且不影響正常行車安全;50m的保溫空氣幕聯(lián)合1050m的保溫層可以滿足外界氣溫為-30℃、圍巖地溫為5℃、列車運行速度為300km/h、列車運行間隔為10min這種極端情況下寒區(qū)隧道的保溫需求。
　　(6)為了研究寒區(qū)隧道襯砌背后積水位置不同時結(jié)構(gòu)的受力變化規(guī)律和破壞形式，開展寒區(qū)隧