寒區(qū)鐵路隧道圍巖傳熱規(guī)律與中心深埋水溝設(shè)置研究.pdf

1、由于對寒區(qū)隧道周邊溫度隨氣溫變化分布規(guī)律認識不足，或低估了季凍區(qū)凍融循環(huán)的不利影響，也缺乏一套合理的防寒排水技術(shù)。使大量寒區(qū)隧道發(fā)生不同程度凍害，直接威脅隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及通行安全，造成巨額的經(jīng)濟損失。系統(tǒng)的數(shù)值模擬預(yù)測與現(xiàn)場測試反演分析，是揭示隧道溫度場時空分布規(guī)律及特征、控制圍巖傳熱特性的地質(zhì)與工程因素的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但至今這方面的研究還處于初步階段。
　　鑒于此，本論文在總結(jié)現(xiàn)有國內(nèi)外季節(jié)性寒區(qū)隧道溫度場研究的基礎(chǔ)上，以中國鐵路總公

2、司科技研究開發(fā)計劃重點課題“寒區(qū)高速鐵路隧道防寒排水關(guān)鍵技術(shù)研究”為依托，選取京沈客專瓦房店隧道開展溫度場現(xiàn)場測試。結(jié)合實測溫度數(shù)據(jù)，輔以數(shù)學(xué)推導(dǎo)、數(shù)值模擬等手段對寒區(qū)隧道溫度場的演變規(guī)律和中心深埋水溝的設(shè)置進行了細致研究，取得的主要結(jié)論和成果如下:
　　(1)形成了一套集先進成熟的計算機技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)及傳感器技術(shù)于一體的寒區(qū)隧道溫度場長期自動實時監(jiān)測系統(tǒng)。
　　(2)通過對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)整理分析得:①寒區(qū)隧道溫

3、度場遵循“外變內(nèi)穩(wěn)”的變化規(guī)律，圍巖地溫梯度隨隧道縱向深度和徑向距離的增加均逐漸減小。②圍巖的導(dǎo)溫系數(shù)越大，熱傳導(dǎo)越快，圍巖的溫度與冷卻速度下降也越快。
　　(3)利用實測數(shù)據(jù)確定了數(shù)值模擬的定解條件和溫度荷載，反演分析了圍巖綜合導(dǎo)熱系數(shù)，開展了溫度場三維非線性瞬態(tài)數(shù)值模擬。分析認為:①當(dāng)隧道埋深較淺時，隧道拱頂上方圍巖溫度受洞內(nèi)壁溫和大氣溫變的雙重影響。②洞中段隧道周邊等溫線形狀與隧道斷面輪廓大致相近，隨著徑向距離的增加，等溫線

4、變成同心圓。
　　(4)采用控制因素法研究了圍巖傳熱各影響因素的作用規(guī)律，計算結(jié)果顯示:調(diào)熱圈半徑隨圍巖導(dǎo)熱系數(shù)、壁面換熱系數(shù)的增大而增大，隨初始地溫、比熱和密度的增大而減小，相同溫差但不同溫度邊界對其沒有影響。熱流密度最大的點發(fā)生在隧道墻腳處，并且與該處的溫差成線性增函數(shù)關(guān)系。
　　(5)修正了基于恒溫邊界平壁模型的隧道調(diào)熱圈半徑解析解。引入正交數(shù)值模擬設(shè)計對影響凍結(jié)深度的各因子進行了敏感性研究，直觀分析得:圍巖初始地溫影