隧道地源热泵热交换管换热引起的温度应力研究

摘要

为解决寒区隧道冻害问题,将地源热泵型供热系统应用于内蒙古博牙高速扎敦河隧道研究中.系统由取热段、加热段、热泵和分集水管路组成,可用于隧道洞口段衬砌和保温水沟加热.热交换管以串联纵向的布置形式埋设在初衬与二衬之间.系统运行时,热交换管换热引起周围衬砌温度场的变化,从而在衬砌内产生温度应力.根据扎敦河隧道实际大小,建立有限元分析模型,计算得到热交换管换热引起的温度和应力.研究结果表明:系统运行后,管周混凝土有明显的温度集中和应力集中,但影响范围小;运行期间,混凝土温度呈指数形式减小,并有一定的波动范围;温度应力以拉应力为主,并且径向温度应力小于环向温度应力;运行期间,径向温度应力变化率较小,而环向温度应力变化率较大,但长期运行后,环向温度应力趋于稳定.