寒区铁路隧道围岩传热规律与中心深埋水沟设置研究

摘要

由于对寒区隧道周边温度随气温变化分布规律认识不足，或低估了季冻区冻融循环的不利影响，也缺乏一套合理的防寒排水技术。使大量寒区隧道发生不同程度冻害，直接威胁隧道结构稳定及通行安全，造成巨额的经济损失。系统的数值模拟预测与现场测试反演分析，是揭示隧道温度场时空分布规律及特征、控制围岩传热特性的地质与工程因素的关键环节，但至今这方面的研究还处于初步阶段。
　　鉴于此，本论文在总结现有国内外季节性寒区隧道温度场研究的基础上，以中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题“寒区高速铁路隧道防寒排水关键技术研究”为依托，选取京沈客专瓦房店隧道开展温度场现场测试。结合实测温度数据，辅以数学推导、数值模拟等手段对寒区隧道温度场的演变规律和中心深埋水沟的设置进行了细致研究，取得的主要结论和成果如下:
　　(1)形成了一套集先进成熟的计算机技术、通信技术、数据采集技术及传感器技术于一体的寒区隧道温度场长期自动实时监测系统。
　　(2)通过对现场测试数据整理分析得:①寒区隧道温度场遵循“外变内稳”的变化规律，围岩地温梯度随隧道纵向深度和径向距离的增加均逐渐减小。②围岩的导温系数越大，热传导越快，围岩的温度与冷却速度下降也越快。
　　(3)利用实测数据确定了数值模拟的定解条件和温度荷载，反演分析了围岩综合导热系数，开展了温度场三维非线性瞬态数值模拟。分析认为:①当隧道埋深较浅时，隧道拱顶上方围岩温度受洞内壁温和大气温变的双重影响。②洞中段隧道周边等温线形状与隧道断面轮廓大致相近，随着径向距离的增加，等温线变成同心圆。
　　(4)采用控制因素法研究了围岩传热各影响因素的作用规律，计算结果显示:调热圈半径随围岩导热系数、壁面换热系数的增大而增大，随初始地温、比热和密度的增大而减小，相同温差但不同温度边界对其没有影响。热流密度最大的点发生在隧道墙脚处，并且与该处的温差成线性增函数关系。
　　(5)修正了基于恒温边界平壁模型的隧道调热圈半径解析解。引入正交数值模拟设计对影响冻结深度的各因子进行了敏感性研究，直观分析得:围岩初始地温影响最大，其次为导热系数、密度和比热，对流换热系数影响最小。
　　(6)提出了以二衬与初支交界面处温度Ts=0℃作为设置仰拱下中心深埋水沟的控制条件。证明了以历年冬季12～2月平均温度最低值加载3个月预测中心水沟埋置深度更为可靠。研究了不同壁面温度、不同围岩导热系数、不同初始地温道床底面冻结深度变化规律，并给出了部分查询表格，该结果对中心深埋水沟的设置具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 初始地温研究

1．2．2 基本热物理参数研究

1．2．3 温度场现场试验研究

1．2．4 温度场计算方法研究

1．2．5 中心深埋水沟设置研究

1．3 依托隧道工程

1．3．1 工程概况

1．3．2 地形地貌与工程地质

1．3．3 气象水文资料

1．3．4 防寒排水设计概况

1．4 主要研究内容及思路

第2章 传热学理论与有限元法

2．1 热传递基本方式

2．1．1 热传导

2．1．2 热对流

2．1．3 热辐射

2．2 导热基本概念

2．2．1 温度场的分类

2．2．2 等温面与等温线

2．2．3 温度梯度

2．2．4 热流密度

2．3 导热微分控制方程与有限元法

2．3．1 导热微分控制方程

2．3．2 热分析有限元法

2．4 定解条件

2．4．1 边界条件

2．4．2 初始条件

第3章 寒区隧道温度场现场测试与分析

3．1 试验目的

3．2 自动监测系统组成与工作原理

3．2．1 自动监测系统组成

3．2．2 工作原理

3．3 试验段测温孔布设

3．3．1 测点断面布置

3．3．2 监测点测设方案

3．4 隧道温度场现场测试成果与分析

3．5 小结

第4章 瓦房店寒区隧道数值模拟

4．1 热物理参数的确定

4．2 三维非线性瞬态温度场数值模拟

4．2．1 模型的建立

4．2．2 温度荷载与定解条件

4．2．3 数值计算与结果分析

4．3 小结

第5章 围岩传热影响因素分析及演化规律

5．1 有限元法计算二维瞬态温度场的控制方程

5．2 基本参数与调热圈理论

5．2．1 热物理参数

5．2．2 二维几何模型

5．2．3 调热圈理论

5．3 围岩传热影响因素分析

5．3．1 初始地温影响

5．3．2 围岩热物性影响

5．3．3 壁面换热系数影响

5．4 调热圈半径演化规律研究

5．4．1 调热圈半径解析解

5．4．2 基于数值模拟的调热圈半径修正

5．5 道床底面冻结深度影响因素的权重分析

5．6 小结

第6章 寒区隧道中心深埋水沟设置研究

6．1 不同围岩冻结深度研究

6．2 中心深埋水沟埋置深度研究

6．2．1 初支与二衬交界面温度解析

6．2．2 数值模拟基本思路确定

6．2．3 不同温度区域冻结深度预测

6．3 中心深埋水沟设防长度研究

6．4 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目