用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施的判定方法

摘要

本发明涉及一种用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施的判定方法，隧道洞口太阳辐射情况评价，分析寒冷及严寒地区隧道洞口的太阳辐射情况；结合隧道洞口的最冷月平均气温，利用判定公式计算环境评价系数；利用计算出的环境评价系数选择防寒排水措施。本发明克服了现有技术对防寒排水措施判定无法理论定性定量分析的缺点，提出了具有针对性的计算方法，提高了用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施判定的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道防寒领域，具体涉及一种用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施的判定方法。

背景技术

根据我国已建成严寒地区隧道冻害调查概况，隧道冻害一般是从排水通道局部结冰开始的。对我国西北某新建高速铁路隧道进行统计，部分隧道建成后存在局部排水通道结冰的情况，严重威胁行车安全。特别是隧道洞口位于山体的阴坡且气温较低的区域，结冰问题更为突出，山体的阴、阳坡判断受到太阳辐射的直接影响。

完善有效的排水系统及可靠的防寒保温措施是防止冻害的关键。我国寒冷及严寒地区隧道抗冻设防段的主要措施有防寒泄水洞、中心深埋水沟、保温水沟和电伴热系统。隧道洞口防寒排水措施设计时，通常依据设计人员的设计经验，缺乏定量的计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施的判定方法，综合考虑太阳辐射量和隧道洞口气温等影响因素，利用判定公式计算环境评价系数，选择相应的防寒排水措施。

本发明所采用的技术方案为：

用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施的判定方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：隧道洞口太阳辐射情况评价，分析寒冷及严寒地区隧道洞口的太阳辐射情况；

步骤二：结合隧道洞口的最冷月平均气温，利用判定公式计算环境评价系数；

步骤三：利用计算出的系数选择防寒排水措施。

步骤一中，隧道洞口气候环境通过隧道洞口所在坡面的方位角、自然坡度和地理纬度三个影响因素进行评价，计算出隧道洞口的太阳辐射指标，判断隧道洞口的太阳辐射情况；隧道洞口太阳辐射指标计算公式见公式(1)：

其中，I_θ为隧道洞口太阳辐射指标；I_Dθ为隧道洞口太阳直射辐射强度；I_dθ为隧道洞口太阳散射辐射强度；I_Rθ为隧道洞口获得的地面反射辐射强度；I_DN为法向太阳辐射强度，指太阳光线法线方向的太阳直射辐射强度，I_DN＝I₀×P^m，I₀为太阳常数，P为大气透明系数，m为大气质量，h为太阳高度角；i为太阳入射角，cosi＝cosθsinh+sinθcoshcos(α-γ)，γ为斜面方位角；α为太阳方位角；I_DH为水平方向太阳直射辐射强度，I_DH＝I_DNsinh＝I₀P^msinh；I_dH为水平方向太阳散射辐射强度θ为隧道洞口所在坡面的倾角；ρ_G为隧道所在坡面的地表反射率；I_h为水平方向的总辐射强度，

步骤二中，利用判定公式计算环境评价系数；环境评价系数通过公式(2)计算得到。

式中，T——洞口最冷月平均气温，℃；

I_θ——隧道洞口太阳辐射指标；

P——环境评价系数；

——太阳辐射与深埋中心水沟、保温水沟、防寒泄水洞设置长度相关系数的平均值，r₁为太阳辐射与深埋中心水沟设置长度相关系数，r′₁为太阳辐射与保温水沟设置长度相关系数，r₁″为太阳辐射与防寒泄水洞设置长度相关系数，其中计算得

——最冷月平均气温与深埋中心水沟(或电伴热丝)设置长度相关系数的平均值，r₂为最冷月平均气温与深埋中心水沟设置长度相关系数，r′₂为最冷月平均气温与保温水沟设置长度相关系数，r₂″为最冷月平均气温与防寒泄水洞设置长度相关系数，计算得

η——由已建成隧道调查统计得到的控制参数，η＝6.95。

步骤二中涉及的各个相关系数是指用来度量两个变量间的线性关系，其计算方法如公式(3)所示：

其中，Cov(X，Y)为X和Y的协方差，Var[X]为X的方差，Var[Y]为Y的方差。

步骤三中，防寒排水措施判定条件如表1所示：

表1防寒排水措施判定条件

判断系数P主要保温措施0≤P＜0.36无0.36≤P＜1.0保温水沟1.0≤P＜1.9深埋中心水沟P≥1.9防寒泄水洞

在计算太阳辐射指标时对部分变量进行赋值，其中：太阳方位角α为0，指时刻为12时的太阳方位角；P大气透明系数为0.722；隧道所在坡面的地表反射率ρ_G为0.2；太阳常数I₀取1。

保温水沟设置长度计算公式见公式(4)：

深埋中心水沟设置长度计算公式见公式(4)：

防寒泄水洞设置长度计算公式见公式(6)：

本发明具有以下优点：

本发明涉及一种用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施的判定方法，包括：隧道洞口太阳辐射情况评价，分析寒冷及严寒地区隧道洞口的太阳辐射情况；结合隧道洞口的最冷月平均气温，利用判定公式计算环境评价系数。利用计算出的环境评价系数选择防寒排水措施。本发明克服了现有技术对防寒排水措施判定无法理论定性定量分析的缺点，提出了具有针对性的计算方法，提高了用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施判定的准确性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施的判定方法，包括：

步骤一：隧道洞口太阳辐射情况评价，分析寒冷及严寒地区隧道洞口的太阳辐射情况；

步骤二：结合隧道洞口的最冷月平均气温，利用判定公式计算环境评价系数。

步骤三：利用计算出的系数选择防寒排水措施。

所述的一种用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施的判定方法，其特征在于，步骤一中，隧道洞口气候环境通过隧道洞口所在坡面的方位角、自然坡度和地理纬度三个影响因素进行评价，计算出隧道洞口的太阳辐射指标，判断隧道洞口的太阳辐射情况。隧道洞口太阳辐射指标计算公式见公式(1)：

其中，I_θ为隧道洞口太阳辐射指标；I_Dθ为隧道洞口太阳直射辐射强度；I_dθ为隧道洞口太阳散射辐射强度；I_Rθ为隧道洞口获得的地面反射辐射强度；I_DN为法向太阳辐射强度，指太阳光线法线方向的太阳直射辐射强度，I_DN＝I₀×P^m，I₀为太阳常数，P为大气透明系数，m为大气质量，h为太阳高度角；i为太阳入射角，cosi＝cosθsin h+sinθcosh cos(α-γ)，γ为斜面方位角；α为太阳方位角；I_DH为水平方向太阳直射辐射强度，I_DH＝I_DNsin>0P^msin>dH为水平方向太阳散射辐射强度θ为隧道洞口所在坡面的倾角；ρ_G为隧道所在坡面的地表反射率；I_h为水平方向的总辐射强度，

所述的一种用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施的判定方法，其特征在于，步骤二中，利用判定公式计算环境评价系数。环境评价系数通过公式(2)计算得到。

式中，T——洞口最冷月平均气温，℃；

I_θ——隧道洞口太阳辐射指标；

P——环境评价系数；

——太阳辐射与深埋中心水沟、保温水沟、防寒泄水洞设置长度相关系数的平均值，r₁为太阳辐射与深埋中心水沟设置长度相关系数，r′₁为太阳辐射与保温水沟设置长度相关系数，r₁″为太阳辐射与防寒泄水洞设置长度相关系数，其中计算得

——最冷月平均气温与深埋中心水沟(或电伴热丝)设置长度相关系数的平均值，r₂为最冷月平均气温与深埋中心水沟设置长度相关系数，r′₂为最冷月平均气温与保温水沟设置长度相关系数，r₂″为最冷月平均气温与防寒泄水洞设置长度相关系数，计算得η为由已建成隧道调查统计得到的控制参数，η＝6.95。

所述的相关系数是指用来度量两个变量间的线性关系，其计算方法如公式(3)所示：

其中，Cov(X,Y)为X和Y的协方差，Var[X]为X的方差，Var[Y]为Y的方差。

所述的一种用于寒冷及严寒地区隧道防寒排水措施的判定方法，其特征在于，步骤三中，防寒排水措施判定条件如表1所示：

表1防寒排水措施判定条件

判断系数P主要保温措施0≤P＜0.36无0.36≤P＜1.0保温水沟1.0≤P＜1.9深埋中心水沟P≥1.9防寒泄水洞

所述的隧道洞口太阳辐射指标计算公式，其特征在于，隧道洞口的太阳辐射受到太阳光线入射角、地形、云量、洞口微地形等因素的影响。我国直接测量太阳辐射的站点较少，很多地区并没有太阳辐射的观测值，需要间接计算获得，因而计算中需要选用形式简单，待定参数少的太阳辐射计算模型。为简化计算过程，本发明在计算太阳辐射指标时对部分变量进行赋值，其中：太阳方位角α为0，指时刻为12时的太阳方位角；P大气透明系数为0.722；隧道所在坡面的地表反射率ρ_G为0.2；太阳常数I₀取1。

所述的防寒排水措施判定条件，其特征在于，保温水沟设置长度计算公式见公式(4)：

所述的防寒排水措施判定条件，其特征在于，深埋中心水沟设置长度计算公式见公式(5)：

所述的防寒排水措施判定条件，其特征在于，防寒泄水洞设置长度计算公式见公式(6)：

所述的寒冷及严寒地区隧道保温水沟设置长度计算公式、深埋中心水沟设置长度计算公式、防寒泄水洞设置长度计算公式，其适用范围如下：

寒冷及严寒地区隧道保温水沟设置长度计算公式、深埋中心水沟设置长度计算公式、防寒泄水洞设置长度计算公式的拟合过程建立在我国已建成位于寒冷或严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度的基础上，隧道位置处于我国西北地区高海拔温度较低的区域，我国东北等其它寒冷或严寒地区隧道的适用性需要进一步论证；

受实测资料限制，寒冷及严寒地区隧道保温水沟设置长度计算公式、深埋中心水沟设置长度计算公式、防寒泄水洞设置长度计算公式仅适用于隧道洞口最冷月平均气温在-4.44℃至-18.0℃之间，且需要设置保温水沟的隧道，最冷月平均气温低于-18.0℃隧道洞口的适应性需要进一步验证。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。