寒区隧道温度场的时空演化规律及温控措施研究.pdfVIP

第37卷 ，第3期 中 国 铁 道 科 学 Vo1．37 NO．3 2016年 5月 CHINA RAILWAY SCIENCE M ay，2016 文章编号 ：1001—4632 (2016)03—0046～07 寒区隧道温度场的时空演化规律及温控措施研究 周小涵 ，曾艳华 ，范 磊。，周晓军 (1．西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四jiI成都 610031； 2．中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050； 3．中铁二院工程集团有限责任公司 土建一院隧道所，四川 成都 610031) 摘 要：推导寒区隧道围岩一衬砌一气流的非稳态热传导的有限差分方程，通过在建寒区铁路隧道现场实 测温度场与计算温度场的对比，验证数值解的准确性。结果表明：隧道贯通后，随着时间的推移 ，距离衬砌表 面一定范围内衬砌和围岩的温度变化曲线呈正弦曲线，与风流温度的相同，而且越往断面径向深处 ，衬砌和围 岩的温度变化越小，相位滞后越大；隧道二衬拱顶处的温度最高，轨面处的温度最低，各测点温度平均值与拱 腰处的接近；隧道二衬温度的计算值稍低于实测的平均值，但满足工程使用精度要求；采用硬泡聚氨酯保温材 料作为隔热层，可以有效提高寒区隧道衬砌和围岩的温度，且隔热层厚度为0．05m左右时工作效率最高；外贴 式和中隔式保温隔热层均能起到良好的保温效果，而外贴式的保温效果更优；考虑到外贴式隔热层便于维护和 更换，而中隔式保温层遇水及受挤压均易变形，因此在材料及施工工艺允许的前提下，建议寒区隧道采用外贴 式保温隔热层。 关键词 ：寒区隧道 ；温度场；周期性风温；隧道衬砌；围岩 ；保温隔热层 中图分类号：U451；U452．27 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1001—4632．2016．03．07 寒区隧道温度场 的准确预测有助于设计者选择 隧道温度场的解析计算公式及隔热层简化计算方 合适的防寒抗冻措施。国内学者对多条寒区隧道进 法，而 以隧道洞 口风温及洞 内风速为边界条件 ，同 行了温度场的现场监测及研究_1]。张耀等 ]通过 时考虑空气 、衬砌、保温隔热层和围岩的对流换热 对隧道现场实测气温资料的整理，建立了圆形隧道 和热传导耦合作用的研究还未见报道。 传热方程，得到了寒区有隔热层的圆形隧道温度场 本文推导寒区隧道 围岩一衬砌一气流的非稳态 解析解和简化计算方法。肖琳等[8]利用模型试验， 热传导的有限差分方程 ，以在建的牡绥铁路绥阳隧 探讨 了地铁隧道 围岩 内部温度场的分布规律。 道为例，计算分析寒区隧道温度场随通风时间的变 M．Krarti等rg]根据能量守恒原理获得了地下风洞 化规律以及隔热层对寒区隧道温度场 的影响规律 内气体温度场的解析解。YM Lai等[1叩采用摄动技 等；并与现场的实测温度场对比，验证有限差分方 术，通过无量纲法推导出圆形隧道冻结过程温度场 程的准确度 。 的解析解。PrashantKJ等l】，SuneetSc等利用 叠加原理和分离变量方法得到了圆形断面隧道在考 1 理论推导 虑温度随坐标变化的对流边界条件下瞬态温度场的 解析解。夏才初等_】。]计算了考虑衬砌和隔热层的 在寒区隧道围岩一衬砌一气流传热系统中，冷 寒区隧道温度场解析解 。陈功胜_l】]研究了巷道围 空气与隧道衬砌和 围岩进行热交换，引起隧道围岩 岩调热圈半径及温度场分布规律。江亦元[1]和王 温度的降低。能量交换存在热传导、对流换热和热 引生 l】【。]分别对寒区昆仑山隧道的排水系统进行了 辐射 3种方式：围岩与隧道衬砌之间的能量交换属 保暖的探讨和试验研究。这些研究得到了