某寒區(qū)隧道穩(wěn)態(tài)溫度場分析

茍勝榮景 祥

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程分院，陜西 楊凌 712100 ； 2.蘭州鐵路局 中衛(wèi)工務(wù)段，寧夏 中衛(wèi) 735000）

某寒區(qū)隧道穩(wěn)態(tài)溫度場分析

茍勝榮1景 祥2

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程分院，陜西 楊凌 712100 ； 2.蘭州鐵路局 中衛(wèi)工務(wù)段，寧夏 中衛(wèi) 735000）

利用ANSYS軟件對某寒區(qū)鐵路隧道的穩(wěn)態(tài)溫度場進(jìn)行分析，得到了外界空氣以一定的速度流入隧道時隧道內(nèi)空氣、襯砌及圍巖溫度場的變化情況，并且對比分析了不同的空氣流通速度條件下溫度場的的分布情況，為寒區(qū)隧道的養(yǎng)護(hù)維修提供參考。

寒區(qū)隧道 空氣流速 圍巖 穩(wěn)態(tài)溫度場

1引言

由于寒區(qū)工程對溫度的變化非常敏感，因此在寒區(qū)修建的隧道，由于外界氣溫變化、列車運行等的影響，破壞凍土天然的水熱收支平衡，凍土地基工程穩(wěn)定性的下降，致使隧道周圍巖體原有的熱平衡條件被打破，從而導(dǎo)致地基整體下沉和不均勻沉降，隧道在縱向產(chǎn)生不均勻變形[1]，襯砌漏水、路面(隧底)冒水等現(xiàn)象，最終構(gòu)筑物發(fā)生變形、坍塌等，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)運營期間的安全性及結(jié)構(gòu)的長期壽命。融沉破壞已成為凍土地區(qū)建筑物凍害的主要原因之一[2]。

2隧道內(nèi)熱傳導(dǎo)過程

離開隧道內(nèi)壁一定距離處的圍巖稱為定溫土層，該位置處巖土層溫度為恒定。同時由于空氣與隧道周圍巖體之間的換熱，使得空氣和巖體在沿隧道軸線方向上產(chǎn)生溫度差，此時兩者在該方向上均產(chǎn)生熱傳遞。因此，列車運行條件下隧道內(nèi)溫度的變化是一個復(fù)雜的熱傳遞過程，不僅包括空氣與巖體之間的對流換熱過程，還包括空氣和圍巖各自沿隧道徑向和軸向的熱傳遞過程。

隧道內(nèi)部的熱傳遞過程包括：

（1）隧道內(nèi)空氣與周圍巖體之間的對流換熱；

（2）隧道周圍不同溫度巖體之間沿隧道徑向的熱傳導(dǎo)；

（3）隧道內(nèi)流體和隧道周圍巖體沿著隧道軸向的熱傳遞。

3有限元模型的建立

本研究以世界上最長的凍土隧道、青藏鐵路格拉段第一大控制工程昆侖山隧道為研究對象，研究不同的空氣流通速度對寒區(qū)隧道周圍巖體溫度場分布情況的影響。在建立模型時，為簡化計算，將隧道內(nèi)氣體簡化為三維不可壓縮的流體。為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，又要保證計算時少占機時和計算機內(nèi)存空間，我們將凍土計算范圍選為距離隧道12m的方形區(qū)域且去一半來進(jìn)行研究。

3.1 邊界條件

3.1.1 在對稱面上，水平方向的熱通量為0。

3.1.2 入口邊界溫度與外界大氣溫度相等：Ta=T0，此處取T0為10℃。圍巖的定溫度層邊界及深層巖土的溫度Tdw=-2.5℃，

3.1.3 出口邊界處溫度梯度為0：

3.1.4隧道內(nèi)的空氣與隧道襯砌進(jìn)行對流換熱：

其中Tt為隧道的壁面，Ta為與隧道接觸的空氣。

3.2 初始條件

傳熱過程開始時物體在整個區(qū)域中所具有的溫度為已知值，用公式表示為：隧道空氣Ta|t=0=10℃，隧道襯砌Tt|t=0=-2℃，周圍凍土圍巖Tf|t=0=-2.5℃。

4穩(wěn)態(tài)溫度場計算

采用ANSYS—Workbench模塊進(jìn)行計算，得到穩(wěn)態(tài)條件下風(fēng)速為5m/s和14m/s時溫度場的分布如圖1～6所示，從下圖可以看出，空氣流通對隧道內(nèi)徑向的影響范圍隨著離隧道口距離的增加而減小，隧道襯砌和圍巖徑向的溫度變化也愈加不明顯。

由以上云圖可分析得出，同一風(fēng)速，空氣溫度在隧道各個斷面處溫度變化很小；空氣在速度為5m/s時比速度為14m/s時溫度降低的多。說明風(fēng)速越低，空氣溫度變化就越明顯。

圖1 隧道入口處溫度場分布

圖2 距入口86m處溫度場云圖

圖3 距入口486m處溫度場云圖

圖4 距入口886m處溫度場云圖

圖5 距入口1286m處溫度場分布

圖6出口處溫度場云

從襯砌和隧道的縱向溫度場中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速對隧道的溫度場在距入口一定距離內(nèi)的影響是均勻的，在此距離以后，隧道的溫度場變化開始加劇，并且風(fēng)速越大，隧道襯砌和圍巖的溫度場變化越劇烈。隨著距隧道口距離的增大，溫度在圍巖徑向的影響深度越來越小。

5結(jié)論

5.1 在隧道的軸向，隨著離隧道口距離的增加，隧道內(nèi)的溫度變化愈不明顯。

5.2 隧道襯砌的溫度變化和空氣流速有關(guān)，隨著空氣流速的增大，隧道內(nèi)空氣與襯砌之間的熱交換越明顯，導(dǎo)致襯砌和圍巖溫度變化越大。

5.3 隨著隧道內(nèi)空氣流通速度的增加，隧道的軸向的溫度變化愈明顯。

5.4 由于隧道內(nèi)活塞風(fēng)的速度隨著列車運行速度的增加而增大，據(jù)此可以推斷，寒區(qū)鐵路隧道在提速運行時將面臨更嚴(yán)重的熱熔沉降問題。

[1]程國棟，楊成松. 青藏鐵路建設(shè)中的凍土力學(xué)問題. 力學(xué)與實踐, 2006.28(3)1-8.

[2]楊成松，何平，程國棟，施燁輝. 凍土熱融下沉研究的現(xiàn)狀和進(jìn)展. 工程地質(zhì)學(xué)報，2004（12）147-150.

[3]賴遠(yuǎn)明,吳紫汪,朱元林等.寒區(qū)隧道溫度場、滲流場和應(yīng)力場耦合的非線性分析．巖土工程學(xué)報,1999,21(5):529-533.

[4]楊凡杰. 昆侖山隧道溫度場及凍脹力分析：（碩士學(xué)位論文）. 蘭州：蘭州交通大學(xué)，2009.

[5]丁敏.季節(jié)性凍土隧道溫度分布及與應(yīng)力場耦合問題研究,重慶交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.03:1.

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