高地溫隧道溫度場(chǎng)的數(shù)值解

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高地溫隧道溫度場(chǎng)的數(shù)值解

周小涵1，2，曾艷華1，楊宗賢1，周曉軍1

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；

2.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

摘要:解決高地溫隧道熱害問(wèn)題的前提是掌握隧道結(jié)構(gòu)與高溫圍巖及隧道內(nèi)空氣間的傳熱規(guī)律。根據(jù)能量守恒定律，建立隧道空氣-隧道襯砌-高溫圍巖的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱有限差分方程，分析季節(jié)性風(fēng)溫、不同程度高地溫和鋪設(shè)隔熱層等對(duì)高地溫隧道傳熱的影響。得到了隧道開(kāi)挖后，圍巖溫度隨自然風(fēng)變化的規(guī)律、調(diào)熱圈厚度變化規(guī)律和隔熱層厚度對(duì)高地溫隧道降溫的影響等結(jié)果。研究所得結(jié)論可為高地溫隧道施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的降溫技術(shù)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高地溫隧道；溫度場(chǎng)；數(shù)值解；調(diào)熱圈；隔熱層

隨著在高地溫地區(qū)日益增多的隧道工程建設(shè)，高地溫?zé)岷?wèn)題逐漸被重視起來(lái)。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)寒區(qū)隧道問(wèn)題的研究很多，但對(duì)高地溫隧道問(wèn)題的研究相對(duì)較少。為了隧道工程結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)的安全，應(yīng)控制隧道內(nèi)氣流溫度不超過(guò)28 ℃，但是高地溫?zé)嵩吹拇嬖跁?huì)使隧道內(nèi)氣流溫度升高，從而產(chǎn)生熱害問(wèn)題。高地溫通常會(huì)帶來(lái)3個(gè)方面問(wèn)題，一是威脅施工人員的生命安全，降低生產(chǎn)效率；二是影響隧道結(jié)構(gòu)材料的耐久性，影響隧道結(jié)構(gòu)的安全；三是若隧道內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)等災(zāi)害現(xiàn)象，救援難度加大。關(guān)于隧道溫度場(chǎng)的研究基本可以分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、模型試驗(yàn)和理論計(jì)算3種。如國(guó)內(nèi)曾對(duì)多條寒區(qū)隧道進(jìn)行了溫度場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及研究[1-5]，并獲得了寒區(qū)隧道徑向、軸向溫度變化規(guī)律以及隧道洞內(nèi)溫度變化規(guī)律。張耀等[6]通過(guò)對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)氣溫資料的整理，考慮正弦規(guī)律變化的對(duì)流邊界條件，建立了圓形隧道傳熱方程，得到了寒區(qū)有隔熱層的圓形隧道溫度場(chǎng)解析解。肖琳等[7]利用模型試驗(yàn)，探討了地鐵隧道圍巖內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布規(guī)律。模型試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是較為直觀，但是理論模型往往與實(shí)際工程存在誤差，并且溫度計(jì)在高溫環(huán)境下的準(zhǔn)確性降低。Krarti等[8]根據(jù)能量守恒原理獲得了地下風(fēng)洞內(nèi)氣體溫度場(chǎng)的解析解，以及年平均溫度和年溫度振幅的解析解。Lai等[9]采用攝動(dòng)技術(shù)，通過(guò)無(wú)量綱法推導(dǎo)出圓形隧道凍結(jié)過(guò)程溫度場(chǎng)的解析解。Prashant等[10-11]利用疊加原理和分離變量方法得到了圓形斷面隧道在考慮溫度隨坐標(biāo)變化的對(duì)流邊界條件下瞬態(tài)溫度場(chǎng)的解析解。邵珠山等[12]等利用無(wú)量綱量和微分方程級(jí)數(shù)求解的方法，得到了高地溫隧道溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的熱彈性理論解。陳功勝[15]研究了巷道圍巖調(diào)熱圈半徑及溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究。夏才初等[16]研究了寒區(qū)隧道不同類型凍土段隔熱層鋪設(shè)厚度計(jì)算方法。邵珠山等[17]分析了高地溫隧道溫度與熱應(yīng)力場(chǎng)的彈性理論解。本文以大瑞鐵路高黎貢山隧道的高地溫問(wèn)題為研究對(duì)象，推導(dǎo)出高地溫隧道圍巖-襯砌-氣流的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱公式，通過(guò)建立有限差分方程，計(jì)算得到高地溫隧道溫度場(chǎng)隨通風(fēng)時(shí)間的變化情況、溫差對(duì)傳熱的影響以及隔熱層對(duì)高地溫隧道溫度的影響等結(jié)果。

1理論推導(dǎo)

高地溫隧道圍巖-襯砌-氣流傳熱系統(tǒng)中，熱量從圍巖深處向隧道內(nèi)的氣流傳遞，引起隧道內(nèi)氣流溫度的升高。在這樣一個(gè)過(guò)程中，存在熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和熱輻射3種傳熱方式：圍巖及隧道襯砌的傳熱屬于熱傳導(dǎo)；襯砌與隧道內(nèi)氣流之間的傳熱則既含有對(duì)流換熱，又有熱的輻射，相對(duì)與對(duì)流換熱而言，隧道襯砌與氣流間的熱輻射引起的熱量傳遞要小得多，故忽略不計(jì)；隧道內(nèi)的氣流自身也存在熱交換，這種熱交換使得隧道內(nèi)的氣流溫度趨于平均分布。故研究隧道圍巖-襯砌-氣流系統(tǒng)的傳熱過(guò)程主要是指圍巖與隧道襯砌的導(dǎo)熱和隧道襯砌與氣流之間的對(duì)流換熱。

1.1　隧道橫斷面?zhèn)鳠岬目刂品匠?/h2>

取高地溫隧道溫度場(chǎng)計(jì)算模型如圖1所示。

圖1　高地溫隧道溫度場(chǎng)計(jì)算模型Fig.1 Heat conduction model of tunnel in high-temperature geothermal region

隧道溫度場(chǎng)的形成及重新調(diào)整屬于導(dǎo)熱過(guò)程，笛卡爾坐標(biāo)系中三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程的一般形式為[13]：

(1)

式中：φ為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一給定面積的熱量，W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；t為襯砌或圍巖內(nèi)部任一點(diǎn)溫度，℃；τ為通風(fēng)時(shí)間，s。

隧道圍巖在徑向傳熱量遠(yuǎn)大于其軸向[14]，隧道斷面面積相對(duì)于研究區(qū)域很小，洞內(nèi)氣溫只沿隧道軸線方向變化，假定圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)λ為常數(shù)，并且溫度場(chǎng)是無(wú)內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)分布，則微分方程(1)可轉(zhuǎn)化成柱坐標(biāo)形式：

(2)

式中：r為襯砌或圍巖中任一點(diǎn)到隧道中心的距離，m；k為襯砌或圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；ρ為襯砌或圍巖的密度，kg/m3；cp為襯砌或圍巖的恒壓比熱容，J/kg·℃。

1.2　控制方程離散化

隨著時(shí)間的延續(xù)，受氣流溫度影響的圍巖厚度(調(diào)熱圈)是變化的，即氣流與圍巖的傳熱量隨時(shí)間在變化。隨著時(shí)間的延續(xù)，圍巖調(diào)熱圈厚度有一極限值。

本文中，高地溫隧道二維非穩(wěn)態(tài)傳熱分析基于如下假定：

1)隧道橫斷面為圓形，其半徑采用等效水力半徑；

2)對(duì)于圍巖和每一種襯砌而言，都為獨(dú)立的為各向同性、均勻的連續(xù)介質(zhì)；

3)在通風(fēng)0時(shí)刻，襯砌溫度等于圍巖原溫，圍巖原溫沿徑向不變；

4)隧道內(nèi)氣流與壁面發(fā)生對(duì)流換熱。

對(duì)隧道圍巖區(qū)域進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，沿徑向，將二襯、初襯和隔熱層按等厚劃分網(wǎng)格，如圖2所示。淺部圍巖溫度梯度大，深部圍巖溫度梯度較小，且離隧道壁面越遠(yuǎn)，圍巖溫度越高，越接近原始巖溫[15]。

圖2　差分節(jié)點(diǎn)劃分示意圖Fig.2 Picture of knot division about difference equation

1.3　控制方程差分格式建立

1.3.1內(nèi)部網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)的溫度近似表達(dá)式推導(dǎo)

對(duì)于內(nèi)部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，用偏微分方程的替代法建立中心有限差分方程，求出其一階、二階偏導(dǎo)數(shù)并代入公式(2)中，可得內(nèi)部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)溫度tj,n的近似表達(dá)公式：

(3)

1.3.2對(duì)流邊界節(jié)點(diǎn)的溫度近似表達(dá)式推導(dǎo)

對(duì)流邊界傳熱模型如圖3所示。

根據(jù)能量守恒，有：

圖3　對(duì)流邊界點(diǎn)傳熱模型Fig.3 Heat transfer model of convective boundary point

(4)

整理式(4)可得對(duì)流邊界溫度t1,n+1的近似表達(dá)公式：

(5)

1.3.3復(fù)合材料交點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的溫度近似表達(dá)式推導(dǎo)

復(fù)合材料距離步長(zhǎng)、傳熱介質(zhì)的熱物性參數(shù)均不同，可按能量守恒法來(lái)推導(dǎo)。其傳熱模型如圖4所示。

圖4　復(fù)合材料交界點(diǎn)傳熱模型Fig.4 Heat transfer model of the point of intersection of composite materials

節(jié)點(diǎn)j所在的單元控制體積內(nèi)包含了2種材料，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，必須求出(ρcp)項(xiàng)的當(dāng)量值，其值可由下式給出：

(6)

根據(jù)能量守恒可得：

(7)

整理式可得復(fù)合材料交點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的溫度tj,n+1的近似表達(dá)式：

tj,n+1=(Qa-j+Qb-j)·Δτ/((ρ·

(8)

2算例分析

應(yīng)用上述公式推導(dǎo)，應(yīng)用有限差分法，以大瑞鐵路高黎貢山隧道為例，預(yù)測(cè)計(jì)算在高地溫環(huán)境作用下隧道襯砌與圍巖的溫度場(chǎng)分布規(guī)律。高黎貢山隧道是國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，根據(jù)工可文件地勘資料，隧道線路上存在高達(dá)76℃的高溫巖層段。故而必須對(duì)高溫環(huán)境下隧道安全建設(shè)和列車的安全運(yùn)營(yíng)做深入研究。

隧道由襯砌和圍巖2部分組成，等效半徑R=3.11 m，對(duì)流換熱系數(shù)取為15 W/(m2·℃)，隔熱材料選用硬質(zhì)聚氨酯泡沫板，根據(jù)隧道工可地質(zhì)勘察資料，各介質(zhì)材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　介質(zhì)材料參數(shù)

2.1　季節(jié)性風(fēng)溫對(duì)襯砌及圍巖溫度場(chǎng)的影響

選取76 ℃的原始巖溫作為初始巖溫。根據(jù)工可資料中依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛸Y料做出的預(yù)測(cè)，隧道高溫段氣流溫度取以1 a為周期呈正弦規(guī)律變化的函數(shù)見(jiàn)式(9)：

(9)

計(jì)算通風(fēng)時(shí)間為10年，襯砌(r=3.71m為襯砌與圍巖交界點(diǎn))和圍巖的溫度變化如圖5所示。

圖5　季節(jié)性風(fēng)溫對(duì)圍巖溫度場(chǎng)的影響Fig.5 Relationships betweenseasonal wind and temperature field in surrounding rocks

由計(jì)算結(jié)果可知，距離壁面一定范圍內(nèi)的圍巖溫度以與風(fēng)流溫度相同的周期變化，徑向越深處，相位滯后越大；隨著深度增加，圍巖溫度振幅劇烈衰減，在r≈6.5 R時(shí)，振幅衰減為0，深度繼續(xù)增加，圍巖溫度不再隨氣溫做周期性變化。

2.2　溫差對(duì)襯砌及圍巖溫度場(chǎng)的影響

風(fēng)溫取tf=18 ℃，圍巖初始溫度取tg=76/50 ℃，計(jì)算通風(fēng)時(shí)間2 a，計(jì)算完成時(shí)圍巖溫度情況見(jiàn)圖6。

圖6　不同巖溫對(duì)風(fēng)流與圍巖傳熱的影響Fig.6 Trend of temperatures of rocks with different initial rock temperature

圍巖初始溫度取tg=76 ℃，風(fēng)溫取tf=18 ℃/28 ℃，計(jì)算通風(fēng)時(shí)間2 a，計(jì)算完成時(shí)圍巖溫度情況見(jiàn)圖7。

圖7　不同風(fēng)溫對(duì)風(fēng)流與圍巖傳熱的影響Fig.7 Trend of temperatures of rocks with different initial wind temperature

由計(jì)算結(jié)果可知：

1)通風(fēng)前期，風(fēng)流與壁面的溫差不同導(dǎo)致熱交換量差別較大，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，熱交換量趨于相等；

2)溫差越大，圍巖溫度變化越明顯，反之，則越微弱。這種影響僅在距壁面較近范圍內(nèi)表現(xiàn)出來(lái)，隨著半徑的增加，這種影響逐漸減弱；

3)溫差對(duì)調(diào)熱圈的厚度沒(méi)有影響。

2.3　隔熱層對(duì)襯砌及圍巖溫度場(chǎng)的影響

圍巖初始溫度取tg=76 ℃，風(fēng)溫取tf=18 ℃，將隔熱材料加在二襯與初襯之間，取隔熱層厚度分別為0，2，4，6，8和10 cm等6種情況來(lái)分析隔熱層對(duì)隧道內(nèi)氣流溫度的影響，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8　隔熱層對(duì)隧道內(nèi)氣流溫度的影響Fig.8 Relationships between heat insulation layer and airflow temperature

由計(jì)算結(jié)果可知：

1)采用隔熱層，可以有效降低隧道內(nèi)氣流溫度。

2)隔熱層厚度越大，隧道壁面溫度降低的越快，圍巖與氣流間的熱交換量越少。

3)隔熱層厚度為4~6 cm時(shí)，工作效率最高；厚度大于6 cm時(shí)，繼續(xù)增加厚度而帶來(lái)的降溫效果不再很明顯，通過(guò)增加隔熱層厚度來(lái)降低隧道內(nèi)氣流溫度的效果是有限的。

2.4　工程應(yīng)用

在初襯和二襯間鋪設(shè)4 cm厚硬質(zhì)聚氨酯泡沫板隔熱材料(導(dǎo)熱系數(shù)0.027W/(m·oC))，對(duì)76℃高溫?cái)嗝孢M(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。計(jì)算氣溫采用式(9)所示預(yù)測(cè)氣溫函數(shù)。隧道壁面和初襯背后節(jié)點(diǎn)溫度隨計(jì)算時(shí)間的分布曲線如圖9所示。

從圖9可以看出，鋪設(shè)了4 cm厚硬質(zhì)聚氨酯泡沫板隔熱材料，在計(jì)算周期內(nèi)，隧道壁面溫度和二襯背后溫度都有隨風(fēng)流溫度周期性變化的趨勢(shì)。第1 a內(nèi)壁面溫度最高為27.8 ℃，最低為7.6 ℃，整體溫度逐年緩慢下降。隧道內(nèi)溫度滿足使用要求。

圖9　壁面和初襯背后節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖(周期性風(fēng)溫)Fig.9 Temperature of tunnel section with heat insulation layer under forecast airflow temperature

根據(jù)2.3和2.4中對(duì)隔熱層厚度及實(shí)際預(yù)測(cè)風(fēng)流溫度下隧道溫度場(chǎng)的分析，建議高黎貢山隧道高溫段隔熱層設(shè)置在初期支護(hù)與二次襯砌之間，厚度至少為4 cm。

3結(jié)論

1)在溫度場(chǎng)計(jì)算初期，距離壁面較近位置的襯砌和圍巖溫度變化最為顯著，距離壁面一定范圍內(nèi)的襯砌和圍巖溫度以與風(fēng)流溫度相同的周期變化，徑向越深處，相位越滯后。

2)隧道開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖溫度場(chǎng)重分布。隨著時(shí)間的延續(xù)，受氣流溫度影響的圍巖厚度(調(diào)熱圈)不斷增大直某一峰值。計(jì)算得到，周期性自然風(fēng)作用10 a，隧道開(kāi)挖造成的圍巖溫度變化范圍為26倍隧道水力半徑。圍巖與氣流之間的溫差越大，圍巖的溫度變化越明顯，但這種影響僅表現(xiàn)在靠近隧道壁面的圍巖中，溫差并不影響圍巖調(diào)熱圈的大小。

3)采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫板作為隔熱材料，可以有效地阻止圍巖向洞內(nèi)氣流傳熱，降低洞內(nèi)氣流溫度。隔熱層厚度在4~6 cm時(shí)，工作效率最高，繼續(xù)增加隔熱層厚度帶來(lái)的效果不明顯。鋪設(shè)了4 cm厚硬質(zhì)聚氨酯泡沫板隔熱材料后，計(jì)算周期內(nèi)，高溫段隧道內(nèi)溫度在28 ℃以下，滿足運(yùn)營(yíng)使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 乜風(fēng)鳴.寒冷地區(qū)鐵路隧道氣溫狀態(tài)[J].冰川凍土，1988，10(4)：450-453.

NIE Fengming.Dynamic state of air temperature in railway tunnel in cold regions[J].Journal of Glaciology and Geocryology，1988，10(4)：450-453.

[2] 張先軍.青藏鐵路昆侖山隧道洞內(nèi)氣溫及地溫分布特征現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(6)：1086-1089.

ZHANG Xianjun.Field experiment on distribution characters of air temperature and ground temperature in Kunlunshan tunnel of Qinghai—Tibet railway[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(6)：1086-1089.

[3] 孫文昊.寒區(qū)特長(zhǎng)公路隧道抗防凍對(duì)策研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

SUN Wenhao.Study on frost-resisting and anti-freezing strategies of extra-long highway tunnel in cold area[D].Chengdu：Southwest Jiaotong University，2005.

[4] 張德華，王夢(mèng)恕，任少?gòu)?qiáng).青藏鐵路多年凍土隧道圍巖季節(jié)活動(dòng)層溫度及響應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(3)： 614-619.

ZHANG Dehua， WANG Mengshu， REN Shaoqiang.Experimental study of temperature and response of seasonal active layer of tunnel′s surrounding rock in permafrost region on Qinghai—Tibet plateau[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2007，26(3)：614-619.

[5] 陳建勛，羅彥斌.寒冷地區(qū)隧道溫度場(chǎng)的變化規(guī)律[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008，8(2)：44-48.

CHEN Jianxun， LUO Yanbin.Changing rules temperature field for tunnel in cold area[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering，2008，8(2)：44-48.

[6] 張耀，何樹(shù)生，李靖波.寒區(qū)有隔熱層的圓形隧道溫度場(chǎng)解析解[J].冰川凍土，2009，31(1)：114-118.

ZHANG Yao， HE Shusheng， LI Jingbo.Analytic solutions for temperature fields of a circular tunnel with insulation layer in cold region[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2009，31(1)：114-118.

[7] 肖琳，楊成奎，胡增輝，等.地鐵隧道圍巖內(nèi)溫度分布規(guī)律的模型試驗(yàn)及其熱導(dǎo)率反算研究[J].巖土力學(xué)，2010，31(增刊2)：86-91.

XIAO Lin， YANG Chengkui， HU Zenghui， et al.Model test on temperature distribution in metro tunnel surrounding rock and inverse calculation of its thermal conductivity[J].Rock and Soil Mechanics，2010，31(Supp 2)：86-91.

[8] Krarti M，Kreider J F.Analytical model for heat transfer in an underground air tunnel[J].Energy Conversion and Management，1995，37(10)：1561-1574.

[9] Lai Y M， Liu S Y，Wu Z W，et al.Approximate analytical solution for temperature fields in cold regions circular tunnels[J].Cold Regions Science and.Technology，2002(34)：43-49.

[10] Prashant K J，Suneet S，Rizwan Uddn.Analytical solution to transient asymmetric heat conduction in a multilayer annulus[J].Journal of Heat Transfer，2009，131(1)：1-7.

[11] Suneet S，Prashant K J，Rizwan Uddin.Analytical solution to transient heat conduction in polar coordinates with multiple layers in radial direction[J].International Journal of Thermal Sciences，2008，47：261-273.

[12] 邵珠山，喬汝佳，王新宇.高地溫隧道溫度與熱應(yīng)力場(chǎng)的彈性理論解[J].巖土力學(xué)，2013，34(增刊1)：1-8.

SHAO Zhushao， QIAO Rujia， WANG Xinyu.Elasticity solution for temperature and stress fields of tunnels with high geothermal temperature[J].Rock and Soil Mechanics，2013，34(Supp 1)：1-8.

[13] 俞佐平.傳熱學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，1985.

YU Zuping.Heat trasfer[M].2nd Edition.Beijing: Higher Education Press, 1985.

[14] 夏才初，張國(guó)柱，肖素光.考慮襯砌和隔熱層的寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)解析解[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010,29(9)：1767-1773.

XIA Caichu， ZHANG Guozhu， XIAO Suguang.Analytical solution to temperature fields of tunnel in cold region considering lining and insulation layer[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(9)：1767-1773.

[15] 陳功勝.巷道圍巖調(diào)熱圈半徑及溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究[J].煤炭技術(shù)，2014，33(4)：113-115.

CHEN Gongsheng.Study on cooled zone radius and temperature distribution law of surrounding rock[J].Coal Technology，2014，33(4)：113-115.

[16] 夏才初，范東方，韓常領(lǐng).寒區(qū)隧道不同類型凍土段隔熱(保溫)層鋪設(shè)厚度計(jì)算方法[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2013(5):131-139.

XIA Caichu, FAN Dongfang, HAN Changling.Piecewise calculation method for insulation layer thickness in cold region tunnels[J].China Journal of Highway and transport, 2013(5): 131-139.

[17] 邵珠山，喬汝佳，王新宇.高地溫隧道溫度與熱應(yīng)力場(chǎng)的彈性理論解[J].巖土力學(xué),2013(增刊1): 1-8.

SHAO Zhushao， QIAO Rujia， WANG Xinyu.Elasticity solution for temperature and stress fields of tunnels with high geothermal temperature[J].Rock and Soil Mechanics, 2013(Supp1): 1-8.

(編輯陽(yáng)麗霞)

Numerical solution of the heat transfer between tunnels androcks in high-temperature geothermal region

ZHOU Xiaohan1,2, ZENG Yanhua1,YANG Zongxian1, ZHOU Xiaojun1

(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China；

2.China Zhougtie Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co.Ltd., Wuhan 430050, China)

Abstract:To solve the problem of heat-harm in high-temperature geothermal region tunnals, the heat transfer law between air，tunnel and surrounding rocks should be clarified firetly.According to the law of conservation of energy, the two-dimension unsteady heat transfer model is used to establish the finite difference equations of air, tunnel and surrounding rocks.The temperature of lining and surrounding rocks under seasonal wind, different levels of high geothermal and with heat insulation layer is analyzed.The conclusions can be theoretically used in the cooling technique of tunnels in high-temperature geothermal regions.

Key words:high geo-temperature tunnel; temperature field; numerical solution; control heat circle; heat insulation layer

中圖分類號(hào)：TU 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2015)06-1406-06

通訊作者：周小涵(1988-)，男，重慶人，博士研究生，從事大型交通隧道的防災(zāi)救援技術(shù)和地鐵結(jié)構(gòu)研究；E-mail： zhouxh2008@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278426)

收稿日期：2015-05-18