寒区铁路隧道围岩传热规律与中心深埋水沟设置研究

发布时间：2017-05-20 06:05

  本文关键词：寒区铁路隧道围岩传热规律与中心深埋水沟设置研究，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：寒区隧道 温度场 调热圈半径 冻结深度 中心深埋水沟
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451.2
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-23
• 1.2.1 初始地温研究13-15
• 1.2.2 基本热物理参数研究15-18
• 1.2.3 温度场现场试验研究18-20
• 1.2.4 温度场计算方法研究20-21
• 1.2.5 中心深埋水沟设置研究21-23
• 1.3 依托隧道工程23-25
• 1.3.1 工程概况23-24
• 1.3.2 地形地貌与工程地质24-25
• 1.3.3 气象水文资料25
• 1.3.4 防寒排水设计概况25
• 1.4 主要研究内容及思路25-28
• 第2章 传热学理论与有限元法28-36
• 2.1 热传递基本方式28-29
• 2.1.1 热传导28
• 2.1.2 热对流28-29
• 2.1.3 热辐射29
• 2.2 导热基本概念29-31
• 2.2.1 温度场的分类29-30
• 2.2.2 等温面与等温线30-31
• 2.2.3 温度梯度31
• 2.2.4 热流密度31
• 2.3 导热微分控制方程与有限元法31-34
• 2.3.1 导热微分控制方程31-33
• 2.3.2 热分析有限元法33-34
• 2.4 定解条件34-36
• 2.4.1 边界条件34-35
• 2.4.2 初始条件35-36
• 第3章 寒区隧道温度场现场测试与分析36-49
• 3.1 试验目的36-37
• 3.2 自动监测系统组成与工作原理37-41
• 3.2.1 自动监测系统组成37-40
• 3.2.2 工作原理40-41
• 3.3 试验段测温孔布设41-43
• 3.3.1 测点断面布置41-42
• 3.3.2 监测点测设方案42-43
• 3.4 隧道温度场现场测试成果与分析43-47
• 3.5 小结47-49
• 第4章 瓦房店寒区隧道数值模拟49-56
• 4.1 热物理参数的确定49-50
• 4.2 三维非线性瞬态温度场数值模拟50-55
• 4.2.1 模型的建立50
• 4.2.2 温度荷载与定解条件50-52
• 4.2.3 数值计算与结果分析52-55
• 4.3 小结55-56
• 第5章 围岩传热影响因素分析及演化规律56-73
• 5.1 有限元法计算二维瞬态温度场的控制方程56-57
• 5.2 基本参数与调热圈理论57-59
• 5.2.1 热物理参数57-58
• 5.2.2 二维几何模型58
• 5.2.3 调热圈理论58-59
• 5.3 围岩传热影响因素分析59-65
• 5.3.1 初始地温影响59-61
• 5.3.2 围岩热物性影响61-64
• 5.3.3 壁面换热系数影响64-65
• 5.4 调热圈半径演化规律研究65-69
• 5.4.1 调热圈半径解析解66-69
• 5.4.2 基于数值模拟的调热圈半径修正69
• 5.5 道床底面冻结深度影响因素的权重分析69-71
• 5.6 小结71-73
• 第6章 寒区隧道中心深埋水沟设置研究73-82
• 6.1 不同围岩冻结深度研究73-74
• 6.2 中心深埋水沟埋置深度研究74-79
• 6.2.1 初支与二衬交界面温度解析74-75
• 6.2.2 数值模拟基本思路确定75-76
• 6.2.3 不同温度区域冻结深度预测76-79
• 6.3 中心深埋水沟设防长度研究79-81
• 6.4 小结81-82
• 结论与展望82-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目89

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本文编号：380784