寒區(qū)隧道內(nèi)氣溫分布規(guī)律預(yù)測研究.pdf

1、隨著國家西部開發(fā)戰(zhàn)略和振興東北的實(shí)施，青藏鐵路、青藏高速公路、西氣東輸工程以及南水北調(diào)西線工程等一批重大工程項(xiàng)目建設(shè)啟動(dòng)，寒區(qū)隧道工程將越來越多。目前國內(nèi)外在寒冷地區(qū)修建的寒區(qū)隧道，都有不同程度的凍害，這些凍害嚴(yán)重影響行車安全、威脅隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、降低隧道的使用年限以及增加隧道的維護(hù)費(fèi)用。可見，寒區(qū)隧道的凍害是普遍存在的問題嚴(yán)重影響了行車安全。因此，對(duì)寒區(qū)隧道的凍害預(yù)報(bào)是至關(guān)重要的。要對(duì)這些凍害進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，首先必須知道隧道內(nèi)的溫度邊界條

2、件，即隧道內(nèi)的空氣溫度分布規(guī)律。而隧道內(nèi)的氣溫一般通過兩種辦法得到：一種是通過現(xiàn)場觀測直接得到，這種方法雖然準(zhǔn)確可靠，但是一方面費(fèi)用較大，一方面觀測結(jié)果滯后于設(shè)計(jì)，即觀測結(jié)果只有在隧道建設(shè)過程中或者在隧道已經(jīng)建設(shè)后才能得到，所以不能指導(dǎo)該隧道的設(shè)計(jì)工作；另一種是通過隧道內(nèi)空氣與圍巖對(duì)流換熱的計(jì)算分析得到，這種方法可以直接指導(dǎo)隧道工程的設(shè)計(jì)，而且費(fèi)用較少，但是這種方法的關(guān)鍵在于能否建立可靠的對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型來準(zhǔn)確地預(yù)測寒區(qū)隧道內(nèi)的氣溫分布

3、。因此進(jìn)行寒區(qū)隧道內(nèi)氣溫分布規(guī)律方面的研究是非常必要的，而且也是急需解決的課題，不僅具有較高的學(xué)術(shù)理論價(jià)值，同時(shí)也具有重要的工程實(shí)踐意義。
　　 論文以國家自然科學(xué)基金“寒區(qū)隧道凍害預(yù)報(bào)模型及優(yōu)化設(shè)計(jì)理論”項(xiàng)目為依托，運(yùn)用傳熱學(xué)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的基本理論，考慮隧道內(nèi)空氣和隧道圍巖的耦合影響，推導(dǎo)了其流體動(dòng)力學(xué)控制方程，得到了數(shù)值計(jì)算公式，運(yùn)用C語言在FLUENT大型流體軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上編制了二次開發(fā)程序。在風(fēng)火山隧道基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)

4、上，分別進(jìn)行了寒區(qū)隧道在不同流動(dòng)狀態(tài)、長度、氣溫、流速、圍巖初始溫度和斷面大小下的空氣與圍巖對(duì)流換熱耦合問題的非線性分析，總結(jié)出了寒區(qū)隧道長度、氣溫、流速、圍巖初始溫度、斷面大小以及內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)對(duì)其圍巖溫度以及沿其高度、周邊、軸向的氣溫分布的影響規(guī)律，為寒區(qū)隧道工程的設(shè)計(jì)、施工及研究提供理論依據(jù)和參考。
　　 通過綜合分析得到了如下結(jié)論：
　　 ①寒區(qū)隧道內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)-層流和紊流對(duì)隧道圍巖溫度和沿隧道軸向與高度方向的

5、氣溫分布規(guī)律影響較大。例如：在隧道內(nèi)空氣為層流狀態(tài)下，隧道進(jìn)出口斷面年平均氣溫相等并且高于隧道內(nèi)，在中間斷面處最低；而在紊流狀態(tài)下，年平均氣溫從進(jìn)口到出口為遞減規(guī)律，且進(jìn)出口斷面與其相鄰斷面之間存在突變。因此建議在寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道的實(shí)際條件選擇相應(yīng)的空氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。
　　 ②寒區(qū)隧道長度--250m、500m、1338m、3000m、6500m、10000m隧道對(duì)隧道圍巖溫度和沿隧道軸向與高度、周邊方向的氣溫

6、分布規(guī)律影響較大。例如：隧道內(nèi)年平均氣溫沿進(jìn)深總體呈遞減的趨勢，在進(jìn)口斷面最高接近出口斷面最低。同時(shí)隧道越長沿隧道進(jìn)深后段呈水平趨勢越明顯，且進(jìn)出口斷面與其相鄰斷面之間年氣溫突變?cè)叫?。因此建議在寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道的實(shí)際長度進(jìn)行計(jì)算。
　　 ③寒區(qū)隧道氣溫--洞口年平均氣溫-4℃、-2℃、0℃、2℃、4℃對(duì)隧道圍巖溫度和沿隧道軸向與高度、周邊方向的氣溫分布規(guī)律影響較大。例如：洞口的年平均氣溫為4℃時(shí)，隧道內(nèi)空氣沿進(jìn)深呈

7、遞減的趨勢，進(jìn)口斷面最高接近出口斷面最低。其他4種情況都是隧道中間段高于進(jìn)出口斷面，洞口年平均氣溫為-2℃和0℃時(shí)，進(jìn)口斷面低于出口斷面，中間段沿進(jìn)深遞增，2℃和4℃時(shí)，進(jìn)口斷面高于出口斷面，中間段沿進(jìn)深遞減。在五種情況下，進(jìn)出口斷面與其相鄰斷面之間都存在突變。因此建議在寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道洞口實(shí)際的年平均氣溫進(jìn)行計(jì)算。
　　 ④寒區(qū)隧道內(nèi)空氣流速--月最低流速1m/s、4m/s、6m/s、8m/s對(duì)隧道圍巖溫度和沿隧

8、道軸向與高度、周邊方向的氣溫分布規(guī)律影響較大。例如：隧道內(nèi)空氣沿進(jìn)深呈遞減規(guī)律，在進(jìn)口斷面處最高接近出口斷面處最低，且進(jìn)出口斷面與其相鄰斷面之間存在突變。然而流速越大，中間斷面之間的年平均氣溫變化越小。因此建議在寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)空氣實(shí)際流速進(jìn)行計(jì)算。
　　 ⑤寒區(qū)隧道圍巖初始溫度---4℃、-2℃、-1℃、0℃、2℃、4℃對(duì)隧道圍巖溫度和沿隧道軸向與高度、周邊方向的氣溫分布規(guī)律影響較大。例如：隧道內(nèi)氣溫沿進(jìn)深呈遞

9、減規(guī)律，在進(jìn)口斷面處最高接近出口斷面處氣溫最低，地溫越高隧道后段斷面年平均氣溫變化越小。因此建議在寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道圍巖實(shí)際初始溫度進(jìn)行計(jì)算。
　　 ⑥寒區(qū)隧道斷面大小--30m2、50m2、75m2、100m2、120m2對(duì)隧道圍巖溫度和沿隧道軸向與高度、周邊方向的氣溫分布規(guī)律影響較大。例如：隧道內(nèi)氣溫沿進(jìn)深總體呈遞減的趨勢，在進(jìn)口斷面處最高接近出口斷面處最低，且進(jìn)出口斷面與其相鄰斷面之間存在突變。因此建議在寒區(qū)隧