氣象要素對寒區(qū)隧道溫度場影響及縱向分區(qū)研究.pdf

1、面對國際經(jīng)濟合作和競爭格局的深刻變化，順應國內經(jīng)濟提質增效升級的迫切需要，我國積極倡導構建“橫貫東西、縱貫南北、內暢外通”的綜合運輸大通道，在建及擬建寒區(qū)隧道工程日益增多。然而就我國當前寒區(qū)隧道工程運營現(xiàn)狀而言，隧道凍害頑疾尚未攻破，新建隧道中仍然出現(xiàn)大量滲漏凍害現(xiàn)象。
　　本論文以中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題“寒區(qū)高速鐵路隧道防寒排水設計關鍵技術”項目為依托，綜合運用理論研究、現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬、數(shù)理統(tǒng)計等方法，建立了寒區(qū)

2、隧道“空氣—襯砌—圍巖”流、固耦合傳熱三維數(shù)值計算模型，重點探究氣象要素對寒區(qū)隧道溫度場的影響，主要成果及結論如下:
　　(1)本文在調研相關文獻的基礎上，針對寒區(qū)隧道工程中多物理場之間的強耦合關系，以空氣、地下水、圍巖、防排水設施內水流場等多個基本場為骨架，編制了寒區(qū)隧道多場耦合關系圖;
　　(2)通過整理、分析瓦房店隧道現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，得到了瓦房店隧道洞外氣溫隨時間變化函數(shù)、洞內氣溫分布規(guī)律以及洞內、外氣溫之間的隨動關系，

3、并結合隧址周邊環(huán)境特點，分析了瓦房店隧道洞口風速、風頻與凌源地區(qū)風速、風頻之間的關系，結果表明，地形地貌對隧址小氣候的形成有重要影響;
　　(3)以現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)為邊界條件，建立了瓦房店隧道“空氣—襯砌—圍巖”流、固耦合傳熱數(shù)值計算模型，并對比計算值與實測值，驗證了該計算模型的可靠性;
　　(4)通過理論分析各氣象要素的基本特征及其對寒區(qū)隧道溫度場的影響機制，提出將多氣象要素與隧道具體條件相結合，抽象出洞口氣溫、等效自然風速兩

4、項氣象要素綜合指標作為寒區(qū)隧道流、固耦合傳熱數(shù)值模擬的邊界輸入條件;
　　(5)根據(jù)隧道內自然風流形成的主導因素不同，提出將寒區(qū)隧道分為自然風主導型隧道、熱位差主導型隧道、自然風與熱位差共同主導型隧道、大氣氣壓梯度影響型隧道。通過三維瞬態(tài)非線性分析，得到了隧道洞口最冷月平均氣溫、冬季主導風風向、風速對自然風主導型隧道溫度場的影響規(guī)律。在多工況數(shù)值的基礎上，引入多元非線性逐步回歸方法，得到了特定條件下的寒區(qū)隧道溫度場縱向影響長度與洞

5、口氣溫、等效自然風速之間的非線性回歸表達式。結果表明，洞口氣溫與等效自然風速對寒區(qū)隧道溫度場的影響程度均較大，且二者有相互加強的作用，建議寒區(qū)隧道防寒保溫設計以洞口氣溫、等效自然風速作為氣象要素基本參考指標，并結合圍巖條件、水文條件確定防寒排水設施類型。
　　(6)初步提出了寒區(qū)隧道縱向防寒分區(qū)的原則和相應標準，并以隧道洞內最冷月平均氣溫-3℃位置、最冷日平均氣溫0℃位置作為分區(qū)閾值，將隧道沿縱向分為防寒強影響區(qū)、弱影響區(qū)和無影響