论文部分内容阅读
人们对季冻区隧道抗冻防冻的重要性已经达成共识，国内外学者对防寒保温的方法及关键技术进行了大量的研究，然而，许多研究是基于隧道温度场的空间分布，没有重视季冻区隧道温度场的时空变化过程。
本论文以“国家自然科学基金《基于热流固耦合的寒区隧道冻害机理与区段分类研究》”和“中国铁路总公司科技研究开发计划课题《寒区高速铁路隧道防寒排水设计关键技术》”项目为依托，对季冻区铁路隧道温度场的传热机理进行了分析。以传热学和流体动力学理论为基础，综合现场试验、数值分析以及数理统计等方法建立了了季冻区隧道“空气-衬砌-围岩”流、固耦合三维数值计算模型，重点研究了季冻区隧道温度场的时空分布规律以及各影响因素对其影响作用，主要成果及结论如下：
1.通过长期的现场实测，获得了隧址区的气象数据和高速铁路隧道内气温与洞口段围岩温度的实测数据。通过数理统计方法对数据进行了分析，拟合出隧址区的气温函数，并根据隧道内不同位置处的气温、地温测试结果给出了寒区隧道温度场的分布规律；
2.建立了“空气-衬砌-围岩”流、固耦合三维数值计算模型，提出了一种通过实测气象数据还原隧道初始温度场的方法，并将计算结果与监测数据对比验证了此数值计算方法，用此数值模型计算并分析了季冻区隧道温度场的时空分布规律，发现隧道内初始岩温、风流速度和风流方向对隧道温度场分布具有十分重要的影响；
3.通过对数值计算模型的结果分析发现隧道深层围岩相对浅层围岩的温度变化在时间上存在着明显的相位滞后，“热惯性”对于季冻区隧道温度场的影响不可忽视；
4.提出一种模型简化方法，用两个平面的温度函数插值得到简化模型的初始温度场，用此模型进行了多工况计算，重点研究了季冻区隧道洞口段排水沟位置的温度变化，分析认为依托工程的抗冻设防长度满足要求且有充足的安全余量；
5.提出了一种用温度系数来表示不同温度水平的方法，在此基础上利用数值计算手段分析了隧道洞口风速和温度对隧道温度场时空分布的影响，隧道洞口风速对隧道内围岩温度起着重要的作用，风速越大，岩温下降越快；
6.以洞口负温度长度作为指标，把洞口风速、气温对季冻区隧道温度场的影响用具体表达式表示，并在此基础上确定了同盛隧道的冻害预测公式。
本论文以“国家自然科学基金《基于热流固耦合的寒区隧道冻害机理与区段分类研究》”和“中国铁路总公司科技研究开发计划课题《寒区高速铁路隧道防寒排水设计关键技术》”项目为依托，对季冻区铁路隧道温度场的传热机理进行了分析。以传热学和流体动力学理论为基础，综合现场试验、数值分析以及数理统计等方法建立了了季冻区隧道“空气-衬砌-围岩”流、固耦合三维数值计算模型，重点研究了季冻区隧道温度场的时空分布规律以及各影响因素对其影响作用，主要成果及结论如下：
1.通过长期的现场实测，获得了隧址区的气象数据和高速铁路隧道内气温与洞口段围岩温度的实测数据。通过数理统计方法对数据进行了分析，拟合出隧址区的气温函数，并根据隧道内不同位置处的气温、地温测试结果给出了寒区隧道温度场的分布规律；
2.建立了“空气-衬砌-围岩”流、固耦合三维数值计算模型，提出了一种通过实测气象数据还原隧道初始温度场的方法，并将计算结果与监测数据对比验证了此数值计算方法，用此数值模型计算并分析了季冻区隧道温度场的时空分布规律，发现隧道内初始岩温、风流速度和风流方向对隧道温度场分布具有十分重要的影响；
3.通过对数值计算模型的结果分析发现隧道深层围岩相对浅层围岩的温度变化在时间上存在着明显的相位滞后，“热惯性”对于季冻区隧道温度场的影响不可忽视；
4.提出一种模型简化方法，用两个平面的温度函数插值得到简化模型的初始温度场，用此模型进行了多工况计算，重点研究了季冻区隧道洞口段排水沟位置的温度变化，分析认为依托工程的抗冻设防长度满足要求且有充足的安全余量；
5.提出了一种用温度系数来表示不同温度水平的方法，在此基础上利用数值计算手段分析了隧道洞口风速和温度对隧道温度场时空分布的影响，隧道洞口风速对隧道内围岩温度起着重要的作用，风速越大，岩温下降越快；
6.以洞口负温度长度作为指标，把洞口风速、气温对季冻区隧道温度场的影响用具体表达式表示，并在此基础上确定了同盛隧道的冻害预测公式。