某寒區隧道穩態溫度場分析

茍勝榮景 祥

（1.楊凌職業技術學院 建筑工程分院，陜西 楊凌 712100 ； 2.蘭州鐵路局 中衛工務段，寧夏 中衛 735000）

某寒區隧道穩態溫度場分析

茍勝榮1景 祥2

（1.楊凌職業技術學院 建筑工程分院，陜西 楊凌 712100 ； 2.蘭州鐵路局 中衛工務段，寧夏 中衛 735000）

利用ANSYS軟件對某寒區鐵路隧道的穩態溫度場進行分析，得到了外界空氣以一定的速度流入隧道時隧道內空氣、襯砌及圍巖溫度場的變化情況，并且對比分析了不同的空氣流通速度條件下溫度場的的分布情況，為寒區隧道的養護維修提供參考。

寒區隧道 空氣流速 圍巖 穩態溫度場

1引言

由于寒區工程對溫度的變化非常敏感，因此在寒區修建的隧道，由于外界氣溫變化、列車運行等的影響，破壞凍土天然的水熱收支平衡，凍土地基工程穩定性的下降，致使隧道周圍巖體原有的熱平衡條件被打破，從而導致地基整體下沉和不均勻沉降，隧道在縱向產生不均勻變形[1]，襯砌漏水、路面(隧底)冒水等現象，最終構筑物發生變形、坍塌等，嚴重影響隧道結構運營期間的安全性及結構的長期壽命。融沉破壞已成為凍土地區建筑物凍害的主要原因之一[2]。

2隧道內熱傳導過程

離開隧道內壁一定距離處的圍巖稱為定溫土層，該位置處巖土層溫度為恒定。同時由于空氣與隧道周圍巖體之間的換熱，使得空氣和巖體在沿隧道軸線方向上產生溫度差，此時兩者在該方向上均產生熱傳遞。因此，列車運行條件下隧道內溫度的變化是一個復雜的熱傳遞過程，不僅包括空氣與巖體之間的對流換熱過程，還包括空氣和圍巖各自沿隧道徑向和軸向的熱傳遞過程。

隧道內部的熱傳遞過程包括：

（1）隧道內空氣與周圍巖體之間的對流換熱；

（2）隧道周圍不同溫度巖體之間沿隧道徑向的熱傳導；

（3）隧道內流體和隧道周圍巖體沿著隧道軸向的熱傳遞。

3有限元模型的建立

本研究以世界上最長的凍土隧道、青藏鐵路格拉段第一大控制工程昆侖山隧道為研究對象，研究不同的空氣流通速度對寒區隧道周圍巖體溫度場分布情況的影響。在建立模型時，為簡化計算，將隧道內氣體簡化為三維不可壓縮的流體。為保證計算結果的準確性，又要保證計算時少占機時和計算機內存空間，我們將凍土計算范圍選為距離隧道12m的方形區域且去一半來進行研究。

3.1 邊界條件

3.1.1 在對稱面上，水平方向的熱通量為0。

3.1.2 入口邊界溫度與外界大氣溫度相等：Ta=T0，此處取T0為10℃。圍巖的定溫度層邊界及深層巖土的溫度Tdw=-2.5℃，

3.1.3 出口邊界處溫度梯度為0：

3.1.4隧道內的空氣與隧道襯砌進行對流換熱：

其中Tt為隧道的壁面，Ta為與隧道接觸的空氣。

3.2 初始條件

傳熱過程開始時物體在整個區域中所具有的溫度為已知值，用公式表示為：隧道空氣Ta|t=0=10℃，隧道襯砌Tt|t=0=-2℃，周圍凍土圍巖Tf|t=0=-2.5℃。

4穩態溫度場計算

采用ANSYS—Workbench模塊進行計算，得到穩態條件下風速為5m/s和14m/s時溫度場的分布如圖1～6所示，從下圖可以看出，空氣流通對隧道內徑向的影響范圍隨著離隧道口距離的增加而減小，隧道襯砌和圍巖徑向的溫度變化也愈加不明顯。

由以上云圖可分析得出，同一風速，空氣溫度在隧道各個斷面處溫度變化很小；空氣在速度為5m/s時比速度為14m/s時溫度降低的多。說明風速越低，空氣溫度變化就越明顯。

圖1 隧道入口處溫度場分布

圖2 距入口86m處溫度場云圖

圖3 距入口486m處溫度場云圖

圖4 距入口886m處溫度場云圖

圖5 距入口1286m處溫度場分布

圖6出口處溫度場云

從襯砌和隧道的縱向溫度場中發現，風速對隧道的溫度場在距入口一定距離內的影響是均勻的，在此距離以后，隧道的溫度場變化開始加劇，并且風速越大，隧道襯砌和圍巖的溫度場變化越劇烈。隨著距隧道口距離的增大，溫度在圍巖徑向的影響深度越來越小。

5結論

5.1 在隧道的軸向，隨著離隧道口距離的增加，隧道內的溫度變化愈不明顯。

5.2 隧道襯砌的溫度變化和空氣流速有關，隨著空氣流速的增大，隧道內空氣與襯砌之間的熱交換越明顯，導致襯砌和圍巖溫度變化越大。

5.3 隨著隧道內空氣流通速度的增加，隧道的軸向的溫度變化愈明顯。

5.4 由于隧道內活塞風的速度隨著列車運行速度的增加而增大，據此可以推斷，寒區鐵路隧道在提速運行時將面臨更嚴重的熱熔沉降問題。

[1]程國棟，楊成松. 青藏鐵路建設中的凍土力學問題. 力學與實踐, 2006.28(3)1-8.

[2]楊成松，何平，程國棟，施燁輝. 凍土熱融下沉研究的現狀和進展. 工程地質學報，2004（12）147-150.

[3]賴遠明,吳紫汪,朱元林等.寒區隧道溫度場、滲流場和應力場耦合的非線性分析．巖土工程學報,1999,21(5):529-533.

[4]楊凡杰. 昆侖山隧道溫度場及凍脹力分析：（碩士學位論文）. 蘭州：蘭州交通大學，2009.

[5]丁敏.季節性凍土隧道溫度分布及與應力場耦合問題研究,重慶交通大學碩士學位論文,2008.03:1.

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