某寒区隧道稳态温度场分析
2015-06-28苟胜荣景
苟胜荣景 祥
（1.杨凌职业技术学院 建筑工程分院，陕西 杨凌 712100 ； 2.兰州铁路局 中卫工务段，宁夏 中卫 735000）
某寒区隧道稳态温度场分析
苟胜荣1景 祥2
（1.杨凌职业技术学院 建筑工程分院，陕西 杨凌 712100 ； 2.兰州铁路局 中卫工务段，宁夏 中卫 735000）
利用ANSYS软件对某寒区铁路隧道的稳态温度场进行分析，得到了外界空气以一定的速度流入隧道时隧道内空气、衬砌及围岩温度场的变化情况，并且对比分析了不同的空气流通速度条件下温度场的的分布情况，为寒区隧道的养护维修提供参考。
寒区隧道 空气流速 围岩 稳态温度场
1引言
由于寒区工程对温度的变化非常敏感，因此在寒区修建的隧道，由于外界气温变化、列车运行等的影响，破坏冻土天然的水热收支平衡，冻土地基工程稳定性的下降，致使隧道周围岩体原有的热平衡条件被打破，从而导致地基整体下沉和不均匀沉降，隧道在纵向产生不均匀变形[1]，衬砌漏水、路面(隧底)冒水等现象，最终构筑物发生变形、坍塌等，严重影响隧道结构运营期间的安全性及结构的长期寿命。融沉破坏已成为冻土地区建筑物冻害的主要原因之一[2]。
2隧道内热传导过程
离开隧道内壁一定距离处的围岩称为定温土层，该位置处岩土层温度为恒定。同时由于空气与隧道周围岩体之间的换热，使得空气和岩体在沿隧道轴线方向上产生温度差，此时两者在该方向上均产生热传递。因此，列车运行条件下隧道内温度的变化是一个复杂的热传递过程，不仅包括空气与岩体之间的对流换热过程，还包括空气和围岩各自沿隧道径向和轴向的热传递过程。
隧道内部的热传递过程包括：
（1）隧道内空气与周围岩体之间的对流换热；
（2）隧道周围不同温度岩体之间沿隧道径向的热传导；
（3）隧道内流体和隧道周围岩体沿着隧道轴向的热传递。
3有限元模型的建立
本研究以世界上最长的冻土隧道、青藏铁路格拉段第一大控制工程昆仑山隧道为研究对象，研究不同的空气流通速度对寒区隧道周围岩体温度场分布情况的影响。在建立模型时，为简化计算，将隧道内气体简化为三维不可压缩的流体。为保证计算结果的准确性，又要保证计算时少占机时和计算机内存空间，我们将冻土计算范围选为距离隧道12m的方形区域且去一半来进行研究。
3.1 边界条件
3.1.1 在对称面上，水平方向的热通量为0。
3.1.2 入口边界温度与外界大气温度相等：Ta=T0，此处取T0为10℃。围岩的定温度层边界及深层岩土的温度Tdw=-2.5℃，
3.1.3 出口边界处温度梯度为0：
3.1.4隧道内的空气与隧道衬砌进行对流换热：
其中Tt为隧道的壁面，Ta为与隧道接触的空气。
3.2 初始条件
传热过程开始时物体在整个区域中所具有的温度为已知值，用公式表示为：隧道空气Ta|t=0=10℃，隧道衬砌Tt|t=0=-2℃，周围冻土围岩Tf|t=0=-2.5℃。
4稳态温度场计算
采用ANSYS—Workbench模块进行计算，得到稳态条件下风速为5m/s和14m/s时温度场的分布如图1～6所示，从下图可以看出，空气流通对隧道内径向的影响范围随着离隧道口距离的增加而减小，隧道衬砌和围岩径向的温度变化也愈加不明显。
由以上云图可分析得出，同一风速，空气温度在隧道各个断面处温度变化很小；空气在速度为5m/s时比速度为14m/s时温度降低的多。说明风速越低，空气温度变化就越明显。
图1 隧道入口处温度场分布
图2 距入口86m处温度场云图
图3 距入口486m处温度场云图
图4 距入口886m处温度场云图
图5 距入口1286m处温度场分布
图6出口处温度场云
从衬砌和隧道的纵向温度场中发现，风速对隧道的温度场在距入口一定距离内的影响是均匀的，在此距离以后，隧道的温度场变化开始加剧，并且风速越大，隧道衬砌和围岩的温度场变化越剧烈。随着距隧道口距离的增大，温度在围岩径向的影响深度越来越小。
5结论
5.1 在隧道的轴向，随着离隧道口距离的增加，隧道内的温度变化愈不明显。
5.2 隧道衬砌的温度变化和空气流速有关，随着空气流速的增大，隧道内空气与衬砌之间的热交换越明显，导致衬砌和围岩温度变化越大。
5.3 随着隧道内空气流通速度的增加，隧道的轴向的温度变化愈明显。
5.4 由于隧道内活塞风的速度随着列车运行速度的增加而增大，据此可以推断，寒区铁路隧道在提速运行时将面临更严重的热熔沉降问题。
[1]程国栋，杨成松. 青藏铁路建设中的冻土力学问题. 力学与实践, 2006.28(3)1-8.
[2]杨成松，何平，程国栋，施烨辉. 冻土热融下沉研究的现状和进展. 工程地质学报，2004（12）147-150.
[3]赖远明,吴紫汪,朱元林等.寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合的非线性分析．岩土工程学报,1999,21(5):529-533.
[4]杨凡杰. 昆仑山隧道温度场及冻胀力分析：（硕士学位论文）. 兰州：兰州交通大学，2009.
[5]丁敏.季节性冻土隧道温度分布及与应力场耦合问题研究,重庆交通大学硕士学位论文,2008.03:1.
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1007-6344（2015）04-0320-01
