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原文传递通风条件下寒区曲线隧道流场-温度场演化规律及影响因素研究

论文题名：	通风条件下寒区曲线隧道流场-温度场演化规律及影响因素研究
关键词：	寒区隧道;施工阶段;通风技术;隧道流场;温度场;演化规律
摘要：	近年来，随着“西部大开发”、“一带一路”战略的深入实施，我国的公路、水利隧道的建设逐渐向西北部高寒地区延伸。在高寒区修建隧道，恶劣的气候条件与施工环境给隧道施工通风技术带来了极大的挑战。高寒区隧道因其地理位置以及气候环境而导致冻害频发，对隧道主体结构的安全性造成了严重影响。本文以高寒区曲线隧道为研究对象，通过理论分析、数值模拟的方法研究施工通风工程中流场、温度场的演化规律及其影响因素，为解决通风工程中寒区隧道冻害提供理论依据。主要研究内容及结论如下：　　（1）建立通风条件下隧道流场-温度场数学模型，针对隧道流场环境确定数值计算模型、方法及有限元数值模型边界条件，通过有限元软件，开展通风工况下的隧道流场、温度场演化分布规律的数值分析。并考虑隧道曲率影响，改进了隧道温度场双区模型，建立寒区曲线隧道温度场双区模型。通过公式推导和多元逐步线性回归分析对风流与隧道壁面间对流换热系数进行预测分析。结果表明：隧道内流场分布对温度场分布具有显著影响。隧道内低温情况发生在拱顶和两侧拱脚位置，对隧道围岩-衬砌稳定性极为不利。隧道曲率半径R=1200m时曲率对隧道壁面对流换热系数的修正系数β=0.56，其影响不可忽略。通风速度对风流与壁面间对流换热系数影响最大，其次是隧道曲率半径，然后是通风温度，壁面温度对风流与壁面间对流换热系数影响最小。　　（2）通过Ansys Fluent数值模拟软件，考虑通风速度、温度、隧道壁面温度、风筒设置位置、风筒口距掌子面距离、隧道曲率半径等六个因素对隧道内流场、温度场进行数值分析。结果表明：通风速度、温度，壁面温度对整个隧道内部温度场影响较大，风筒口距掌子面距离、风筒设置位置、隧道曲率半径对掌子面区域的空气温度场影响相对较小，在工程实际中风管位置应布设于隧道外侧。对该隧道掌子面区域进行升温时，建议主要以提升送风温度为主，提升送风速度为辅。隧道曲率半径gt;1200m时，风流速度在隧道外侧较大，为0.5m/s左右。隧道中轴线偏右1m位置处速度较小，为0.05m/s，必要时可在隧道中轴线偏右1m位置设置局扇，以增加通风升温效率。根据隧道实际工况，选取三个变量因素风筒口送风速度X1、风筒口送风温度X2、风筒口距掌子面距离X3，运用响应面法对隧道某截面平均温度进行敏感度分析。分析表明：影响的主次顺序为X2gt;X3gt;X1。确定最佳通风布置参数为风筒出口风速V=29.67m/s，风筒口送风温度9.87℃，风筒口距掌子面距离25.79m。　　（3）通过有限元软件Ansys-Workenbench，考虑不同通风速度、温度，初始地温场对寒区曲线隧道施工期围岩-衬砌温度场进行数值分析。结果表明：不能通过提高气流速度来无限提升隧道中的气流温度，并且提升风筒初始送风温度的升温效果也会降低。然而，初始地温的提升对近壁围岩温度的影响大约有37%，因此地温的升高对隧道近壁面围岩温度场的影响是显著的。同时根据多组数据和不同临界因素运用多元线性回归拟合得出曲率半径R=1200m隧道洞口冻结距离D经验公式，在确定隧道施工通风参数设置时，能够对洞口低温冻害距离进行计算，有效对隧道洞口段进行防冻设计。　　（4）针对寒区隧道洞口位置易受到冻害的特点，在隧道施工通风期对隧道洞口处的围岩-衬砌位移、应力分布情况进行模拟计算。结果表明：随着通风速度的增加，隧道围岩-衬砌位移和应力都不断加大。随着通风温度的增加，隧道围岩-衬砌位移和应力不断减小。在极寒环境条件下，通风速度为12m/s和通风温度为-12℃的最不利工况中，一次衬砌最大主应力最大值位于拱脚位置处，位移最大值位于衬砌顶端。由此可见，在隧道的拱顶和拱脚位置处应设置额外加固措施，也对以后类似工程提供参考及理论指导。
作者：	周楠
专业：	水利工程
导师：	王林峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022