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原文传递寒区长大隧道温度场的三维分析及保温措施研究

论文题名：	寒区长大隧道温度场的三维分析及保温措施研究
关键词：	寒区隧道;三维分析;工艺参数;温度场;保温措施
摘要：	为了分析计算寒区隧道贯通后在活塞风作用下，隧道中衬砌与围岩的温度场变化，验证寒区隧道衬砌隔热层保温层设计的必要性和合理性，进一步确定保温设计的有效性和经济性，本文以青藏铁路昆仑山隧道实际工程为背景进行了研究，结合昆仑山冻土的热力学特性等冻土独有的特点，利用大型有限元计算分析程序软件ANSYSWorkbench中的CFX模块，建立了包括隧道围岩、衬砌混凝土和隧道内空气的三维有限元计算分析模型，将昆仑山隧道洞口温度拟合为一条正弦曲线，考虑冻土的相变等因素，对昆仑山隧道实际工程进行了分析。首先分析了昆仑山隧道在贯通后，在没有隔热层保温层的情况下，活塞风对拱顶衬砌混凝土表面温度的影响，及隧道温度场的分布情况。然后在三维有限元计算分析模型中按照工程实际，加入5cm厚度的聚胺脂(PU)保温板，验证了昆仑山隧道中所铺设的隔热层保温层的实际效果。最后进行了寒区隧道保温措施的研究。　　本文主要研究了以下几个方面的内容: 　　第一，对隧道空气动力学以及寒区隧道热环境在国内外的研究与发展作了详尽而系统的介绍，并且介绍了传热学中的基本知识，包括温度场及其分类、对流换热微分方程、导热微分方程、热平衡方程、边界条件和伴有相变的导热问题等内容; 　　第二，建立了包括隧道围岩、衬砌混凝土和隧道内空气的三维有限单元计算分析模型，考虑昆仑山隧道洞口气温及活塞风风速，运用显热容法处理相变问题，并且将冻土的各项特性参数加到模型上，求解得到无隔热层保温层的条件下活塞风对昆仑山隧道温度场的影响，包括隧道进深5m、50m、100m、150m、200m、250m、298m处横断面上各点的温度——时程曲线、隧道拱顶衬砌表面和隧道围岩各处的年温度振幅、温度传递深度和围岩季节性的冻融范围等; 　　第三，按照工程实际情况，在隧道初期支护与二次衬砌之间加入5cm厚度的聚胺脂(PU)保温板，计算在有隔热层保温层的条件下，活塞风对昆仑山隧道温度场的影响，包括隧道进深5m、50m、100m、150m、192m处横断面上各点的温度——时程曲线、隧道围岩各处的年温度振幅、温度传递深度和围岩季节性的冻融范围等，验证了昆仑山隧道实际的隔热层保温层设计的合理性，同时对有、无隔热层保温层两种情况下温度差异的数据进行了分析，为以后相似工程模型的建立和保温设计的制定提供参考。　　第四，列举出了8条国内已经修建完成的寒区隧道，对它们的工程概况及其采取的保温措施进行了总结。然后，对寒区隧道的保温措施从抗冻和防冻两个方面进行了研究。其中抗冻措施包括使用抗冻混凝土、使用钢筋混凝土、增大衬砌厚度等措施;防冻措施包括隔热材料法（外隔热层、中间隔热层、离壁式隔热层）、防排水法（保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞）、防寒门法、空气幕、阳光棚、加热措施（衬砌背部U型供热管法、施工缝衬砌背部双源供热法、隧道内通暖气、水沟采暖）、围岩注浆等措施。　　第五，选取防冻措施中的一种——空气幕，进行计算，计算在隧道出入口处采用喷射角α=0°、气流喷射速度u0=8m/s、非加热、单个上送风式空气幕时，活塞风对昆仑山隧道温度场的影响，包括隧道进深5m、50m、100m、150m、200m、234m处横断面上各点的温度——时程曲线、隧道拱顶衬砌表面和隧道围岩各处的年温度振幅、温度传递深度和围岩季节性的冻融范围等。结果表明，采用空气幕的方式，依然会使得距离洞口一定进深方向的围岩发生季节性冻融循环，从而使隧道的衬砌结构发生破坏。
作者：	龙垚
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	吴亚平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文