地铁隧道围岩传热机制研究

论文摘要

地铁长期运营会导致地铁隧道热环境恶化,甚至会出现事故影响地铁的正常运行,而且隧道热环境的改造工作耗费巨大,十分不便。目前我国正处于地铁建设的高峰期,为了保证地铁建成后能够长期安全稳定的运营,有必要对地铁隧道围岩的传热机制进行研究。列车在隧道中运行会产生大量的热,及时排除这些热量是环控设计的一项重要任务。而研究地铁隧道的围岩传热机理对地铁的环控设计有重要的指导意义,不仅可以帮助降低地铁建设投资和运营成本,而且有利于实现节能减排和保障地铁的长期正常运营。目前在地铁隧道围岩传热机理方面的研究相对较少。地铁设计时,由于对围岩在地铁热环境演化过程中的作用缺乏准确的认识,不同设计方案在围岩传热方面的设计参数相去甚远。本文基于地铁隧道热环境的现场实测,对隧道热环境的变化规律和围岩的传热机理做了比较深入的探索。本文的核心内容是总结地铁隧道热环境的变化规律和研究围岩的传热机制。具体的研究工作包括：列车运行发热量分析和估算、现场监测（包含地铁隧道热环境监测、地表气温和地温场监测三个方面）、围岩温度场的数学推导和隧道有限元模型数值模拟4个方面,其中现场监测工作是其他三个方面研究工作的基础。本文的最终研究成果具体表现在：（1）分析现场监测的结果,总结地铁隧道热环境变化的一些规律。结合隧道内部监测资料和地表气温资料,分析地表气温对隧道热环境的影响。（2）通过分析得出一列车经过本段监测隧道,在隧道巾留下的热量约48972.6kJ,再通过现场实测的壁面热流数据,大致估计得出本区段的地铁隧道围岩吸热量占总热量的比例。根据现有资料发现,壁面热流的大小受气温等因素的影响,围岩吸热的比例也不是恒定的,本段隧道围岩吸热占总热量的比例约在7.5%-24.1%。（3）利用地铁隧道和地温场的监测结果,建立有限元模型。通过适当调节模型和荷载,使得数值模拟的计算结果和实际监测资料比较相符。利用有限元的计算结果,估算地铁隧道围岩吸热量占总热量的比例约为26.4%。并得到地铁隧道热环境在围岩中的影响范围的模拟结果。（4）应用大平壁式传热模型求解隧道温度场,得出隧道温度场的理论解。将数值模拟得到的参数以及监测得出的一些结果代入理论解中,推出隧道壁面温度场的近似解。将该近似解与现场资料对比,证明理论解的合理性。虽然理论解的解析式比较复杂,但是如果有隧道的长期监测的资料,利用该理论解可以估算隧道热量在围岩中的影响范围（热透范围）,进而分析围岩的吸热能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文的研究内容和思路
• 1.3.1 本文的研究内容
• 1.3.2 本文的研究意义
• 第二章 列车运营总发热量的分析与估算
• 2.1 地铁列车运营发热量组成
• 2.2 列车运营发热估算方法
• 2.2.1 列车制动产热
• 2.2.2 列车加速产热
• 2.2.3 列车启动阻力产热
• 2.2.4 车辆阻力产热
• 2.2.5 列车辅助设备及空调发热
• 2.2.6 其他因素发热
• 2.3 列车运行总发热量估算
• 2.3.1 线路区间概况
• 2.3.2 列车技术参数
• 2.3.3 列车总发热量的估算
• 2.4 活塞风影响
• 第三章 隧道热环境监测
• 3.1 隧道与围岩之间的热交换
• 3.2 夏季地铁隧道温度监测
• 3.2.1 监测历程
• 3.2.2 监测仪器
• 3.3 隧道监测结果
• 3.3.1 第一次监测结果与分析
• 3.3.2 第二次监测结果与分析
• 3.3.3 第三次监测结果与分析
• 3.4 隧道温度监测结论
• 第四章 围岩传热机制的理论推导
• 4.1 本章的研究内容
• 4.2 典型传热模型
• 4.2.1 空心圆柱体传热模型
• 4.2.2 多层平壁模型
• 4.2.3 本文采用的计算模型
• 4.3 格林函数与狄拉克函数
• 4.4 理论求解
• 4.4.1 求解格林函数
• 4.4.2 地温场的影响
• 4.4.3 初始温度场的影响
• 4.4.4 列车运行发热的影响
• 4.4.5 围岩温度场理论解
• 4.4.6 隧道壁面温度响应
• 4.5 本章小结
• 第五章 地铁隧道及围岩温度场数值模拟
• 5.1 南京地温场实测
• 5.2 工程地质概况
• 5.3 有限元模型
• 5.3.1 基本假设
• 5.3.2 荷载和边界条件
• 5.4 计算结果
• 5.4.1 冬季工况
• 5.4.2 夏季工况
• 5.4.3 壁面温度场计算结果
• 5.4.4 结果分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要研究成果和结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢