地铁隧道围岩土壤温度场演化特性研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 5.79MB 97 页 15积分
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地铁列车在区间隧道内运行时释放大量的热,随着地铁运营年限的增加,其
区间隧道内温度逐年上升,从而影响列车和站台的环控能耗,这逐渐成为地铁设
计运营中关注的热点问题。这一问题的核心之处在于地铁隧道内空气与围岩土壤
热湿传递规律,本文则重点研究在空气侧温度周期性波动情况下,区间隧道土壤
盾构的蓄放热特性,通过理论模型分析、缩尺模型试验、软件模拟相结合的研究方
法,得到盾构土壤温度动态变化特性,为保证地铁区间隧道热环境满足正常运营
的需求提供重要参考。
理论模型的选取为试验台的搭建型式服务,通过对既有传热理论的分析发现,
现有地铁隧道围岩传热计算模型有稳态导热计算模型和非稳态导热计算模型,稳
态导热计算模型又分为圆筒计算模型和多层平壁计算模型,而本文研究内容中空
气侧和土壤侧温度均随时间动态变化。分析了各模型的优缺点,目前还没有与本
研究内容完全相符的理论模型,鉴于多层平壁模型便于实验台搭建和操作,本文
理论采用多层平壁模型,并进行动态研究。
模型实验台可以分为三个部分:空气加热及送风装置(A)、土体及温湿度和
热流密度采集装置(B)、实验台支撑框架(C在遵循傅里叶准则的基础上,确
定实验台的各个尺寸参数,温度边界条件以上海地铁衡山路站隧道内全年空气
度实测值为依据,对每个月的实测温度取平均值,得到 12 个温度依次循环作用于
土壤表面,研究土壤内温度、含水率以及热流密度的变化情况。研究结果表明:土
壤内整体温度场第 10 年左右趋于稳定,10 个测点处的温度波动随土壤深度的增
加存在衰减和延迟。容积含水率的变化可以分为三个阶段:滞后反应阶段、固定蒸
发速率阶段、蒸发速率递减阶段。热量可以通过两种方法得到:一、实验过
测的热流密度算,、温度分布曲线面积积分在传热面积 下
对传热过非稳定的第 1年、稳定的第 17 年每月及实验周期 17 年每年的热量进
行了对,发现两种计算方法热量相差不大,基本规律一
CHAMPS-BES
并和实验结果究,者偏差较小;通过软件模拟了上海地
地铁隧道围岩土壤的传热情况,发现软件模拟和实验研究的温度场分
规律基本一,稳定以后热库厚度在 25m 左右、库峰值稳定在 25.7℃左右、
壁面 2.2m之后分析了中五种典型土壤的传热差异发现土
岩时传热,到第 20 年时热已经超出50m 围,其他四种
的土壤传间存异但不是通过软件模拟了土壤参数的
变化对土壤传热的影响,发现土壤侧参数的变化对土壤传热的影响明
越小、导热大、密度越小、容积含水率越小越于传热。
论文研究内容紧扣地铁区间隧道热环境的热点问题,深分析了土壤盾构蓄
放热规律,为地下盾构土建施工区间隧道内热环境控以及地铁区间和车站环
系统运营提供重要参考,研究内容较强的现实意义
键词:地铁围岩土壤 土壤温度 热流密度 土壤传热缩尺模型实验
CHAMPS-BES 软件
ABSTRACT
Subway train releases large amounts of heat when running in tunnel, with
increasing age of subway operation, the tunnel of the temperature rises year by year,
thus affecting the energy consumption of the environment control of the train and the
platform, which is gradually becoming a hot issue focus on subway design and
operation. At the heart of this problem is heat and moisture transfer law between air in
the subway tunnel and surrounding rock and soil, this paper focuses on studying heat
storage and release of the tunnel soil shield in the case of air-side temperature cyclical
fluctuation, to obtain the dynamic variation characteristics of shield soil temperature by
the research methods of combining with theoretical model analysis, scale model test,
software simulation, providing an important reference for the guarantee Subway Tunnel
thermal environment to meet the needs of normal operation.
The selection of theoretical model services for building test bench type , there is
steady heat conduction calculation model and unsteady heat conduction calculation
model in existing subway tunnel surrounding rock heat transfer calculation model
through the analysis of existing heat transfer theory, steady heat conduction calculation
model is divided into cylinder calculation model and multi-layer flat wall calculation
model, but the contents of this paper are dynamic variation over time of the air side and
the soil side temperature. Analysis of advantages and disadvantages of each model,
there is no theoretical model fully consistent with this research, in view of the multi-
layer flat wall model to facilitate test bench building and operating, so this theory is
using of multi-layer flat wall model, and doing dynamic research.
Model bench can be divided into three parts: air heating and air supply means (A),
soil temperature and humidity and heat flux collection device (B), bench support frame
(C). In complying with the guidelines on the basis of Fourier, determining bench
parameters of each size, and using the Shanghai Hengshan Road Station subway tunnel
annual air temperature measured value as temperature boundary condition basis,
averaged the measured temperature of each month, to obtian12 temperature values
cyclically affect the soil surface in order, to study temperature ,moisture in soil and heat
flux change Situation. The results showed that: the whole temperature field in the soil
around. the 10th year tend to be stable, temperature fluctuations at the 10 measured
points with the presence of increased soil depth of attenuation and delay. Changes in the
volume of water content can be divided into three phases: lagged response phase, a
fixed rate of evaporation phase, the evaporation rate decreasing phase. Heat transfer can
be obtained in two ways: First, the measured heat flux conversion in experiment, and
the second, the temperature profile of the area integration conversion; Under the heat
transfer area, compared heat transfer of each month in 1th year of unsteady heat
transfer process, stability in the 17th year and experimental period of 17 years the
annual amount of heat exchange found that the little difference between two calculation
methods resulting heat transfer, and the basic rule is consistent.
In software research, first with CHAMPS-BES software to simulate the test bench
heat transfer and compared with experimental results of study found that both small
deviation ; Then though software to simulate the heat transfer situation in Shanghai area
actual subway tunnel surrounding rock soil, compared to find the distribution of the
temperature field in software simulation and experimental study of are basically the
same, After steady thermal store thickness is about 25m, thermal store peak is stable at
around 25.7, thermal store peak position is 2.2m from wall; then analysis the heat
transfer difference of five typical soils of China, found the sandstone soil is most
favorable heat transfer, to 20th year ,the thickness of the thermal store is beyond the
scope of 50m, the presence of heat transfer of other four earthy soil between each other,
but not particularly obvious. Finally, though software simulates the impact of changes in
soil parameters on soil heat ,and found that changes in soil side parameters affected heat
transfer significantly, the smaller the specific heat capacity, the greater thermal
conductivity, the smaller the density, the smaller the volume moisture the more
conducive to heat transfer.
The paper closely linked to hot issue of thermal environment in subway tunnel,
deeply analyzed the law of heat storage and release of the soil shield, providing an
important reference for the underground shield civil construction, tunnel of heat
environment control, as well as the subway section and environmental control system of
operator station, the research has practical significance.
Keywords: subway surrounding rock soil, underground soil
temperature heat flux, heat transfer scale model experiment,
CHAMPS-BES software.
目 录
ABSTRACT
第一章 绪..................................................................................................................1
1.1 选题背景意义.....................................................................................................1
1.2 地铁隧道围岩土壤温度场研究现.........................................................2
1.2.1 内研究现................................................................................................2
1.2.2 国外研究现................................................................................................3
1.3 题的要内容及意义.........................................................................................5
二章 地铁隧道围岩土壤传热实验台搭建的理论基础与..............................6
2.1 地铁隧道土壤传热模型的建.............................................................................6
2.2 地铁隧道围岩土壤导热计算模型分析及选取.....................................................7
2.2.1 稳态导热计算模型分析................................................................................8
2.2.2 非稳态导热计算模型分析..........................................................................11
2.2.3 导热计算模型的选取..................................................................................13
2.3 地铁隧道围岩土壤导热过准则的...................................................13
2.4 章小...............................................................................................................15
第三周期性热作用下土壤温度场化特性的实验台搭建............................16
3.1 实验目的...............................................................................................................16
3.2 实验台设计及搭建...............................................................................................16
3.2.1 实验台..................................................................................................16
3.2.2 实验台尺寸的确定......................................................................................21
3.3 温度边界条件的取值...........................................................................................23
3.4 土壤参数的测试实验...........................................................................................25
3.4.1 土壤含水率测试实验..................................................................................25
3.4.2 土壤密度测试实验......................................................................................26
3.5 实验步骤..............................................................................................................27
3.6 章小..............................................................................................................27
四章 周期性热作用下土壤温度场化特性实验结果分析...............................29
4.1 土壤热库形成的实验结果与分析.......................................................................29
4.1.1 1个周期内土壤热动态成过......................................................29
4.1.2 实验 17 个周期土壤热分析........................................................31
4.1.3 土壤内各测点温度波动分析......................................................................35
4.2 土壤含水率变化的实验结果与分析...................................................................39
4.3 土壤蓄放热量的实验结果与分析.......................................................................42
4.3.1 非稳定型周期内热流量变化过分析..................................................43
4.3.2 稳定型周期内热流量变化过分析......................................................45
4.3.3 实验周期(实模型 17 年)内热流量变化过分析............................48
4.4 章小..............................................................................................................50
五章 地铁围岩土壤温度场化规律的模拟研究...................................................51
5.1 CHAMPS 软件介绍.............................................................................................51
5.1.1 CHAMPS-BES ....................................................................................51
5.1.2 水分传递方..............................................................................................52
5.1.3 能量传递方..............................................................................................53
5.2 模型的建及方条件的确定...................................................................54
5.2.1 地铁隧道围岩理模型..............................................................................54
5.2.2 空气边界条件..............................................................................................54
5.2.3 土壤边界条件..............................................................................................55
5.2.4 边界条件..............................................................................................56
5.3 实验结果与软件模拟的对验证.......................................................................57
5.4 上海隧道围岩土壤温度和含水率化规律研究...............................................58
5.4.1 成及动过..............................................................................58
5.4.2 库峰值大的变化和置的..........................................................61
5.4.3 不同位置处温度场的变化过..................................................................62
5.4.4 土壤容积含水率的变化过......................................................................64
5.5 型土壤型传热对研究...............................................................................66
5.6 温度场化规律的影响因素研究.......................................................................71
5.6.1 不同土壤热容对围岩传热的影响..........................................................71
5.6.2 不同土壤导热数对围岩传热的影响......................................................75
5.6.3 不同土壤密度对围岩传热的影响..............................................................79
5.6.4 不同土壤容积含水率对围岩传热的影响..................................................83
5.7 章小..............................................................................................................85
六章 结与展望.......................................................................................................86
6.1 论文...............................................................................................................86
6.2 展望..........................................................................................................87
6.3 论文的创新...............................................................................................88
第一
第一章 绪论
1.1 选题背景意义
社会不断人口数量急剧增加变得越来越拥,环境的污染
用地上土地空间越来越少今天,地铁速、舒适方便和空间用率
特点方式优点,目前地铁建要集中在大中城市,地
空间资源广阔空间使得地铁成后有待开发和的重通方
[1] [2]计到 2020 年,我国地铁程将达 6100 里,地地下空间广泛应用,
大中城市建设要发,对改善居民生活社会
步具有重要的意义 [3][4]
于地地下,相上建筑具,整个地铁区间隧
地下 10m 甚至更深的置,车动的过系统接触将产
层,列车在区间隧道内运行,乘客新陈代谢也产生大量的热湿
CO2气体,于地铁于地下,没有地上建通风流地上建筑那样
借助自然通风除室内的部分热湿负荷,地铁内空气通风
够排湿保证空气[5]区间隧道
设置的进竖井,地铁隧道通风的标是排除区间隧道内的热湿
气体,确保区间隧道内部的热环境,保证列车在区间隧道的正常运行乘客
舒适性,保证地铁区间隧道内环境的空气列车的正常运重要
[6]热量风量
的能耗。
于地铁列车动光产热及列车在区间隧道内运行中空调冷
大量的热量,不迅其从地铁区间隧道排出室外使道区间的
度升,影响列车空系统的正常运行,列车热环境变员无
的地地铁区间隧道内的热量来源主要有以下个方面[7] [8]:列车系统
产生的热量、列车空调系统冷凝器热、灯光照明放热、隧道壁面与空气的
区间隧道热量一部分通过通系统带走时一部分热量
隧道周围围岩土壤建地负荷较小空气温度较低着运营年
的增时随的增加导列车率增大,热量也不这时
道内热量逐年增加,导铁内热环境逐化,甚至
[9]例如日,大全年平均气温为 15,这个平均气温随着年限增加
的升城市生活常供下水,地下水用水量的增加致使地下
使向地中的放热减致使区间隧道内的温度升,热环不断
东京银座线10 年间温度上升 3.5,在热环境人员几乎不
1971 地铁内热环境的继续
[10],可地铁随着运营年限的延,区间隧道内积热量越来越大。
[11]
Bendelius 美 国 亚 大 地 铁 的 测 算 , 环 控 系 统 费 整 个 地 铁 用 的
1
上海理学硕士学位论文
8%~10%[12]环控系统比例超能耗的 50%[13][14]如何小冷负
和优整个调系统就成为了环系统设计的关
着地铁环价格常运所产[15]尽管地铁各个部分产生
的热负荷热量列车及运它们总产
70~80%但是已有研究发现围岩土壤放热量在整个地铁环控
荷所比例30%左右[16][17],可铁围岩的传热整个环控
耗及区间隧道内热环境的一个重要参数。
地铁区间隧道围岩土壤温度场在营前稳定的,运营
空气稳定传热的影响而处于非稳间的,隧道围岩土壤温
场的直接影响到隧道内空气与土壤间热情况以及区间隧道内的热环境
研究隧道围岩土壤温度场非常有文的研究为地铁隧道围岩土
温度场随地铁运营年限的动态变化规律。
1.2 地铁隧道围岩土壤温度场研究现
目前界各研究土壤传热有隧道围岩土壤的传热,地
壤传热的分析,地程等下空间土壤传热,问题的研
研究方法要集中在数值模拟、模型实验、理论计算、现场实测方法。
1.2.1 内研究现
我国20 80 代开始对地铁方面
展开研究,研究的内容要集中在列车运营过热量、空气温度情况、列车运
产生风风速、隧道壁面热流量分及站台空间之内的空间气流情况
而对于隧道围岩土壤传热方面的研究则较少
2009 李晓昭名称地铁工程复杂介质与热边界的围岩传热
和温度场化研自然对地铁隧道围岩传热进行了系统
研究,研究过中以水空气作为热介质,以地铁设计隧道限温度 35
定温度作用于土壤表面,没有考壤传热的热湿合过温度况下
壤温度的分情况。
球科学系[18]文中地铁围岩传热
展开研究,对地区地铁度场进行了实测研究,采用数值模拟的方
对围岩传围的各个影响行了研究,对传热的理式进
导,通过模型实验验证了理分析同类围岩的传热特
经统回归分析得到了变温层传热[19][20]
道模型的基础上,对地铁围岩传热量的计式进行了,发现地铁围
量在负荷有一定的比例,有一定能空李晓[21]实测了隧道内
空气温度,壁面温度和壁面热流以及变化规律算了围岩传热总产
量的比例[22]模型实验研究了地铁围岩内的温度分况,并通过实
验结果对土体热导率进行反算[23]FLAC3D 隧道围岩温度场的
化规律模拟计算了传热能,得到了地铁围岩的传热稳定时间、传热量的大
2
二章
度。
同济广吴喜平,李昊[24][25]在考度场气固
传热、地下水等因基础上,了隧道土体温度三测模型,对土
温度和土壤热变化的各种因行分析,通过数值模拟空气温度
值的条件下求得了地铁土壤温度,发现土壤蓄热作用应在地铁环系统的设
计中给予
石家业技[26]通过对隧道内有限围的围岩体温度场
的理论分析,得了隧道土壤内各个置处的温度变化规律。
西科技宁翠[27][28]用现,理论分析和数值模拟研究
路隧道温度场的特性,通过温,隧道围岩土壤的温
度情况及隧道内温数值模拟中考保温层的影响,得到了隧道围岩
温度场,对隧道围岩土壤温度场进行了系统的研究。
[29][30]Philip-De Vires 土壤中热量和水分模型采用
分方有限分法对土壤中水分对传热过影响进行了研究,发现随土
深度的增加,湿影响逐渐土壤湿对传热性能的影响集中
土壤表面1.5m 深度处,于地下水,可以为地下水以下的岩土
经达到含水量热湿;但有地下水
流的情况下,则对地层的传热性能影响[31]
1.2.2 国外研究现
目前国外对于土壤传热方面的研究内要集中在地温
变化的影响、隧道传热、土壤温度对含水率分的影响方面,研究方法包括模型
实验、理论分析、数建模
H.Ben Jmaa Derbel O.Kanoun[32]搭建了土壤传热实验台,在考土壤
和气条件的基础上,以一年为实验周期,运用理论分析和实验研究对分析
地下 0.1m2m4m 处的温度变化情况,对分析了土壤性为砂质土,壤土
土在地下 0.1m2m4m 处的温度分情况,分析了地不同直不同
度对传热量的影响结得克斯气条件,
三个月,3个月,温和6个月,地地区有一定
其的 Onder OzgenerLeyla Ozgener Jefferson W.Tester[33]
验模测土壤每温度随深度和时间的变化情况,通过验证证明后的
型能少日变化参数对温度分的影响,研究地下 5cm10cm20cm300cm
的 温 度 变 化 情 况 , 运 用 模 型 分 析 一 年 中 地 下
50cm100cm300cm500cm1000cm 各处的温度变化,研究表明发的模型能
为设计少经济技术,得了土壤温度振幅随深度变化的数。
利亚Kiao InthavongJiyuan Tu 和重[34]隧道
的土分为 n研究了隧道围岩周围土壤温度和热量的传递,
气和隧道传热的数计算模型。模型对于计算 1000m 隧道一年中传
3
上海理学硕士学位论文
的计算时6计算模型广研究结果表明计算值和实测
值有合。
G.J.Bougoucos[35]对水分对土壤中温度分的影响进行了研究,发现温土壤
不利于水分的保存,水是由温区温区
于土壤中水分的蓄存,水分在从的过
态为稍许的气态式,这明在岩土中的含水率在温区要温区。
以上叙述对于隧道围岩温度场的现有研究以下特点:其
一,研究方法以理论分析和数值模拟,通过模型试验和现场实测的方
比较少;,影响隧道围岩传热的素较多,在研究过通常
的影忽略对应在研究过据研究内设以
化研究,以现有研究基本没有考湿对传热的影响,而以研究热传递
主;其三条件的限在边界条件方面以稳态传热的非
态传热过化成稳态传热研究其热量的传递规律通过实验的方
采用非稳态边界条件研究隧道围岩温度场的热湿合过要,
方法与实地铁隧道模型合,研究结果为地铁热环境和热
性方面提供相应的参考和技术上的支
1.3 题的要内容及意义
论文以地铁隧道从行多年围岩土壤温度场规律为研究对
采用传热模型理论、模型实验和软件模拟究方法,通过模型实验
软件模拟验证、相补充的方式,在考热湿的基础上,着重研究了
岩土壤中温度场的化规律,论文的体研究内容下:
1
的导热计算模型,通过分析热特确定隧道围岩土壤传热遵循的傅
叶准则,进一确定实验过的各个相似比、实验台各个尺寸。
2)动态空气热下土壤热湿的实验研究:搭建土壤传热实验台
以温度变况的空气作用于土壤表面,定量反应铁隧道围岩热湿传递过
通过采集土壤内各温度、含水率及空气与土壤表面的热流密度动态数据,
分析土壤侧热动态化规律。
4CHAMPS-BES 软件的数值模拟:在通过软件对了实验台传热情况,
保证软件模拟准确前提下,拟上海地区隧道围岩土壤温度场及含
率随运营年限的变化过得到铁隧道模型的热湿传递规律之后软件
拟对分析种典土壤的热库演化过程;分析了土壤参数(热容、导
数、密度、容积含水率)的不同对土壤传热的影响。
论文采用研究方法结合的方法对隧道围岩土壤温度化规律进
研究有一定的在实验中,通过对土壤同位置处温度,得到了
铁从建到投入营多年以后温度场规律通过温度曲线的计算和
测热流密度的了区间隧道内空气与土壤的动态热量。研究对现有关于
隧道区间围岩土壤温度场的研究进行了部分深化和填补得结有一定的
值。
4
摘要:

地铁隧道围岩土壤温度场演化特性实验研究摘要地铁列车在区间隧道内运行时释放大量的热,随着地铁运营年限的增加,其区间隧道内温度逐年上升,从而影响列车和站台的环控能耗,这逐渐成为地铁设计运营中关注的热点问题。这一问题的核心之处在于地铁隧道内空气与围岩土壤热湿传递规律,本文则重点研究在空气侧温度周期性波动情况下,区间隧道土壤盾构的蓄放热特性,通过理论模型分析、缩尺模型试验、软件模拟相结合的研究方法,得到盾构土壤温度动态变化特性,为保证地铁区间隧道热环境满足正常运营的需求提供重要参考。理论模型的选取为试验台的搭建型式服务,通过对既有传热理论的分析发现,现有地铁隧道围岩传热计算模型有稳态导热计算模型和非稳...

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作者:侯斌 分类:高等教育资料 价格:15积分 属性:97 页 大小:5.79MB 格式:DOC 时间:2024-11-19

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