大相岭泥巴山隧道区域温度场数值模拟研究

高寒地区冻土活动层温度场数值模拟
王俊智;梁四海;万力;王海周
【期刊名称】《人民黄河》
【年(卷),期】2013(035)003
【摘要】等效显热熔法是研究高寒地区冻土活动层温度场水文过程和生态变化的重要方法.通过引入描述冻土活动层饱和程度的参数,改进了等效显热熔法,使其适用于非饱和带.在假设土壤含水量不变,忽略水分对流和热源(汇)的前提下,使用COMSOL Multiphysics模型模拟了黄河源区玛多县冻土活动层的温度状况.结果表明:改进的等效显热熔法是合理、可信的,可以用于高寒地区冻土活动层变化规律与机制的研究.
【总页数】4页(P20-23)
【作者】王俊智;梁四海;万力;王海周
【作者单位】中国地质大学水资源与环境学院,北京100083;中国地质大学水资源与环境学院,北京100083;中国地质大学水资源与环境学院,北京100083;河南省有色金属地质矿产局第五地质大队,河南郑州450016
【正文语种】中文
【中图分类】TU445
【相关文献】
1.黄河源湖间冻土区温度场与活动层厚度的变化 [J], 冯雨晴;梁四海;洪涛;万力;赵珍伟
2.冻土活动层相变温度场Chebyshev拟谱分析 [J], 李南生;吴青柏
3.高寒地区冻土活动层变化特征分析 [J], 高峰;刘军;倪长健;高永刚;赵慧颖
4.多雨高寒地区沥青道路翻浆温度场的数值模拟 [J], 吴晓伟;杜永峰
5.钻孔灌注桩对冻土温度场扰动数值模拟 [J], 秦添;荀琦
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大相岭泥巴山隧道涌水大变形处理技术
王晋生
【期刊名称】《现代隧道技术》
【年(卷),期】2010(047)006
【摘要】雅西高速公路大相岭隧道全长10 007 m,单口掘进5 130 m,为全国单口掘进之最,地质情况极为复杂,施工中出现了严重的涌水、大变形事故.为了能安全通过大相岭隧道右线41 m集涌水、大变形、断层破碎带地段,采用了分步开挖、分部引排水、初期支护全断面封闭成环、Φ42小导管超前支护等施工技术以及严格控制注浆压力、短台阶开挖、加快下导洞施工进度、二次衬砌紧跟等施工工艺,保证了结构的安全稳定及工程的稳步推进.
【总页数】4页(P91-94)
【作者】王晋生
【作者单位】中铁十二局集团第三工程公司,太原030024
【正文语种】中文
【中图分类】U456.3+2
【相关文献】
1.大相岭泥巴山隧道区域温度场数值模拟研究 [J], 李群善
2.大相岭隧道涌水塌方处理技术 [J], 李建军;杨鲜明;黄水亮
3.大相岭隧道涌水预测数值模拟分析 [J], 吕燕;邓林
4.大相岭隧道挤压变形段涌泥涌水处理技术 [J], 李建军
5.泥巴山上的西南第一长隧——大相岭泥巴山深埋特长隧道关键技术研究纪实 [J], 田尚志;周仁强
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湿热地区长大隧道温湿度场分布及洞壁结露分析韩健勇;赵文;陈向利;陈阳;刘云安;关永平【摘要】In this paper,eight tunnels of a railway line were chosen to observe and analyze the temperature of tunnel wall,air temperature inside the tunnel and relative humidity.Based on the FEM program ABAQUS,the fluid-solid numerical models of the tunnel were established to analyze the influence of wind speed of tunnel portal,tunnel length and air temperature of tunnel portal on the temperature field of long tunnels.According to above analysis,the mechanism of condensation on tunnel walls under hydrothermal environment was analyzed.The results showed that the temperature and moisture distributions of long tunnels can be divided into three regions: quick-change region,smooth transitional region and constant region.In the constant region,the temperature and humidity were little affected by external environment.The condensation on tunnel walls in hot and humid areas was mainly caused by internal and external temperature differences and high humidity.The wind speed of tunnel portal was linearly related to the size of the constant region.The faster the wind speed,the smaller the constant region was.Under the same outside air temperature,the longer the tunnels,the faster the air temperature inside the tunnel reduced.The outside air temperature only affected certain regions near the tunnel portal.%以某铁路隧道为依托,选取其中8座典型隧道,对隧道洞壁温度、洞内气温以及相对湿度进行连续观测并整理分析.基于ABAQUS 有限元软件建立隧道的流固耦合数值模型,得到了洞口风速、隧道长度和进风口风温等因素对长大隧道温度场的影响规律.在此基础上,对湿热环境下长大隧道洞壁结露现象产生机制进行了分析.研究结果表明:长大隧道温湿度场可分为快速变化区、平缓过渡区和恒定区,在恒定区内隧道温度、湿度变化受外界环境影响较小.湿热气候下的洞壁结露现象主要是由于较高的内外温差和大气湿度引起的.洞口风速与隧道恒定区大小呈线性关系,且风速越大,恒定区范围越小.在洞外气温相同的情况下,隧道越长,洞内气温衰减越快,而洞外气温仅对隧道口一定区域产生影响.【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2017(039)007【总页数】10页(P123-132)【关键词】长大隧道;湿热地区;温度场;湿度;CFD;ABAQUS【作者】韩健勇;赵文;陈向利;陈阳;刘云安;关永平【作者单位】东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110819;中铁九局集团有限公司宇松指挥部,辽宁沈阳110051;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110819;中国铁路设计集团有限公司城市轨道交通设计研究院,天津 300142【正文语种】中文【中图分类】U25随着铁路网的快速发展，铁路隧道尤其是长大隧道也日益增多。

大相岭深埋特长隧道场区高应力场三维数值反演李群善;穆伟;邓荣贵【摘要】大相岭隧道属特长深埋隧道,隧址区地应力高,断裂构造发育,软岩硬岩交错分布,开挖中可能会出现岩爆大变形等现象,运用FLAC3D快速拉格朗日差分软件采用数值三维多元回归原理结合实测地应力资料对隧道场区高地应力场进行数值回归反演,反演结果和实测结果吻合良好,能够较好的从整体上反映场区地应力状况,为地质超前预报以及超前支护和隧道结构设计提供较为可靠的定量分析资料.【期刊名称】《铁道标准设计》【年(卷),期】2009(000)005【总页数】3页(P74-76)【关键词】隧道;地应力;应力场反演【作者】李群善;穆伟;邓荣贵【作者单位】中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院,郑州,450000;中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院,郑州,450000;西南交通大学,成都,610031【正文语种】中文【中图分类】U45地应力是地下工程设计和施工的重要基础资料之一,特别是地下工程的失稳主要是由于开挖过程中引起的应力重分布超过围岩强度或造成围岩过分变形而造成的,而应力重分布是否会达到危险的程度要看初始地应力场的具体情形而定,所以地应力是影响地下洞室等工程稳定的最重要的基本因素之一。

1 工程概况大相岭隧道是雅泸高速公路上的控制性工程,长达10.2 km,为上、下行分离式双洞单向交通隧道,最大埋深约1 650 m。

该隧道地处四川盆地西南边缘山区,山势陡峻,槽谷陡直深切,地形陡峭,多陡崖急坡,平均坡度30°～45°,相对高差约2 100 km。

隧址区断裂构造发育,规模较大,岩体整体上较为破碎,隧道存在高地应力、硬围岩岩爆、高地温、软围岩或破碎带围岩大变形等问题,这些和场区应力分布关系密切,所以搞清楚整个场区应力场对工程顺利开展至关重要。

运用多元回归原理结合实测地应力对隧道场区高地应力场进行回归反演。

2 多元回归的数学原理[1～2]在工程岩体中地应力主要来源是地质构造运动和岩体自重。

第３６卷第４期２０２１年㊀１２月矿业工程研究ＭｉｎｅｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＶｏｌ.３６Ｎｏ.４Ｄｅｃ.２０２１ｄｏｉ:１０.１３５８２/ｊ.ｃｎｋｉ.１６７４－５８７６.２０２１.０４.０１０隧道迎头区温度计算及数值模拟夏卫东ꎬ刘何清∗ꎬ杨恩慧(湖南科技大学资源环境与安全工程学院ꎬ湖南湘潭４１１２０１)摘㊀要:为研究施工隧道内空气温度变化规律ꎬ基于热平衡方程建立稳定状态下隧道迎头区域内温度计算数学模型ꎬ利用数值模拟软件与温度计算模型结果进行对比并对模型进行修正.结果表明:空气温度计算值与模拟值最大相对误差为５.９６％ꎬ修正后为１.７３％ꎬ温度计算数学模型可以用于计算不同工况下迎头区域内空气平均温度ꎻ围岩温度㊁送风量会对隧道内温度产生影响ꎬ随着送风时间的增加ꎬ迎头区域内空气温度先增加然后达到稳定状态ꎻ围岩温度每上升５ħꎬ空气平均温度上升１ħ左右ꎬ不同围岩温度下空气温度变化速率基本一致ꎻ风量由２０ｍ３/ｓ增加至３０ｍ３/ｓ时ꎬ降温作用显著ꎬ之后随着风量增加ꎬ降温幅度降低.关键词:施工隧道ꎻ迎头区域ꎻ温度计算ꎻ数值模拟中图分类号:Ｘ９３６㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－９１０２(２０２１)０４－００６０－０７ＯｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＴｕｎｎｅｌＨｅａｄＡｒｅａＸＩＡＷｅｉｄｏｎｇꎬＬＩＵＨｅｑｉｎｇꎬＹＡＮＧＥｎｈｕｉ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓꎬＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉａｎｇｔａｎ４１１２０１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｌａｗｏｆａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｕｎｎｅｌꎬａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｔｕｎｎｅｌｈｅａｄａｒｅａｕｎｄｅｒｓｔａｂｌｅｓｔａｔｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈｅａｔｂａｌａｎｃｅｅｑｕａｔｉｏｎ.Ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｍｏｄｉｆｉｅｄ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｖａｌｕｅｉｓ５.９６％ꎬｗｈｉｃｈｉｓｃｈａｎｇｅｄｔｏ１.７３％ａｆｔｅｒａｄｄｉｎｇａｄｄｉｔｉｏｎａｌｉｔｅｍｓ.Ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅａｖｅｒａｇｅａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｈｅａｄ－ｏｎａｒｅａｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｔｕｎｎｅｌｉｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄａｉｒｓｕｐｐｌｙｖｏｌｕｍｅ.Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆａｉｒｓｕｐｐｌｙｔｉｍｅꎬｔｈｅａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｈｅａｄｉｎｇａｒｅａｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｒｅａｃｈｅｄａｓｔａｂｌｅｓｔａｔｅ.Ｗｈｅｎｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｄｂｙ５ħꎬｔｈｅａｖｅｒａｇｅａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｒａｉｓｅｄｂｙａｂｏｕｔ１ħ.Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｒａｔｅｏｆａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｓｂａｓｉｃａｌｌｙｔｈｅｓａｍｅ.Ｗｈｅｎｔｈｅａｉｒｖｏｌｕｍｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｒｏｍ２０ｍ３/ｓｔｏ３０ｍ３/ｓꎬｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔꎬａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｒａｎｇｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆａｉｒｖｏｌｕｍｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｕｎｎｅｌꎻｈｅａｄ－ｏｎａｒｅａꎻｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ随着国内经济的不断发展和科技的日益成熟ꎬ我国修建隧道的数量不断增多.在施工过程中ꎬ人们越来越重视隧道内人员工作的舒适性和安全性ꎬ施工通风问题也越来越引起重视.因此ꎬ为满足通风需求ꎬ确定合适的通风方案ꎬ有必要对施工隧道内的温度场分布规律进行分析.对此ꎬ科研学者已经有了相关研究成果.王仁远等[１]以正盘台隧道为研究对象ꎬ应用现场实测数据与ＡＮＳＹＳ软件结合求解隧道内温度场ꎬ结㊀收稿日期:２０２１－０４－１３㊀㊀∗通信作者ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｈｑｌｉｕ８２２２６３８＠１６３.ｃｏｍ博看网 . All Rights Reserved.第４期夏卫东ꎬ等:隧道迎头区温度计算及数值模拟果表明隧道内围岩的初始温度是影响整体温度场的关键因素ꎻ杨勇[２]对川藏铁路高温段施工通风温度场进行研究ꎬ结果表明在１２０ｍｉｎ后ꎬ通风速度对隧道内温度影响不大ꎬ通风温度发生变化时会影响隧道内的气温㊁壁面温度和低温范围ꎻ何青青[３]以高温特长隧道为研究对象ꎬ分析不同送风参数下隧道内温度变化情况ꎬ研究表明隧道壁面温度会随着通风时间的增大逐渐趋于稳定ꎬ在稳定阶段时隧道出口位置的平均温度变化很小ꎬ不同的送风参数会改变射流的运动方式ꎬ进而形成不同的温度分布ꎻ貊祖国[４]对新疆某高地隧道温度变化特性进行研究ꎬ结果表明掌子面处温度较高ꎬ洞口温度较低ꎬ从洞口到掌子面ꎬ温度变化为非线性增加ꎻ江亦元[５]对昆仑山隧道施工进行分析ꎬ得到了隧道内温度场的分布规律ꎬ提出相应的温度场控制措施ꎻ赖鑫琼等[６]对不同热源下空气温度变化规律进行研究ꎬ结果表明不同风向下移动热源和固定热源对洞内空气温度的影响不同ꎬ温度变化幅度与风速有关ꎻ张育玮等[７]对高温环境下热源的分类和形成进行分析ꎬ得到热力风压影响风流方向的判断方法ꎻ于丽等[８]研究了通风和围岩温度作用下的隧道内温度分布ꎬ结果表明风流温度决定了近壁面的围岩温度大小ꎬ风温每降低５ħꎬ洞内同位置温度降低３.８ħꎻ徐海等[９]对ＴＢＭ施工隧道通风进行研究ꎬ结果表明围岩放热是洞内的主要热源ꎬ增加通风量是改善洞内环境温度的有效措施ꎻ孙克国等[１０]利用数值模拟手段对某公路隧道进行研究ꎬ结果表明围岩初始温度越高ꎬ低温气流对隧道内温度场的降温幅度越大ꎬ影响范围越大ꎻＦｅｎｇＷａｎｇ等[１１]对ＴＢＭ施工隧道进行仿真研究和现场测试ꎬ结果表明随着岩石温度和ＴＢＭ利用率增加ꎬ隧道内空气温度呈线性增加ꎬ随着通风量的增加ꎬ隧道内空气温度呈抛物线的形式下降ꎻＫａｎｇＦａｎｇｃｈａｏ等[１２]对隧道内的温度场进行研究ꎬ结果表明保温层可以有效减少高温隧道中围岩与气流之间的热交换ꎬ降低洞内温度的上升速率ꎻＺｅｎｇＹａｎｈｕａ[１３]以高黎贡山为例ꎬ通过数值模拟研究了通风速度对隧道内环境温度影响ꎬ结果表明通风速度对温度场的影响很大ꎬ为使隧道内温度低于２８ħꎬ通风速度应小于３.５ｍ/ｓꎻＤｕＣｕｉｆｅｎｇ等[１４]对隧道内流固耦合传热规律进行研究ꎬ研究结果表明近壁面区域的围岩热通量大于远离围岩区域热通量ꎬ最大值位于岩壁上ꎻＴａｎＸｉａｎｊｕｎ等[１５]对通风条件下的西藏嘎朗拉隧道围岩温度场进行研究ꎬ结果表明气温和风速是影响隧道内围岩温度的两个重要因素ꎬ在隧道的入口和出口区域受周围环境的影响较大ꎬ容易出现不利条件.由以上研究内容可以看出ꎬ隧道内温度受多种因素影响ꎬ其变化关系到工作人员舒适度和通风降温效果.因此ꎬ本文以某隧道工程为例ꎬ考虑围岩㊁机电设备㊁人员㊁通风的综合影响ꎬ利用热平衡方程推导隧道迎头区域空气温度计算数学模型ꎬ同时分析不同围岩温度和送风量下空气温度的变化规律ꎬ为后续通风工艺参数的选择与优化提供参考.１㊀数值模型建立１.１㊀物理模型物理模型以某隧道工程实际尺寸作为参考ꎬ基本几何尺寸:断面半径５.９ｍꎬ模拟隧道长度１００ｍꎬ采用压入式通风方式ꎬ风筒布设于隧道侧壁且风筒出口距离工作面２０ｍꎬ隧道模型图如图１所示.风管半径为Ｒ０ꎬ隧道半径为Ｒ１ꎬ隧道中心离地面高度为Ｌ０ꎬ风筒中心距离隧道中心水平距离为Ｌ１ꎬ竖直距离为Ｌ２ꎬ风筒出口到工作面距离为Ｌ３ꎬ隧道长度为Ｌ４.根据以上尺寸ꎬ利用三维建模软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋ建立物理模型ꎬ然后将模型导入网格划分软件ＩＣＥＭ中ꎬ采用非结构网格进行划分ꎬ网格类型为Ｔｅｔｒａ/Ｍｉｘｅｄꎬ最大歪斜率控制在０.５内[１６].Ｒ０－１ꎻＲ１－５.９０ｍꎻＬ０－１.２５ｍꎻＬ１－４.２ｍꎻＬ２－２.３ｍꎻＬ３－２０ｍꎻＬ４－１００ｍ图１㊀隧道模型１６博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２１年第３６卷１.２㊀边界条件隧道内的空气温度受许多因素的影响ꎬ包括围岩散热㊁机电设备散热㊁人员散热㊁通风等.洞内空气与围岩之间的热交换主要是由于温差存在ꎬ当空气温度高于岩石温度时ꎬ周围岩石会吸收空气中的热量ꎬ当空气温度低于岩石温度时则相反.围岩温度一般处于２０ħ左右ꎬ但在某些高温隧道中ꎬ岩石温度会达到４０ħ以上[１７].在某一时间内ꎬ隧道围岩及工作面与风流之间的传热量可以按照式(１)计算:Ｑ１＝ｈＵＬ＋Ｓ()ＴＲ－Ｔ０().(１)式中:Ｑ１为隧道围岩散热量ꎬｋＷꎻｈ为围岩与风流之间的对流换热系数ꎬＷ/(ｍ２ħ)ꎻＵ为隧道断面周长ꎬｍꎻＬ为距离开挖面长度ꎬｍꎻＳ为隧道断面面积ꎬｍ２ꎻＴＲ为隧道围岩温度ꎬħꎻ对流换热系数ｈ受到隧道内风速的影响ꎬ由文献[１]可知ꎬ风速与对流换热系数成正相关ꎬ通过数据拟合可得两者关系式为ｈ＝３.０６ｖ＋４.１１.(２)式中:ｖ为隧道内平均风速ꎬｍ/ｓ.机电设备主要包括隧道内使用的装载机㊁挖掘机㊁运渣车ꎬ在设备正常使用过程中会产生大量的热量ꎬ从而导致周围空气温度上升ꎬ机电设备散热量计算如式(３)所示:Ｑ２＝Ｗη.(３)式中:Ｑ２为设备散热量ꎬＷꎻＷ为设备功率ꎬＷꎻη为设备工作时的热利用率系数ꎬ此时其值为０.６５ꎬ不同设备功率及其热负荷如表１所示.表１㊀不同设备功率及热负荷设备类别设备功率/ｋＷ设备负荷/ｋＷ小松ＷＡ４７０－６装载机１４９６.２０ＰＣ２２０挖掘机１２５８１.２５运渣车１６３１０５.９５隧道内人员的热负荷相对较小ꎬ主要集中在工作面区域ꎬ人员散热量计算如式(４)所示:Ｑ３＝ｑｎｎᶄ.(４)式中:Ｑ３为人员散热量ꎬＷꎻｑ为人均产热率ꎬ此时为２００Ｗꎻｎ为在隧道内工作人员数目ꎬ文中ｎ确定为２０ꎻｎᶄ为集群系数ꎬ取值为１.隧道施工通风是保障正常施工的有效措施ꎬ在通风过程中ꎬ当环境温度低于洞内空气温度时ꎬ施工通风可以有效降低隧道内空气温度.冷负荷的主要影响因素为温差和风量ꎬ可以通过式(５)计算:Ｑ４＝－ｃρＶＴ０－Ｔ１().(５)式中:Ｑ４为通风降温负荷ꎬＷꎻｃ为空气的比热容ꎬＪ/(ｋｇ ħ)ꎻρ为空气密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻＶ为送风风量ꎬｍ３/ｓꎻＴ１为送风温度ꎬħ.结合上述分析与计算结果ꎬ边界条件的具体设置如下.１)出入口边界条件:风筒出口设置为速度入口边界ꎬ按照隧道施工规范中允许最低风速０.１５ｍ/ｓ要求ꎬ不同工况下风量分别设置为２０ꎬ３０ꎬ４０ꎬ５０ｍ３/ｓꎬ送风温度与外界环境温度一致ꎬ设置为２０ħꎬ出口自由出流.２)壁面边界条件:围岩温度按照不同工况分别设置为２５ꎬ３０ꎬ３５ꎬ４０ħ[１７].３)热流边界条件:装载机９６.２ｋＷ/台㊁挖掘机８１.２５ｋＷ/台㊁运渣车１０５.９５ｋＷ/台ꎬ人体热流量２００Ｗ/人.１.３㊀控制方程受洞内围岩温度㊁设备㊁人员散热及低温射流影响ꎬ重力和浮力因素对隧道内温度分布会有很大影响.在ＲＮＧｋ－ε湍流模型中ꎬ浮力Ｇｂ具体形式如式(６):Ｇｂ＝－ｇｉμｔρｐｒ∂ρ∂ｘｉ.(６)２６博看网 . All Rights Reserved.第４期夏卫东ꎬ等:隧道迎头区温度计算及数值模拟式中:ｇｉ是重力在ｉ方向上的分量ꎻμｔ为湍流黏性ꎻρ为密度ꎻｐｒ湍流动能普朗特数.在当前数学模型中ꎬ浮力对于湍流动能的影响主要在受温度变化产生的不稳定层当中.此外ꎬ在ＲＮＧｋ－ε模型当中ꎬＲε作为附加项被添加到ε方程当中ꎬ其具体形式如下:Ｒε＝Ｃμη３１－η/η０()１＋βη３βε２ｋ.(７)式中:Ｃμ为实验常数ꎬ其值为０.０８５ꎻη表示流体流动的各向异性程度ꎻη０＝４.３８ꎻβ＝０.０１２ꎻε为湍流动能耗散率ꎻｋ为湍流动能.在湍流中ꎬ附加项Ｒε通过添加流场中η变化提高复杂流动的精度ꎬ特别是结合了旋流对湍流的影响ꎬ可以更加准确的对流线弯曲进行模拟.在上述数学模型当中ꎬ隧道内设备及人员都会对流场产生干扰ꎬ流场会因回流㊁旋流及阻碍作用等产生强各向异性.此外ꎬ在Ｒｏｈｄｉｎ与Ｍｏｓｈｆｅｇｈ[１８]的研究当中ꎬＲＮＧｋ－ε模型在大型空间设施中的流场与温度分布相比其他湍流模型的预测值与测量值更加一致.因此选用ＲＮＧｋ－ε模型适合隧道施工通风模拟ꎬ其控制方程包括连续性方程㊁动量守恒方程和能量守恒方程.２㊀迎头区域空气温度计算模型２.１㊀模型验证隧道迎头区域是人员作业的集中区域ꎬ该区域内的温度变化对人员作业有很大影响.因此ꎬ对工作面附近２０ｍ区域进行分析ꎬ由１.２节可知ꎬ隧道内温度主要受到围岩㊁设备㊁人员及通风影响.在隧道温度逐渐稳定时ꎬ隧道内冷源和热源之间达到能量平衡状态.因此ꎬ隧道内温度变化可以表示为ｃρＶｓ∂Ｔａｉｒ∂ｔ＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４.(８)式中:Ｔａｉｒ为迎头区空气温度ꎻＶｓ为迎头区域空间体积ꎬｍ３.在隧道内达到热平衡时ꎬ洞内空气温度不再随时间发生变化ꎬ即∂Ｔａｉｒ∂ｔ＝０ꎬ于是有ｃρＶＴａｉｒ－Ｔ０()＝ｈＵＬ＋Ｓ()ＴＲ－Ｔａｉｒ()＋Ｗη＋ｑｎｎᶄ.(９)进而可以得到平衡状态下的迎头区空气温度计算式为Ｔａｉｒ＝ｈＵＬ＋Ｓ()ＴＲ＋Ｗη＋ｑｎｎᶄ＋ｃρＶＴ０ｃρＶ＋ｈＵＬ＋Ｓ().(１０)为了验证数值模型的准确性ꎬ按照１.２节中不同围岩温度和通风量进行计算ꎬ得到不同工况下的隧道内平均温度的计算值和模拟值(如表２所示).对比表２中数据可知ꎬ不同工况下隧道内空气平均温度计算值与模拟值之间最大误差为１.７１ħꎬ相对误差５.９６％ꎬ最小误差为０.１５ħꎬ相对误差０.５８％ꎬ平均相对误差为３.１９％ꎬ误差程度较小ꎬ因此确定了模型的可靠性ꎬ建立的数值模型可用于隧道施工内温度场研究.２.２㊀空气温度计算式修正对表２中数据进一步分析可以明显看出在不同工况下空气平均温度计算值均大于模拟值ꎬ因此为使空气温度预测公式更加准确ꎬ可以在式(１０)中增加附加项ꎬ表示为Ｔａｉｒ＝ｈＵＬＴＲ＋Ｗη＋ｑｎｎᶄ＋ｃρＶＴ０ｃρＶ＋ｈＵＬ－ΔＴ.(１１)式中:ΔＴ＝Ａ＋ＢＴＲ＋ＣＶ.对数据处理后进行多元线性回归分析ꎬ得到ΔＴ的拟合公式(Ｒ２＝０.７１９２６)如式(１２):ΔＴ＝３.２１３５６－０.０３２６１ＴＲ－０.０３６５２Ｖ.(１２)按式(１０)㊁式(１１)计算得到不同参数下隧道内迎头区域空气温度计算值和修正值ꎬ其空气温度变化情况如图２所示.由图２可知ꎬ增加附加项后ꎬ空气平均温度计算值与模拟值基本一致ꎬ最大误差由１.７１ħ下降为０.３７ħꎬ最大相对误差由５.９６％下降为１.７３％ꎬ增加附加项后的空气温度计算式可以更加准确的３６博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２１年第３６卷预测稳定状态下迎头区域空气平均温度值.表２㊀不同工况下空气平均温度计算值与模拟值工况围岩温度/ħ送风量/(ｍ３ ｓ－１)平均温度计算值/ħ平均温度模拟值/ħ１２５２０３０.３４２８.６３２３０２０３１.０８２９.４２３３５２０３１.８１３０.２３４４０２０３２.５４３１.０５５２５３０２７.２１２６.０１６３０３０２７.８０２６.７５７３５３０２８.３８２７.５２８４０３０２８.９７２８.２８９２５４０２５.５７２４.９１１０３０４０２６.０７２５.６６１１３５４０２６.５８２６.４３１２４０４０２７.０９２６.９０１３２５５０２４.５５２３.６０１４３０５０２５.００２４.２８１５３５５０２５.４６２４.９９１６４０５０２５.９１２５.６８图２㊀不同工况下隧道内空气平均温度变化情况３㊀模拟结果分析３.１㊀围岩温度ＴＲ对隧道内温度的影响风流与岩壁之间对流换热ꎬ低温风流从围岩带走热量ꎬ进而导致围岩逐渐降温ꎬ因此围岩的初始温度对隧道内温度情况有很大影响.以围岩温度２５ꎬ３０ꎬ３５ꎬ４０ħꎬ风量２０ｍ３/ｓ为例ꎬ计算得到隧道迎头区域内空气平均温度变化如图３所示.由图３可知ꎬ随着通风时间增加ꎬ空气平均温度逐渐增大ꎬ在通风时间２５ｍｉｎ左右时空气温度逐渐稳定ꎬ不同围岩温度通风过程中温度变化速率差异不大ꎬ这时温度变化速率可以表示为∂Ｔａｉｒ∂ｔ＝ｈ(ＵＬ＋Ｓ)ＴＲ－Ｔａｉｒ()＋Ｗη＋ｑｎｎᶄ－ｃρＶＴａｉｒ－Ｔ()ｃρＶｓ.(１３)迎头区域内体积Ｖｓ为１２２２.７６ｍ３ꎬ空间体积较大.因此在围岩温度变化时ꎬ(ＴＲ－Ｔａｉｒ)的变化对空气４６博看网 . All Rights Reserved.第４期夏卫东ꎬ等:隧道迎头区温度计算及数值模拟温度变化速率的影响较小.此外ꎬ围岩温度越高ꎬ隧道内空气温度达到稳定阶段所需要的时间越短ꎬ稳定时的隧道内空气温度越高.围岩温度每上升５ħꎬ隧道迎头区域内稳定阶段的空气温度上升１ħ左右.在稳定阶段ꎬ以上述工况为例ꎬ对通风时间为４５ｍｉｎ时隧道内温度分布情况进行分析ꎬ不同工况下温度变化如图４所示.由图４可知ꎬ迎头区域附近温度受新鲜风流的影响较大ꎬ低温射流对迎头区域有明显的降温作用ꎬ而在其他区域ꎬ由于射流运动过程中产生热交换ꎬ射流温度不断上升ꎬ对其余区域的降温作用减弱ꎬ随着围岩温度的增加ꎬ迎头区域内远离风筒一侧温度受围岩温度的影响明显ꎬ其温度高于近风筒一侧.图３㊀不同围岩温度下空气平均温度变化图４㊀不同围岩温度下隧道内温度分布(ｔ＝４５ｍｉｎ)３.２　送风风量Ｖ对隧道内温度的影响风量大小决定着进入隧道内新鲜风流的多少ꎬ进而影响着隧道内的温度变化.以ＴＲ＝４０ħꎬ送风风量２０ꎬ３０ꎬ４０ꎬ５０ｍ３/ｓ为例ꎬ随着送风时间增加ꎬ隧道内迎头区域的空气平均温度变化情况如图５所示.由图５可知ꎬ随着送风风量的增加ꎬ稳定状态时隧道内的温度越低ꎬ这是由于风量越大ꎬ进入洞内的冷空气越多ꎬ隧道内气流的换热速率增大.送风风量每增加１０ｍ３/ｓꎬ空气温度分别下降２.７７ꎬ１.３８ꎬ１.２２ħꎬ降温效果逐渐减弱.这是由于在风量较低时ꎬ隧道内的空气平均温度较高ꎬ送风温度与空气平均温度之间温差较大ꎬ因此在增大风量时隧道内降温效果明显.随着风量增加ꎬ送风温度与空气平均温度之间的温差减小ꎬ增大风量后降温效果减弱.以２８ħ作为施工温度标准时ꎬ送风量为４０ｍ３/ｓ时达到施工要求.进一步分析风量增加对隧道内稳定状态时温度分布规律影响ꎬ以上述工况为例ꎬ在通风时间为４５ｍｉｎ时ꎬ隧道内温度分布如图６所示.由图６可知ꎬ随着送风风量的增加ꎬ低温射流加快了隧道内热量的排出ꎬ对隧道内的降温范围逐渐扩大ꎬ风量由２０ｍ３/ｓ增加至３０ｍ３/ｓ时ꎬ工作面附近的温度变化最明显ꎬ对设备和人员的降温作用显著.在靠近出口区域ꎬ空气温度较高.图５㊀不同风量下隧道内空气平均温度变化图６㊀不同风量下隧道内温度分布(ｔ＝４５ｍｉｎ)５６博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２１年第３６卷４㊀结论１)数值模型经理论计算结果检验ꎬ理论计算值与模拟值平均相对误差为３.１９％ꎬ在合理范围内ꎬ验证了采用的数值模型和计算方法可靠.２)对隧道稳定状态时空气温度计算式增加附加项ꎬ修正后计算式最大相对误差由５.９６％减小为１.７３％ꎬ可以更加准确地计算稳定状态下隧道内平均温度.３)围岩温度会对隧道内迎头区域空气平均温度产生影响ꎬ随着围岩温度上升ꎬ迎头区域内空气平均温度逐渐增加ꎬ围岩温度每上升５ħꎬ空气平均温度上升１ħ左右.不同围岩温度下的空气温度变化速率基本一致.４)增加通风量可以加快隧道内的换热效率ꎬ大幅降低隧道内空气温度ꎬ但随着通风量的增加ꎬ降温效果逐渐减弱.参考文献:[１]王仁远ꎬ朱永全ꎬ高焱ꎬ等.正盘台隧道洞内空气和围岩温度场分析[Ｊ].科学技术与工程ꎬ２０２０ꎬ２０(１８):７４６４－７４７１.[２]杨勇.高海拔高地温特长隧道长距离施工通风及供氧技术研究[Ｄ].石家庄:石家庄铁道大学ꎬ２０２０.[３]何青青.高壁温铁路隧道独头射流通风及喷雾降温数值计算研究[Ｄ].成都:西南交通大学ꎬ２０１２.[４]貊祖国.高地温引水隧洞瞬态温度场数值模拟及温度效应研究[Ｄ].石河子:石河子大学ꎬ２０１９.[５]江亦元.昆仑山隧道施工温度控制及施工措施[Ｊ].现代隧道技术ꎬ２００２(６):５６－５８.[６]赖鑫琼ꎬ吴柯杉ꎬ张一夫ꎬ等.井下移动热源对巷道局部风流温度影响规律研究[Ｊ].中国安全生产科学技术ꎬ２０１８ꎬ１４(９):１００－１０４.[７]张育玮ꎬ邹声华ꎬ李永存.高温矿井热源对风流稳定性影响的分析[Ｊ].中国安全生产科学技术ꎬ２０１５ꎬ１１(８):４６－５１.[８]于丽ꎬ孙源ꎬ王明年ꎬ等.考虑通风与围岩条件的寒区隧道温度场模型及作用规律研究[Ｊ].隧道建设(中英文)ꎬ２０１９ꎬ３９(ｓ２):８５－９１.[９]徐海ꎬ薛永庆ꎬ罗飞宇ꎬ等.高岩温ＴＢＭ施工隧道的通风效果研究[Ｊ].筑路机械与施工机械化ꎬ２０１９ꎬ３６(１１):１０８－１１２.[１０]孙克国ꎬ徐雨平ꎬ仇文革ꎬ等.寒区隧道温度场分布规律及围岩特性影响[Ｊ].现代隧道技术ꎬ２０１６ꎬ５３(６):６７－７２.[１１]ＷａｎｇＦꎬＬｕｏＦꎬＨｕａｎｇＹꎬｅｔａｌ.ＴｈｅｒｍａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｉｎＴＢＭｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｕｎｎｅｌｓ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１９ꎬ１５８:１１３８２２.[１２]ＫａｎｇＦＣꎬＬｉＹＣꎬＴａｎｇＣＡ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｎａｉｒｆｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｎａｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｕｎｎｅｌｗｉｔｈｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｌａｙｅｒ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０２０ꎬ１７９:１１５６５４.[１３]ＺｅｎｇＹＨꎬＴａｏＬＬꎬＹｅＸＱꎬｅｔａｌ.Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｆｏｒｅｘｔｒａ－ｌｏｎｇｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｗｉｔｈｈｉｇｈｇｅｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｙｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ[Ｊ].ＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ９９(ｓ２):１０３３８１.[１４]ＤｕＣＦꎬＢｉａｎＭＬ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｕｉｄｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｔｕｎｎｅｌ[Ｊ].２０１８ꎬ１２:１１７－１２５.[１５]ＴａｎＸＪꎬＣｈｅｎＷＺꎬＹａｎｇＤＳꎬｅｔａｌ.Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｉｒｆｌｏｗｏｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｉｎａｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎｔｕｎｎｅｌａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｌａｙｅｒｄｅｓｉｇｎ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１４ꎬ６７(１－２):３２０－３３４.[１６]董亮ꎬ刘厚林ꎬ谈明高ꎬ等.一种验证网格质量与ＣＦＤ计算精度关系的方法[Ｊ].中南大学学报(自然科学版)ꎬ２０１２ꎬ４３(１１):４２９３－４２９９.[１７]李湘权ꎬ代立新.发电引水隧洞高地温洞段施工降温技术[Ｊ].水利水电技术ꎬ２０１１ꎬ４２(２):３６－４１.[１８]ＲｏｈｄｉｎＰꎬＭｏｓｈｆｅｇｈＢ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｎｄｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ:Ａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｓａｎｄｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ[Ｊ].ＢｕｉｌｄｉｎｇａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬ２０１１ꎬ４６(１１):２３６５－２３７４.６６博看网 . 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岩土热响应测试中地温场的ANSYS模拟段士强;李新华【摘要】应用ANSYS软件,建立二维的单井单U型传热模型对岩土热响应测试中地温场的分布规律进行模拟,模拟区半径设为5m,模型传热遵循瞬态热分析理论.为了控制精度,使分析结果更符合实际情况,采用智能网格划分,精度控制为3.在PE管内侧施加恒定热流,温度为37.6℃,热流密度为660W/m2,在模拟区外边界施加恒定温度13.经过72h的测试过程,得出测井周围岩土体的温度分布规律,模拟区内最高温度37.6℃,最低13℃,影响半径约为1m,地温梯度在测井附近最大,离测井越远地温梯度越小.对模拟结果的分析得出,在测试48h时地温场就达到稳定状态,这与实际的测试时间相吻合.又通过模拟和数理统计得出回填料导热系数、岩土体导热系数与影响半径之间的关系.【期刊名称】《长春工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(014)003【总页数】4页(P15-18)【关键词】岩土热响应测试;ANSYS;地温场【作者】段士强;李新华【作者单位】中国地质大学(武汉)工程学院,武汉430074;中国地质大学(武汉)工程学院,武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TK5210 引言地源热泵技术是一项节能环保技术，随着世界能源的不断减少，地源热泵技术得到了快速发展，各项应用技术不断趋于成熟。

在地源热泵技术研究中最基础、最重要的就是对地温场的研究，其中包括地埋管，回填材料，土壤的导热系数、比热、密度等，这些都会对地温场的分布产生影响。

因此在岩土体原位热响应测试过程中PE管中的循环流体与周围土壤的传热是一个复杂过程，很难用解析的方法得出精确的结果。

［1］随着计算机技术的快速发展，各种数值模拟软件应运而生。

对于很多形状不规则，变物性和边界条件复杂的物体导热问题，可以用数值模拟。

数值模拟是基于温度场离散化的概念，以导热方程取代导热微分方程，以数值计算代替数学推导。

其结果是一系列离散的值，而不是以函数的形式出现。