隧道围岩传热机理及风流与围岩间对流-导热耦合作用分析

High-geothermal-caused hazards exist in the countries all over the world to different extents, and have been researched in the past years. In China, this type of hazard has not occurred seriously and very little research was conducted in this field. For the tunnels located in cold regions, a great deal of research has been carried out in other countries than China. However the freeze-injure has not been addressed effectively. Damage caused by heat and freeze are both related to heat transfer, and to solve these problems the heat convection, heat transfer and their coupling effect between rock and the tunnel are of major significance. This proposal is aimed at studying the unsteady heat transfer mechanisms between rock and tunnel cross-section considering convection-transfer effect and ventilating condition for the extra-long tunnels located at the regions of high ground temperature and very cold regions. Collecting the research materials in other countries, theoretical analyses, numerical modeling and model experimentation will be conducted during this research. It is expected that, coupled convection-transfer model for tunnels in regions of high ground temperature and very cold regions will be developed and the dynamic solution of the temperature field of rock in the tunnels can be achieved under different ventilation conditions. The effects of ventilation on the prevention of high-temperature-caused and freeze-caused hazards will be investigated, and finally technique support will be provided for the running and maintenance of tunnels at the region of high geothermal or very cold regions.

对于高温热害，各国在修建深埋长大隧道时，都不同程度的出现过，并对此进行了专门的研究。我国在以往隧道建设中，未遇到过大的热害，对于这方面的研究还很浅。对于高寒隧道，国内外的已进行了大量的研究，但并没有有效解决寒区隧道冻害问题。热害及冻害都属于传热问题，要对其进行治理，探明围岩-隧道间的传热机理及风流与围岩间的对流导热耦合问题尤为重要。本项目通过国内外资料的收集、理论分析、数值模拟及模型试验，对高地温及高寒隧道围岩-隧道横断面非稳态传热机理、考虑对流-导热耦合作用下的隧道纵向非稳态传热机理和复杂通风条件下高地温及高寒特长隧道纵向非稳态传热特征进行研究。通过研究，建立高地温及高寒隧道围岩-风流对流-传热耦合作用模型，实现对不同通风系统隧道围岩的温度场及隧道内风流温度场的动态解算，探明通风对热害治理及冻害设防长度的影响，最终为高地温隧道的运营环境保证技术及高寒隧道抗防冻技术提供支撑。

本项目以高地温特长隧道及高寒隧道为研究对象，通过文献收集、理论分析、软件开发、数值模拟和模型试验，对隧道围岩传热机理及风流与围岩间对流导热-耦合作用展开研究。通过研究得到以下重要研究成果：. （1）基于传热学及流体力学相关理论，建立了高地温及高寒隧道流-固-热多场耦合的横、纵断面非稳态传热作用模型，开发了计算软件，实现了通风影响情况下隧道围岩的温度场及风流温度场的数值模拟；. （2）按1:30的几何比尺，建立了隧道围岩与风流传热的模型试验平台，展开了高地温及高寒隧道风流与围岩间对流导热-耦合作用的试验研究。测试了隧道围岩温度场和风流温度场随时间的变化规律。将试验结果与开发软件数值模拟结果进行了对比分析，验证了开发软件的可靠性。. （3）应用计算软件，对外界气温、围岩热物理参数、隔热层参数等因素对横断面传热的影响、调热圈的形成及影响因素进行了模拟研究，分析了气温、内热源、活塞风变化及隧道几何参数等对隧道围岩及风流纵向传热的影响，探明了高地温及高寒隧道围岩与风流横、纵断面非稳态传热机理。. （4）展开隧道长度、断面、埋深对隧道围岩及风流温度场分布的影响分析，获得了季节性风温条件下，不同通风年限东北和西南高寒地区隧道围岩与风流温度场的分布规律，拟合了隧道抗防冻设防长度计算公式，为隧道抗防冻设计提供了依据。. （5）建立特长复杂通风系统隧道的纵向传热计算模型。针对高地温隧道，进行了多风流出入口情况下，不同通风方案隧道围岩温度场及风流温度场分布研究，比较了不同通风方案的降温通风效果；分析了隔热层厚度、设置长度和设置方式对隧道内环境温度场的影响；探明入口的周期性变化风温对特长隧道围岩及风流温度场的影响规律。. 通过课题研究，发表期刊论文8篇（其中2篇SCI,3篇EI），国内会议论文2篇，国际会议论文1篇；获授权专利1项，软件著作权1项；研究成果为高地温隧道的运营环境保证技术及高寒隧道抗防冻技术提供支撑。