论文总字数：28404字

摘 要

本文介绍了激光闪射法测量样品热物理性质参数的原理；采用LFA467激光导热仪测量岩石样品的导热系数和比热容；采用Gambit软件建立空气-衬砌-围岩三维分析模型并划分网格；运用Fluent软件对模型进行后处理，分析研究不同的气温、隧道入口风速、围岩原始地温以及围岩导热系数条件下隧道温度场的分布及变化规律。

研究结果表明：隧道衬砌和围岩轴向温度梯度极低；入口风速、气温、围岩原始地温等条件均不改变隧道开挖对围岩原始地温的影响范围；衬砌处由于混凝土导热系数低于围岩，温度梯度最大；围岩温度梯度随着径向深度的增加逐渐减小并趋近于0；对于寒区隧道而言，较低的入口风速、较高的围岩导热系数有利于冬季隧道整体温度水平提升。铺设保温层能有效提升寒区隧道整体温度水平，保温层并非越厚越好，到达一定厚度时，厚度增加对保温防冻效果的提升效果微弱。

关键词：深埋隧道；比热容；导热系数；温度场；数值模拟

Abstract

This paper introduces the theory of the laser flash method for measuring the thermophysical properties of specimens. The LFA467 Hyperflash is used to measure the thermal conductivity and specific heat capacity of the rock specimens. The Gambit is used to establish the three-dimensional analysis model of the air- concrete-rock and the mesh is divided; The model was post-processed by Fluent to analyze and study the distribution and variation of tunnel temperature field under different temperature, inlet wind speed of tunnel, original ground temperature of surrounding rock, and thermal conductivity of surrounding rock.

The research results show that the axial temperature gradient of the tunnel lining and the surrounding rock is extremely low ; inlet wind speed, temperature, and the original ground temperature of the surrounding rock do not change the influence scope of the tunnel excavation on the original ground temperature of the surrounding rock; the thermal conductivity of the concrete is lower than the thermal conductivity of the rock so that the temperature gradient of tunnel lining is largest at the whole model ; the temperature gradient of surrounding rock decreases gradually with the increase of radial depth and approaches to be zero; for tunnels of cold region , lower inlet wind speed and higher thermal conductivity of surrounding rock are favorable to increase the overall temperature level of the tunnel in winter. Laying the insulation layer can effectively improve the overall temperature level of the tunnel in the cold area. But it doesn’t mean the thicker the insulation, the better effect.When it reaches a certain thickness, the increase in thickness will have a weak effect on the improvement of the antifreeze effect.

KEY WORDS：deep buried tunnel，specific heat capacity， thermal conductivity，
temperature field， numerical simulation

目录

摘要 II

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 岩石热物理性质测试方法 1

1.2.2 地温随隧道埋深的变化规律 2

1.2.3 深埋隧道衬砌围岩温度场预测 3

1.2.4 针对冻害问题的治理措施 3

1.3 主要研究内容及难点 4

第二章 岩石热物理性质测试试验 5

2.1 量积法测量岩石密度 5

2.2 岩石比热容和导热系数测量 5

2.2.1 激光闪射法测量原理 5

2.2.2 操作步骤 7

2.3 试验结果分析 8

2.3.1 岩石密度 8

2.3.2 岩石热物理性质 8

2.3.3 岩石热物性随温度的变化 13

第三章 深埋隧道地温预测 15

3.1 数值计算法 15

3.2 经验公式法 15

3.2.1 地温预测经验公式 15

3.2.2 恒温层深度和温度 15

3.2.3 地温梯度 17

第四章 深埋隧道温度场三维数值模拟 20

4.1 模型建立 20

4.1.1 计算范围及几何模型确定 20

4.1.2 材料热物性参数确定 20

4.1.3 假设条件 21

4.1.4 建立几何模型及网格划分 21

4.1.5 模型的初始条件和边界条件 22

4.2 数值模拟计算结果分析 22

4.2.1 隧道衬砌及围岩温度场数值模拟结果 22

4.2.2 隧道内不同气温对隧道温度场的影响 23

4.2.3 隧道内不同风速对隧道温度场的影响 25

4.2.4 不同围岩初始温度对隧道温度场的影响 27

4.2.5 不同围岩导热系数对隧道温度场的影响 29

4.2.6 保温层对隧道温度场的影响 31

第五章 结论与展望 34

致谢 35

参考文献 36

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

近年来，随着我国公路铁路建设高速发展，路网布局逐步完善，公路铁路等基础设施建设向高海拔、高纬度等气候恶劣的严寒地区渗透延伸。例如：2014年开通运行的西格二线关角隧道，海拔3600m，全长32.69km，隧道最低气温低至-35.8℃；2015年贯通的雁口山公路隧道，海拔4334m，全长4km，最低气温-33℃；2015年竣工的牡绥铁路绥芬可1号及2号隧道、双丰隧道、磨刀石1号及2号隧道等，冬季平均气温均在-21℃以下^[1]。

大量的寒区隧道工程建设以及后期运营情况表明，由极低气温引起的隧道冻害问题普遍存在并且长期困扰着中国华北、西北、东北、西南等高纬度、高海拔地区的隧道工程，严重破坏了隧道结构，给行车安全以及人民生命财产带来极大的威胁，为隧道运营埋下重大安全隐患。因此，隧道的后期维护工作非常繁重，运营单位不得不长期投入大量人力物力对冻害进行整治。

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