地铁隧道围岩层温度场全年动态模拟*

王丽慧 王 维

（上海理工大学环境与建筑学院,200093,上海∥第一作者,副教授）

地铁隧道围岩层温度场全年动态模拟*

王丽慧 王 维

（上海理工大学环境与建筑学院,200093,上海∥第一作者,副教授）

地铁隧道围岩层的吸热与放热对改善隧道内热环境有直接影响,隧道内空气与近壁面岩层之间的温度差决定了吸热或放热能力的强弱,为此需要研究隧道围岩层温度场的变化。考虑到地铁在日间运营时列车会向隧道散热,到了夜间停运时隧道内无热量释放也没有空气流动,把隧道内列车的产热看作一个间歇性动作,同时空气与壁面之间的对流换热也是间歇性的传热。将隧道围岩层的传热简化为一维的非稳态导热模型,用ANSYS软件模拟二维的隧道围岩层温度场的全年动态变化。模拟结果显示,围岩层温度场变化呈年周期性,并通过组图描述热围岩层内热影响厚度的动态变化。

地铁隧道；围岩层温度；动态模拟；热影响厚度

First-author'saddressShanghai University of Science and Technology,200093,Shanghai,China

正常情况下需要控制地铁隧道内的温度,保证列车的辅助设备及隧道内电力设备能在适当的温度下工作。隧道内空气处于封闭的环境中,列车电能产热与空调器散热排放在隧道内,这些热量随时间积聚会导致隧道内温度逐渐上升,当地铁列车线路繁忙及行车密集后,隧道内热环境开始恶化。香港地铁所做的运营计算模拟曲线表明,在列车运营10年后,隧道墙体温度将会上升7.5℃,隧道内平均温度约上升8℃［1］。地铁隧道周围的土壤温度对区间内热环境有直接的影响,合理预测土层温度变化是确定地铁环控系统冷热负荷的基础。

有关隧道岩土层温度场的计算与预测模拟,早期有文献［2］、文献［3］等提出在地下工程传热计算方法。文献［4］用镜象法（Method of Images）研究了隧道周围岩土层的长期温度分布,考虑通过地表传热对温度的影响。文献［5］研究了隧道内空气温度以正弦规律变化对隧道岩土层温度分布的影响,为研究接近内壁面的隧道岩土层中的温度分布提供了有用的方法。在寒区隧道方面,文献［6］采用有限单元法模拟出隧道区域地温场对秦岭隧道围岩岩温预测,文献［7］提出了寒区隧道空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合问题的三维计算模型。近来年文献［8］利用FLAC3D软件对地铁周围土壤传热进行数值模拟,将隧道内部的温度设为常数,对影响土壤热波动深度（隧道壁面到温度波动5%处的径向距离）的各种因素进行了较全面的研究。文献［9］提出了三维地铁隧道土壤温度预测模型,采用Fortran语言编写求解程序,并分析了各种因素对土壤温度分布以及土壤吸热量变化的影响,结果表明地铁环控设计中应该考虑土壤蓄热作用。

地铁在日间运营时产热,同时列车带动空气快速流动,使空气与壁面在有温差的前提下形成对流换热；夜间停运后隧道内不再产热且无空气流动,隧道壁面与空气之间的传热远小于围岩层内传热。这样,列车的散热作为间歇性的动作,在白天列车对围岩层加热同时隧道内对流换热强烈,晚上停止散热且不计空气与壁面间的传热,隧道内空气与近壁面围岩层之间的传热就是如此周期进行。

外界大气对隧道内空气温度的影响较大,在夏季,隧道内空气温度大于壁面温度,近壁面围岩层具有吸热能力；在冬季隧道内空气温度低于壁面温度,隧道壁面反而会放热。在白天地铁运营时隧道与外界空气封闭,夜间地铁隧道与外界大气相连,因此在围岩层吸热的季节,夜间隧道内空气温度降低,使得近壁面的围岩层开始放热,向自然状态恢复。简单地用年函数来描述隧道内空气温度,完全忽略隧道内昼夜间的温差,尤其是在过渡季节。

1 地铁隧道内空气与围岩层传热

在列车活塞风以及热压等因素作用下,区间隧道内空气一般为非恒定的湍流态。列车在运行过程中向隧道空气排放热量,这些热量一部分由对流带到两端车站,一部分通过隧道壁而传入围岩层。围岩积累热量后会引起壁面温度变化,改变了空气侧传热量进而影响空气温度的变化。隧道内空气流态主要为湍流态,截面气流分布比较均匀,且地铁隧道多采用圆形等截面,因此将隧道内的空气流动简化成一维管流。将列车移动散热以及隧道壁面传热都简化成内热源的形式,忽略轴向导热以及内摩擦产热,空气传热方程形式如下：

将土壤视为各向同性均匀介质,因此可以忽略切向参数变化,土壤传热方程简化为柱坐标系中径向的一维问题,导热微分方程为：

式中：

T——土壤温度；

a——热扩散系数；

r0——隧道圆截面半径；

初始条件：

式中：

λ——近壁面区导热系数；

h——隧道内空气与壁面换热系数；

Tair——隧道内空气温度；

T0——壁面初始温度；

Tw——围岩恒温层温度。

l——隧道围岩恒温层的厚度；

t——时间；

r——隧道圆截面径向坐标。

边界条件为：

2 模拟计算

2.1 模型的建立与边界条件设定

计算区域为对称结构,简化为一半区域进行研究,作为非稳态传热模拟,模型如图1所示。左边是对称线,隧道中心离上边界（地面）15 m,距离下边界（定温层）8 m,距离右边界（定温层）8 m。隧道断面内半径为5.6 m,衬砌紧贴围岩,厚度为0.4 m。

忽略地铁施工过程的干扰,选取土壤初始温度为17℃（以上海地区为参考）,地表温度作年周期性变化。距隧道轴心8 m长度处,设为17℃恒温远边界。设定地铁运营时间为6：00～22：00,共16 h,则夜间停运时长8 h,行车间隔为5 min。在运营时段,分为有车与无车通行2种行车情况,壁面传热系数与隧道内气流的雷诺数有关,按2种行车情况对应的雷诺数分别计算传热系数［10］,再等效成单位小时的对流换热系数（5.3 W/（m2·K））；夜间隧道内空气温度变化小,自然对流换热弱,对围岩层的热传导影响也不大,故不计夜间对流换热。对流换热系数周期变化规律见图2

图1 模型及网格划分图

图2 对流换热系数周期变化规律

衬砌材料与围岩层热物性参数不同,取值如表1所示。

表1 衬砌及周围土层的热物理参数

隧道内空气Tair与室外大气温度有关［11］,且变化复杂。按前文所述,夜间隧道内空气与室外大气相近,但在白天隧道与外界不连通,温度与两端站台温度相关。假设每天地铁运营的第1个小时,隧道空气温度与站台温度相等,截至晚上地铁停运时隧道内空气温度上升1℃。这样通过站台区温度的年变化和典型年气象数据来描述隧道内的空气温度年变化,作为围岩层传热的边界条件,相比用年函数来描述隧道内空气温度变化,更加接近实际情况。

2.2 短期内壁面温度变化规律

模拟地铁运营的前3天,壁面温度变化如图3。在地铁运营结束时壁面的温度从初始温度17℃升高到18.96℃,此时由于导热引起的岩土内部温度发生变化的厚度即为热影响厚度。地铁停运营后,空气与壁面之间存在温差,流入壁面的热量不能释放到隧道里,只能向围岩深处传递。因岩层内部传热速度的限制,壁温无法恢复到原始温度,但又低于地铁停运时的壁温；整个过程壁面温度均大于初始温度17℃,这将导致热影响厚度持续增大。下个周期开始前,岩土内部温度已发生改变,蓄存着部分热量的岩体温度升高的速度变得缓慢。壁面温度从18.51℃升高为19.56℃,然后恢复为19.11℃。3天后隧道围岩层温度场如图4,传热时间短,热影响厚度仅1.3 m,其它区域仍是初始温度。

因壁面的初始温度取为17℃,与隧道空气的温度相差大,从空气侧传入隧道壁的热量会使壁面温度在短期内快速升高,两者的温度差便减小,对流传热量与温差有关,同样减小,此后壁面温度升高缓慢。壁面向岩土内部的热传导是小于空气与壁面间的对流传热,如图3模拟结果,夜间壁面温度下降值小于白天温升值,且在3天内壁面温度升高值分别为1.96℃、0.96℃、0.63℃,表明壁面温度升高的速度开始变慢。

图3 连续3天隧道壁面温度变化

图4 3天后隧道围岩层温度场（Tmax=19.46℃）

2.3 地铁隧道围岩层温度场全年内变化

模拟的初始时间是夏季（6月～8月）。在夏季隧道围岩层吸热后内部温度沿径向分层,离壁面远的位置温度低,如图5a）,地表温度在28℃以上,隧道壁面温度在23℃,传热时间较短,大部分围岩层的温度仍在初始温度17℃,围岩内的热影响厚度随着时间增加。在过渡季节与冬季隧道内空气温度低于隧道壁面时,会出现隧道近壁面围岩层向隧道壁面传热,即近壁面区域开始放热。整个围岩层按温度如图5c）可以分成3个部分：近壁面区域A,离隧道壁面远仍在热影响厚度内区域B,离隧道壁面较远区域C。其中B区域的温度高于A与C区域,B区域的范围会随着放热过程逐渐缩小,如图5b）、c）、d）。进入冬季后隧道围岩层进入一个“蓄冷”状态,壁面温度降低到10℃左右,近如图5e）。冬季结束后,隧道内的空气温度高于壁面温度,隧道近壁面区域开始吸热,整个围岩层温度场又分成3个区域如图5f）。其中B区域的温度低于A与C区域。最终B区温度不断升高,直到与A、C区温度相近。过程如图5中的f）、g）、h）。整个围岩层的吸热过程又回到模拟的初始状态如图5h）。进入下个周期,再次重复“吸热”——“放热”——“吸热”过程。

图5 地铁隧道围岩层温度场动态组图

从这组图中围岩层的温度场变化情况,发现当围岩层的热影响厚度达到临界值时,不再继续增大。夏季热影响厚度越大,表明隧道围岩层吸收的热量越大,在过渡季节与冬季,热影响厚度越大越利于围岩层的蓄冷效果。

地铁隧道围岩层不同位置的温度全年动态变化模拟结果如图6所示。在围岩层内每隔0.5m距离取点观察其全年的温度变化,明显观察到距离壁面远的位置全年温度变化幅度减小。离隧道壁面1.8 m处全年的温度变化仅1.4℃,模拟结束时间温度为17.8℃,超过2.8 m距离的区域温度化更小。地铁隧道壁面温度在全年内温度始终大于17℃,考虑隧道衬砌起到保温层的作用,预测进入下个年周期后,对应的时间壁面温度会比这一年高。

图6 围岩层各位置温度全年变化

3 结语

（1）本文结合站台温度和典型年气象参数来描述地铁隧道内空气温度变化情况,相比年函数方法,更接近真实。模拟了某隧道的温度场短期变化过程,结果发现,壁面温度在前期升高较快,但当空气与壁面温度差减小后,壁温升高逐渐变慢。

（2）将隧道内列车的散热对围岩层的热影响视为一个间歇加热动作,白天列车对隧道围岩层加热,夜间壁面温度恢复,空气与壁面间的对流传热也是间歇性进行。模拟发现夜间壁面温度下降值小于白天温升值,这使得壁面温度逐渐升高。

（3）通过ANSYS软件对某地铁围岩温度场的全年动态模拟,得到图组可描述隧道壁面温度的日变化、年周期变化,全年内热影响厚度变化。

（4）通过温度场动态模拟发现,围岩层的热影响厚度达到临界值后开始减小。夏季热影响厚度越大,表明隧道围岩层吸收的热量越大,在过渡季节与冬季,热影响厚度越大越利于围岩层的蓄冷效果。

［1］ 龙静,王书.地铁车辆空调设计问题的探讨［J］.机车电传动, 2003（4）：40.

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［4］ Zeng Zhaoyang,Jim Brown and Alan Vardy.Long-term temperature distributions around tunnel［J］.Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels,1991（8）：113.

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［10］ 李晓昭.地铁隧道围岩传热规律的监测分析［J］.地下空间与工程学报,2012,8（1）：105.

公安部要求严打严防地铁公交严重暴力犯罪

据新华社北京7月16日电针对近期接连发生的公交车纵火案件,公安部在7月16日召开全国公安机关紧急视频会议,部署进一步加强地铁公交安全保卫工作。

公安部要求,各级公安机关要在党委政府的统一领导下,会同交通运输部门督促地铁公交运营单位进一步强化安检措施、落实安防责任。要积极提请党委政府加大投入,在每列地铁列车、每辆公交车上配备安全员,配备必要的防护、防暴设施和器材,推广安装安防新技术、新产品,组织开展培训演练,提高识别违禁物品、发现报告可疑情况、组织应急逃生等基本技能。要认真落实严格的安检制度,强化违禁物品查控措施,进站上车物品必须安检,城市地面公交要加强临检抽检。公安部强调,各地要积极组织发动人民群众开展群防群治,鼓励群众及时发现举报可疑线索,大力表彰群众见义勇为行为,对提供重大线索和有效制止犯罪的给予重奖。

Annual Dynamical Simulation of Temperature Field in Rock Surrounding Subway Tunnel

Wang Lihui,Wang Wei

Heat sink effect of surrounding rocks has a direct impact on the improvement of thermal environment of subway tunnel,the differences of temperature between tunnel air and wall surface determine the validity of the heat sink effect,so it is important to study the temperature field of tunnel surrounding rock.In considering the subway operation schedule,the trains will release heat to tunnel in the running,but at night there will be neither heat releasing nor air flowing in tunnel,so heat produced by subway trains in the tunnel could be taken as an intermittent process,while the convective heat transfer between tunnel air and the wall surface is also an intermittent process.In this research,the heat transfer in rocks is simplified as one dimensional unsteady heat conduction model,ANSYSsoftware is used to simulate the annually dynamic changes of two-dimensional temperature field in tunnel surrounding rocks.The simulation result shows that the temperature field in surrounding rocks is changed in annual periodicity, and through the pictures of temperature field,different heat transfer ranges of rocks surrounding the tunnel in different times could be described.

subway tunnel；temperature of surrounding rocks；dynamic simulation；heat transfer range

U 456

2012-12-12）

*国家自然科学基金项目（50908147）；上海市教委重点学科项目（J50502）