王麗慧 王 維

（上海理工大學環(huán)境與建筑學院,200093,上海∥第一作者,副教授）

地鐵隧道圍巖層溫度場全年動態(tài)模擬*

王麗慧 王 維

（上海理工大學環(huán)境與建筑學院,200093,上海∥第一作者,副教授）

地鐵隧道圍巖層的吸熱與放熱對改善隧道內(nèi)熱環(huán)境有直接影響,隧道內(nèi)空氣與近壁面巖層之間的溫度差決定了吸熱或放熱能力的強弱,為此需要研究隧道圍巖層溫度場的變化?？紤]到地鐵在日間運營時列車會向隧道散熱,到了夜間停運時隧道內(nèi)無熱量釋放也沒有空氣流動,把隧道內(nèi)列車的產(chǎn)熱看作一個間歇性動作,同時空氣與壁面之間的對流換熱也是間歇性的傳熱。將隧道圍巖層的傳熱簡化為一維的非穩(wěn)態(tài)導熱模型,用ANSYS軟件模擬二維的隧道圍巖層溫度場的全年動態(tài)變化。模擬結(jié)果顯示,圍巖層溫度場變化呈年周期性,并通過組圖描述熱圍巖層內(nèi)熱影響厚度的動態(tài)變化。

地鐵隧道；圍巖層溫度；動態(tài)模擬；熱影響厚度

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

正常情況下需要控制地鐵隧道內(nèi)的溫度,保證列車的輔助設備及隧道內(nèi)電力設備能在適當?shù)臏囟认鹿ぷ?。隧道?nèi)空氣處于封閉的環(huán)境中,列車電能產(chǎn)熱與空調(diào)器散熱排放在隧道內(nèi),這些熱量隨時間積聚會導致隧道內(nèi)溫度逐漸上升,當?shù)罔F列車線路繁忙及行車密集后,隧道內(nèi)熱環(huán)境開始惡化。香港地鐵所做的運營計算模擬曲線表明,在列車運營10年后,隧道墻體溫度將會上升7.5℃,隧道內(nèi)平均溫度約上升8℃［1］。地鐵隧道周圍的土壤溫度對區(qū)間內(nèi)熱環(huán)境有直接的影響,合理預測土層溫度變化是確定地鐵環(huán)控系統(tǒng)冷熱負荷的基礎。

有關隧道巖土層溫度場的計算與預測模擬,早期有文獻［2］、文獻［3］等提出在地下工程傳熱計算方法。文獻［4］用鏡象法（Method of Images）研究了隧道周圍巖土層的長期溫度分布,考慮通過地表傳熱對溫度的影響。文獻［5］研究了隧道內(nèi)空氣溫度以正弦規(guī)律變化對隧道巖土層溫度分布的影響,為研究接近內(nèi)壁面的隧道巖土層中的溫度分布提供了有用的方法。在寒區(qū)隧道方面,文獻［6］采用有限單元法模擬出隧道區(qū)域地溫場對秦嶺隧道圍巖巖溫預測,文獻［7］提出了寒區(qū)隧道空氣與圍巖對流換熱和圍巖熱傳導耦合問題的三維計算模型。近來年文獻［8］利用FLAC3D軟件對地鐵周圍土壤傳熱進行數(shù)值模擬,將隧道內(nèi)部的溫度設為常數(shù),對影響土壤熱波動深度（隧道壁面到溫度波動5%處的徑向距離）的各種因素進行了較全面的研究。文獻［9］提出了三維地鐵隧道土壤溫度預測模型,采用Fortran語言編寫求解程序,并分析了各種因素對土壤溫度分布以及土壤吸熱量變化的影響,結(jié)果表明地鐵環(huán)控設計中應該考慮土壤蓄熱作用。

地鐵在日間運營時產(chǎn)熱,同時列車帶動空氣快速流動,使空氣與壁面在有溫差的前提下形成對流換熱；夜間停運后隧道內(nèi)不再產(chǎn)熱且無空氣流動,隧道壁面與空氣之間的傳熱遠小于圍巖層內(nèi)傳熱。這樣,列車的散熱作為間歇性的動作,在白天列車對圍巖層加熱同時隧道內(nèi)對流換熱強烈,晚上停止散熱且不計空氣與壁面間的傳熱,隧道內(nèi)空氣與近壁面圍巖層之間的傳熱就是如此周期進行。

外界大氣對隧道內(nèi)空氣溫度的影響較大,在夏季,隧道內(nèi)空氣溫度大于壁面溫度,近壁面圍巖層具有吸熱能力；在冬季隧道內(nèi)空氣溫度低于壁面溫度,隧道壁面反而會放熱。在白天地鐵運營時隧道與外界空氣封閉,夜間地鐵隧道與外界大氣相連,因此在圍巖層吸熱的季節(jié),夜間隧道內(nèi)空氣溫度降低,使得近壁面的圍巖層開始放熱,向自然狀態(tài)恢復。簡單地用年函數(shù)來描述隧道內(nèi)空氣溫度,完全忽略隧道內(nèi)晝夜間的溫差,尤其是在過渡季節(jié)。

1 地鐵隧道內(nèi)空氣與圍巖層傳熱

在列車活塞風以及熱壓等因素作用下,區(qū)間隧道內(nèi)空氣一般為非恒定的湍流態(tài)。列車在運行過程中向隧道空氣排放熱量,這些熱量一部分由對流帶到兩端車站,一部分通過隧道壁而傳入圍巖層。圍巖積累熱量后會引起壁面溫度變化,改變了空氣側(cè)傳熱量進而影響空氣溫度的變化。隧道內(nèi)空氣流態(tài)主要為湍流態(tài),截面氣流分布比較均勻,且地鐵隧道多采用圓形等截面,因此將隧道內(nèi)的空氣流動簡化成一維管流。將列車移動散熱以及隧道壁面?zhèn)鳠岫己喕蓛?nèi)熱源的形式,忽略軸向?qū)嵋约皟?nèi)摩擦產(chǎn)熱,空氣傳熱方程形式如下：

將土壤視為各向同性均勻介質(zhì),因此可以忽略切向參數(shù)變化,土壤傳熱方程簡化為柱坐標系中徑向的一維問題,導熱微分方程為：

式中：

T——土壤溫度；

a——熱擴散系數(shù)；

r0——隧道圓截面半徑；

初始條件：

式中：

λ——近壁面區(qū)導熱系數(shù)；

h——隧道內(nèi)空氣與壁面換熱系數(shù)；

Tair——隧道內(nèi)空氣溫度；

T0——壁面初始溫度；

Tw——圍巖恒溫層溫度。

l——隧道圍巖恒溫層的厚度；

t——時間；

r——隧道圓截面徑向坐標。

邊界條件為：

2 模擬計算

2.1 模型的建立與邊界條件設定

計算區(qū)域為對稱結(jié)構(gòu),簡化為一半?yún)^(qū)域進行研究,作為非穩(wěn)態(tài)傳熱模擬,模型如圖1所示。左邊是對稱線,隧道中心離上邊界（地面）15 m,距離下邊界（定溫層）8 m,距離右邊界（定溫層）8 m。隧道斷面內(nèi)半徑為5.6 m,襯砌緊貼圍巖,厚度為0.4 m。

忽略地鐵施工過程的干擾,選取土壤初始溫度為17℃（以上海地區(qū)為參考）,地表溫度作年周期性變化。距隧道軸心8 m長度處,設為17℃恒溫遠邊界。設定地鐵運營時間為6：00～22：00,共16 h,則夜間停運時長8 h,行車間隔為5 min。在運營時段,分為有車與無車通行2種行車情況,壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與隧道內(nèi)氣流的雷諾數(shù)有關,按2種行車情況對應的雷諾數(shù)分別計算傳熱系數(shù)［10］,再等效成單位小時的對流換熱系數(shù)（5.3 W/（m2·K））；夜間隧道內(nèi)空氣溫度變化小,自然對流換熱弱,對圍巖層的熱傳導影響也不大,故不計夜間對流換熱。對流換熱系數(shù)周期變化規(guī)律見圖2

圖1 模型及網(wǎng)格劃分圖

圖2 對流換熱系數(shù)周期變化規(guī)律

襯砌材料與圍巖層熱物性參數(shù)不同,取值如表1所示。

表1 襯砌及周圍土層的熱物理參數(shù)

隧道內(nèi)空氣Tair與室外大氣溫度有關［11］,且變化復雜。按前文所述,夜間隧道內(nèi)空氣與室外大氣相近,但在白天隧道與外界不連通,溫度與兩端站臺溫度相關。假設每天地鐵運營的第1個小時,隧道空氣溫度與站臺溫度相等,截至晚上地鐵停運時隧道內(nèi)空氣溫度上升1℃。這樣通過站臺區(qū)溫度的年變化和典型年氣象數(shù)據(jù)來描述隧道內(nèi)的空氣溫度年變化,作為圍巖層傳熱的邊界條件,相比用年函數(shù)來描述隧道內(nèi)空氣溫度變化,更加接近實際情況。

2.2 短期內(nèi)壁面溫度變化規(guī)律

模擬地鐵運營的前3天,壁面溫度變化如圖3。在地鐵運營結(jié)束時壁面的溫度從初始溫度17℃升高到18.96℃,此時由于導熱引起的巖土內(nèi)部溫度發(fā)生變化的厚度即為熱影響厚度。地鐵停運營后,空氣與壁面之間存在溫差,流入壁面的熱量不能釋放到隧道里,只能向圍巖深處傳遞。因巖層內(nèi)部傳熱速度的限制,壁溫無法恢復到原始溫度,但又低于地鐵停運時的壁溫；整個過程壁面溫度均大于初始溫度17℃,這將導致熱影響厚度持續(xù)增大。下個周期開始前,巖土內(nèi)部溫度已發(fā)生改變,蓄存著部分熱量的巖體溫度升高的速度變得緩慢。壁面溫度從18.51℃升高為19.56℃,然后恢復為19.11℃。3天后隧道圍巖層溫度場如圖4,傳熱時間短,熱影響厚度僅1.3 m,其它區(qū)域仍是初始溫度。

因壁面的初始溫度取為17℃,與隧道空氣的溫度相差大,從空氣側(cè)傳入隧道壁的熱量會使壁面溫度在短期內(nèi)快速升高,兩者的溫度差便減小,對流傳熱量與溫差有關,同樣減小,此后壁面溫度升高緩慢。壁面向巖土內(nèi)部的熱傳導是小于空氣與壁面間的對流傳熱,如圖3模擬結(jié)果,夜間壁面溫度下降值小于白天溫升值,且在3天內(nèi)壁面溫度升高值分別為1.96℃、0.96℃、0.63℃,表明壁面溫度升高的速度開始變慢。

圖3 連續(xù)3天隧道壁面溫度變化

圖4 3天后隧道圍巖層溫度場（Tmax=19.46℃）

2.3 地鐵隧道圍巖層溫度場全年內(nèi)變化

模擬的初始時間是夏季（6月～8月）。在夏季隧道圍巖層吸熱后內(nèi)部溫度沿徑向分層,離壁面遠的位置溫度低,如圖5a）,地表溫度在28℃以上,隧道壁面溫度在23℃,傳熱時間較短,大部分圍巖層的溫度仍在初始溫度17℃,圍巖內(nèi)的熱影響厚度隨著時間增加。在過渡季節(jié)與冬季隧道內(nèi)空氣溫度低于隧道壁面時,會出現(xiàn)隧道近壁面圍巖層向隧道壁面?zhèn)鳠?即近壁面區(qū)域開始放熱。整個圍巖層按溫度如圖5c）可以分成3個部分：近壁面區(qū)域A,離隧道壁面遠仍在熱影響厚度內(nèi)區(qū)域B,離隧道壁面較遠區(qū)域C。其中B區(qū)域的溫度高于A與C區(qū)域,B區(qū)域的范圍會隨著放熱過程逐漸縮小,如圖5b）、c）、d）。進入冬季后隧道圍巖層進入一個“蓄冷”狀態(tài),壁面溫度降低到10℃左右,近如圖5e）。冬季結(jié)束后,隧道內(nèi)的空氣溫度高于壁面溫度,隧道近壁面區(qū)域開始吸熱,整個圍巖層溫度場又分成3個區(qū)域如圖5f）。其中B區(qū)域的溫度低于A與C區(qū)域。最終B區(qū)溫度不斷升高,直到與A、C區(qū)溫度相近。過程如圖5中的f）、g）、h）。整個圍巖層的吸熱過程又回到模擬的初始狀態(tài)如圖5h）。進入下個周期,再次重復“吸熱”——“放熱”——“吸熱”過程。

圖5 地鐵隧道圍巖層溫度場動態(tài)組圖

從這組圖中圍巖層的溫度場變化情況,發(fā)現(xiàn)當圍巖層的熱影響厚度達到臨界值時,不再繼續(xù)增大。夏季熱影響厚度越大,表明隧道圍巖層吸收的熱量越大,在過渡季節(jié)與冬季,熱影響厚度越大越利于圍巖層的蓄冷效果。

地鐵隧道圍巖層不同位置的溫度全年動態(tài)變化模擬結(jié)果如圖6所示。在圍巖層內(nèi)每隔0.5m距離取點觀察其全年的溫度變化,明顯觀察到距離壁面遠的位置全年溫度變化幅度減小。離隧道壁面1.8 m處全年的溫度變化僅1.4℃,模擬結(jié)束時間溫度為17.8℃,超過2.8 m距離的區(qū)域溫度化更小。地鐵隧道壁面溫度在全年內(nèi)溫度始終大于17℃,考慮隧道襯砌起到保溫層的作用,預測進入下個年周期后,對應的時間壁面溫度會比這一年高。

圖6 圍巖層各位置溫度全年變化

3 結(jié)語

（1）本文結(jié)合站臺溫度和典型年氣象參數(shù)來描述地鐵隧道內(nèi)空氣溫度變化情況,相比年函數(shù)方法,更接近真實。模擬了某隧道的溫度場短期變化過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn),壁面溫度在前期升高較快,但當空氣與壁面溫度差減小后,壁溫升高逐漸變慢。

（2）將隧道內(nèi)列車的散熱對圍巖層的熱影響視為一個間歇加熱動作,白天列車對隧道圍巖層加熱,夜間壁面溫度恢復,空氣與壁面間的對流傳熱也是間歇性進行。模擬發(fā)現(xiàn)夜間壁面溫度下降值小于白天溫升值,這使得壁面溫度逐漸升高。

（3）通過ANSYS軟件對某地鐵圍巖溫度場的全年動態(tài)模擬,得到圖組可描述隧道壁面溫度的日變化、年周期變化,全年內(nèi)熱影響厚度變化。

（4）通過溫度場動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn),圍巖層的熱影響厚度達到臨界值后開始減小。夏季熱影響厚度越大,表明隧道圍巖層吸收的熱量越大,在過渡季節(jié)與冬季,熱影響厚度越大越利于圍巖層的蓄冷效果。

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公安部要求嚴打嚴防地鐵公交嚴重暴力犯罪

據(jù)新華社北京7月16日電針對近期接連發(fā)生的公交車縱火案件,公安部在7月16日召開全國公安機關緊急視頻會議,部署進一步加強地鐵公交安全保衛(wèi)工作。

公安部要求,各級公安機關要在黨委政府的統(tǒng)一領導下,會同交通運輸部門督促地鐵公交運營單位進一步強化安檢措施、落實安防責任。要積極提請黨委政府加大投入,在每列地鐵列車、每輛公交車上配備安全員,配備必要的防護、防暴設施和器材,推廣安裝安防新技術、新產(chǎn)品,組織開展培訓演練,提高識別違禁物品、發(fā)現(xiàn)報告可疑情況、組織應急逃生等基本技能。要認真落實嚴格的安檢制度,強化違禁物品查控措施,進站上車物品必須安檢,城市地面公交要加強臨檢抽檢。公安部強調(diào),各地要積極組織發(fā)動人民群眾開展群防群治,鼓勵群眾及時發(fā)現(xiàn)舉報可疑線索,大力表彰群眾見義勇為行為,對提供重大線索和有效制止犯罪的給予重獎。

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）

*國家自然科學基金項目（50908147）；上海市教委重點學科項目（J50502）