寒区隧道空气幕保温系统设计(附件)【字数：10476】
为了解决寒区隧道冻害问题，提出了寒区隧道空气幕保温系统，该保温系统利用垂直方向的强风，削弱隧道洞口处内部与外界空气之间的热量交换，从而达到维持隧道内温度的目的，进而解决寒区隧道冻害问题。本文首先介绍了国内寒区隧道的现状，其次阐述寒区隧道的保温措施和空气幕的工程应用，然后提出寒区隧道空气幕保温系统，并对寒区隧道空气幕保温加热系统中空气幕气流风速、喷射角度、设置台数、设置间距、设置长度等重要参数进行优化设计，提出科学合理的寒区隧道空气幕保温系统，最后对优化后的空气幕保温加热系统进行经济分析，进一步说明保温系统的可行性，为寒区铁路隧道防寒保温设计提供新方法。关键词 寒区隧道，冻害，空气幕，保温系统
目录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内发展现状 2
1.3 研究的内容和思路 2
2 前期调查 4
2.1寒区隧道的冻害情况 4
2.2寒区隧道保温系统的调查 6
2.2.1被动保温措施 6
2.2.2洞口段保暖 8
2.2.3水沟采暖 8
2.3空气幕工程应用的调查 9
3 空气幕保温系统设计的理论计算 10
3.1阻隔效率的计算 11
3.2混合温度 14
3.3计算空气幕的阻隔效率和混合温度 15
4 空气幕保温加热系统的经济分析 17
4.1 寒区隧道保温层法施工费用计算 17
4.2 空气幕保温系统初期费用计算 17
4.2.1 空气幕保温系统热风机费用计算 17
4.2.2 空气幕保温系统风电机组费用计算 17
4.2.3 空气幕保温系统太阳能发电组费用计算 17
4.2.4 空气幕保温系统养护费用计算 18
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1 研究背景
隧道是修筑在山中或者地下并敷设铁路供车辆 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
通行的构造物。国内严寒地区（简称寒区）的铁路和公路隧道的冻害情况非常严重，甚至因为严重冻害致使整体架构被破坏，并且在使用期出现重大交通事故。严寒地区隧道的主要问题就是冻害，这对隧道的正常运营产生极大的危险，很大程度上影响了驾车者的人身安全。
我国每年修建在寒冷地区的隧道数量巨大，对已经在使用中的寒区公路隧道进行统计时发现，寒区隧道中有80 %以上都存在各种各样冻害现象，其中60 %的发生渗漏，约24 %的出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉陷等问题。每年对这些冻害隧道要付出巨额的维修费。
目前，寒区隧道冻害情况严重，冻害问题的治理亟待解决。空气幕保温技术属于主动保温措施，且广泛的应用于超市、医院、车站、工业厂房大门、矿山和矿井中，目前在已建隧道中，尚无利用空气幕保温技术的先例。空气幕保温效果类似于防寒保温门，利用垂直方向的强风，削弱隧道洞口处内部与外界之间进行的热量交换，从而达到维持隧道温度的目的。空气幕保温技术在寒区隧道工程具有可行性，具有广泛的工程应用前景。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
伴随着经济建设的高速发展，寒区隧道的数目也在逐渐增加。为了满足隧道养护的基本需求，欧美等国家都相继研发出各自的隧道保温系统。
Shamsundar在1982年现场观察制冷管的液体，总结了制冷管液体温度的浮动变化，并进行了圆形制冷管周围土体的冻融特性的预报分析研究[1]。
Okada在1985年提出了在支护结构内表面敷设绝热层来阻止寒区隧道渗漏的方法，并在已经渗漏的隧道上进行试验和数据分析，说明了这种方法是可行的。
Y. F. Li等人在2005年计算出了寒冷地区水管的防冻保温材料的厚度的优化铺设的公式，并对管道中的保温层的保温性能准确地开展了分析。然而，他们分析的过程中没有考虑过水管中流动液体的热量交换，因而不能应用于严寒地区隧道工程的隔热保温层的改善设计。
在前苏联，在隧道内部的水沟里敷设新型高效的保温材料，对水进行保温处理。在挪威，在隧道内的水沟中放入电线进行加热，并且在隧道内部放入保温材料。在日本，北海道上羽幌隧道主体结构铺上隔热保温材料，以此保证隧道结构内部的温度到达0 ℃[2]。
1.2.2 国内发展现状
20世纪90年代，我国逐渐开始研究寒冷地区隧道的保温。张全胜等人在2003年分析了温度影响范围内软岩体在冻结后，内部水冰相变导致隧道主体架构承受冻胀力的原因，提出了弹性力学解，并在融化过程中以及融化之后发现了冻胀力演变的过程，并且找到了它变化的原因，运用弹性力学复变函数的方式推断出了在冰冻融化后隧道主体架构所承受冻胀力的公式。
田俊峰等对冻害的产生的主导因素――冻胀力进行了大体上的研究。提出了出现冻胀问题的三个必要条件：温度达到0摄氏度以下、支护结构必须提供阻止水体结冰膨胀变形足够的刚度、有大量的水，并因此提出治理冻害的大体方向即采取措施不同时满足这三个必要条件即可有效地避免冻害。
程选生等人在2000年为了减少防止冻害的成本，提出了温度作用下钢筋混凝土矩形贮液池池壁厚度优化的数学模型，利用拉格朗日乘子法和网格法对结构开展改良设计。
刘晓延等人在2000年对堆积型复合保冷结构的低温管道开展改良设计。谢怀勤等人在1999年以层合板的各层铺设角为设计变量， 层合板的厚度为目标函数，对玻璃纤维缠绕增强塑胶压力容器在内压及其内部介质温度突变到稳定温度场全程的不同情况， 进行改良设计[3]。
目前，在隧道中普遍使用的保温措施分为主动和被动两种，被动保暖主要包含隔热法、防排水措施和防寒保护门，主动保暖主要包括洞口段保暖和水沟取暖。
目录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内发展现状 2
1.3 研究的内容和思路 2
2 前期调查 4
2.1寒区隧道的冻害情况 4
2.2寒区隧道保温系统的调查 6
2.2.1被动保温措施 6
2.2.2洞口段保暖 8
2.2.3水沟采暖 8
2.3空气幕工程应用的调查 9
3 空气幕保温系统设计的理论计算 10
3.1阻隔效率的计算 11
3.2混合温度 14
3.3计算空气幕的阻隔效率和混合温度 15
4 空气幕保温加热系统的经济分析 17
4.1 寒区隧道保温层法施工费用计算 17
4.2 空气幕保温系统初期费用计算 17
4.2.1 空气幕保温系统热风机费用计算 17
4.2.2 空气幕保温系统风电机组费用计算 17
4.2.3 空气幕保温系统太阳能发电组费用计算 17
4.2.4 空气幕保温系统养护费用计算 18
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1 研究背景
隧道是修筑在山中或者地下并敷设铁路供车辆 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
通行的构造物。国内严寒地区（简称寒区）的铁路和公路隧道的冻害情况非常严重，甚至因为严重冻害致使整体架构被破坏，并且在使用期出现重大交通事故。严寒地区隧道的主要问题就是冻害，这对隧道的正常运营产生极大的危险，很大程度上影响了驾车者的人身安全。
我国每年修建在寒冷地区的隧道数量巨大，对已经在使用中的寒区公路隧道进行统计时发现，寒区隧道中有80 %以上都存在各种各样冻害现象，其中60 %的发生渗漏，约24 %的出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉陷等问题。每年对这些冻害隧道要付出巨额的维修费。
目前，寒区隧道冻害情况严重，冻害问题的治理亟待解决。空气幕保温技术属于主动保温措施，且广泛的应用于超市、医院、车站、工业厂房大门、矿山和矿井中，目前在已建隧道中，尚无利用空气幕保温技术的先例。空气幕保温效果类似于防寒保温门，利用垂直方向的强风，削弱隧道洞口处内部与外界之间进行的热量交换，从而达到维持隧道温度的目的。空气幕保温技术在寒区隧道工程具有可行性，具有广泛的工程应用前景。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
伴随着经济建设的高速发展，寒区隧道的数目也在逐渐增加。为了满足隧道养护的基本需求，欧美等国家都相继研发出各自的隧道保温系统。
Shamsundar在1982年现场观察制冷管的液体，总结了制冷管液体温度的浮动变化，并进行了圆形制冷管周围土体的冻融特性的预报分析研究[1]。
Okada在1985年提出了在支护结构内表面敷设绝热层来阻止寒区隧道渗漏的方法，并在已经渗漏的隧道上进行试验和数据分析，说明了这种方法是可行的。
Y. F. Li等人在2005年计算出了寒冷地区水管的防冻保温材料的厚度的优化铺设的公式，并对管道中的保温层的保温性能准确地开展了分析。然而，他们分析的过程中没有考虑过水管中流动液体的热量交换，因而不能应用于严寒地区隧道工程的隔热保温层的改善设计。
在前苏联，在隧道内部的水沟里敷设新型高效的保温材料，对水进行保温处理。在挪威，在隧道内的水沟中放入电线进行加热，并且在隧道内部放入保温材料。在日本，北海道上羽幌隧道主体结构铺上隔热保温材料，以此保证隧道结构内部的温度到达0 ℃[2]。
1.2.2 国内发展现状
20世纪90年代，我国逐渐开始研究寒冷地区隧道的保温。张全胜等人在2003年分析了温度影响范围内软岩体在冻结后，内部水冰相变导致隧道主体架构承受冻胀力的原因，提出了弹性力学解，并在融化过程中以及融化之后发现了冻胀力演变的过程，并且找到了它变化的原因，运用弹性力学复变函数的方式推断出了在冰冻融化后隧道主体架构所承受冻胀力的公式。
田俊峰等对冻害的产生的主导因素――冻胀力进行了大体上的研究。提出了出现冻胀问题的三个必要条件：温度达到0摄氏度以下、支护结构必须提供阻止水体结冰膨胀变形足够的刚度、有大量的水，并因此提出治理冻害的大体方向即采取措施不同时满足这三个必要条件即可有效地避免冻害。
程选生等人在2000年为了减少防止冻害的成本，提出了温度作用下钢筋混凝土矩形贮液池池壁厚度优化的数学模型，利用拉格朗日乘子法和网格法对结构开展改良设计。
刘晓延等人在2000年对堆积型复合保冷结构的低温管道开展改良设计。谢怀勤等人在1999年以层合板的各层铺设角为设计变量， 层合板的厚度为目标函数，对玻璃纤维缠绕增强塑胶压力容器在内压及其内部介质温度突变到稳定温度场全程的不同情况， 进行改良设计[3]。
目前，在隧道中普遍使用的保温措施分为主动和被动两种，被动保暖主要包含隔热法、防排水措施和防寒保护门，主动保暖主要包括洞口段保暖和水沟取暖。
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