Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ теплового режима подземных сооружений метропо литена с учетом влияния окружающего массива грунта 12
1.1 Обзор существующих методов прогноза теплового режима подземных сооружений и применимость данных методов к исследованию температурного поля грунта вокруг станций и тоннелей метрополитена мелкого заложения 12
1.2 Особенности формирования теплового режима подземных сооружений метрополитена
1.3 Теплопередача через ограждающие конструкции подземных сооружений метрополитена 21
1.4 Мониторинг температур внутреннего воздуха, ограждающих конструкций и окружающего грунта станций и тоннелей Новосибирского метрополитена 1.4.1 Анализ колебаний температур внутреннего воздуха и ограждающих конструкций станций метрополитена 26
1.4.2 Анализ колебаний температур грунтов, температур внутреннего воздуха и обделки тоннелей метрополитена 32
1.5 Выводы и задачи исследований 36
Глава 2. Прогнозирование температурного режима эксплуатации под земных сооружений метрополитена мелкого заложения на различных глубинах 38
2.1 Определение естественного распределения температур в массиве грунта на различных глубинах 38
2.2 Прогнозирование температурного режима подземных станций и тоннелей метрополитена на период их эксплуатации с использованием математического моделирования 49
2.3 Результаты прогнозирования температурного режима с использовани ем математического моделирования 57
2.3.1 Результаты прогнозирования температурного режима тоннелей с использованием математического моделирования 57
2.3.1.1 Сравнение результатов математического моделирования и результатов эксперимента 59
2.3.2 Результаты прогнозирования температурного режима станции с использованием математического моделирования 64
2.3.3 Определение размеров массива грунта, подверженного тепловому влиянию подземных станций и тоннелей метрополитена 71
2.4 Выводы 76
Глава 3. Исследование температур массива грунта, окружающего подземные станции и тоннели метрополитена мелкого заложения 77
3.1 Аналитический метод расчета температур массива грунта вокруг подземных сооружений метрополитена мелкого заложения 77
3.2 Разработка методики расчета температур массива грунта, окружающего подземные станции и тоннели метрополитена в условиях резко континентального климата Западной Сибири 86
3.2.1 Исследование температур грунта вокруг станции метрополитена 88
3.2.1.1 Расчет температур грунта на границе «грунт – верхнее перекрытие станции» метрополитена 88
3.2.1.2 Расчет температур грунта на границе «грунт – стена кассового зала станции» метрополитена 94
3.2.2 Исследование температур грунта вокруг тоннелей метрополитена.. 97
3.3 Апробация методики расчета температур грунта 103
3.4 Выводы 109
Глава 4. Исследование теплового баланса станций и тоннелей метро политена 110
4.1 Определение тепловых потерь через ограждающие конструкции стан 4
ции метрополитена 110
4.1.1 Определение тепловых потерь станции «Октябрьская» на начальный период эксплуатации (1987 – 1988 гг.) 110
4.1.2 Определение коэффициента теплоотдачи внутренних поверхностей тоннелей на станции метрополитена 118
4.1.3 Определение тепловых потерь станции «Октябрьская» в установившийся период эксплуатации 119
4.1.4 Сравнение результатов расчета тепловых потерь станции «Октябрьская» на период эксплуатации 1987 – 1988 гг. с тепловыми поте рями в установившийся период эксплуатации 123
4.2 Определение тепловых поступлений в помещениях станции Новоси бирского метрополитена «Октябрьская» 124
4.2.1 Тепловыделения от источников искусственного освещения в поме щениях станции 124
4.2.2 Расчет выделений тепла и влаги людьми 125
4.2.3 Тепловыделения от оборудования в служебных помещениях станции метрополитена 127
4.2.3.1 Тепловые поступления в машинном помещении эскалаторов и электрощитовой 127
4.2.3.2 Тепловые поступления в помещении трансформаторов 131
4.3 Тепловой баланс станции Новосибирского метрополитена «Октябрьская» 133
4.4 Тепловой баланс в тоннеле 141
4.5 Выводы 148
Заключение 150
Список литературы
- Особенности формирования теплового режима подземных сооружений метрополитена
- Прогнозирование температурного режима подземных станций и тоннелей метрополитена на период их эксплуатации с использованием математического моделирования
- Разработка методики расчета температур массива грунта, окружающего подземные станции и тоннели метрополитена в условиях резко континентального климата Западной Сибири
- Определение тепловых поступлений в помещениях станции Новоси бирского метрополитена «Октябрьская»
Введение к работе
1. Актуальность темы
Задача массовых перевозок в крупнейших городах России с населением более 1 млн. человек успешно решается путем строительства метрополитенов, причем в последнее время наблюдается тенденция к увеличению доли метрополитенов мелкого заложения.
Метрополитены мелкого заложения подвержены влиянию колебаний температур атмосферного воздуха намного сильнее, чем метрополитены глубокого заложения, особенно в холодный период года. Это обусловлено двумя факторами: малым аэродинамическим сопротивлением вентиляционных трактов, связывающих подземные выработки с атмосферой, и низкими теплоаккумулирующими возможностями окружающих грунтов. Особенно заметно эти факторы проявляются в районах с резко континентальным климатом в зимний период, когда температура атмосферного воздуха имеет отрицательные значения.
Известно, что одна из основных функций вентиляции метрополитенов состоит в удалении теплоизбытков, основным источником которых являются поезда. По этому вопросу в нормативных документах (CНиП 32--02-2003) говорится, что системы вентиляции следует проектировать с учетом годового теплового баланса, обеспечивающего допустимые параметры температуры и относительной влажности воздуха и минимально возможный рост температуры окружающих грунтов. Для решения такой задачи необходимо знать прогноз изменения температуры воздуха, обделки тоннелей, внутренней поверхности ограждающих конструкций и заобделочного массива грунтов на протяжении всего периода эксплуатации метрополитена.
Первоочередной задачей прогнозирования процесса теплообмена сооружения с окружающим массивом грунта является расчет теплового баланса подземного сооружения. Элементами процесса теплообмена являются взаимное тепловое влияние подземного сооружения и окружающего массива грунта. Интенсивность изменения количества тепла, уходящего в грунт из подземного сооружения, в значительной степени определяется температурой атмосферного воздуха и зависит от глубины заложения подземного сооружения. Это влияет на формирование температурных полей в окружающем подземное сооружение массиве грунта. При этом потребление тепловой энергии для отопления и электрической энергии на проветривание для обеспечения требуемой температуры внутреннего воздуха подземных станций и тоннелей метрополитенов зависят от теплопотерь через ограждающие конструкции.
Значительный опыт исследований теплового режима глубоких шахт и рудников не может быть без соответствующей корректировки распространен на условия метрополитенов, существенно отличающиеся от условий горнодобывающих предприятий. Такие факторы и процессы, как сезонные
колебания величины и направления теплового потока на границе «грунт – ограждающие конструкции метрополитенов», наличие обделок с гидроизоляцией, значительного количества людей, а также проветривание за счет поршневого действия поездов метрополитена оказывают существенное влияние на формирование теплового баланса в тоннелях и на станциях и должны учитываться в тепловых расчетах. Отличия условий эксплуатации метрополитенов мелкого заложения от условий эксплуатации шахт и рудников прежде всего обусловлены небольшой глубиной расположения подземного сооружения (до 2 – 15 м), сравнительно низкой естественной температурой пород (до 15 – 20 оС), а также необходимостью обеспечения требуемых значений температуры воздуха. Под глубиной заложения понимается расстояние от дневной поверхности до верха перекрытий над кассовым залом (для станции) и расстояние от дневной поверхности до верхней границы «грунт – тюбинг тоннелей». Недостаточность теоретической и практической проработки вопросов по прогнозированию теплового режима подземных сооружений метрополитена мелкого заложения в условиях резко континентального климата Западной Сибири на долгосрочный период эксплуатации и контролю за температурой внутреннего воздуха подземных станций и тоннелей метрополитена мелкого заложения обусловили необходимость данного научного исследования.
2. Цель работы состоит в прогнозировании колебаний температур подзем
ных сооружений и окружающих грунтов метрополитенов мелкого заложе
ния.
3. Идея работы заключается в использовании закономерностей процесса
теплообмена между внутренним воздухом станций и тоннелей метрополи
тена мелкого заложения и массивом окружающего грунта для расчета про
гнозных значений температур грунта и теплового баланса подземного со
оружения с применением уравнений строительной и горной теплофизики.
4. Задачи исследований:
– исследовать процесс достижения установившегося годового циклического характера колебаний температур грунта, окружающего станции и тоннели метрополитена;
– определить глубину заложения станций и тоннелей метрополитена, ниже которой влияние атмосферных температурных условий на тепловой баланс подземного сооружения описывается законом, не зависящим от глубины;
– определить зависимость изменения температур на границе «грунт – верхнее перекрытие станции» метрополитена мелкого заложения и на
верхней границе «грунт – тюбинг тоннелей» метрополитена от глубины заложения подземного сооружения в грунт;
– определить зависимость теплового потока в грунт из подземных станций и тоннелей метрополитена от глубины заложения.
5. Методы исследований включают анализ источников научно-
технической информации по тематике работы, теоретические исследования
температуры подземных сооружений и окружающих грунтов метрополите
нов мелкого заложения путем математического моделирования с примене
нием метода конечных элементов и применением теории нестационарного
теплообмена, экспериментальные исследования температуры подземных
сооружений и окружающих грунтов в натурных условиях Новосибирского
метрополитена.
6. Основные научные положения, защищаемые автором:
– время достижения установившегося годового циклического характера колебаний температур грунта, окружающего подземное сооружение метрополитена, зависит от глубины заложения станций и тоннелей метрополитена. В метрополитенах глубиной заложения от 1 м до 20 м время достижения установившегося циклического характера колебаний температур составит: для станций – от 2 лет 3 месяцев до 5 лет 11 месяцев соответственно, а для тоннелей – от 1 года 3 месяцев до 5 лет 7 месяцев соответственно;
– амплитуды колебаний температур массива грунта, окружающего станции и тоннели метрополитена, уменьшаются по мере увеличения глубины заложения станций и тоннелей. При глубине заложения станций и тоннелей 10 м и более колебания температур грунта происходят по постоянному периодическому закону с одинаковой амплитудой;
– годовые циклические изменения температуры на границе «грунт – верхнее перекрытие станции» метрополитена и верхней границе «грунт – тюбинг тоннелей» метрополитена для установившегося теплового режима описывается синусоидальной зависимостью, в которой: амплитуда колебаний температуры грунта зависит от глубины заложения по квадратичному закону в диапазоне от 1 до 10 м, далее до 20 м принимает постоянное значение для станций и тоннелей; начальная фаза колебаний температуры грунта зависит от глубины заложения по квадратичному закону для станций и по линейному для тоннелей в диапазоне от 1 до 8 м, далее до 20 м постоянна; свободный член (среднегодовая температура грунта) описывается степенной зависимостью от глубины заложения для станций и тоннелей в диапазоне от 1 до 20 м;
– тепловые потери подземных станций и тоннелей метрополитена в грунт уменьшаются по мере увеличения глубины заложения. На глубине
заложения 1 м тепловые потери больше тепловых потерь на глубине заложения 20 м: для тоннелей в 18 раз, для станций в 2,8 раз. Для станций метрополитена на глубинах заложения 1 – 20 м тепловые потери на начальный период эксплуатации в 7,5 – 19,5 раз больше тепловых потерь в установившийся период эксплуатации.
-
Достоверность научных результатов, выводов, рекомендаций достигается достаточным объемом исследований и сходимостью результатов проведенных аналитических расчетов и натурных измерений исследуемых параметров процесса теплообмена между подземными сооружениями метрополитена и массивом окружающего грунта.
-
Новизна научных положений
Получены следующие результаты:
выявлено, что колебания температуры грунта, окружающего подземное сооружение метрополитена мелкого заложения, носит циклический характер. Время достижения установившихся колебаний температур грунта увеличивается с глубиной заложения подземного сооружения и составляет для станций – от 2 лет 3 месяцев до 5 лет 11 месяцев, для тоннелей – от 1 года 3 месяцев до 5 лет 7 месяцев соответственно;
определены зависимости амплитуды колебаний температур массива грунта, окружающего станции и тоннели метрополитена, от глубины заложения станций и тоннелей. Доказано, что при глубине заложения станций и тоннелей 10 м и более колебания температур грунта происходят по постоянному периодическому закону с одинаковой амплитудой;
годовые циклические изменения температуры на границе «грунт – верхнее перекрытие станции» метрополитена и верхней границе «грунт – тюбинг тоннелей» метрополитена описываются синусоидальной зависимостью и зависят от глубины заложения подземного сооружения в грунт;
зависимость теплового потока в грунт из подземных станций и тоннелей метрополитена характеризуется не только глубиной заложения подземных сооружений, но и временем их эксплуатации. При этом, для станций метрополитена на глубинах заложения 1 – 20 метров тепловые потери на начальный период эксплуатации в 7,5 – 19,5 раз больше тепловых потерь в установившийся период эксплуатации.
9. Личный вклад автора
состоит в обобщении известных результатов, разработке математических моделей станции и тоннелей метрополитена мелкого заложения, проведении численных и натурных экспериментов, обработке и анализе результатов, выявлении закономерностей распределения температур в массиве грунта и внедрении в практику проектирования подземных сооружений
метрополитена методики расчета температур массива грунта, окружающего подземные станции и тоннели метрополитена мелкого заложения.
10. Практическая ценность
– разработана методика расчета температур массива грунта, окружающего подземные станции и тоннели метрополитена мелкого заложения.
11. Реализация работы в промышленности
Методика расчета температур массива грунта, окружающего подземные станции и тоннели метрополитена, в условиях Западной Сибири передана организации, осуществляющей проектирование Новосибирского метрополитена (ОАО «Красноярскметропроект»).
12. Апробация работы
Основные положения диссертации и ее отдельные результаты были представлены на Третьей Международной Научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (г. Москва, МГСУ, 2009); II Всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли» (66-ой научно-технической конференции НГАСУ (Сиб-стрин)) (г. Новосибирск, 2009); III Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ (Сибстрин) (г. Новосибирск, 2010); V Сибирской Международной Конференции Молодых Ученых по Наукам о Земле (29 ноября – 2 декабря, г. Новосибирск, 2010); научном симпозиуме «Неделя горняка – 2011» Семинар 7. Проблемы аэрологии и безопасности горных предприятий (Москва, 24 – 28 января, 2011); IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве» (68-ой научно-технической конференции НГАСУ (Сиб-стрин)) (г. Новосибирск, 2011); научном симпозиуме «Неделя горняка – 2012» Семинар 6. Проблемы аэрологии и безопасности горных предприятий (Москва, 23 – 27 января, 2012); V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» 69 НТК НГАСУ (Сиб-стрин) (г. Новосибирск, 10 – 12 апреля, 2012); Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (ИГД СО РАН) (г. Новосибирск, 9 – 12 октября, 2012); Международной научно-практической конференции «Аэрология и безопасность горных предприятий» (Национальный минерально-сырьевой университет «Горный») (г. Санкт-Петербург, 23 – 24 октября, 2012); VI Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» 70 НТК НГАСУ (Сибстрин) (г. Новосибирск, 9 – 11 апреля, 2013); Всероссийской научной конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых с элементами научной школы «Горняцкая смена – 2013» (г. Новосибирск, 24 – 27 июня, 2013); Всероссийской научной конференции
для студентов, аспирантов и молодых ученых с элементами научной школы «Горняцкая смена – 2015» (г. Новосибирск, 29 июня – 1 июля, 2015).
13. Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, из них 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
14. Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 211 страницах машинописного текста, включая 22 таблицы, а также содержит 75 рисунков, список литературы из 129 наименований и 6 приложений.
Основной объем экспериментальных исследований выполнен в лаборатории рудничной аэродинамики ИГД СО РАН и в натурных условиях Новосибирского метрополитена.
Особенности формирования теплового режима подземных сооружений метрополитена
В Российской Федерации распространен подземный метрополитен, который обеспечивает решение транспортной проблемы городов, не нарушая сложившуюся планировку улиц и их внешний вид. Участки метрополитенов на глубине более 20 м называются участками глубокого заложения, а менее – относятся к участкам мелкого заложения. В настоящее время существует тенденция к увеличению доли строящихся метрополитенов мелкого заложения в общем объеме строительства [23, 24]. В ряде случаев это экономически более выгодно [25], так как строительство тоннелей и станций ведется в основном открытым способом, т.е. с нарушением поверхности земли и последующей засыпкой. При такой технологии тоннели находятся на глубине 5 – 12 м. При закрытом способе проходки они сооружаются на глубине более 8 м [23 – 25].
Температура внутреннего воздуха в тоннелях и на станциях метрополитена зависит от температуры атмосферного воздуха и от глубины заложения подземного сооружения. Под глубиной заложения понимается расстояние от дневной поверхности до верха перекрытий над кассовым залом (для станции) и расстояние от дневной поверхности до верхней границы «грунт – тюбинг тоннелей». Для нормального функционирования подземных сооружений в них должна поддерживаться в течение всего времени эксплуатации требуемая температура внутреннего воздуха [5, 7 – 13]. Однако в связи с особенностями физических процессов теплопереноса набор исходных параметров (температур внутреннего воздуха подземного сооружения и грунтового массива, теплофизических свойств грунта и ограждающих конструкций подземного сооружения), методов и способов регулирования температуры должен отличаться от таковых для наземных зданий. Основным отличием подземного сооружения от его наземного аналога является характер теплообмена с окружающей средой. В наземных объектах такой средой является воздух с температурой, изменяющейся по закону, близкому к гармоническому (с периодом сезонных изменений, равным 1 году). По тому же закону изменяются поля температур в наружных ограждениях.
В подземных сооружениях мелкого заложения окружающей средой является массив грунтовых пород с переменной температурой [6, 20, 26 – 29]. В связи с этим формирование в них заданных температур [5, 7 – 13] требует значительно большего времени, чем у аналогичных наземных объектов. Изменение температуры воздуха в подземном сооружении и температуры грунтового массива, как известно, носит выраженный нестационарный характер [6, 20, 26 – 37]. При этом если период формирования заданного теплового режима (предэксплуатационный период) характеризуется четко выраженным неустановившимся режимом теплообмена, то большая часть эксплуатационного периода удовлетворительно описывается закономерностями, характерными для периодического режима [38]. Процессы теплопереноса в системе массив грунта – воздушная среда помимо изменения температуры наружного воздуха определяются геолого-геотермическими и техническими факторами.
К первым относятся свойства грунтового массива, окружающего подземные сооружения, гидрогеологические условия и температура пород на глубине строительства.
Под техническими факторами понимаются конструктивные параметры подземных сооружений, их геометрическая форма, расположение относительно друг друга и поверхности земли, а также протекающие в них технологические процессы, связанные с нагревом (охлаждением) и осушением (увлажнением) подаваемого воздуха. Для расчета температур подземных сооружений метрополитена нельзя безоговорочно использовать методы, разработанные Ю.Д. Дядькиным, А.Н. Щербанем, В.П. Черняком, А.Ф. Воропаевым, Ю.В. Шуваловым, В.Т. Кравченко, С.Г. Гендлером, О.А. Кремневым, применяемые для прогноза теплового режима шахт, так как особенности формирования в них тепловых условий отличаются от подземных сооружений мелкого заложения транспортного и общественно-бытового назначения [14 – 18]. В зависимости от назначения подземного сооружения для обеспечения заданного теплового режима может потребоваться комплексное использование всех видов тепловой обработки воздуха, в то время как в шахтах и рудниках применяются главным образом или его нагрев, или охлаждение. Выраженный нестационарный характер процессов теплового взаимодействия воздушной среды подземного сооружения с окружающим массивом грунта приводит к изменяющимся во времени условиям теплообмена и определяет необходимость осуществления непрерывного управления параметрами и системами регулирования теплового режима.
С целью разработки методики прогнозирования тепловых режимов подземных сооружений метрополитена, достоверно отражающих степень влияния перечисленных факторов на температуру внутреннего воздуха подземного сооружения, был выполнен обзор литературных источников. Рассмотрены работы различных исследователей, справочные и нормативные материалы.
Основы прогноза теплового режима шахт и рудников заложены А.Н. Щербанем, О.А. Кремневым, Ю.Д. Дядькиным, А.Ф. Воропаевым, В.П. Черняком, В.Я. Журавленко, Ю.А. Цейтлиным и развиты в работах Ю.В. Шувалова, Ю.П. Добрянского, Э.Н. Малашенко, Л.Б. Зимина, С.А. Гончарова, А.П. Дмитриева, В.В. Кудряшова, Е.Т. Воронова, В.А. Кузина, С.Г. Гендлера, А.Ф. Галкина, В.А. Шерстова и др.
Прогнозирование температурного режима подземных станций и тоннелей метрополитена на период их эксплуатации с использованием математического моделирования
Для получения наибольшей точности при теплотехнических расчетах теплопередачи в грунт следует пользоваться данными температуры грунтов, полученными на основании многолетних натурных измерений. Амплитуда колебаний температуры грунтов на глубину до 4 м от дневной поверхности для всех периодов года хорошо изучена на основании длительных наблюдений во многих городах России. Эти данные в значительной своей части могут быть использованы при проектировании метрополитенов мелкого заложения. При более глубоком заложении метрополитенов следует пользоваться данными натурных измерений температуры грунтов, полученными во время сооружения тоннелей. При отсутствии фактических данных для предварительного определения температуры грунтов можно пользоваться излагаемой ниже методикой, разработанной в Военно-инженерной академии им. Куйбышева [19]. Температура грунта на заданной глубине Н зависит от среднегодовой температуры атмосферного воздуха, амплитуды годового колебания температуры на дневной поверхности, притока тепла от центра Земли и теплофизических характеристик грунтов. Среднегодовая температура tср.пов.гр на дневной поверхности земли зависит в основном от средней температуры воздуха за год ср.год.в в данном районе, растительного и, особенно, снежного покрова. Так как снежный покров препятствует остыванию земли, среднегодовая температура на дневной поверхности земли всегда несколько выше средней температуры воздуха за год в этом районе, т.е.: сР.поагР= сР,од,+А . (2.1) Перепад температур t зависит от толщины и продолжительности стояния снежного покрова.
Так как метрополитен в основном проектируется вдоль улиц с большим движением и усовершенствованным покрытием, которое, как правило, очищается от снега, то значения t следует уменьшать. Однако, учитывая, что дневная поверхность земли вдоль уличных трасс активно прогревается теплофикационными каналами, подвалами зданий и линиями метрополитена, фактические значения t в этих условиях принимаются на 30 % выше. Поэтому в формулы, включающие перепад температур t, вводится коэффициент 1,3. Вследствие постоянного притока тепла от центра Земли среднегодовая температура грунтов увеличивается примерно на 1 оС на каждые 30 м в глубину [19].
Различная интенсивность потока лучистого тепла от солнца в летний и зимний периоды приводит к колебаниям температуры дневной поверхности земли в течение года. Отношение амплитуды колебания температуры на дневной поверхности земли А0 к амплитуде колебания температуры грунта Ан на глубине Я, т.е. затухание амплитуды колебания температур при проникновении тепловой волны в массив грунта может быть определено по формуле: A H-(WC) 0.5 0 _ е Az А (2.2) где е - основание натуральных логарифмов (е = 2,72); Я - глубина рассматриваемой точки от дневной поверхности земли, м; ж - число «пи» (ж = =3,14); у, с, А - плотность ( м ), удельная теплоемкость (—0) и теплопроводность (0) грунта; z - годовой период колебания температур, z = 8760 ч. Исследования проводились на примере станции «Октябрьская»
Новосибирского метрополитена. Вестибюль № 1 станции «Октябрьская» представляет собой 2-х этажное сооружение, расположенное под землей. Помещения расположены в двух уровнях: уровень кассового зала (отметка +4,340) и уровень платформы (отметка +1,100). За нулевую отметку принят уровень головки рельса (Рисунок 2.1).
Схема вестибюля № 1 станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена в массиве грунта в поперечном разрезе, – влажность слоя грунта, % Планы уровней вестибюля № 1 станции «Октябрьская» представлены в Приложениях А и Б. Вестибюль № 2 станции «Октябрьская» представляет собой 3-х этажное сооружение, расположенное под землей. Помещения расположены в трех уровнях: уровень кассового зала (отметка + 7,230), уровень машинного помещения эскалаторов (отметка + 4,200) и уровень платформы (отметка +1,080). За нулевую отметку принят уровень головки рельса (Рисунок 2.2).
Планы уровней вестибюля № 2 станции «Октябрьская» представлены в Приложениях В – Д. Массив грунта вокруг станции метрополитена «Октябрьская» образован тремя слоями: верхний – насыпной грунт, средний – супесь лессовая, нижний – суглинок лессовой (Рисунки 2.1, 2.2). Свойства данных слоев грунта взяты из проектной документации станций и тоннелей в МУП «Новосибирский метрополитен» (Таблица 2.1), и уточнены согласно [83 – 85].
Когда заглубление перекрытия станции метрополитена меньше или равно расчетной толщине прогретого слоя грунта х (Параграф 1.3), температуры грунта в теплый и холодный периоды для перекрытия (Нi = 0 м) принимаются равными температурам поверхности tтепl и txl соответственно для теплого и холодного периодов года (Рисунок 2.3). Для наружных поверхностей вертикальных стен, расположенных выше отметки прогретого слоя грунта, температуры tтеп2 и tx2 принимаются на отметке, равной заглублению второй трети высоты стены, т.е. на глубине: Н2=\+-.(х-\). (2.3) Для наружных поверхностей вертикальных стен, расположенных ниже отметки прогретого слоя грунта, температуры tтеп3 и tx3 принимаются на отметке заглубления первой трети высоты стены, т.е. на глубине: H3=x + --(\+h2-x). (2.4)
Разработка методики расчета температур массива грунта, окружающего подземные станции и тоннели метрополитена в условиях резко континентального климата Западной Сибири
Граничные условия: – на крайних границах массива грунта в расчетных моделях станции и тоннелей слева, справа и снизу задается условие второго рода. Тепловой поток q = 0, начальная температура равна естественной температуре грунта; – на дневной поверхности задается условие первого рода, температура грунта на дневной поверхности изменяется циклически, согласно зависимо-сти (1); – граничные условия на внутренней границе ограждающих конструкций станций и тоннелей определяются условием третьего рода. Изменение температур внутреннего воздуха согласно [21, 22, 81, 91], коэффициент теплоотдачи внутренних поверхностей тоннеля а = 9,14 Вт м.оС, станции а = 8,7 Вт м-С На основе данных, предоставленных ООО «НПО «Мостовик» (г. Омск), по свойствам грунтов, залегающих на территории г. Омска (Таблица 2.5), также были проведены расчеты температурного поля массива грунта, окружающего подземные станции и тоннели метрополитена на различных глубинах заложения, при изменении температур атмосферного воздуха. В расчетах были использованы численные модели (Рисунки 2.6, 2.8) с использованием свойств грунта г. Омска (Таблица 2.5).
Изменение температуры атмосферного воздуха в г. Омске (1) и г. Новосибирске (2) за 2011 г. по данным Гидрометцентра По данным Гидрометцентра были построены графики колебаний температуры атмосферного воздуха в г. Омске и г. Новосибирске за 2011 г. (Рисунок 2.10). Согласно рисунку 2.10 колебания температур атмосферного воздуха в г. Омске почти совпадают с колебаниями температур в г. Новосибирске, поэтому функция (2.11) была использована для математического моделирования температурных полей грунта не только для г. Новосибирска, но и для г. Омска.
По итогам прогнозирования температурного режима подземных станций и тоннелей метрополитена с использованием математического моделирования в условиях резко континентального климата Западной Сибири были получены следующие результаты.
Расчет температурного поля грунта был произведен при различных глубинах заложения тоннелей метрополитена в грунт (от 1 м до 20 м включительно с шагом в 1 м). Годовые колебания атмосферного воздуха вызывают колебания температуры грунта. Установлено, что время достижения установившегося циклического (ежегодного) характера колебаний температур грунта, окружающего подземное сооружение метрополитена, в условиях резко континентального климата Западной Сибири, различно для одной и той же конструкции тоннелей при различных глубинах их заложения. При увеличении глубины заложения тоннелей в грунт, увеличивается и время достижения установившегося годового циклического характера колебаний температур грунта (Рисунок 2.11). В качестве показателя установившегося циклического характера колебаний температур грунта принято различие (менее 1 оС) амплитуд последовательных колебаний температур в течение срока эксплуатации. Этот процесс моделировался на период 27 лет с момента пуска тоннелей в эксплуатацию.
Годовые колебания температур грунта на верхней границе «грунт – тюбинг тоннелей»; h – глубина заложения тоннелей, м В результате серий экспериментов на математической модели тоннелей, расчетная схема которой показана на рисунке 2.8, рассчитаны температуры массива грунта вокруг тоннелей метрополитена за время их эксплуатации и получены графики годового колебания температур грунта на верхней границе «грунт – тюбинг тоннелей» № 1 (Рисунок 2.8) при установившемся годовом циклическом характере колебаний температур грунта (Рисунок 2.12).
На рисунке 2.12 видно, что с увеличением глубины заложения тоннелей, амплитуда колебаний температуры грунта на верхней границе «грунт – тюбинг тоннелей» значительно уменьшается. Для тоннелей метрополитена с глубиной заложения 10 м и более графики колебания температуры совпадают. Это означает, что температура грунта изменяется по закону, не зависящему от глубины заложения тоннелей, т.е. влияние сезонных колебаний температуры атмосферного воздуха на температуру грунта одинаково.
На рисунках 2.13 – 2.17 представлены некоторые результаты расчета математической модели тоннелей в грунте (Рисунок 2.8) методом конечных элементов. Числа, указанные в круглых скобках, обозначают величины температур, полученные в натурных условиях Новосибирского метрополитена (Рисунок 1.7).
Определение тепловых поступлений в помещениях станции Новоси бирского метрополитена «Октябрьская»
Для исследования области теплового влияния станций и тоннелей метрополитена на окружающий массив грунта были рассмотрены несколько точек в массиве грунта (точки А, В, С, D и Е) (Рисунки 2.6, 2.8) на различных расстояниях от ограждающих конструкций подземных сооружений.
Сначала с использованием метода конечных элементов (МКЭ) и программного пакета Ansys было проведено моделирование динамики температуры грунта, в котором нет искусственных сооружений, т.е. естественного поля температур. Затем эти результаты сравнивались с данными теоретических расчетов по методике, разработанной в Военно-инженерной академииим. В.И. Куйбышева [19]. Сравнение результатов показало их удовлетворительную сходимость. Поэтому последующие исследования проводились с использованием МКЭ. Естественная температура грунта на глубинах Н = 1 20 м в течение года изменяется в пределах -11,6 18,37 оС (Рисунок 2.4).
Рассмотрим результаты исследований для тоннелей, расположенных на глубине h = 5 м от дневной поверхности. Тогда расстояние от дневной поверхности до точек А, В, С, D и Е в массиве грунта составит H = 7,85 м. Для станции на глубине заложения h = 5 м расстояние от дневной поверхности до точек А, В, С, D и Е в массиве грунта составит H = 11,3 м. Температуры массива грунта в точках А, В, С, D и Е для станции на данной глубине заложения (h = 5 м) представлены на рисунке 2.28.
Из рисунка 2.28 видно, что по мере удаления от стенки станции, температура грунта, прогретого техногенным тепловым потоком, приближается к естественной температуре массива грунта. И на расстоянии 18 м (точка Е), практически, с ней сравнивается.
На температуру массива грунта влияет как изменения температуры атмосферного воздуха, так и температура тоннельного воздуха. Оба этих параметра изменяются в течение года. Например, в холодный период года с октября по апрель для отопления и теплоснабжения станции «Площадь Гарина-Михайловского» подается 50,461011 Дж тепла. На рисунке 2.29 показаны графики изменения температур грунта в некоторые периоды года (январь, апрель, июль, октябрь) на различных расстояниях от ограждающих конструкций станции метрополитена (1 м, 5 м, 10 м, 15 м, 20 м, 25 м и 30 м). Из этих графиков видно, что по мере удаления от стен станции, температура грунта понижается, постепенно приближаясь к естественной температуре грунта, т.е. = tгр - tест уменьшается. Максимальное расстояние от ограждающих конструкций станции, на котором разница между естественной температурой грунта в этой точке и температурой грунта, сформированной под действием теплового влияния станции не превышает 0,5 оС, будем считать характеристикой области влияния данного подземного сооружения на окружающий массив грунта для рассматриваемой глубины заложения. Как правило, это горизонтальная составляющая области влияния примерно на уровне середины геометрической высоты станции. Например, для глубины заложения h = 5 м Д= 0,5 на расстоянии 18 м (Рисунки 2.28, 2.30). Примем это расстояние как размер области влияния.
На рисунке 2.30 показано распределение теплового поля в массиве грунта вокруг станции метрополитена на глубине заложения h = 5 в июле месяце, полученное путем моделирования. Черной линией обведена область влияния станции на окружающий массив грунта. Слева от линии области влияния белым цветом обозначены естественные температуры массива грунта в указанных точках, а справа от линии области влияния черным цветом обозначены температуры массива грунта, полученные путем моделирования с учетом влияния техногенного теплового потока. Результаты расчетов подтверждаются результатами мониторинга температур грунта [21], а также частично результатами исследований авторов других работ [98, таблица 2].
Расстояние от обделки тоннеля вглубь массива грунта, м Рисунок 2.32. Зависимости температур грунта на глубине h + 2,85 м вокруг тоннеля метрополитена на различных глубинах заложения h На основе представленной методики проведены исследования теплового влияния подземных станций и тоннелей на массив окружающего их грунта [99 – 101]. В процессе исследования определена область влияния и ее размер для различных глубин заложения станции и тоннелей в диапазоне мелкого заложения. Размеры зоны влияния для станции представлены на рисунке 2.31, для тоннеля – на рисунке 2.32.
Согласно рисункам 2.31, 2.32 область теплового влияния подземного сооружения увеличивается с увеличением глубины заложения подземного сооружения в грунт. Для метрополитенов мелкого заложения (максимальная глубина заложения не превышает 20 м) максимальная область влияния для станции составляет 28 м, а для тоннеля 15 м. Размер этой области определяется количеством техногенного тепла, выделяющегося в подземных сооружениях метрополитена [21].