王麗慧1 張 嫄1 杜志萍2 張雨蒙1 高仁義1 鄭 懿 宋 潔

(1 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海200093； 2 上海東方延華節(jié)能技術(shù)服務(wù)股份有限公司 上海200060； 3 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 上海202150)

隨著地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，列車在區(qū)間隧道內(nèi)的散熱量不斷累積，遠(yuǎn)期運(yùn)行地鐵隧道內(nèi)空氣溫度過(guò)高的現(xiàn)象日益突出，這不僅增大了地鐵正常運(yùn)行環(huán)控系統(tǒng)的能耗，還會(huì)帶來(lái)車廂空調(diào)跳停的安全隱患。區(qū)間隧道多深埋在距離地表15～20 m的位置，上海地區(qū)的區(qū)間隧道土體初始溫度一般約為15 ℃[1]，列車在行駛過(guò)程中放熱量是區(qū)間溫升的主要熱源[2]，而區(qū)間周圍半無(wú)限大土體的蓄放熱能力隨運(yùn)行年限的演化是導(dǎo)致區(qū)間溫升逐年變化的根本原因[3-5]。因此，隧道圍巖半無(wú)限大土體蓄放熱能力的演化特性是有效控制區(qū)間溫度的根本。

既有研究采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)縮尺模型模擬，理論分析和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行圍巖土體溫度場(chǎng)及隧道空氣溫度分布等相關(guān)研究。喬恒君[6]估算列車運(yùn)行發(fā)熱量并建立物理模型，初步估算圍巖吸熱量占區(qū)間總熱量的26.4%。肖琳等[7]利用模型實(shí)驗(yàn)研究了地鐵圍巖內(nèi)土體熱導(dǎo)率值1.048 W/(m·K)。王海彥等[8-9]通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)有限范圍的圍巖體溫度場(chǎng)的理論分析，得出隧道土體內(nèi)各位置的溫度變化規(guī)律。馮煉[10]采用一維非穩(wěn)態(tài)對(duì)流擴(kuò)散模型，建立離散方程研究了隧道內(nèi)空氣溫度場(chǎng)的分布特征。劉晶[11]利用諧波法將隧道內(nèi)的各種擾量當(dāng)作周期性變化處理，定性分析了地鐵隧道內(nèi)空氣溫度的變化和地鐵圍巖壁面的溫度變化，計(jì)算了地鐵圍巖的傳熱量。Wang Lihui等[12]搭建縮尺模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)分析了空氣側(cè)溫度周期動(dòng)態(tài)變化下，地鐵隧道新建到遠(yuǎn)期17年的隧道圍巖土體熱庫(kù)變化，指出實(shí)際地鐵隧道模型中圍巖土體熱庫(kù)厚度穩(wěn)定在20 m，熱庫(kù)峰值穩(wěn)定在22.7 ℃，熱庫(kù)特征厚度穩(wěn)定在2 m?，F(xiàn)有研究主要關(guān)注圍巖傳熱量和圍巖溫度場(chǎng)分布，較少關(guān)注地鐵區(qū)間隧道圍巖土體溫度與蓄放熱量隨運(yùn)營(yíng)年限的演化規(guī)律。

本文采用CHAMPS-BES模擬軟件，利用正交試驗(yàn)方法，分析討論土壤導(dǎo)溫系數(shù)、空氣溫度振幅、空氣溫度相位對(duì)圍巖土體溫度演化特性的影響程度和顯著性。針對(duì)不同地區(qū)的地鐵隧道圍巖土體熱庫(kù)特性及蓄熱量變化進(jìn)行對(duì)比，為改善遠(yuǎn)期運(yùn)行的地鐵區(qū)間隧道熱環(huán)境提供參考，實(shí)現(xiàn)地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能減排可持續(xù)發(fā)展的目的。

1 數(shù)值模擬與驗(yàn)證

1.1 物理模型與邊界條件

利用CHAMPS-BES軟件建立模型，模型與實(shí)驗(yàn)臺(tái)比例為1∶1，如圖1所示。建立模型時(shí)進(jìn)行如下假設(shè)：1)假設(shè)隧道土體處于不受地面空氣溫度影響的恒溫層內(nèi)；2)不考慮地下水滲流作用；3)模擬前，整個(gè)土壤層初始溫度相同。該物理模型由圍巖土壤、空氣等組成。在物理模型結(jié)構(gòu)中，X軸方向取0.32 m，Y軸方向取1 m，Z軸方向取0.3 m，空氣溫度作用于X軸表面，流動(dòng)方向沿X軸正方向。地鐵圍巖傳熱計(jì)算模型采用多層平壁模型，溫度分布為深度和時(shí)間的函數(shù)，空氣與土壤的耦合傳熱簡(jiǎn)化為沿土壤深度方向的傳熱[13]。

圖1 土體深度方向土體蓄放熱縮尺模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理Fig.1 The principle of soil heat storage scale experimental platform for soil depth direction

空氣側(cè)邊界條件采用對(duì)隧道空氣溫度實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，如圖2所示。土壤導(dǎo)熱過(guò)程遵循傅里葉準(zhǔn)則，即時(shí)間相似比是幾何相似比的平方；本文選取幾何相似比為1∶20，則可得出時(shí)間相似比為1∶400，即實(shí)驗(yàn)臺(tái)上1 h對(duì)應(yīng)實(shí)際隧道運(yùn)行400 h，一年按360 d計(jì)算時(shí)，共計(jì)8 640 h，按1∶400計(jì)算，實(shí)際一年運(yùn)行時(shí)間在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上為21.6 h，平均作用于每個(gè)月上，則每個(gè)月的作用時(shí)間為1.8 h。現(xiàn)每隔1.8 h(相當(dāng)于實(shí)際1個(gè)月時(shí)間)設(shè)定一個(gè)溫度值，21.6 h為一作用周期(實(shí)際1年時(shí)間)，連續(xù)作用15個(gè)周期(實(shí)際15年)，模擬地鐵從新建到遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程。空氣的相對(duì)濕度設(shè)定為恒定值60%。風(fēng)速取定值1 m/s?？諝馀c圍巖壁面的換熱為第三類邊界條件，對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為8.38 W/(m2·℃)。

圖2 數(shù)值模擬空氣側(cè)逐月溫度邊界條件Fig.2 Numerical simulation of air side of monthly temperature boundary conditions

土壤側(cè)邊界條件主要包括土壤初始溫度、初始含水率、土壤導(dǎo)熱系數(shù)等。本研究選用上海地鐵某新建隧道和遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)空氣溫度的實(shí)測(cè)值作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的空氣溫度邊界條件，推算出隧道中期空氣溫度，取每個(gè)月平均溫度作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的空氣溫度，每5年為一個(gè)運(yùn)營(yíng)階段，分別代表新建期、運(yùn)營(yíng)中期、遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)；實(shí)驗(yàn)臺(tái)和相應(yīng)數(shù)值模擬中所用土體取自上海某地鐵區(qū)間隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該土壤為粘性土壤，初始溫度為14.3 ℃，初始土壤含水率為0.426，密度為1 782 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.02 W/(m·℃)，比熱為1 940 J/(kg·℃)，對(duì)應(yīng)實(shí)際深度為50 m。

1.2 縮尺模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證CHAMPS-BES軟件建立物理模型模擬的準(zhǔn)確性，建立了縮尺模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)[14]，在遵循傅里葉相似準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，通過(guò)幾何縮尺和時(shí)間縮尺模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)以空氣和土體對(duì)流換熱為邊界條件，土體深度方向溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化為研究對(duì)象，以研究實(shí)際地鐵隧道圍巖土壤溫度場(chǎng)逐年演化規(guī)律及熱量傳遞過(guò)程，并驗(yàn)證模擬物理模型的正確性。實(shí)驗(yàn)裝置主要由3部分組成：空氣加熱及送風(fēng)裝置(A)、土體及溫濕度和熱流密度采集裝置(B)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)支撐框架(C)，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

空氣加熱及送風(fēng)裝置(A)主要由變頻風(fēng)機(jī)、空氣加熱器、控制柜、風(fēng)管、送風(fēng)參數(shù)測(cè)試孔構(gòu)成，空氣加熱器和變頻風(fēng)機(jī)通過(guò)導(dǎo)線與控制柜相連，送風(fēng)溫度、濕度、風(fēng)速等送風(fēng)參數(shù)由送風(fēng)參數(shù)測(cè)試孔伸入相應(yīng)參數(shù)測(cè)試儀器獲得，可伸入的參數(shù)測(cè)試儀器包括熱線風(fēng)速儀、空氣溫濕度記錄儀。土體及溫濕度采集裝置(B)主要由土壤表面熱流密度探頭、土壤濕度探頭、土壤溫度探頭、土體、數(shù)據(jù)采集板構(gòu)成，熱流密度板布置在空氣與土壤接觸的表面。實(shí)驗(yàn)臺(tái)支撐框架(C)主要由風(fēng)管支撐架、加熱器支撐架、可移動(dòng)整體支撐架構(gòu)成，所有的裝置放置在可移動(dòng)整體支撐架上面，且可拆卸移動(dòng)。送風(fēng)管、土體裝置表面包裹3 cm厚的保溫材料(如聚苯乙烯泡沫塑料)；風(fēng)管和土體用螺母對(duì)接，在土體底端4個(gè)角分別焊接可擰動(dòng)螺母，通過(guò)扳手?jǐn)Q動(dòng)4個(gè)螺母使土體升高或降低，方便安裝和拆卸。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中土壤熱濕傳遞實(shí)驗(yàn)臺(tái)置于恒溫恒濕室，空氣從恒溫恒濕室送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入，依次經(jīng)過(guò)變頻風(fēng)機(jī)、空氣加熱器、風(fēng)管，風(fēng)管出口與恒溫恒濕室排風(fēng)口相連；利用變頻風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)速，通過(guò)空氣加熱器調(diào)節(jié)空氣溫度，恒溫恒濕室空調(diào)箱調(diào)節(jié)溫度的降低，同時(shí)也可以調(diào)節(jié)空氣濕度，空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)管時(shí)掠過(guò)土壤表面，反應(yīng)實(shí)際隧道模型土壤熱濕傳遞過(guò)程。

圖3 各典型周期末實(shí)驗(yàn)與模擬土壤溫度分布結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of experimental and simulated soil temperature distributions at the end of typical cycle

圖3所示為第1周期末、第5周期末、第10周期末、第15周期末的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CHAMPS-BES軟件模擬結(jié)果的對(duì)比。

第5、10、15周期土壤熱庫(kù)曲線分別代表空氣溫度在工況一(新建期)、工況二(中期)、工況三(遠(yuǎn)期)連續(xù)作用5個(gè)周期時(shí)每個(gè)工況下第5個(gè)周期內(nèi)土壤內(nèi)部溫度分布。由圖3可知，每種工況下，土壤年凈蓄熱量以指數(shù)形式變化，但整體上，隨著空氣溫度的升高，土壤凈蓄熱量逐漸升高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果之間總體平均誤差在3%之內(nèi)，且軟件模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差隨土壤深度的增加而減小，由上述模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度場(chǎng)分布規(guī)律的一致性，驗(yàn)證了軟件模擬中土壤傳熱特性的可靠性，并用該軟件物理模型進(jìn)行后續(xù)變工況模擬分析。

2 正交試驗(yàn)法分析區(qū)間圍巖土體蓄放熱量影響因素

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 制定因子水平表

影響地鐵隧道圍巖傳熱的因素眾多，歸納起來(lái)可以分為空氣側(cè)參數(shù)和土壤側(cè)參數(shù)兩類影響因素，其中空氣側(cè)參數(shù)包括對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、空氣溫度振幅、空氣溫度分布相位等，土壤側(cè)參數(shù)主要包括土壤比熱容、導(dǎo)溫系數(shù)、密度、容積含水率等。隧道圍巖土體溫度分布公式：

(1)

式中：θ(x,τ)為距隧道表面x米處在τ時(shí)刻的過(guò)余溫度，實(shí)際溫度與波動(dòng)周期內(nèi)的平均溫度tm的差值，即θ=t-tm，℃；Af為隧道空氣溫度的振幅，℃；Α為圍巖土體的導(dǎo)溫系數(shù)，α=λ/ρc，m2/s；T為隧道空氣溫度波動(dòng)周期，s；τ為計(jì)算時(shí)間，s；φ為圍巖表面溫度波振幅與空氣溫度波振幅的比值，即φ=Aw/Af；φ為圍巖表面溫度波落后于空氣溫度波的相位。

由式(1)分析影響圍巖土壤溫度分布的主要因素有土壤導(dǎo)溫系數(shù)α、空氣溫度振幅Af、空氣溫度分布相位φ，因此，本次正交試驗(yàn)的因子選為土壤導(dǎo)溫系數(shù)、空氣溫度振幅變化和空氣溫度相位。根據(jù)工程實(shí)際情況和氣候變化特征確定本次正交試驗(yàn)各因子的水平值如表1所示。

2.1.2 選取考察指標(biāo)

根據(jù)區(qū)間土體溫度及蓄放熱隨年限變化的特性選取5個(gè)正交試驗(yàn)考察指標(biāo)，分別為土體溫度分布曲線的熱庫(kù)峰值位置即土體溫度隨時(shí)間波動(dòng)的最大值的位置、峰值大小即土體溫度隨時(shí)間波動(dòng)的最大值的大小、熱庫(kù)厚度即土體溫度場(chǎng)發(fā)生變化的深度范圍和年凈蓄熱量即土體熱庫(kù)年凈蓄熱能力。

表1 正交試驗(yàn)因子水平表Tab.1 Orthogonal experimental factor level table

2.1.3 正交試驗(yàn)安排

本研究采用三因子三水平的正交表(L9(33))，通過(guò)9組工況設(shè)置下的模擬結(jié)果分析在土壤導(dǎo)溫系數(shù)、空氣溫度振幅、空氣溫度相位3因素對(duì)圍巖土壤溫度及蓄放熱逐年演化特性影響的顯著程度，每組土體熱庫(kù)蓄放熱實(shí)驗(yàn)的模擬周期為從新建到投入運(yùn)營(yíng)的20年。

2.2 各考察指標(biāo)隨運(yùn)營(yíng)年限的模擬結(jié)果

在模擬的20年內(nèi)，土體熱庫(kù)峰值位置、峰值大小、熱庫(kù)厚度和年末凈蓄熱量變化趨勢(shì)如圖4所示，隨著傳熱年限的增大，熱庫(kù)峰值位置不斷向土壤深處移動(dòng)，前10年峰值位置移動(dòng)較快，之后峰值位置移動(dòng)較緩慢；峰值大小前10年增幅較大，后十年增幅較??；熱庫(kù)厚度隨著運(yùn)營(yíng)年限的增大呈直線型增大，同時(shí)土體的年凈蓄熱量逐漸減小。

從第1年到第20年的傳熱過(guò)程中，熱庫(kù)峰值位置移動(dòng)了約1 m，如圖4(a)所示；熱庫(kù)峰值升高幅度約4 ℃，空氣溫度振幅越大，熱庫(kù)峰值越大，如圖4(b)所示；熱庫(kù)厚度變化較顯著，在7～9號(hào)實(shí)驗(yàn)中，由于土壤導(dǎo)溫系數(shù)較大，為7.6×10-7m2/℃，熱庫(kù)厚度已達(dá)到模型厚度50 m，其他實(shí)驗(yàn)工況下，熱庫(kù)厚度達(dá)到約35 m，如圖4(c)所示；隨著傳熱年限的增加，土壤凈蓄熱量以指數(shù)形式減少，如圖4(d)所示。

圖4 圍巖土壤溫度分布特性曲線Fig.4 Characteristic curve of temperature distribution of surrounding rock soil

2.3 正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果及分析

對(duì)于上述正交試驗(yàn)中9種工況下數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，以溫度曲線峰值位置為例，首先針對(duì)土體溫度分布曲線峰值位置的考察指標(biāo)，由極差分析法得到3個(gè)影響因素對(duì)其影響顯著性程度的排列順序，具體分析過(guò)程和結(jié)果如表2所示。

同理，由極差分析法得到的3因素對(duì)土體圍巖熱庫(kù)隨年限演化特性的各主要考察指標(biāo)的影響程度排序如表3所示。

方差分析法可進(jìn)一步定性確定各因子對(duì)各考察指標(biāo)影響的顯著程度，如表4所示。方差分析法就是將數(shù)據(jù)的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異兩部分，構(gòu)造F統(tǒng)計(jì)量，作F檢驗(yàn)，判斷各因素作用的顯著性。當(dāng)F>99.01時(shí)，各因子對(duì)考察指標(biāo)影響非常顯著；當(dāng)19

表2 溫度曲線峰值位置分析結(jié)果Tab.2 Analysis of peak position of temperature curve

表3 影響隧道圍巖土體熱庫(kù)變化的因素主次順序表Tab.3 Main sequence of factors affecting the thermal reservoir change of tunnel surrounding rock mass

由方差分析法可得導(dǎo)溫系數(shù)對(duì)于圍巖土體熱庫(kù)峰值位置和圍巖土體厚度的影響程度非常顯著；空氣溫度振幅對(duì)于圍巖土體峰值大小和圍巖土體年凈蓄熱量影響程度極其顯著。

表4 各因子顯著水平表Tab.4 Significant level table of each factor

3 典型氣候區(qū)代表城市地鐵區(qū)間土體蓄放熱量演化特性對(duì)比

選取上海、北京、深圳、西安、哈爾濱5個(gè)代表城市分別表征我國(guó)5個(gè)典型氣候區(qū)，即夏熱冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)，對(duì)比分析各城市區(qū)間土體溫度和蓄放熱演化特性，為各城市地鐵區(qū)間遠(yuǎn)期運(yùn)行溫升提供參考。各地區(qū)土壤相關(guān)熱物參數(shù)如表5所示，5個(gè)代表城市典型氣象年的室外月平均空氣溫度如圖5所示，根據(jù)隧道空氣土體熱平衡的基本原理和等效算法[15]近似得到各城市遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)地鐵隧道內(nèi)空氣溫度年逐月變化預(yù)測(cè)值，如圖6所示。將此空氣溫度作為作用于土體的邊界條件模擬連續(xù)運(yùn)行20年后各城市地鐵區(qū)間隧道土體溫度與年凈蓄熱量的演化結(jié)果。

表5 不同地區(qū)土壤熱物參數(shù)Tab.5 Soil thermal parameters in different regions

圖5 不同地區(qū)室外月平均溫度Fig.5 Outdoor monthly mean temperature in different areas

圖6 不同地區(qū)區(qū)間隧道月平均溫度Fig.6 Monthly mean temperature of tunnel in different regions

圖7 土體內(nèi)部溫度分布隨時(shí)間的關(guān)系Fig.7 The relationship between temperature distribution in soil and time

3.1 典型地區(qū)圍巖土體熱庫(kù)動(dòng)態(tài)形成過(guò)程

在同一地區(qū)，隨著傳熱時(shí)間的增加，熱庫(kù)峰值逐漸增大且峰值位置向土壤深度移動(dòng)同時(shí)熱庫(kù)厚度加深；根據(jù)不同地區(qū)土壤熱物參數(shù)如表5所示，得到土體初始溫度，在同一深度和傳熱時(shí)間內(nèi)，不同城市的土體初始溫度越低，土體溫度變化范圍越大。如圖7所示，哈爾濱地區(qū)，土體初始溫度為6.6 ℃，一年內(nèi)土體溫度變化范圍為10～15 ℃；而深圳地區(qū)，土體初始溫度為23.2 ℃，一年內(nèi)土體溫度變化范圍僅為3～5 ℃。對(duì)比第1年和第20年的土體內(nèi)部溫度分布，發(fā)現(xiàn)各地區(qū)第20年的土體溫度比第1年整體增加了3～5 ℃，且溫度越低的地區(qū)，土體溫度變化范圍越大。

圖8 典型地區(qū)土體熱庫(kù)特性隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of soil thermal storage characteristics with time in five typical regions

3.2 典型氣候區(qū)代表城市土體熱庫(kù)溫度隨年限變化的對(duì)比

5個(gè)典型地區(qū)的土體熱庫(kù)峰值隨年限的增加而逐漸增大，且地理位置越北，熱庫(kù)峰值越小但變化越明顯。如圖8(a)所示，深圳地區(qū)前5年內(nèi)溫度升高了約1.3 ℃，之后15年內(nèi)溫度升高了0.6 ℃，穩(wěn)定在28 ℃內(nèi)；而哈爾濱地區(qū)前5年內(nèi)溫度升高了約3 ℃，之后15年內(nèi)升高了1.6 ℃，穩(wěn)定在20 ℃內(nèi)。

5個(gè)典型地區(qū)的熱庫(kù)峰值位置隨年限增加逐漸向土體深度方向移動(dòng)，不同地區(qū)土體導(dǎo)熱系數(shù)越大，對(duì)應(yīng)土體熱庫(kù)峰值的位置移動(dòng)也較大，反之則不然。如北京地區(qū)土壤導(dǎo)熱系數(shù)較大為1.7 W/(m·℃)，對(duì)應(yīng)熱庫(kù)峰值位置移動(dòng)相對(duì)較大，達(dá)到約3.2 m；而上海地區(qū)土壤導(dǎo)熱系數(shù)較小為1.02 W/(m·℃)，對(duì)應(yīng)的熱庫(kù)峰值位置移動(dòng)相對(duì)較小，約在2.4 m處，如圖8(b)所示。

5個(gè)典型地區(qū)的熱庫(kù)厚度也隨年限的增加逐漸向土體深度方向延伸且每年的延伸距離基本相同，不同地區(qū)土體導(dǎo)熱系數(shù)與土體比熱越大，對(duì)應(yīng)土體熱庫(kù)厚度越深，如北京地區(qū)土壤導(dǎo)熱系數(shù)和比熱較大分別為1.7 W/(m·℃)和1 350 J/(kg·℃)，土體熱庫(kù)厚度為46 m較其他地區(qū)都大；而上海地區(qū)土壤導(dǎo)熱系數(shù)和比熱較小分別為1.02 W/(m·℃)和1 940 J/(kg·℃)，熱庫(kù)厚度為30 m較其他地區(qū)都小，如圖8(c)所示。

綜上所述：土體熱庫(kù)峰值隨年限的增加而逐漸增大；土體熱庫(kù)峰值的位置受土體導(dǎo)熱系數(shù)影響最大，當(dāng)土體導(dǎo)熱系數(shù)越大時(shí)，土體熱庫(kù)峰值位置移動(dòng)也較大；土體熱庫(kù)厚度受土體導(dǎo)熱系數(shù)及土體的比熱影響最大，當(dāng)土體導(dǎo)熱系數(shù)和比熱越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的土體熱庫(kù)厚度也越大。

3.3 典型地區(qū)土體年凈蓄熱量變化

典型地區(qū)土體年凈蓄熱量變化如圖9所示，因?yàn)橛杀毕蚰?，隧道空氣溫度與土體溫度差值逐漸減小，對(duì)應(yīng)的土體年凈蓄熱量由北向南也逐漸減少，在同一年內(nèi)，各地區(qū)年凈蓄熱量由大到小依次為：哈爾濱>北京>西安>上海>深圳。各地區(qū)在前5年內(nèi)土體年凈蓄熱量變化較大，之后逐漸減少最終趨于穩(wěn)定；且隨著時(shí)間增加，各地區(qū)之間的年凈蓄熱量差值也逐漸減少。在地鐵運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期，哈爾濱地區(qū)土體年凈蓄熱量約為1.023×105MJ，相當(dāng)于列車散熱量的1.8%；北京地區(qū)約為8.09×104MJ，相當(dāng)于列車散熱量的1.4%；西安地區(qū)約為6.64×104MJ，相當(dāng)于列車散熱量的1.2%；上海地區(qū)約為5.67×104MJ，相當(dāng)于列車散熱量的1.0%；深圳地區(qū)約為4.26×104MJ，相當(dāng)于列車散熱量的0.7%。列車散熱量基本保持不變，而土體年凈蓄熱量逐漸減少，因此導(dǎo)致隧道空氣溫度逐年升高。

圖9 不同地區(qū)土體年凈蓄熱量隨時(shí)間的變化Fig.9 Annual net storage capacity of soil in different regions with time

4 結(jié)論

本文首先采用正交試驗(yàn)法分析各因素對(duì)土體溫度熱庫(kù)特性及年凈蓄熱量的影響程度，然后結(jié)合隧道空氣熱平衡方程和當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?，模擬分析了5個(gè)具有代表性的城市地鐵區(qū)間隧道圍巖土體熱庫(kù)特性及年凈蓄熱量的演化特性，主要結(jié)論如下：

1)基于CHAMPS-BES軟件的模擬工況下，區(qū)間隧道的溫升直接影響圍巖土體熱庫(kù)的蓄放熱特性。針對(duì)區(qū)間隧道空氣溫度振幅、空氣溫度相位和土壤導(dǎo)熱系數(shù)3個(gè)影響因素條件下，由正交試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空氣溫度振幅對(duì)圍巖土體熱庫(kù)的峰值大小影響極其顯著，隨著空氣溫度振幅的增大，熱庫(kù)峰值逐漸增大，對(duì)年凈蓄熱量的影響非常顯著，對(duì)峰值位置的影響顯著，對(duì)厚度的影響不顯著；空氣溫度相位對(duì)圍巖土體溫度分布曲線的峰值位置、峰值大小、厚度及凈蓄熱量的影響均不顯著；土壤導(dǎo)溫系數(shù)對(duì)圍巖土體熱庫(kù)峰值位置的影響為非常顯著，當(dāng)土壤導(dǎo)溫系數(shù)為7.6×10-7m2/℃時(shí)傳熱較快，連續(xù)運(yùn)營(yíng)20年熱庫(kù)厚度已超出了50 m的范圍，對(duì)厚度和年凈蓄熱量的影響均為顯著，對(duì)峰值大小的影響不顯著。

2)對(duì)比分析5個(gè)典型城市的區(qū)間隧道圍巖土體熱庫(kù)特性及年凈蓄熱量的演化特性，得知地理位置越北，室外空氣溫度越低，對(duì)應(yīng)的隧道空氣溫度也越低，且變化振幅越大，土體初始溫度也越低，但對(duì)應(yīng)的土體熱庫(kù)特性變化越顯著，土體的年凈蓄熱量也越大。