Определение размеров массива грунта подверженного тепловому влиянию подземных станций метрополитена

УДК 622.4:625.42

И.В. Лугин, А.М. Красюк, А.Ю. Пьянкова

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ МАССИВА ГРУНТА ПОДВЕРЖЕННОГО ТЕПЛОВОМУ ВЛИЯНИЮ ПОДЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА

Рассмотрены термодинамические процессы, происходящие в массиве грунта, окружающего станцию метрополитена мелкого заложения. Проведено численное моделирование процесса теплопередачи в массиве грунта при наличии теплового потока от дневной поверхности и от внутреннего воздуха станции. При этом учтен колебательный характер изменения теплового потока в течение годового цикла. Представленные результаты относятся ко времени эксплуатации, когда колебательный процесс изменения температур в массиве грунта приобретает устойчивый характер, повторяющийся в течение последующих годовых циклов. В расчете учтены изменения теплофизических свойств грунта при замораживании-оттаивании с учетом его влажности. Определены размеры области теплового влияния станции в зависимости от глубины ее заложения. Предложена методика определения области влияния подземных сооружений станции метрополитена на температуру окружающих их массивов грунта. Область теплового влияния подземного сооружения растет 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. Ключевые слова: метрополитен мелкого заложения, область теплового влияния, температура, станция, грунтовый массив, температурное поле, численное моделирование.

Объектом исследования данной работы является массив грунта вокруг станций метрополитена мелкого заложения. Предметом исследования является область теплового влияния, т.е. величина прогретой толщи грунта, образующейся под действием теплового потока, направленного из внутренних помещений станции в окружающий грунтовый массив.

Формирование температурного режима подземных станций метрополитена отличается от подобных процессов в наземных

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 6. С. 212-221. © 2016. И.В. Лугин, А.М. Красюк, А.Ю. Пьянкова.

зданиях. Одно из главных отличий заключается в том, что теплообмен с атмосферным воздухом происходит через массив грунта [1, 2].

Температурное поле грунта меняется за время эксплуатации метрополитена вследствие образования прогретой области грунтового массива вокруг подземного сооружения. Это обусловлено поступлением теплового потока из внутренних помещений метрополитена в окружающий массив. В результате этого происходит повышение температуры грунта относительно естественной, которая была на начальном этапе эксплуатации подземного сооружения. Таким образом, формируется новое техногенное температурное поле грунта вокруг станций метрополитена на рассматриваемый момент эксплуатации [3, 4]. В нормативном документе СП 120.13330.2012 «Метрополитены» говорится, что при проектировании системы тоннельной вентиляции следует учитывать годовой тепловой баланс, обеспечивающий допустимые параметры температуры и относительной влажности воздуха при минимальном росте температуры окружающих грунтов. Поэтому исследование области массива грунта, подверженного воздействию техногенного тепла подземных сооружений метрополитена, является актуальной задачей.

Для исследования процесса образования прогретой области грунта под влиянием теплового потока из внутренних служеб-

Рис. 1. Расчетная схема к моделированию процессов формирования температурного поля вокруг станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена, и схема расположения точек исследования температуры окружающего массива грунта: h — глубина заложения станции, м; Н — расстояние от дневной поверхности до точек А, В, С, D и Е в массиве грунта, м

ных помещений станции метрополитена были разработаны математические модели теплообмена станции в грунтовом массиве, учитывающие неоднородность грунта и его теплофизические свойства, влияние температур атмосферного и внутреннего воздуха, теплофизические свойства ограждающих конструкций, глубину заложения станции и тоннелей h. Под глубиной заложения h будем понимать расстояние от дневной поверхности до верха перекрытий над кассовым залом (для станции) (рис. 1). На рис. 1 приведены расчетные схемы станции и тоннелей в поперечном разрезе.

Основными исходными данными для решения задачи расчета температурного поля массива грунта, окружающего подземные станции метрополитена на различных глубинах заложения, при изменении температур атмосферного воздуха являются следующие факторы:

1) теплофизические свойства (плотность р (кг/м3), теплоемкость с (кДж/кг-°С), теплопроводность X (Вт/м-°С)) слоев массива грунта с учетом влажности га (%) и промерзания-оттаивания в различные периоды года [5].

Состав и свойства слоев массива окружающего грунта (от дневной поверхности земли вглубь массива грунта) приведены в таблице.

2) теплофизические свойства слоев ограждающих конструкций:

железобетон —

р = 2500 кг/м3; с = 0,84 кДж/кг-°С; X = 2,04 Вт/м-°С;

штукатурка —

р = 2100 кг/м3; с = 0,85 кДж/кг-°С; X = 0,78 Вт/м-°С.

Теплофизические свойства грунтов

Грунты P, кг/м3 кДж/кг°С СТ, кДж/кг°С V Вт/м°С х1, Вт/м°С

1 2 3 4 5 6

Насыпной грунт (асфальт, щебень, обломки кирпича со шлаком, 1870 1,6 1,8 1,66 1,5

строительный мусор и др.)

Супесь лессовая бурая, просадочная (га = 15%) 1875 0,98 1,23 1,52 1,38

Суглинок лессовый полутвердый с прослоями песка (га = 16%) 1680 - 2,35 - 1,51

3) зависимость изменения температуры грунта на дневной поверхности земли вследствие циклического изменения температуры атмосферного воздуха описывается как [4]:

'пов.гр = 15  СС8

где tпов — температура поверхности грунта, °С; г — время, сутки; k1 — коэффициент, k1 = 0,017 1/сут.

Функция (1) получена на основе справочных данных среднемесячных температур [6] наружного воздуха за год с учетом влияния растительного покрова, толщины и продолжительности стояния снежного покрова земли; поправки на среднюю геодезическую отметку данного места; амплитуды годового колебания температуры на дневной поверхности; теплофизи-ческих характеристик грунтов [7]. Первое июля первого года эксплуатации подземного сооружения принимается за начало отсчета: г0 = 0 суток;

4) начальная температура массива грунта при естественном распределении в теплый период года [8];

5) теплофизические свойства внутреннего воздуха подземного сооружения:

р = 1,2 кг/м3; с = 1,005 кДж/кг-°С; X = 0,026 Вт/м-°С.

6) температуры внутреннего воздуха станции °С «Октябрьская» по месяцам года, полученные на основе мониторинга станции [8, 9].

Граничные условия:

• на границах массива грунта в расчетных моделях станции 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 зависимости (1);

• граничные условия на внутренней границе ограждающих конструкций станций и тоннелей определяются условием третьего рода. Изменение температур внутреннего воздуха согласно [8, 9], коэффициент теплоотдачи внутренних поверхностей станции — а = 8,7 Вт/м-°С.

Исследование температурного поля грунта было проведено при различных глубинах заложения станции метрополитена в грунт (от 1 м до 20 м включительно с шагом в 1 м). Для исследования области теплового влияния станций и тоннелей метрополитена на окружающий массив грунта были рассмотрены

Рис. 2. Естественное распределение температур в массиве грунта: 1 — в теплый период года; 2 — в холодный период года; 3 — в переходный период года

несколько точек в массиве грунта (точки А, В, С, D и Е) (рис. 1) 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 академии им. В.И. Куйбышева [7]. 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 °С (рис. 2).

В настоящей статье приведены результаты исследований 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 (рис. 3).

По рис. 3 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»

Рис. 3. Температуры массива грунта в точках А, В, С, D и Е станции метрополитена на глубине заложения h = 5 м

подается 50,46-10п Дж тепла. На рис. 4 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. А = t — ^ст уменьшается. Максимальное расстояние от ограждающих конструкций станции, на котором разница между естественной температурой грунта в этой точке и температурой грунта, сфор-

£ ю

25

р

5" 20

Л 15

е<

аз 10

Й-

с

§

ЕН 0

£ л

3 8

Г».,

•ч. и ¡1.

а 1 И г

Ь < 1 Д-1ф - кс1' 0,5йС

- Январь

___Апрель

— - Июль

—Октябрь

Естественная температура грунта

1 5 10 15 18 го 25 30

Расстояние от стен станции вглубь массива грунта, м Рис. 4. Зависимости температур грунта в точках А, В, С, D и Е и естественная температура грунта

мированной под действием теплового влияния станции не превышает 0,5 °С, 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 высоты здания станции. Например, для глубины заложения h = 5 м А < 0,5 на расстоянии 18 м (рис. 3, 5). Примем это расстояние как размер области влияния.

На рис. 6 показано распределение теплового поля в массиве грунта вокруг станции метрополитена на глубине заложения h = 5 м в июле месяце, полученное путем моделирования. Чер-

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 Расстояние от стен станции вглубь массива грунта, м

Рис. 6. Зависимости температур грунта на глубине И+6,3 м вокруг станции метрополитена на различных глубинах заложения И

ной 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 [8], а также частично результатами исследований авторов других работ [9, табл. 2].

На основе представленной методики проведены исследования теплового влияния подземных станций на массив окружающего их грунта. В процессе исследования определена область влияния и ее размер для различных глубин заложения в диапазоне мелкого заложения. Размеры зоны влияния для станции представлены на рис. 6.

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. Размер этой области определяется количеством техногенного тепла, выделяющегося в подземных сооружениях метрополитена [8].

Выводы

1. Предложена методика определения области влияния подземных сооружений станции метрополитена на температуру окружающих их массивов грунта.

2. Область теплового влияния подземного сооружения растет 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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Dai G., Vardy A. Heat transfer in train/tunnel annulusi: 9th International Symposium on Aerodynamics and ventilation of vehicle tunnels «Developments for the 21st Century». — Aosta Valley, Italy: Earth Tech, 1997. — 359-378 p.

2. Vermeer Peter A., Nico Ruse, Marcher T. Tunnel Heeting Stability in Drained Ground // Tunneling. — Great Britain: British Tunnelling Society, 2002. — № 6. — 8—18 p.

3. Красюк А. М., Лугин И. В., Пьянкова А. Ю. Исследование температурных полей грунтового массива, окружающего станцию метрополи-

тена мелкого заложения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. —2010. — № 4.

4. Красюк А. М., Лугин И. В. Исследование процессов теплопередачи в тоннеле метрополитена мелкого заложения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2008. — № 6.

5. Куликов Ю. Г., Дубнов Ю. Д. Методические указания по испытанию вечномерзлых глинистых грунтов в полевых условиях: методические указания. — М.: Главтранспроект, 1969.

6. СНиП 23-01-99* Строительная климатология. Взамен СНиП 2.01.01-82. - М.: Госстрой России, 1999.

7. Цодиков В. Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. — М.: Недра, 1975.

8. Лугин И. В., Пьянкова А. Ю. Изменение теплопотерь в грунт из помещений станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена за 24 года эксплуатации / Сборник докладов Третьей Международной Научно-технической конференции «Теоретические основы теплога-зоснабжения и вентиляции». — М.: МГСУ, 2009.

9. Осадчий Г. Б. Условия эффективного использования тепловых насосов в России. Часть 2. Факторы, влияющие на эффективность трансформации теплоты тепловым насосом // Холодильщик^и. — 2012. — вып. 6. итш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Лугин Иван Владимирович1 — кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, e-mail ivlugi@misd.nsc.ru,

Красюк Александр Михайлович1 — доктор технических наук,

профессор, главный научный сотрудник,

e-mail krasuk@cn.ru,

Пьянкова Анна Юрьевна1 — аспирант,

e-mail nusha-nv@yandex.ru,

1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала

Сибирского отделения РАН.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 6, pp. 212-221. I.V. Lugin, A.M. Krasyuk, A.Yu. Pjankova DETERMINING THE SIZE OF SOIL MASSIF EXPOSURE TO THERMAL INFLUENCE OF UNDERGROUND SUBWAY STATIONS

The article discusses the thermodynamic processes occurring in the soil massif surrounding the shallow metro station. Numerical simulation of heat transfer in the soil massif in the presence of heat flow from the surface and from the internal air station. In the simulation takes into account the vibrational behavior of the heat flux during the annual cycle. Results presented in this paper refer to the time of operation, when the oscillation process tempera-

UDC 622.4:625.42

ture changes in the soil massif becomes steady, recurring for the next annual cycle. The calculation takes into account changes in the thermo-physical properties of the soil to freeze-thaw stability because of its humidity. The sizes of the area of influence of the thermal station, depending on the depth of its inception. For the parameter characterizing the size of the region adopted the horizontal component of the heated zone of the soil massif, which differs from the natural ground temperature in the same period of time not more than 0.5 °C. A method for determining the area of influence of underground structures subway station on the temperature of the surrounding soil massif. Area of thermal influence of the underground facilities increases with the depth of the underground structure in the ground. For subways shallow (maximum depth of the less than 20 m) maximum area of influence for the station is 28 m.

Key words: shallow underground, the area of influence of heat, the temperature station, soil massif, temperature field, numerical simulation.

AUTHORS

Lugin I.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor,

Senior Researcher, e-mail: ivlugin@misd.nsc.ru,

Krasyuk A.M.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,

Chief Researcher, e-mail: am.krasuk@gmail.com,

Pjankova A.Yu.1, Graduate Student, e-mail: nusha-nv@yandex.ru,

1 Chinakal Institute of Mining of Siberian Branch

of Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Russia.

REFERENCES

1. Dai G., Vardy A. Heat transfer in train/tunnel annulusi: 9th International Symposium on Aerodynamics and ventilation of vehicle tunnels «Developments for the 21st Century». Aosta Valley, Italy: Earth Tech, 1997, pp. 359-378.

2. Vermeer Peter A., Nico Ruse, Marcher T. Tunnel Heeting Stability in Drained Ground. Tunneling. Great Britain: British Tunnelling Society, 2002, no 6, pp. 8-18.

3. Krasyuk A. M., Lugin I. V., P'yankova A. Yu. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabot-kipoleznykh iskopaemykh. 2010, no 4.

4. Krasyuk A. M., Lugin I. V. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh. 2008, no 6.

5. Kulikov Yu. G., Dubnov Yu. D. Metodicheskie ukazaniya po ispytaniyu vechnomerzlykh glinistykh gruntov v polevykh usloviyakh: metodicheskie ukazaniya (Guidelines for Testing permafrost clay soils in the field: Instructional guidelines), Moscow, Glavtransproekt, 1969.

6. SNiP 23-01-99* Stroitel'naya klimatologiya (SNIP 23-01-99* Building Climatology), Moscow, Gosstroy Rossii, 1999.

7. Tsodikov V. Ya. Ventilyatsiya i teplosnabzhenie metropolitenov (Ventilation and heating subways), Moscow, Nedra, 1975.

8. Lugin I. V., P'yankova A. Yu. Sbornik dokladov Tret'ey Mezhdunarodnoy Nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Teoreticheskie osnovy teplogazosnabzheniya i ventilyatsii» (Collection of pre-treasure of the Third International Scientific and Technical Conference «Theoretical Foundations of heat and ventilation.»), Moscow, MGSU, 2009.

9. Osadchiy G. B. Kholodil'shchik.RU. 2012, issue 6.