Прогнозирование процесса изменения температуры грунта, окружающего станцию метрополитена Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

- © А.Ю. Пьянкова, 2014

УДК 624.191.5-h624.191.24

А.Ю. Пьянкова

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГРУНТА, ОКРУЖАЮЩЕГО СТАНЦИЮ МЕТРОПОЛИТЕНА

Исследовано температурное поле грунта вокруг станции метрополитена мелкого заложения при эксплуатации в условиях резкоконтинентального климата. Установлены зависимости для определения температуры на границе «верхнее перекрытие - грунт» станций метрополитена мелкого заложения от глубины их заложения.

Ключевые слова: метрополитен мелкого заложения, станция, массив грунта, температура, теплообмен.

Введение

Л ля прогнозирования теплового баланса подземных сооружений метрополитенов и рационального использования систем подогрева внутреннего воздуха помещений в холодный период года, необходима эффективная методика расчета тепловых потерь станции в грунт. Эти потери существенно зависят от глубины заложения станций. В России постоянно увеличивается доля метрополитенов мелкого заложения в общем объеме их строительства. К ним относятся: Новосибирский, Нижегородский, Самарский, Казанский и другие метрополитены. Многие вводящиеся в эксплуатацию перегоны и станции Московского метрополитена также имеют мелкое заложение. Поэтому задача исследования закономерностей изменения температуры грунта, окружающих станции особенно актуальна для метрополитенов мелкого заложения.

Первоочередной задачей прогнозирования процесса теплообмена сооружений метрополитена с окружающим массивом грунта является соблюдение теплового баланса. Количество тепла, уходящего в грунт из подземного сооружения, в значительной степени определяется тем-

пературными полями в окружающем массиве. Тепловой баланс метрополитена мелкого заложения существенно отличается от теплового баланса метрополитена в условиях глубокого заложения, особенно для холодного периода года. Это обусловлено более значительным влиянием атмосферного воздуха, который не только понижает температуру массива грунта, но и, поступая через вентиляционные тракты, охлаждает внутренний воздух подземных сооружений. Для решения задачи прогнозирования теплового баланса необходимо знать изменения температуры воздуха, ограждающих конструкций и окружающего массива грунта на протяжении достаточно длительного периода времени.

Исходные данные

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 (р -плотность, с - теплоемкость, X - теплопроводность, ш - относительная влажность) слоев массива грунта с

Теплофизические свойства грунтов р, кг/м3 кДж/(кг°С) нДж/^гХ) V, Вт/(м°С) А— , Вт/(м °С)

Насыпной грунт (<в = 10%) 1870 1,6 1,8 1,66 1,5

Супесь лессовая (<в = 15%) 1875 0,98 1,23 1,52 1,38

Суглинок лессовый (<в = 60%) 1680 2,35 1,51

" Нижние индексы «м» и «т» означают соответственно свойства мерзлого и талого грунта.

Таблица 2

Теплофизические свойства слоев ограждающих конструкций станции р, кг/м3 с, кДж/(кг°С) А, Вт/(м°С)

Железобетон 2500 0,84 2,04

Штукатурка 2100 0,85 0,78

Таблица 3

Теплофизические свойства р, кг/м3 с, кДж/(кг°С) А, Вт/(м °С)

Внутренний воздух станции 1,2 1,005 0,026

учетом промерзания и оттаивания в различные периоды года [1].

Исследования проводились на примере станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена, расположенного в условиях резко континентального климата Западной Сибири. Состав и свойства слоев массива окружающего грунта (от дневной поверхности земли вглубь массива грунта) см. табл. 1.

2) теплофизические свойства слоев ограждающих конструкций станции (табл. 2).

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

1 = 15 • соб(—-—) + 3,37

„о„,Р 58,1

где t - температура поверхности

пов.гр. 1

грунта, С; г - время, сутки.

Функция получена на основе данных среднемесячных температур [2] 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; теплофизических характеристик грунтов [3]. Первое июля первого года эксплуатации станции принимается за начало отсчета: г0 = 0 суток.

4) начальная температура грунта 6 °С - принята как среднее значение температуры массива грунта на различных глубинах при естественном распределении в теплый период года [4];

5) теплофизические свойства внутреннего воздуха станции (табл. 3).

6) температуры внутреннего воздуха станции по месяцам года, полученные на основе мониторинга температур внутреннего воздуха станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена [4].

Численное моделирование процесса изменения температуры грунта, окружающего станцию

Для исследования длительного процесса образования прогретой тол-

Нижняя граница станции

Границы слоев грунта

Рис. 1. Расчетная схема к моделированию процессов формирования температурного поля вокруг вестибюля станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена: № 1 - точка исследования колебаний температур грунта на границе «грунт - перекрытие станции метрополитена»; И - глубина заложения станции, м

щи грунта под влиянием атмосферного воздуха и теплового потока из внутренних служебных помещений станции метрополитена была разработана численная модель, учитывающая неоднородность грунта и его тепло-физические свойства, влияние температур атмосферного воздуха и внутреннего воздуха, теплофизичес-кие свойства ограждающих конструкций (см. исходные данные), глубину заложения станции И. Под глубиной заложения И будем понимать расстояние от дневной поверхности до верха перекрытий над кассовым залом. На рис. 1 приведена расчетная схема станции в поперечном разрезе. Расчет проводился методом конечных элементов (КЭ).

Наибольший интерес представляет информация о температуре грунта на границе «грунт - верхнее перекрытие» (рис. 1, точка № 1) по причине наибольших годовых температурных

Глубина заложения станции Ь, м

Рис. 2. Время достижения устойчивого циклического характера колебаний температур грунта вокруг станции метрополитена в условиях резко континентального климата Западной Сибири

Рис. 3.

2 3 4 5 6 № месяца в году

Годовые колебания температур грунта на станции при различных глу

политена 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 устойчивого циклического (ежегодного) характера колебаний температур грунта, окружающего подземное сооружение метрополитена в условиях резко континентального климата Западной Сибири, различно для одной и той же конструкции

гРанице «грунт - верхнее перекрытие станции»; бинах ее заложения в грунт. п - глубина заложения станции, м п ^

При увеличении глубины заложения станции в грунт, увеличивается и время достижения устойчивого циклического характера колебаний температур грунта (рис. 2). В качестве показателя устойчивого циклического характера колебаний температур грунта принято различие амплитуд колебаний температур в течение 6 лет с момента пуска станции в эксплуатацию.

На основе обобщения результатов исследования температур грунта вокруг станции, выведена общая закономерность изменения температуры на границе «грунт - верхнее перекрытие», имеющая вид (1):

1 3 5 7 9 11 13 15 17

Глубина заложения станции Ь, м • экспериментальный график -аппроксимированный график

Рис. 4. Зависимость амплитуды колебаний температуры грунта на границе «грунт - верхнее перекрытие станции метрополитена» от глубины заложения станции И, м

колебаний и, как следствие, наибольшего влияния на годовой тепловой баланс станции.

Расчет температурного поля грунта был произведен при различных глубинах заложения станции метро-

Т(г) = А • бШ(—-— + 0,516 • Р) + В 58,1

(1)

где Т - температура грунта, °С; г -время от начала эксплуатации станции, сутки; А - амплитуда колебаний температуры грунта, °С; Р - началь-

ная фаза колебаний температуры грунта, месяцы; В -свободный член, °С.

Исследования температур грунта на границе «грунт - перекрытие станции»

В результате серий экспериментов на численной модели станции (расчетная схема которой показана на рис. 1) найдены температуры массива грунта вокруг станции метрополитена за время ее эксплуатации и получены графики годового колебания температур грунта в т. № 1 (рис. 1) на границе «грунт -верхнее перекрытие станции» при устойчивом циклическом характере колебаний температур грунта (рис. 3).

По рис. 3 видно, что с увеличением глубины заложения станции, амплитуда колебаний температуры грунта на границе «грунт - верхнее перекрытие станции» значительно уменьшается. Для станций метрополитена с глубиной заложения 10 м и более графики колебания температуры совпадают. Это означает, что температура грунта изменяется по одному и тому же закону, т.е. влияние сезонных колебаний температуры атмосферного воздуха на температуру грунта одинаково.

В связи с тем фактом, что температура внутреннего воздуха и окружающего грунта станции на глубине заложения более 10 м не опускается ниже 19 °С [5], то подогрев внутреннего воздуха на станции в течение всего

1 3 5 7 9 11 13 Глубина заложения станции Ь, м • экспериментальный график -аппроксимированный график

Рис. 5. Зависимость начальной фазы колебаний температуры грунта на границе «грунт - верхнее перекрытие станции» от глубины заложения станции И, м

О

О

и =

<и

5

•е-

п

"I-1-г

3 5 7 9 И 13 15 17 Глубина заложения станции Ь, м

• экспериментальный график -аппроксимированный график

Рис. 6. Зависимость коэффициента В на границе «грунт - верхнее перекрытие станции» от глубины заложения станции И, м

года не требуется. Температура внутреннего воздуха 19 °С на станциях метрополитена допускается по требованиям СНиП [5].

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Глубина от дневной поверхности выше перекрытия станции Н, м

, Зависимость амплитуды колебаний температуры грунта на границе «грунт-верхнее перекрытие станции» от глубины заложения станции Ь, м

_ Зависимости изменений амплитуд колебаний температур на различном расстоянии

от дневной поверхности в массиве насыпного грунта над станцией от глубины ее заложения Ь, м

Рис. 7. Зависимости изменений амплитуды колебаний температуры на различном расстоянии от дневной поверхности в массиве насыпного грунта над станцией от глубины ее заложения, И, м

В результате анализа серий численных экспериментов по исследованию температуры грунта, окружающего станцию было доказано, что на границе «грунт - верхнее перекрытие станции метрополитена» изменение температуры соответствует закономерности (1). Также были построены графики зависимостей амплитуды, начальной фазы колебаний и свободного члена от глубины заложения станции (рис. 4-6). Путем аппроксимации графиков, были получены аналитические выражения исследуемых параметров.

Амплитуда колебаний температуры грунта А, °С соответствует следующей зависимости:

1 < h < 10, A(h) = 0,11 • (h -8)2 +1,93, h > 10, A(h) = const = 2,14 (2)

где h - глубина заложения станции, м.

Начальная фаза колебаний температуры грунта Р определяется следующей зависимостью:

1 < h < 8, P(h) = 0,07 • (h - 5)2 +1,7, h > 8, P(h) = const = 2,52

(3)

Свободный член В находится по зависимости от глубины заложения станции Ь:

Б(Ь) = -7 + 22,31 , при 1 < Ь < 20 (4)

На рис. 7 показаны графики изменения значений амплитуды колебаний температуры массива насыпного грунта (рис. 1) между перекрытием станции и дневной поверхностью. Исследования проведены для станций с заложением от 2 до 20 м с шагом 1 м. Анализ графиков, рис. 7, показыва-

ет, что по мере удаления от дневной поверхности в глубь массива, амплитуды колебаний температуры насыпного грунта уменьшаются, а затем, при приближении к перекрытию станции - увеличиваются. Автор предположил, что для станций на глубинах заложения 7 м и более, увеличение амплитуды колебаний температуры грунта от минимальных значений 0,04+1,42 до 1,96+2,14, соответствующие границе «грунт - верхнее перекрытие станции» (показаны пунктиром), объясняется влиянием температуры внутреннего воздуха станции на окружающий массив грунта.

В качестве проверки этого предположения, были проведены исследования на численной модели станции, в которой температура внутреннего воздуха в течение всего года. Численные эксперименты на такой модели показали, что амплитуды колебаний температуры грунта, по мере заглубления станции, монотонно убывают, а при глубинах 11 м и более стремятся к нулю (рис. 8). Следовательно, при заложении станции на глубинах 11 м и более, сезонные изменения температуры атмосферного воздуха не оказывают влияние на колебания температуры грунта, соприкасающегося со станцией.

Выводы

1. Установлены зависимости для определения температуры на границе «верхнее перекрытие - грунт» над станцией метрополитена мелкого за-

I I I I I I I г..........

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Глубина от дневной поверхности выше перекрытия станции Н, м

Рис. 8. Изменение амплитуды колебаний температуры грунта между перекрытием станции и дневной поверхностью при постоянной температуре внутреннего воздуха станции 20 °С

ложения от глубины ее заложения, которые позволяют прогнозировать температуру окружающего грунта и ограждающих конструкций на длительный период, и таким образом, рассчитывать тепловой баланс станций метрополитена в любой период их эксплуатации.

2. Амплитуда колебаний температуры массива грунта, окружающего станцию, уменьшается по мере увеличения глубины заложения станции. При глубине 10 м и более колебания температур грунта происходят по постоянному закону.

3. Установлено, что влияние сезонных изменений температуры атмосферного воздуха на массив грунта, соприкасающийся с верхним перекрытием ограничивается глубиной заложения станций 11 м. При больших глубинах заложения, на температуру грунта основное влияние оказывает температура внутреннего воздуха помещений станции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Куликов Ю.Г., Дубнов Ю.Д. Методические указания по испытанию вечномерз-лых глинистых грунтов в полевых условиях: метод. указания. - М.: Главтранспроект, 1969. - 58 с.

2. СНиП 23-01-99*: Строительная климатология. - Взамен СНиП 2.01.01-82. - М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 1999. - 67 с.

3. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. - М.: Недра, 1975.237 с.

4. 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 теплогазоснабжения и вентиляции». - М.: МГСУ, 2009. - С. 119-123.

5. СНиП 32-02-203: Метрополитены. -Введ. 2004-01-01. - М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. - 45 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Пьянкова А.Ю. - аспирант, e-mail: [email protected], Институт горного дела СО РАН.

UDC 624.191.5-624.191.24

PREDICTION OF THE GROUND TEMPERATURE CHANGE PROCESS AROUND THE SUBWAY STATION

Pyankova A.U., Graduate Student, e-mail: [email protected], Institute of Mining of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences.

The temperature field of a ground around the subway station of small depth is investigated at operation in sharply continental conditions. Dependences for temperature definition on border «the top overlapping -a ground» of small depth subway stations from its depth are established.

Key words: subway station of small depth, station, ground file, temperature, heat exchange.

REFERENCES

1. Kulikov Ju.G., Dubnov Ju.D. Metodicheskie ukazanija po ispytaniju vechnomerzlyh glinistyh gruntov v polevyh uslovijah: metod. ukazanija (Instructional guidelines on field testing of permafrost clayey soil), Moscow, Glavtransproekt, 1969, 58 p.

2. SNiP 23-01-99*: Stroitel'naja klimatologija. Vzamen SNiP 2.01.01-82 ( Construction Norms and Regulations SNiP 23-01-99*: Building climatology. In substitution of SNiP 2.01.01-82), Moscow, Gosstroj Rossii, FGUP CPP, 1999, 67 p.

3. Codikov V.Ja. Ventiljacija i teplosnabzhenie metropolitenov (Ventilation and heating in subway), Moscow, Nedra, 1975, 237 p.

4. Lugin I.V., P'jankova A.Ju. Izmenenie teplopoter' v grunt iz pomeshhenij stancii «Oktjabr'skaja» No-vosibirskogo metropolitena za 24 goda jekspluatacii: Sbornik dokladov Tret'ej Mezhdunarodnoj Nauchno-tehnicheskoj konferencii «Teoreticheskie osnovy teplogazosnabzhenija i ventiljacii» (Variation in heat loss from the area of Oktyabrskaya Station of Novosibirsk Subway to soil for 24 years of lifetime. Proceedings of the 3rd International Scientific-Technical Conference on Theoretical Basis of Heat-and-Gas Supply and Ventilation), Moscow, MGSU, 2009, pp. 119-123.

5. SNiP 32-02-203: Metropoliteny. Vved. 2004-01-01 (Construction Norms and Regulations SNiP 32-02-203: Subways. In force from January 1, 2004), Moscow, Gosstroj Rossii, FGUP CPP, 2004, 45 p.