【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及寒区隧道工程，特别是涉及一种考虑日变化过程的寒区隧道轴向气温分布预测方法。
技术介绍
1、当前，为了满足我国东北、西北、华北等高纬度地区以及青藏高原等高海拔地区经济发展的需要，当地交通基础设施建设的推进十分迅速，其中修建了众多的公路隧道和铁路隧道。然而，在这些气候寒冷地区的隧道工程往往面临着一系列的冻害问题，如衬砌开裂、材料劣化、排水系统冻结、洞内积冰等，严重威胁到了行车的安全性和舒适性，给隧道的正常运营带来了十分不利的影响。温度状况是导致冻害产生的必要因素，当前冻害防治措施主要从温度角度入手，如铺设保温层、设置防寒门、加热排水沟等，但具体措施的采取需建立在温度分布已知的情况下进行，因此预测和获取寒区隧道洞内的气温分布是对冻害状况进行评估和采取相应防治措施的前提。
2、针对寒区隧道内气温纵向分布问题，多位学者提出了相应的解析求解方法。2008年，日本的takumi等在《proceedings of structural engineering symposium》上发表的《an estimation of inner temperatures at cold region tunnel for heat insulatordesign》一文中应用叠加原理和能量守恒原理得到了寒区隧道内气温沿进深方向分布的解析解，并通过与实测值进行对比证明了求解结果的准确性。2010年，张国柱等在《同济大学学报（自然科学版）》期刊上发表的《寒区隧道轴向及径向温度分布理论解》一文中运用叠加原理及贝塞尔特征函数的正交及展开定理
3、尽管当前理论研究取得了较多的成果，但提出的理论解析计算方法没有考虑气温的日变化过程，从而可能忽略由于外界极端低温天气导致隧道内出现的冻害问题。一方面不考虑气温的日变化过程会高估隧道内不同位置气温出现的最低值，另一方面可能会低估隧道外界低温空气侵入隧道内的长度，从而造成防治工程措施的不到位问题。由此，考虑气温日变化过程对于隧道内冻害的预测预警和对应防治措施的采取具有积极意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种考虑日变化过程的寒区隧道轴向气温分布预测方法。
2、为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
3、一种考虑日变化过程的寒区隧道轴向气温分布预测方法，包括以下步骤：
4、步骤1，求解隧道内年平均气温的轴向分布、隧道内气温年振幅的轴向分布、隧道内气温年相位的轴向分布、隧道内气温日振幅的轴向分布和隧道内气温日相位的轴向分布，为进深，单位为m；
5、步骤s1，求解隧道内年平均气温的轴向分布：
6、（i）；
7、式（i）中，为隧道结构与洞内空气之间的对流换热系数，单位为，为隧道内空气密度，单位为kg·m-3，为空气比热容，单位为j·kg-1·℃-1，为保温层内表面半径，单位为m，为隧道内风速，单位为m·s-1，为洞口处的年平均气温值，单位为℃；
8、式（i）中，为中间参数：
9、（ii）；
10、式（ii）中，为进深为处的隧道埋深，单位为m，为一自变量，为将中 z换为 y后得到的值，为恒温层围岩温度，单位为℃，恒温层指从地表向下达到一定深度时，温度不再随时间变化、保持常年不变的地带，为隧道围岩温度场影响深度，单位为m，为恒温层埋深，单位为m，为地温梯度，单位为℃×m-1；
11、式（i）和式（ii）中和均为中间参数，，，、、和均为中间参数；
12、；
13、稳态矩阵如下：
14、；
15、稳态矩阵、、、如下：
16、；
17、、、分别为保温层、衬砌混凝土、围岩的导热系数，单位为w×m-1×℃-1；、、分别为衬砌混凝土内侧半径、围岩内侧半径、当径向深度到达一定值时温度不随时间变化围岩的半径，即隧道外边界半径，单位为m；
18、步骤s2，求解隧道内气温年振幅的轴向分布：
19、（iii）；
20、式（iii）中，为隧道洞口处的气温年振幅，单位为℃，为复数的实部值，为中间参数，当时，， s为中间参数，为虚数单位，为气温年频率，；
21、（iv）；
22、式（iv）中，、、为中间参数，，；
23、瞬态矩阵如下：
24、；
25、瞬态矩阵如下：；
26、瞬态矩阵如下：
27、；
28、、、分别为保温层、衬砌混凝土、围岩的密度，单位为kg·m-3，分别为保温层、衬砌混凝土、围岩的比热容，单位为j·kg-1·℃-1，和分别为第一类 w阶和第二类 w阶虚宗量贝塞尔函数， w=0或1；
29、步骤s3，求解隧道内气温年相位的轴向分布：
30、（v）；
31、式（v）中，为复数的虚部值，为洞口处的气温年相位；
32、步骤s4，求解隧道内气温日振幅的轴向分布：
33、（vi）；
34、式（vi）中，为隧道洞口处的气温日振幅，单位为℃；为复数的实部值，当时，，为气温日频率，；
35、步骤s5，求解隧道内气温日相位的轴向分布：
36、（vii）；
37、式（vii）中，为洞口处的气温日相位；
38、步骤2，建立寒区隧道轴向气温分布的表达式：
39、（viii）；
40、式（viii）中，、、、和均由步骤1获得。
41、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
42、1.本专利技术考虑了气温日变化的作用，给出了隧道内年平均气温的轴向分布、隧道内气温年振幅的轴向分布、隧道内气温年相位的轴向分布、隧道内气温日振幅的轴向分布和隧道内气温日相位的轴向分布的计算方法，从而可以得到气温分布完备的解析解；
43、2.本专利技术提出了气温日变化对隧道内气温轴向分布影响的预测方法，即在边界条件中添加以日为周期的正弦函数的波动，在此影响下的隧道内气温的日变动情况可以通过定量计算得到，由此可以计算隧道内年内瞬时最低温、最大冻结侵入长度等数据，为冻害预测预警以及防治措施的采取提本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑日变化过程的寒区隧道轴向气温分布预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种考虑日变化过程的寒区隧道轴向气温...
【专利技术属性】
技术研发人员：张力杰，穆彦虎，李凌洁，丁泽琨，杨翔，
申请(专利权)人：中国科学院西北生态环境资源研究院，
类型：发明
国别省市：
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