一种隧道管段接头处温度的确定方法、装置、设备及介质

1.本发明涉及隧道领域，特别涉及一种隧道管段接头处温度的确定方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.沉管隧道是作为水下隧道的施工方法之一，具有对地基承载力要求低、埋深要求浅、对水文和地质适应能力强、不影响航运交通、防水性能好等优点。隧道接头一般有管节接头与节段接头两种形式，其作为沉管隧道重要的技术要点，施工难度大且技术要求高，关乎整个隧道的安全性能及使用年限。由于沉管隧道一般深埋于水底，外部处于高水压状态，接头需具备良好的水密性与柔韧性，通常采用特殊橡胶材料制作接头止水带，如：gina止水带与omega止水带。而橡胶一般都难以在火灾的高温下保持其性能，在高水压情况下，一旦沉管隧道内部发生火灾导致接头的结构或橡胶止水带发生破坏，就会造成灾难发生。火灾下沉管隧道接头的水密性与柔韧性，主要取决于火灾中止水带自身温度，但沉管隧道火灾中止水带温度计算方法缺乏明确的标准，存在一定的缺陷。因此，需要研究一种新的确定方法，对沉管隧道火灾中止水带温度做出确定。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的主要技术问题是提供一种隧道管段接头处温度的确定方法、装置、设备及介质，能够确定出不同构造尺寸和不同混凝土强度下隧道管段接头处温度。
4.为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案之一如下：
5.一种隧道管段接头处温度的确定方法，包括如下步骤：
6.确定混凝土沉管隧道管段接头处的构造及各部分的尺寸；
7.确定耐火极限时防火板或防火涂料的背面温度；
8.计算混凝土沉管隧道混凝土表面的温度；
9.计算钢端头的温度；
10.确定gina止水带的温度；
11.确定omega止水带的温度。
12.在一更佳的实施例中，所述各部分的尺寸包括防火板尺寸、gina止水带尺寸、omega止水带尺寸、以及钢端板相对隧道混凝土表面的距离。
13.在一更佳的实施例中，所述防火板背面温度t
fpb
是根据沉管隧道消防设计要求确定隧道耐火极限、结合hcinc隧道火灾升温曲线计算耐火极限时隧道内环境温度t
max
，再利用平壁传热公式计算得出防火板背面温度t
fpb
。
14.在一更佳的实施例中，所述计算混凝土沉管隧道混凝土表面的温度包括：确定隧道混凝土表面与防火板接触情况，若接触良好则混凝土表面温度与防火板背面温度相同，反之，则需通过传热学理论计算混凝土表面温度t
c,s
。
15.在一更佳的实施例中，所述计算钢端头的温度包括：利用平壁传热原理确定钢端
头位置混凝土的温度t
c,in
，确定隧道混凝土与钢端头接触情况，若接触良好则t
c,in
即为钢端头的温度ts，反之，则需通过传热学理论计算钢端头的温度ts。
16.在一更佳的实施例中，所述确定gina止水带的温度包括：确定gina止水带与钢端头接触程度，结合传热学理论确定gina止水带表面温度t
gs
，利用传热学理论，并结合gina止水带各方向尺寸，确定止水带核心区温度t
gc
。
17.在一更佳的实施例中，所述确定omega止水带的温度包括：确定防火板背面与omega止水带表面间的传热路径，利用相应的计算方法计算omega止水带的表面温度t
os
，结合omega止水带尺寸即可判定止水带整体温度t
oi
。
18.本发明提供的技术方案之二如下：
19.一种隧道管段接头处温度的确定装置，包括：
20.沉管隧道管段检测模块，用于确定混凝土沉管隧道管段接头处的构造及各部分的尺寸；
21.第一温度检测模块，用于确定耐火极限时防火板或防火涂料的背面温度；
22.第二温度检测模块，用于计算混凝土沉管隧道混凝土表面的温度；
23.第三温度检测模块，用于计算钢端头的温度；
24.第四温度检测模块，用于确定gina止水带的温度；
25.第五温度检测模块，用于确定omega止水带的温度。
26.本发明提供的技术方案之三如下：
27.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的隧道管段接头处温度的确定方法。
28.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的隧道管段接头处温度的确定方法。
29.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：
30.1)本发明利用传热学理论，结合管段接头各构造之间的热传递路径，充分考虑各构造材料热工性能，能够根据隧道内部高温环境确定隧道接头各构造温度，进而识别柔性或半柔性隧道接头防火保护设计的有效性。
31.2)本发明考虑到隧道接头防火保护设计的多样性，对各类燃料火灾、不同接头构造尺寸、不同防火材料均有较好的适用性，所采用的公式简洁明了、清晰，通过合理的计算，确定混凝土管隧道管段接头处温度，计算结果安全可靠，避免过度防火保护设计造成的成本增加。
32.本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根
据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
34.图1为本发明隧道管段接头处温度的确定方法的流程示意图；
35.图2为接头处构造尺寸图；
36.图3为接头处热量传递示意图；
37.图4为本发明的隧道管段接头处温度的确定装置的结构示意图；
38.图5为本发明计算机设备的结构示意图。
39.附图标记：
40.10、沉管隧道管段检测模块；20、第一温度检测模块；30、第二温度检测模块；40、第三温度检测模块；50、第四温度检测模块；60、第五温度检测模块。
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，“防火板”、“止水带”、“钢端板”等指示接头处结构类型的术语，仅是为了便于描述本发明和简化描述，应基于结构功能做广义理解，而不是指示或暗示所指的结构必须具有相同的类型，因此不能理解为对本发明的限制。
44.此外，在本发明的描述中，“平壁传热”、“对流传热”、“壁面热辐射”等指示接头处结构温度计算方法的术语，仅是为了便于描述本发明的具体实施步骤，而不是指示或暗示所指的计算方法必须相同，因此不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.实施例1
46.请参阅图1、图2和图3，本发明一实施例提供一种混凝土管隧道管段接头处温度的确定方法，包括如下步骤：
47.(1)确定混凝土沉管隧道管段接头处的构造及各部分的尺寸；所述各部分的尺寸包括防火板尺寸、gina止水带尺寸、omega止水带尺寸、以及钢端板相对隧道混凝土表面的距离；
48.具体来说，以沉管隧道段管节及之间管节接头的设计资料为参考，确定以下内容：防火板厚度及安装方式；gina止水带的高度h(m)、宽度b(m)、角部弯曲半径r(m)、周长c(m)；omega止水带厚度；水平钢端板与隧道内部混凝土表面的垂直距离(m)。
49.(2)确定耐火极限时防火板或防火涂料的背面温度；
50.所述防火板背面温度t
fpb
是根据沉管隧道消防设计要求确定隧道耐火极限、结合hcinc隧道火灾升温曲线计算耐火极限时隧道内环境温度t
max
，再利用平壁传热公式计算得出防火板背面温度t
fpb
。
51.所述平壁传热公式为：
[0052][0053]
其中，φ是指单位时间内通过面积为a的平板表面的热量大小，单位为w；λ是指导热系数，w/(m
·
k)，a是指热量通过的表面计算面积大小，单位为m2，dt是指壁板两侧温度变化量，单位为℃，dx是指壁板厚度，单位为m。
[0054]
(3)计算混凝土沉管隧道混凝土表面的温度；
[0055]
所述计算混凝土沉管隧道混凝土表面的温度包括：确定隧道混凝土表面与防火板接触情况，若接触良好则混凝土表面温度与防火板背面温度相同，反之，则需通过传热学理论计算混凝土表面温度t
c,s
，利用热对流计算公式如下：
[0056]
q＝h(t
2-t1)
[0057]
式中，t1为混凝土表面温度，单位为℃，t2为混凝土表面与防火板背面间隙空气的温度，单位为℃，h为对流换热系数，单位为w/(m2·
k)，q为对流换热系数，单位为w/m2。
[0058]
(4)计算钢端头的温度；
[0059]
所述计算钢端头的温度包括：利用平壁传热原理确定钢端头位置混凝土的温度t
c,in
，确定隧道混凝土与钢端头接触情况，若接触良好则t
c,in
即为钢端头的温度ts，反之，则需通过传热学理论计算钢端头的温度ts，利用热对流计算公式如下：
[0060]
q＝h(t
2-t1)
[0061]
式中，t1为钢端头的温度，单位为℃，t2为混凝土与钢端头间隙空气的温度，单位为℃，h为对流换热系数，单位为w/(m2·
k)，q为对流换热系数，单位为w/m2。
[0062]
(5)确定gina止水带的温度；
[0063]
所述确定gina止水带的温度包括：确定gina止水带与钢端头接触程度，结合传热学理论确定gina止水带表面温度t
gs
，利用传热学理论，并结合gina止水带各方向尺寸，确定止水带核心区温度t
gc
。
[0064]
(6)确定omega止水带的温度。
[0065]
所述确定omega止水带的温度包括：确定防火板背面与omega止水带表面间的传热路径，利用相应的计算方法计算omega止水带的表面温度t
os
，结合omega止水带尺寸即可判定止水带整体温度t
oi
。
[0066]
以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。但本发明的保护范围不限于此。
[0067]
某沉管隧道段管节的埋深为水下40m，顶部的覆土厚度为8.6m，由水及覆土产生的水压力为354.8kpa，隧道e13、e14管节及之间的接头处需进行防火设计，需要利用本发明方法确定接头处温度。根据隧道设计的有关资料，管节接头采用的是较为成熟的两道防渗构造，分别为gina止水带(外侧-第一道防渗)、omega止水带(内侧-第二道防渗)，接头处构造尺寸如图1所示。
[0068]
隧道表面铺贴防火板型号为-h matrix engineered mineral board，厚度为25mm，根据厂家的参考资料，密度980kg/m3，导热系数为0.242w/(m
·
k)。根据隧道火灾试验实测数据与hcinc隧道火灾升温曲线，隧道达到耐火极限时，隧道内部传热过程处于稳态，环境温度为1300℃，单位时间通过单位面积防火板热量为7744w。根据导热系数定义，隧道达到耐火极限时，利用平壁传热公式计算防火板背面温度为473.5℃；
[0069]
防火板背面与隧道混凝土表面之间通过壁面导热传递热能，利用导热微分方程，并考虑接触热阻的影响，计算隧道混凝土表面温度为425℃；水平钢端头距隧道内部混凝土表面距离为350mm，单位时间内隧道内单位面积混凝土传递热量为800w，混凝土导热系数为1.6w/(m
·
k)，利用公式计算水平钢端头位置混凝土温度为250℃，混凝土与水平钢端头通过壁面导热传递热能，钢材导热系数为45w/(m
·
k)，远大于混凝土导热系数，利用导热微分方程，并考虑接触热阻的影响，计算钢端头平均温度为200℃；
[0070]
gina橡胶止水带正常工况下一般温度较低，因此相关热物理参数不考虑随温度变化，导热系数为1.4w/(m
·
k)，比热为1800j/(kg
·
k)。假定gina橡胶止水带与混凝土表面紧密接触，接触的两表面具有相同的温度，即gina橡胶止水带表面温度达到200℃，单位时间内传递热量为900w，利用平壁传热公式计算gina橡胶止水带中心温度为103.5℃。
[0071]
防火板背火面与板背空气之间的对流换热热流量采用φc＝ah2(t
w2-t
f2
)计算，其中t
w2
为防火板背火面温度；t
f2
为防火板后空气平均温度，取防火板背火面温度与混凝土外表面的温度平均值，h2取值为5w/(m2·
k)。防火板背火面与板背空气之间单位面积对流热流量为1500w，可计算防火板后空气平均温度为200℃；板背空气与omega止水带表面之间紧密接触，接触的两表面具有相同的温度，且omega止水带厚度较小，可判定omega止水带平均温度为200℃。
[0072]
实施例2
[0073]
请参阅图4，本发明一实施例提供一种混凝土管隧道管段接头处温度的确定装置，包括：
[0074]
沉管隧道管段检测模块10，用于确定混凝土沉管隧道管段接头处的构造及各部分的尺寸；
[0075]
第一温度检测模块20，用于确定耐火极限时防火板或防火涂料的背面温度；
[0076]
第二温度检测模块30，用于计算混凝土沉管隧道混凝土表面的温度；
[0077]
第三温度检测模块40，用于计算钢端头的温度；
[0078]
第四温度检测模块50，用于确定gina止水带的温度；
[0079]
第五温度检测模块60，用于确定omega止水带的温度。
[0080]
实施例3
[0081]
本实施例提供一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括计算机可读存储介质、内存储器。该计算机可读存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为计算机可读存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储隧道中央排水沟温度确定的方法中涉及到的数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种
混凝土管隧道管段接头处温度的确定方法。
[0082]
为此，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的混凝土管隧道管段接头处温度的确定方法，例如图1所示步骤(1)-(6)，为避免重复，这里不再赘述。或者，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中混凝土管隧道管段接头处温度的确定装置的各模块/单元的功能，例如图4所示模块10至模块60的功能。为避免重复，这里不再赘述。
[0083]
实施例4
[0084]
在一实施例中，本发明提供一计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的混凝土管隧道管段接头处温度的确定方法，例如图1所示步骤(1)-(6)，为避免重复，这里不再赘述。或者，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中混凝土管隧道管段接头处温度的确定装置的各模块/单元的功能，例如图4所示模块10至模块60的功能。为避免重复，这里不再赘述。
[0085]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0086]
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
[0087]
尽管本文中较多的使用了诸如沉管隧道管段检测模块、第一温度检测模块、第二温度检测模块、第三温度检测模块、第四温度检测模块、第五温度检测模块等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0088]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种隧道管段接头处温度的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：1)确定混凝土沉管隧道管段接头处的构造及各部分的尺寸；：所述各部分的尺寸包括防火板尺寸、gina止水带尺寸、omega止水带尺寸、以及钢端板相对隧道混凝土表面的距离；2)确定耐火极限时防火板或防火涂料的背面温度t
fpb
；3)计算混凝土沉管隧道混凝土表面的温度t
c,s
；4)计算钢端头的温度t
s
；5)确定gina止水带的表面温度t
g
以及核心区温度t
gc
；6)确定omega止水带的温度t
os
以及整体温度t
oi
。2.根据权利要求1所述的隧道管段接头处温度的确定方法，其特征在于：所述防火板背面温度t
fpb
是根据沉管隧道消防设计要求确定隧道耐火极限、结合hcinc隧道火灾升温曲线计算耐火极限时隧道内环境温度t
max
，再利用平壁传热公式计算得出防火板背面温度t
fpb
。3.根据权利要求1所述的隧道管段接头处温度的确定方法，其特征在于，所述计算混凝土沉管隧道混凝土表面的温度t
c,s
包括：确定隧道混凝土表面与防火板接触情况，若接触良好则混凝土表面温度与防火板背面温度相同，反之，则需通过传热学理论计算混凝土表面温度t
c,s
。4.根据权利要求1所述的隧道管段接头处温度的确定方法，其特征在于，所述计算钢端头的温度包括：利用平壁传热原理确定钢端头位置混凝土的温度t
c,in
，确定隧道混凝土与钢端头接触情况，若接触良好则t
c,in
即为钢端头的温度t
s
，反之，则需通过传热学理论计算钢端头的温度t
s
。5.根据权利要求1所述的隧道管段接头处温度的确定方法，其特征在于：所述确定gina止水带的温度包括：确定gina止水带与钢端头接触程度，结合传热学理论确定gina止水带表面温度t
gs
，利用传热学理论，并结合gina止水带各方向尺寸，确定止水带核心区温度t
gc
。6.根据权利要求1所述的隧道管段接头处温度的确定方法，其特征在于，所述确定omega止水带的温度包括：确定防火板背面与omega止水带表面间的传热路径，利用相应的计算方法计算omega止水带的表面温度t
os
，结合omega止水带尺寸即可判定止水带整体温度t
oi
。7.一种隧道管段接头处温度的确定装置，其特征在于，包括：沉管隧道管段检测模块，用于确定混凝土沉管隧道管段接头处的构造及各部分的尺寸；第一温度检测模块，用于确定耐火极限时防火板或防火涂料的背面温度；第二温度检测模块，用于计算混凝土沉管隧道混凝土表面的温度；第三温度检测模块，用于计算钢端头的温度；第四温度检测模块，用于确定gina止水带的温度；第五温度检测模块，用于确定omega止水带的温度。8.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任一项所述的隧道管段接头处温度的确定方法。9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的隧道管段接头处
温度的确定方法。

技术总结
本发明涉及隧道领域，特别涉及一种隧道管段接头处温度的确定方法、装置、设备及介质。隧道管段接头处温度的确定方法，包括如下步骤：确定混凝土沉管隧道管段接头处的构造及各部分的尺寸；确定耐火极限时防火板或防火涂料的背面温度；计算混凝土沉管隧道混凝土表面的温度；计算钢端头的温度；确定GINA止水带的温度；确定OMEGA止水带的温度。采用本发明提供的方法可以确定出不同构造尺寸和不同混凝土强度下隧道管段接头处温度。下隧道管段接头处温度。下隧道管段接头处温度。


技术研发人员：董毓利 齐建全 张大山 房圆圆
受保护的技术使用者：华侨大学
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/7