能源消耗总量过大是目前我国地铁建设和运营管理面临的一大问题。尽最大可能地充分利用地层的天然热源和冷源等新型能源,降低地铁运行能耗和成本,是地铁暖通空调系统设计关注的关键问题。地铁车站暖通空调系统的优化设计与地铁隧道所在地层的地温场年际变化及隧道围岩的热物理参数性质密切相关。通过数值计算模拟确定地铁车站及区间隧道温度场的变化规律,为地铁运营过程暖通空调系统的优化设计提供可靠的依据和理论根据。本文在对兰州地铁围岩热物理性质试验测试研究的基础上,取得了兰州地铁围岩的相关热物理参数,为地铁区间隧道及车站围岩温度场计算提供参数;并通过现场设置测温孔,经过长期测试,掌握了地铁围岩天然温度分布规律;最后建立有限元计算模型,模拟了受地铁车站和区间隧道环境影响,围岩温度场的变化规律,以及车站和区间隧道环境温度受围岩温度的相互影响,并进行了地铁通风及空调系统设计优化应用。主要创新点是基于现场监测和热物理参数测试,研究了兰州地铁和地温场的相互作用,研究了不同隧道温度工况下地温场的长期演化规律。研究成果可为认识兰州地铁围岩温度场变化规律及地铁运营温度控制提供参考。经过本文研究,得出了以下主要结论:(1)根据现场监测结果,在初始地温场中,兰州地铁地层的年变温层位于地表至埋深12m处;年恒温层位于埋深12m以下,温度为15?C左右。在初始地温场中,兰州地铁年变温层各埋深处的地温年变化和环境气温相似,近似呈正弦状分布,存在相位滞后的现象。一年中地温的振幅随埋深的增大呈指数减小。(2)通过试样测试,得到兰州地铁围岩中原状黄土状土的导热系数在1.14~1.48 W(7)m?K(8)之间,热扩散系数在0.3~0.6mm~2/s之间。原状中砂的导热系数为1.896W(7)m?K(8),热扩散系数为0.85mm~2/s。体积比热在2.0~3.0MJ/(m~3·k)之间。(3)由试验测试可知,兰州地铁围岩各土层的导热系数随着含水量呈线性增长趋势,其线性相关性好,可以用线性方程来描述土体导热系数与含水量的关系。各土层的热扩散系数随着含水量的增加呈现先增大然后减小的趋势。含水量在7%~10%范围内,土体热扩散系数达到最大值。各土层的体积比热随着深度的增加,其数值在2.0~3.0MJ/(m~3·k)之间振荡。(4)根据计算结果可知,地铁隧道因环境温度相对于围岩温度较高,在列车运行过程中会向隧道衬砌壁面及围岩放热,其对围岩温度影响范围是有限的。在30℃的隧道壁面环境温度下,其围岩温度影响范围在10.0m左右,温度升高4.0~12.0℃。(5)根据计算结果可知,地铁车站因环境温度相对围岩温度较高,在车站运行过程中会向围岩放热,其对围岩温度影响范围是有限的。在30℃的车站环境温度下,其影响范围在12m~15m,温度升高5.0~13.0℃。(6)模拟计算结果表明,在地铁车站运行过程中,壁面及围岩吸收车站环境热量,可降低车站环境温度,节省车站空间环境制冷费用。在25℃的车站环境温度下,在接近壁面10m~15m范围内,其环境温度可降低4~6℃。地铁车站壁面附近温度约为19℃~25℃,围岩对壁面起到一定的降温作用。(7)依据兰州地铁线路设计相关资料,运用试验测试热物理参数及数值模拟计算结果,参考地铁车站围岩温度场计算结果,进行了隧道通风及车站空调系统设计优化。