Proceedings of Petersburg Transport University Proceedings of Petersburg Transport University Известия Петербургского университета путей сообщения 1815-588X 2658-6851 85188 10.20295/1815-588X-2024-02-457-469 Проблематика транспортных систем PROBLEMATIC OF TRANSPORT SYSTEM Проблематика транспортных систем Mathematical modeling of thermodynamic processes in subway ventilation shafts Математическое моделирование термодинамических процессов в вентиляционных шахтах метрополитена Сокорнов Антон Александрович Sokornov Anton Aleksandrovich scarlunch@mail.ru Коньков Александр Николаевич Kon'kov Aleksandr Nikolaevich ankonkov@yandex.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Филонов Юрий Александрович Filonov Yuriy Aleksandrovich parad11@mail.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Козин Евгений Германович Kozin Evgenii G. ns@metro.spb.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Saint-Petersburg Russian Federation Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I Petersburg State Transport University Saint-Petersburg Russian Federation Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I Petersburg State Transport University Saint-Petersburg Russian Federation ГУП «Петербургский метрополитен» Санкт-Петербург Россия SUE “St. Petersburg Metro” Saint-Petersburg Russian Federation 09 07 2024 09 07 2024 21 2 457 469 07 07 2024 https://pgups.editorum.ru/en/nauka/article/85188/view

Цель: разработать рекомендации для выполнения теплотехнических расчетов при капитальном ремонте вентиляционных шахт с созданием внутренних теплоизоляционно-конструкционных рубашек из пеностеклобетона. Методы: математическое моделирование методом Метрогипротранса обделки шахтного ствола в упругой среде на заданные перемещения от расширяющегося льда; математическое моделирование методом конечных элементов системы, включающей в себя грунтовый массив, обделку шахтного ствола и нагрузку от конвекции (потока холодного воздуха). Результаты. Установлены критерии риска разрушения обделки вентиляционных стволов при промерзании водонасыщенного грунта в заобделочном пространстве. Установлено, что разрушение чугунной обделки от расширения льда зависит от величины отпора грунта и размеров пустот в заобделочном пространстве, но не от глубины расположения рассматриваемого сечения. Выполнена оценка влияния термодинамических характеристик среды заобделочного пространства при работе вентиляционных шахт в условиях знакопеременных температур. Установлено, что в результате весьма широкого изменения теплотехнических характеристик среды температура в заобделочном пространстве в ходе термодинамических расчетов меняется несущественно — в пределах 1 ºС, и решающее значение в распределении тепла играют теплотехнические характеристики пеностеклобетонной рубашки. Практическая значимость: результаты исследования могут применяться во время обследования вентиляционных шахт метрополитена, а также служить алгоритмом проведения термодинамического расчета при составлении проекта капитального ремонта шахт с рубашкой из пеностеклобетона.

Objective: To develop recommendations for performing thermal engineering calculations during the ventilation shafts renovation with the creation of internal thermal insulation made of foam glass concrete. Methods: Mathematical modeling by the Metrogiprotrans method of the shaft lining in an elastic medium for specified movements from expanding ice; mathematical modeling by the finite elements method of a system including a ground massive, shaft lining and a load from convection (cold air flow). Results: The criteria for the risk of the ventilation shafts lining destruction during freezing of water-saturated soil behind the lining have been established. It has been established that the destruction of cast-iron lining from the ice expansion depends on the amount of soil resistance and the size of voids behind the lining, but not on the depth of the location of the section under consideration. An influence assessment of the soil thermodynamic characteristics during the ventilation shafts operation in conditions of alternating temperatures has been performed. It was found that as a result of a very wide change in the thermal characteristics of the medium, the temperature behind the lining during thermodynamic calculations changes insignificantly — within 1 °C, and the thermal characteristics of the foam glass concrete layer play a decisive role in heat distribution. Practical importance: The results of the study can be used during the inspection of subway ventilation shafts, as well as an algorithm for conducting thermodynamic calculations for projecting shafts renovation with an insulation made of foam glass concrete.

 вентиляционные стволы метрополитен давление напряжения конвекция грунтовый массив метод Метрогипротранса метод конечных элементов пеностеклобетон ventilation shafts subway pressure stresses convection ground massive Metrogiprotrans method finite element method foam glass concrete

Kozin E. G., Burin D. L, Ledyaev A. P., et al. Ventilation shafts freezing protection under the influence of negative temperatures // Transportation soil engineering in cold regions. Proceedings of transoilcold 2019. 2020. P. 509–519. DOI: 10.1007/978-981-15- 0450-1_53. Kozin E. G., Burin D. L, Ledyaev A. P., et al. Ventilation shafts freezing protection under the influence of negative temperatures // Transportation soil engineering in cold regions. Proceedings of transoilcold 2019. 2020. P. 509–519. DOI: 10.1007/978-981-15- 0450-1_53. Коньков А. Н., Филонов Ю. А., Новиков А. Л. и др. Реновация вентиляционных стволов с устройством конструктивно-теплоизоляционной рубашки из пеностеклобетона // Подземные горизонты. 2019. № 22. С. 56–58. Kon'kov A. N., Filonov Yu. A., Novikov A. L. i dr. Renovaciya ventilyacionnyh stvolov s ustroystvom konstruktivno-teploizolyacionnoy rubashki iz penosteklobetona // Podzemnye gorizonty. 2019. № 22. S. 56–58. Бурин Д. Л., Новиков А. Л., Филонов Ю. А. Защита от промерзания вентиляционных стволов метрополитена с устройством конструкционно-теплоизоляционной рубашки из пеностеклобетона // Метро и тоннели. 2021. № 4. С. 21–23. Burin D. L., Novikov A. L., Filonov Yu. A. Zaschita ot promerzaniya ventilyacionnyh stvolov metropolitena s ustroystvom konstrukcionno-teploizolyacionnoy rubashki iz penosteklobetona // Metro i tonneli. 2021. № 4. S. 21–23. Гриневич Д. В., Бузник В. М., Нужный Г. А. Обзор применения численных методов для моделирования деформации и разрушения льда // Труды ВИАМ. 2020. № 8 (90). [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-primeneniyachislennyh- metodov-dlya-modelirovaniya-deformatsiii-razrusheniya-lda. Grinevich D. V., Buznik V. M., Nuzhnyy G. A. Obzor primeneniya chislennyh metodov dlya modelirovaniya deformacii i razrusheniya l'da // Trudy VIAM. 2020. № 8 (90). [Elektronnyy resurs]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-primeneniyachislennyh- metodov-dlya-modelirovaniya-deformatsiii-razrusheniya-lda. Сорокин К. Э., Бывальцев П. М., Аксенов А. А. и др. Численное моделирование обледенения в программном комплексе FlowVision // Компьютерные исследования и моделирование. 2020. Т. 12 вып. 1. С. 83–96. DOI: 10.20537/2076-7633-2020-12- 1-83-96 Sorokin K. E., Byval'cev P. M., Aksenov A. A. i dr. Chislennoe modelirovanie obledeneniya v programmnom komplekse FlowVision // Komp'yuternye issledovaniya i modelirovanie. 2020. T. 12 vyp. 1. S. 83–96. DOI: 10.20537/2076-7633-2020-12- 1-83-96 Лянда А. А. Мичурина Т. А., Назарова Т. В. Программа РК-6 (учебная версия), раздел «Справка» [Программа для ЭВМ]. СПб.: Ленметрогипротранс, 2000. Lyanda A. A. Michurina T. A., Nazarova T. V. Programma RK-6 (uchebnaya versiya), razdel «Spravka» [Programma dlya EVM]. SPb.: Lenmetrogiprotrans, 2000. Oreste P. A numerical approach to the hyperstatic reaction method for the dimensioning of tunnel supports // Tunnelling and Underground Space Technology. 2007. Vol. 22, iss. 2. P. 185–205. DOI: 10.1016/j. tust.2006.05.002 Oreste P. A numerical approach to the hyperstatic reaction method for the dimensioning of tunnel supports // Tunnelling and Underground Space Technology. 2007. Vol. 22, iss. 2. P. 185–205. DOI: 10.1016/j. tust.2006.05.002 Do N. A., Dias D., Oreste P., et al. The behaviour of the segmental tunnel lining studied by the hyperstatic reaction method // European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2014. Vol. 18, iss. 4. P. 489–510. DOI: 10.1080/19648189.2013.872583 Do N. A., Dias D., Oreste P., et al. The behaviour of the segmental tunnel lining studied by the hyperstatic reaction method // European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2014. Vol. 18, iss. 4. P. 489–510. DOI: 10.1080/19648189.2013.872583 Konkov A., Sokornov A., Korolev K. The results analysis of the tubing tunnel facing mathematical modeling using the reduced sections // International scientific siberian transport forum TransSiberia 2021. Lecture Notes in Networks and Systems. Springer, Cham. 2022. Vol. 402, iss. 1. P. 568–576. Konkov A., Sokornov A., Korolev K. The results analysis of the tubing tunnel facing mathematical modeling using the reduced sections // International scientific siberian transport forum TransSiberia 2021. Lecture Notes in Networks and Systems. Springer, Cham. 2022. Vol. 402, iss. 1. P. 568–576. Ledyaev A., Kavkazskiy V., Davidenko E. Examination of the stress-strain state of service tunnels at the airport Domodedovo // International scientific siberian transport forum TransSiberia 2021. Lecture Notes in Networks and Systems. Springer, Cham. 2022. Vol. 402, iss. 1. P. 28–37. Ledyaev A., Kavkazskiy V., Davidenko E. Examination of the stress-strain state of service tunnels at the airport Domodedovo // International scientific siberian transport forum TransSiberia 2021. Lecture Notes in Networks and Systems. Springer, Cham. 2022. Vol. 402, iss. 1. P. 28–37. Osvaldo P. M. Vitali, Tarcisio B. Celestino, Antonio Bobet. Construction strategies for a NATM tunnel in São Paulo, Brazil, in residual soil // Underground Space. 2022. Vol. 7, iss. 1. P. 1–18. DOI: 10.1016/j.undsp.2021.04.002 Osvaldo P. M. Vitali, Tarcisio B. Celestino, Antonio Bobet. Construction strategies for a NATM tunnel in São Paulo, Brazil, in residual soil // Underground Space. 2022. Vol. 7, iss. 1. P. 1–18. DOI: 10.1016/j.undsp.2021.04.002 Shaposhnikov E. A., Frolov Yu. S. Substantiation of rational design factors of a metropolitan railway station without side railway platforms // Russian Journal of Transport Engineering. 2023. Vol. 10, no. 1 [Электронный ресурс]. URL: https://t-s.today/ PDF/05SATS123.pdf. DOI: 10.15862/05SATS123 Shaposhnikov E. A., Frolov Yu. S. Substantiation of rational design factors of a metropolitan railway station without side railway platforms // Russian Journal of Transport Engineering. 2023. Vol. 10, no. 1 [Elektronnyy resurs]. URL: https://t-s.today/ PDF/05SATS123.pdf. DOI: 10.15862/05SATS123 Mohyla M., Hrubesova E., Martinkauppi B. et al. Numerical simulation of the thermal response of seabed sediments to geothermal cycles in Suvilahti, Finland // Renewable Energy. 2024. Vol. 221. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.119770 Mohyla M., Hrubesova E., Martinkauppi B. et al. Numerical simulation of the thermal response of seabed sediments to geothermal cycles in Suvilahti, Finland // Renewable Energy. 2024. Vol. 221. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.119770 Gang Wei, Feifan Feng, Chengbao Hu, et al. Mechanical performances of shield tunnel segments under asymmetric unloading induced by pit excavation // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2023. Vol. 15, iss. 6. P. 1547–1564. DOI: doi.org/10.1016/j.jrmge.2022.08.010 Gang Wei, Feifan Feng, Chengbao Hu, et al. Mechanical performances of shield tunnel segments under asymmetric unloading induced by pit excavation // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2023. Vol. 15, iss. 6. P. 1547–1564. DOI: doi.org/10.1016/j.jrmge.2022.08.010 Ледяев А. П., Филонов Ю. А., Коньков А. Н. и др. Подготовка и проведение научно-исследовательских работ по технологии реновации обделок вентстволов с применением пеностеклобетона: технический отчет, СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2017. Ledyaev A. P., Filonov Yu. A., Kon'kov A. N. i dr. Podgotovka i provedenie nauchno-issledovatel'skih rabot po tehnologii renovacii obdelok ventstvolov s primeneniem penosteklobetona: tehnicheskiy otchet, SPb.: FGBOU VO PGUPS, 2017.