不同通風方式對高溫隧道掌子面溫降效果研究

李俊生，宗仁棟，敖小兵，羅福應

（中鐵交通投資集團有限公司，廣西南寧530021）

不同通風方式對高溫隧道掌子面溫降效果研究

李俊生，宗仁棟，敖小兵，羅福應

（中鐵交通投資集團有限公司，廣西南寧530021）

高溫現象是長大隧道開挖過程中常見的一種自然災害，常用的解決手段是通風降溫。以某高溫隧道為例，結合Fluent數值分析，從理論層面探究了側壁壓入式通風、混合式通風和拱頂壓入式通風3種常用通風方式解決這類災害的優劣，并從微觀層面分析了隧道內射流氣流的運動規律，探討了較為適宜的溫控方式。研究結果表明：高溫隧道采用側壁壓入式通風溫控方式的降溫效果不佳；采用混合式通風溫控方式的降溫效果最差，且影響風機使用壽命，存在安全隱患；采用拱頂壓入式通風溫控方式在應對高溫隧道時表現出高效的降溫效果。

高溫隧道；溫控；局部溫降；通風；Fluent軟件

0 引言

某客運專線隧道在開挖過程中遭遇了40 ℃的高溫災害，嚴重影響了施工進度，施工方也曾采取了一些通風降溫措施，但是降溫效果不理想。因此，有必要對隧道內射流氣流的運動規律進行分析與研究，以便改進已有通風降溫措施，尋求較佳的降溫通風方法，解決高溫帶來的影響。

隧道施工過程中，常用的通風降溫方式有側壁壓入式通風、混合式通風和拱頂壓入式通風3種[1]，它們是根據通風過程中風筒布置位置的不同來進行區分的。已有研究中，關于各通風方式對于隧道的通風降溫效果方面的比較研究較少，而合理的通風方式能降低通風成本、有效控制掌子面溫度、提高通風降溫效率[2]。因此，本文擬借助Fluent軟件，模擬以上常用的3類通風方式[3]，采用設置監測截面、監測直線等方法進行觀測，分別分析不同通風方式對隧道內溫度小于28 ℃[4]（即華氏301度）等值體區域涵蓋圖、射流氣流微元跡線規律的影響，以便選擇適用于高溫隧道施工的通風降溫方案，改善掌子面人員密集活動區的局部環境溫度。

1 工況參數及監測截面

王英敏[1]指出，礦井通風設置中，風管出口到掌子面的距離應小于有效射程，通常Lx=(4～5)[5]，其中S為隧道斷面面積。根據這一要求，設定本研究中模擬的隧道相關參數如表1所示。

表1 隧道工況參數Table1The working parameters of tunnel

為了能更好地觀察隧道內氣流微元的跡線，設置距掌子面的距離分別為0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 m處的截面為監測特征截面，如圖1所示。

圖1 監測截面示意圖Fig.1Schematic diagram of monitoring section

2 側壁壓入式通風溫控評價與分析

2.1 模型及溫度小于28 ℃等值體區域涵蓋圖

側壁壓入式通風溫控方式是指將風管置于側壁處的通風方式，其模型如圖2a所示，該方式下溫度小于28℃的特征監測截面溫度云圖如圖2b所示。

圖2 側壁壓入式通風溫控模型與界面溫度云圖Fig.2Temperature control model and the interface temperature contours of sidewall forced ventilation

觀察采用側壁壓入式通風溫控方式下隧道內溫度小于28℃的等值體區域涵蓋圖的分布情況，可得出，隧道內溫度小于28℃的等值體區域在outlet面附近并不涵蓋，由此可知此類通風方式的溫控效果不佳。

2.2 側壁壓入式通風溫控效果評價

讀取特征截面監測到的氣流微元流動軌跡，即跡線[6]，可以找到側壁壓入式通風方式并不適用于高溫隧道溫度控制的原因。圖3所示為從拱頂俯視監測截面的氣流微元從開始到穩定的跡線圖。

圖3 側壁壓入式通風氣流微元跡線圖Fig.3The sidewall ventilation airflow micro trace chart

由圖3可以看出，側壁壓入式通風方式下氣流微元的流動軌跡規律為：開始階段，氣流呈有序運動；隨著通入氣體量的增加，出現渦流卷吸，致使部分高溫氣體原地打轉。

2.3 溫控效果分析

研究隧道內氣流微元的跡線規律可以分析出側壁壓入式通風溫降效果不佳的原因如下：

1）射流氣體由inlet面射入隧道，然后沿程附壁運動直至掌子面，由于回流區氣流與射流區氣流相互摻混[1]，它們因進行能量、動量的交換而形成了渦流，致使混合氣流在離掌子面5～15m區域內“不斷打轉”。隨著交換時間的推移，能量逐漸耗散，致使高溫空氣“出不去”，使得隧道掌子面部分區域的溫降效果較差。

2）在低速、污濁、高溫氣流回流向outlet面時，由于受到inlet面射入的高速、新鮮、低溫的氣流作用，速度梯度、溫度梯度、污濁物濃度相差較大，兩股氣流勢必進行動量、熱對流、污濁物濃度等一系列復雜的交換。從而導致離outlet面較近和部分原本應穿過outlet面并離開隧道掌子面30m范圍的氣流，改變運動方向折返回來，再次摻混在inlet面的射入氣流中，使得溫控效果比預期效果大打折扣。這也是隧道內溫度小于28℃等值體區域在outlet面附近并不涵蓋的原因。

基于以上原因，回流區氣流與射流區氣流形成渦流，不能很好地將隧道中高溫氣體的熱能交換出去，因此，采取側壁壓入式通風溫控模式的溫控效果不理想。

3 混合式通風溫控評價與分析

3.1 模型及溫度小于28℃等值體區域涵蓋圖

混合式通風溫控方式是指送風機械與抽風機械同時工作的一種通風方式，其模型如圖4a所示，該方式下溫度小于28 ℃的特征監測截面溫度云圖如圖4b所示。觀察圖4中圖b所示采用混合式通風溫控方式下隧道內溫度小于28°的等值體區域涵蓋圖的分布情況，可以看到隧道內溫度小于28 ℃的等值體區域在outlet面附近并不涵蓋，相較于側壁壓入式通風溫控方式，其溫控效果更差。

圖4 混合式通風溫控模型與界面溫度云圖Fig.4Temperature control model and the interface temperature contours of hybrid ventilation

3.2 混合式通風溫控效果評價

混合式通風也是隧道施工過程中常采用的降溫方式之一。在遇到高溫隧道時，施工方抱著“一邊送風、一邊抽氣效果肯定好”的心態而選擇混合式通風溫控方式，但是其實際溫降效果較差。施工方所希望的是送入的低溫氣流在隧道內與高溫氣流經過“充足的熱交換”之后，再將其“吸離”掌子面，以使低溫氣流冷量得到最大程度的利用。但是由圖3和4所示特征監測截面溫度云圖的模擬結果表明，在風機功率相同的情況下，混合式通風比側壁壓入式通風溫降效率要差得多。究其原因，可以從圖5所示拱頂俯視特征截面監測氣流微元從開始到穩定的跡線圖中找到答案。

圖5 混合式通風氣流微元跡線圖Fig.5The hybrid ventilation airflow micro trace chart

由圖5可以看出，混合式通風方式下氣流微元的流動軌跡規律為：開始階段，氣流呈有序運動，隨著通入氣體量的增加，出現渦流卷吸，并且比側壁壓入式通風方式下的更為嚴重，致使高溫氣體很難被排出，因而隧道內溫控效果較差。

3.3 溫控效果分析

研究隧道內氣流微元的跡線規律，可以得出混合式通風溫降效果較差的原因如下：

1）假定兩臺風機的機械功率相同，即inlet-in與inlet-out的進/出風速度大小相等，但在實際施工過程中，對inlet-out面進行質量流率（mass flow rate）監測時發現，其質量流率的值小于inlet-in面的。可能的原因在于：抽風機械置于隧道壁面附近，氣流運動受限，沒有足夠的氣流由inlet-out面吸入，導致抽風機內存在帶負壓的工作情況，通常伴隨著柔性風管“干癟”現象，機械本身工作效率低下。

2）常用風機的風管直徑為1.5m，其截面積為1.77m2，相對于整個隧道的斷面面積（100m2）來說，風管面積很小，因而導致回流區部分氣流并不能被inlet-out面所抽離。并且，inlet-out面緊貼隧道壁面，受到壁面的限制，使得射入隧道的質量流率與抽離隧道的質量流率存在差值，這一差值的氣流經由outlet面離開。

3）抽風機源源不斷地往外抽走空氣，相對于側壁壓入式通風溫控方式來說，其降低了隧道內的壓強。這導致從inlet-in面射入隧道內的氣流由于受壓強的影響，其速度降低速率加快，難以與隧道內高溫空氣進行充足的熱交換而“過早”被抽離。

基于上述原因，inlet-in與inlet-out口的進/出風實際效率不一致，不能很好地將隧道中高溫氣體的熱能交換出去，因此，以混合式通風溫控模式進行的溫控效果較差。

4 拱頂壓入式通風溫控評價與分析

4.1 模型及溫度小于28℃等值體區域涵蓋圖

拱頂壓入式通風溫控方式的模型見圖6a，該方式下溫度小于28℃的特征監測截面溫度云圖見圖6b。

圖6 拱頂壓入式通風溫控模型與界面溫度云圖Fig.6Temperature control model and the interface temperature contours of vault ventilation

觀察圖6b所示拱頂壓入式通風隧道內溫度小于28°的等值體區域涵蓋圖分布情況，可知此通風方式的溫控效果較好。

此通風方式在隧道施工通風中采用較少，主要是因為該方式下風管需置于拱頂處，施工較為復雜，且懸吊設備不僅較麻煩還會影響施工。但是本隧道為高溫隧道，屬特殊情況，精心的施工組織及現場管理是可以采用這一通風方式的。

4.2 拱頂壓入式通風溫控效果評價

相比之前所設定的兩類通風溫控方式，拱頂壓入式能夠很好地控制隧道內的溫度。究其原因，可以從圖7所示側視圖觀察特征截面監測氣流微元從開始到穩定的跡線圖中得到解釋。

圖7 拱頂壓入式通風氣流微元跡線圖Fig.7The vault ventilation airflow micro trace chart

由圖7可以看出拱頂壓入式通風方式下氣流微元的流動軌跡規律為：開始階段，隧道內的氣流呈有序運動，隨著通入氣體量的增加，冷氣流下沉，與隧道內熱空氣的熱對流強烈，送入空氣冷量得到了較好的利用。

4.3 溫控效果分析

研究隧道內氣流微元的跡線規律可以分析出拱頂壓入式通風溫降效果較好的原因如下：

1）氣流自inlet面射入隧道內，沿程運動至掌子面，回流區氣流也摻混進來。在掌子面附近同樣出現渦流現象，類似于側壁壓入式通風和混合式通風，渦流氣體“打轉”。仔細觀察氣流微元跡線規律可以發現，此類通風方式的渦流并非一直“原地打轉”，而是在渦流的“形成—發展—穩定”中，不斷地離開“渦流團”，同時也有氣流不斷地摻混補充進來。這才是拱頂壓入式通風溫控效果較好的主要原因。

2）本方式下出現的這類渦流現象，不但沒有降低通風效率，反而加快了低溫氣流與高溫氣流間的熱交換，提高了風機的工作效率。

3）由inlet面射入的氣流溫度較低，而隧道內原有氣流的溫度較高，根據熱脹冷縮原理，冷空氣的密度較大，有“下沉”的運動趨勢；熱空氣的密度較小，有“上揚”的運動趨勢。這樣，上揚的熱空氣正好遇到射入的冷空氣，促使并加快了冷熱氣體間的熱交換進程；下沉的冷空氣也在下沉過程中與高溫空氣進行熱交換，并且在這個過程中被“擠出”outlet面。

基于上述原因，inlet與outlet面的進/出風能很好地進行熱交換，不斷將隧道中高溫氣體的熱能交換出去，因此，采用拱頂壓入式通風溫控模式的溫控效果較佳。

5 監測直線溫度分析

為了驗證拱頂壓入式通風方式的溫控效果，為實際操作提供理論依據，本研究在該方式下設置了3條直線監測其溫度變化情況。

5.1 監測直線設置

本研究中，設置沿軸方向的3條監測直線①～③，具體如圖8所示。

由于拱頂壓入式通風隧道的溫度分布為左右對稱，所以未在x軸正向設置監測直線，其變化可以參考監測直線②。監測直線①和監測值線②距離隧道壁面的距離為0.5d，監測直線③位于圓心處，其中d為風管直徑。

5.2 監測直線數據分析

試驗所得各監測直線的溫度變化如圖9所示。

圖9 監測直線沿程變化圖Fig.9Diagram for the variation of monitoring line

由圖9可得出：

1）監測直線①為射流中心線，它靠近隧道壁面，由圖9中的圖a可見，射流中心溫度沿程增加，并且維持在27℃以內，滿足規范要求。同時，圖a的結果表明，高溫圍巖壁面的熱輻射尚不足以大幅度增加射流氣流的溫度。

2）監測直線②主要是監測回流氣流，由圖9中的圖b可見，在∈(0，15)m內，T＞28℃，其主要是因為，射流氣流與隧道內原有氣流進行了充足的熱交換之后氣溫升高；其次，監測直線靠近隧道壁面，其受高溫壁面熱輻射作用較強。

3）監測直線③主要監測的也是回流氣流，由圖9中的圖c可見，在∈(0，10)m內，T＞28℃，其主要原因是因為氣流回流到outlet面時“冷量”被耗盡，致使溫度大于28℃。

4）在∈(28，30)m內，3個監測直線所監測到的溫度數據都存在一個急劇上升的變化趨勢，且斜率相近。這是因為受掌子面圍巖熱輻射的影響，致使距離掌子面2m區域內氣流溫度陡增，故需在此區域做特殊溫控處理。

通過以上分析，可知采用拱頂壓入式通風溫控方式的溫控效果較為理想，可以在實際工程中應用，但是需要注意在距離掌子面2m的區域內做特殊溫控處理。

6 結論

通過以上試驗與分析，可得出如下結論：

1）隧道在施工過程中多采用側壁壓入式或混合式通風，在遭遇高溫自然災害時，施工人員因沒意識到其特殊性，往往采取增加機械數量和增大風管直徑的應對方式，現場溫控效果并不理想，建議采用拱頂壓入式通風方式以期獲得良好的降溫效果。

2）對于高溫隧道，混合式通風方式的溫降效果較差，并且是在增加風機數量、高耗能的情況下，故不推薦采用此類方式。

3）隧道內附壁設置抽風機械時，因風機本身多為帶負壓工作，柔性風管時常出現“干癟”現象，影響機械使用壽命，存在一定的安全隱患，因此應盡量避免使用此種方式。

以上結論給高溫隧道通風降溫控制提供了理論依據，可供實際施工參考。

[1]王英敏. 礦井通風與防塵[M]. 北京：冶金工業出版社，1992：192-203. Wang Yingmin. Mine Ventilation and Dust Control[M]. Beijing：Metallurgical Industry Press，1992：192-203.

[2]李俊生. 基于通風方式對高溫隧道掌子面溫降效果的研究[D]. 成都：西南交通大學，2014. Li Junsheng. Research on Ventilation Mode of High Temperature Tunnel Face Temperature Drop Effect[D]. Chengdou：Southwest Jiaotong University，2014.

[3]韓占忠. FLUENT：流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：38-46. Han Zhanzhong. FLUENT: Fluid Engineering Simulation Examples and Application[M]. Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2010：38-46.

[4]中鐵二局集團有限公司. TB10204—2002鐵路隧道施工規范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2002. China Railway Bureau Group Co., Ltd. TB10204—2002 Railway Tunnel Construction Specification[S]. Beijing：China Railway Publishing House, 2002.

[5]余常昭. 紊動射流[M]. 北京：高等教育出版社，1993：118-125. Yu Changzhao. Turbulent Jet[M]. Beijing：Higher Education Press, 1993：118-125.

[6]歐特爾 H. 普朗特流體力學基礎[M]. 朱自強，錢翼稷，李宗瑞，譯. 北京：科學出版社，2008：37-40. Alltel H. Prandtl Fluid Mechanics Basics[M]. Zhu Ziqiang, Qian Yiji, Li Zongrui, Translated. Beijing：Science Press, 2008：37-40.

（責任編輯：廖友媛）

The Effect of Different Ventilation Modes on High Temperature Drop of Tunnel Face

Li Junsheng，Zong Rendong，Ao Xiaobing，Luo Fuying
（China Railway Communications Investment Group Co., LTD.，Nanning 530021，China）

High temperature phenomenon is a kind of common natural disasters in the process of tunnel excavation, and the common solution is ventilation cooling. With a high temperature tunnel as an example and combining with the Fluent numerical analysis, explores from the theoretical level 3 kinds of common ventilation methods such as the side wall forced ventilation, the hybrid ventilation and the vault ventilation to solve this kind of disaster, and from the micro level analyzes the motion law of tunnel jet flow and discusses the suitable temperature control mode. The research results show that：the side wall pressure ventilation temperature control for high temperature tunnel has poor cooling effect; the cooling effect of hybrid ventilation temperature control is the worst, moreover it affects the service life of fans and exists security risks; the vault pressed ventilation temperature control mode for high temperature tunnel shows the efficient cooling effect.

high-temperature tunnel；temperature control ；local temperature drop；ventilation; Fluent software

U453.5

A

1673-9833(2014)05-0032-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.05.007

2014-08-05

李俊生（1988-），男，湖南常德人，中鐵交通投資集團有限公司工程師，碩士，主要研究方向為隧道通風防災，E-mail：chooseljswillbeok@163.com