高海拔寒區隧道通風降溫研究

楊德智　何瑜　鄧毅

摘? 要：高海拔寒區修建的隧道的防凍脹措施是其一項重點工程，如果該類地區隧道未做有力防凍脹措施，在隧道營運后將會出現嚴重的凍害，例如襯砌開裂、剝落，以及隧道積冰等，將會嚴重影響隧道運行。通風降溫系統主要用于隧道處于地熱地質情況下，極少運用到高海拔寒區隧道實踐中，此次通風降溫研究為防止施工開挖產生的熱量融化一部分裸露的圍巖從而加重凍害的發生，為防凍害奠定基礎。

關鍵詞：高海拔? 寒區? 通風? 降溫

中圖分類號：U45 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（b）-0036-03

高海拔寒區的隧道，由于其地理環境、氣候條件的影響，該地區的年均氣溫低下，在冬季甚至出現極寒的情況，常年積雪。通風降溫技術多用在有地熱地質情況的隧道，而對于高海拔寒區隧道的施工通風降溫技術可謂少見。對隧道的洞口段來講，在施工前圍巖已經處于凍土的狀態。施工所產生的外界熱量可能使得掌子面附近的圍巖產生熱融現象，由于熱融現象的存在影響圍巖的穩定性。施工開挖時為了減少對于原有凍土的擾動，使用施工通風降溫的措施從而來消除外界的熱量，從而保證原有圍巖原始的熱力學狀態。該文通過理論公式計算并且利用Fluent軟件進行數值模擬，為避免施工而產生的熱融現象從而保證通風風管末端風流的溫度，使得施工時掌子面附近以及圍巖處于0℃左右的情況。

1? 工程概況

某高海拔地區項目，隧道起訖里程，DK259+255～DK2

75+152，全長15.897km。隧道起點位于青海省西寧市境內，終點位于青海省海北州境內。同時該研究的隧道處于高原地區亞寒帶半干旱氣候區，平均海拔約3300m，該處區域高寒缺氧，最高海拔為4500m。年平均氣溫5℃以下，極端最低氣溫-36℃，最大凍結深度200cm。

2? 掌子面理想化溫度計算

2.1 隧道開挖時溫度場在掌子面的影響因素

由于圍巖爆破以及機械運輸出渣等原因，在隧道施工時就會產生外來熱量，通過分析可知其產生的因素主要有圍巖爆破、施工人員活動、內燃機械運行、圍巖與空氣熱交換等。

內燃機械運行散熱：工程的內熱機械大都是大功率機械，隧道施工時需要進行對開挖石方的清運，其產生的熱量不容忽視，內燃機等設備的散熱量為：

（1）

施工人員活動產生的熱量：人員的活動會差生熱量，根據施工人員的勞動時間及勞動強度可以計算得出其產生的熱量，可以按照下面公式計算：

Qr=qr×nr? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

此次只以在掌子面附近施工的人員為研究對象進行計算。具體數據見表1。

施工時圍巖爆破所產生的熱量：

（3）

具體計算數據見表2。

2.2 隧道施工開挖掌子面附近風溫計算

假設條件：（1）風管內及隧道中的風流都為理想狀態;（2）隧道的尺寸、高程等基本參數不變;（3）圍巖熱力學參數不變;（4）通風量穩定;（5）風管風流和隧道風流均不可壓縮且為穩流。隧道橫斷面尺寸遠遠小于通風距離，風管和隧道均簡化為細長的管道，則通風傳熱模型近似簡化為一維紊流換熱模型。

設掌子面附近溫度為t，根據其外界熱源列能量方程為：

qm1（h1-h1i）=α[Ty-（T1i+T1/2）]S+∑QM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

空氣的焓值也可稱為比焓，濕空氣比焓計算以（1+ω）kg為標準，干空氣質量為1kg，與其對應水蒸氣的質量為ωkg，則該質量濕空氣的比焓按下式計算：

h=1.01T+0.001ω（2501+1.85T）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

∑QM為工作面各類絕對熱源之和（kW），即

∑QM=QW+Qp+Qb+Qp? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

2.3 掌子面附近通風風流溫度與空氣溫度計算

濕空氣是一種混合氣體，物理參數指標為含濕量ω（g/kg）。含濕量是指含有1kg干空氣的濕空氣中混有水蒸氣的質量。

（7）

按上述計算的方法，采用全斷面施工開完方法對此次研究的隧道正洞圍巖施工段最大通風量，隧道洞口的大氣壓為68000Pa，開挖斷面面積為130m2（干空氣質量流量取值為40.71kg/s），洞外以及洞內的濕度分別為62%、67%，通風筒末端距掌子面以15m距離為依據并且圍巖原始溫度取-2℃。總熱量∑QM=10.12+4.7+45.98-6.696=54.104kW，根據假設隧道橫斷面中心高程為不變值，則Qp為0。為保證隧道掌子面的工作環境溫度控制在0℃左右，根據計算可得知通風管末端風流溫度為-1℃。

3? 數值模擬隧道開挖掌子面溫度場

該項目隧道的掌子面溫度模擬利用有限元軟件FLUENT進行模擬。

3.1 物理模型

此次計算是為了保證掌子面不出現凍融的情況進行控制。模擬情況主要為洞口段的凍土區。分析該項目進口處，凍土段大約在1000m處，數字模型縱斷面長度在不考慮平導的情況下去除1000m。橫斷面在II級圍巖的情況下的掌子面（此時開挖斷面最大）并且掌子面附近熱源所產生的熱量也為最大值。通過上面計算分析可知掌子面附近的熱源所產生的熱量Q=54.104kJ，隧道掌子面開挖前熱量出于平衡狀態并且隧道掌子面開挖爆破所產生了額外的熱量Q，為了簡化計算將熱量Q轉化為掌子面的溫度。由于這些原因的存在，掌子面的溫度從-2℃提升至7.07℃，計算公式如下：

Q=cm△T? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

在II圍巖下c取970（J·kg-1·k-1），m=2500×279×0.03，計算可知等于9.07℃。簡化計算假設如下。

（1）隧道內風流各向同性且風管氣流為三維穩態并不可壓縮。

（2）隧道內及風管風流符合Bouss-inesq假設。

（3）氣密性好并在壁面處擴散通量為0。

3.2 邊界條件設置

該計算模型的風管進口速度為（21m/s），以壓入式風筒出口為入口邊界，隧道壁面設置為無滑移模型，隧道出口設置為interface;隧道掌子面設置為wall，進口設置為pressure-outlet。

3.3 數值模擬結果及分析

該次數字模擬對掌子面溫度采取了4個計算工況。風筒末端的風流溫度分別為-5℃、-3℃、-1℃、0℃，距離隧道掌子面距離0.5m處工作面的溫度分布云圖如圖1所示。

由圖1可知風動末端溫度為0℃、-1℃、-3℃、-5℃時均可以保證隧道掌子面附近溫度處于負溫的狀況。由溫度云圖可知風筒末端風流為-1℃時，隧道掌子面附近溫度是最接近0℃。同時又截取了隧道掌子面0m、0.2m、0.5m、0.7m距離處，-1℃時隧道截面溫度分布云圖如2所示。

分析云圖，通過圖2可知：風流為-1℃時在風筒末端情況下，隧道掌子面附近以及掌子面的溫度均處于負溫區的情況。而且距離隧道掌子面距離越遠的風流溫度越低并且非常接近0℃。通過此隧道數值模擬分析，驗證了上節在理想一維情況下計算出的風筒末端風流的溫度是完全可行的。

4? 結語

通過三維Fluent軟件數字模擬和理想的一維模型數字計算分析可知：通風筒末端的風流溫度在-1℃的情況下時，完全可以保證隧道掌子面附近的溫度約為0℃。在此情況下保證隧道掌子面暴露在外的圍巖不發生熱融的情況。通過分析得知在實際施工過程中，保證通風管末端風流溫度在0℃～-1℃時均可保證掌子面以及隧道掌子面附近為負溫區。該次所對隧道施工時采用通風降溫的措施更有效地避免發生熱融，為防凍脹奠定了良好的基礎。

參考文獻

[1] 江亦元.高海拔多年凍土隧道施工技術及工藝試驗研究[D].中南大學，2005.

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[3] 黃翔.空調工程[M].北京：機械工業出版社，2006：12-38.

[4] 韋節廷.空氣調節工程[M].北京：中國電力出版社，2009：18-32.