不同通風參數對高溫隧道掌子面溫降效果研究

陳乾陽, 陳壽根, 陳 奇, 何 濤

(西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031)

某客運專線隧道在開挖過程中遭遇40 ℃高溫災害，嚴重影響施工進度，施工方采取了一些通風降溫措施，但效果不佳。因此有必要對通風降溫參數進行研究分析，以便改進措施，尋求更佳的通風降溫參數或其他降溫措施，以解決高溫隧道施工問題。

對于隧道熱害，為改善施工環境，一般視熱害嚴重程度分別采用礦井通風、隔絕熱源、個體防護、局部制冷、集中制冷來考慮治理[1]。一般在熱害并不十分嚴重情況下，通過加大風量通風，優化通風系統，利用調熱風道等措施均能改善井下環境[2]。一般認為在井下應最大限度地優化通風系統，采取各種手段盡量隔絕井下熱原向通風風流的熱流流動，以降低井下風溫，只有在特別困難的情況下，采用制冷空調技術降低井下氣溫[3]。在現有的關于利用通風對隧道降溫研究中，多是關于不同通風方式對降溫效果的研究[4-6],鮮有不同通風參數對溫降效果的研究。而合理的通風參數能在滿足施工要求得同時，降低通風成本。因此本文利用Fluent軟件，模擬不同通風速度和不同通風氣溫條件下，采用設置監測斷面進行觀測，分析不同通風參數下對隧道內溫度場的分布影響,以便選取合適的通風方案。

1 工況參數

1.1 計算模型

利用流體計算軟件CFD模擬計算該隧道通風效果，建立圍巖-襯砌結構-洞內系統模型，其中整個模型長度為200 m，掌子面離洞口距離為180 m，風管通風口距掌子面30 m，設置隧道中軸線斷面為監測斷面。模型見圖1、圖2，經檢驗網格劃分均勻，符合計算精度要求。

圖1 網格橫斷面示意

圖2 模型三維示意

1.2 計算參數及邊界條件

根據現場監測數據，模型計算參數如表1所示，邊界條件如表2所示。

2 不同通風速度下溫控效果分布與評價

在通風設備功能條件滿足理論要求的情況下，可增大通風速度加快空氣流通，降低隧道內氣溫。因此，有必要進行模擬計算，研究不同通風速度下的通風降溫效果。

2.1 不同通風速度下隧道溫度場分布

通風風口速度為10 m/s、20 m/s、30 m/s工況下，隧道溫度場分布見圖3～圖5。

圖3 風口速度10m/s隧道溫度場分布

熱物理性質取值比熱容/(j·kg-1·k-1)巖石1256.1混凝土970空氣1006.43密度/(kg·m-3)巖石2500混凝土2400導熱系數/(w·m-1·k-1)巖石2.5混凝土1.5空氣0.0242粘性指數/(kg·m-1·s-1)空氣17894×10-5

表2 邊界條件

圖4 風口速度15m/s隧道溫度場分布

圖5 風口速度20m/s隧道溫度場分布

計算結果表明：

(1)不同通風速度下隧道內氣溫降低的效果差別不大，但隧道內氣溫降低范圍有所不同。

(2)在通風速度為15 m/s、20 m/s時，掌子面至風口區域的溫度降低范圍大于通風速度為10 m/s的工況。但通風速度為15 m/s工況與通風速度為20 m/s工況相比，掌子面至風口區域的溫度降低范圍無明顯變化。

2.2 溫控效果評價

由以上計算可知，改變通風速度大小對降低隧道內最大氣溫效果不明顯。但不同通風速度下隧道內空氣受影響范圍不同，通風速度越大，隧道內氣溫降低范圍越大。但當通風速度增加到一定程度后，隧道內氣溫降低范圍增加較小。故僅依靠簡單地增加通風速度的方式擴大溫降范圍效果有限。應同時增加其他措施。

3 不同通風氣溫下掌子面溫控分布與評價

隧道地屬地，平均氣溫21.3 ℃，年最熱月平均氣溫34.1℃，年最冷月平均氣溫8.3 ℃。為考慮不同季節條件下隧道內溫度是否滿足施工條件，在相同通風風速(風口速度設定為10 m/s)條件下，分別取風筒口空氣溫度10 ℃(283.16 K)、20 ℃(293.16 K)、30 ℃(303.16 K)(不考慮風機制冷，僅考慮將室外自然空氣灌入隧道內)模擬不同氣候溫度對通風降溫效果的影響。

3.1 不同通風氣溫下隧道溫度場分布

通風氣溫分別為10 ℃(283.16 K)、20 ℃(293.16 K)、30 ℃(303.16 K)的監測斷面溫度場分布見圖6～圖8。

圖6 通風溫度10℃監測斷面溫度場分布

圖7 通風溫度20℃監測斷面溫度場分布

圖8 通風溫度30℃監測斷面溫度場分布

計算結果表明：

(1)在相同模型參數下，通風溫度對隧道內溫度場分布的影響較大，通風溫度越高，隧道內降溫效果越差，圍巖溫度梯度越小。不同通風氣溫下低溫空氣的利用效率亦有較大差別。

(2)通風氣溫為10 ℃工況下，施工區域(掌子面至通風筒口區域)的溫度有明顯降低，隧道氣溫下降到17 ℃左右。隧道內溫度分布不均，隧道上部斷面溫度明顯低于下部斷面低溫空氣利用效率不高。

(3)通風氣溫為20 ℃工況下，施工區域的溫度有明顯降低，隧道內氣溫降低到22 ℃左右。隧道內溫度較為均勻，低溫空氣利用效率較高。

(4)通風氣溫為30 ℃工況時，隧道氣溫處于30 ℃左右，通風降溫效果較差，施工很難正常進行。

3.2 不同通風氣溫下隧道溫度場評價

由上述計算結果可知，在夏季炎熱天氣下，室外空氣較高不能直接灌入隧道內，必須降低風機進口端氣溫。不同通風氣溫下，低溫空氣的利用效率不同。在通風氣溫為10 ℃和20 ℃，相差10 ℃情況下，施工區域均氣溫都能滿足施工需求，二者均氣溫僅相差5 ℃，同時在20 ℃工況下施工區域氣溫分布較10 ℃工況下更為均勻。

4 監測數據分析

為了驗證通風溫度20 ℃下，不同通風速度的溫控效果，為實際通風方案提供依據。本研究在掌子面至通風管口范圍內，于拱腰頂處間距5 m分別設置氣溫監測點。監測數據如圖9所示。

圖9 不同通風風速下監測點氣溫

由上述監測點可知現場實測氣溫高于數值模擬計算氣溫，這是因為數值模擬對隧道模型進行了簡化，忽略了隧道中人員、設備發熱等情況。實測數據表明拱腰溫度變化不大，與但數值模擬計算溫度變化趨勢一致。采取10 m/s通風速度，20 ℃通風氣溫是經濟可行的。

5 結論

(1)在高地溫隧道中，提高通風風速對降低隧道內氣溫效果不佳，宜考慮其他措施。降低通風口氣溫可以有效降低隧道空氣氣溫，是一種有效的降溫措施。

(2)不同通風氣溫下低溫空氣的利用效率不同，進風氣溫為20 ℃時與進風溫度為10 ℃情況下隧道內氣溫均能滿足要求，且進風氣溫為20 ℃的效率顯著高于進風氣溫為10 ℃的工況。

(3)不同通風風速下，隧道內氣溫降低的效果差別不大，但隧道內氣溫降低范圍有所不同，風速越高，氣溫降低范圍越大。