高地溫引水隧洞施工通風降溫數值模擬研究

中圖分類號：U455 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0050-08

Abstract：Toaddressthegeothermalhazardinwaterdiversion tunnels，numerical simulationswereconductedusingthe COMSOLMultiphysicstoinvestigatethechangesiinteraltemperatureduringtunnelventilation.Theefectsofvariousfactors， includingdiferentventltionspeeds，ventilaiontemperatures，surroundingrocktmperatures，anderalinsulationlars，othe coling performanceof tunelventilationwerestudied.Thecalculationresultsindicatethatwhen theairtemperatureissetat 5% and 15qC ，the ambient temperature within the range of 10～30m behind the tunnel face can be reduced to below 28‰ within half an hour of ventilation.After two hours of ventilation，using a lower airflow velocity （ v =0.5 m/s） can reduce the overall tunnel temperature to a level close to that achieved with a higher airflow velocity（ u =0.9 m/s）. When the surrounding rock temperature reaches 60% ，except for the area 10m behind the tunnel face，the temperatures at farther locations can be reduced to below with sufficientventilation time.With theapplicationofthermalinsulation layers，thetemperaturereductionsat 10m and 30m can further reach 41.1% and 14.0% ，respectively. The research results can provide reference for controlling high -temperature heat damage in diversion tunnels.

Keywords：diversion tunnel;ventilationandcoling;numerical simulation;heat insulationmeasures;highland heathazard

隨著我國工業化和城鎮化進程的持續推進，國民日益增長的生存發展渴望以及對資源開發利用的迫切需求，已成為推動能源結構優化調整和加速基礎設施建設的強勁動力。為拓展對自然資源的開發范圍，我國水電、采礦、交通等工程正逐漸向地形地質條件復雜的西部高山峽谷地區延伸。而受不良地質條件與強烈構造運動影響，西部艱險山區目前的鐵路和水電工程建設以及礦產資源開采中許多擬建與在建的地下工程常面臨著突出的高溫熱害問題[1-7]。例如在鐵路沿線的地下工程中，拉林線桑珠嶺隧道最高巖溫86.7^qC^[8] ，正洞高地溫段總長為 7369m ，其中最高溫度超過 60°C 的線路總長約 1860m 。此外，穿越喜馬拉雅東構造結的拉月隧道實測地溫最大值可達93.5‰ 。在我國的水利水電工程建設中，南水北調西線工程引水隧道最大埋深達 1100m ，局部圍巖溫度可高達 70^qC 。地下工程的高溫現象不僅會造成支護結構失效，還會引起熱應力導致圍巖失穩及襯砌開裂等問題。因此在施工過程中，有效控制高溫熱害問題顯得尤為重要。

對于高巖熱TBM隧道，目前常采用加大通風量的降溫方法[10-13]。通風降溫技術是一種通過機械通風設備調節和降低地下工程環境溫度的方法，其原理是利用風機產生空氣流動，將外界較低溫度的新鮮空氣引入作業區域，同時排出熱空氣和有害氣體，達到降溫和改善空氣質量的效果。杜翠鳳等4以掘進巷道為研究對象，利用數值模擬的方法，研究了風量、出風溫度以及巖壁溫度三個因素對巷道降溫效果的影響。榮騰龍等針對TBM掘進巷道，研究了不同出風速度、出風溫度和不同風筒位置等因素對巷道內通風和降溫過程的影響。張慶明等[對比了側壁壓入式通風和混合式通風方式下高地溫隧道施工通風降溫的效果，同時研究了高地溫隧道在兩種通風方式下隧道內溫度和降溫速度的分布規律。方勇等建立了隧道的三維數值模型，研究了風管在不同布設位置下，對通風效果的影響。綜上所述，眾多學者針對不同地下工程，對通風降溫效果的影響因素進行了研究，然而自前關于多因素共同影響下的引水隧洞通風降溫的系統研究還較少。

本文主要針對TBM掘進面臨的引水隧洞高溫熱害問題，利用COMSOLMultiphysics軟件建立空氣對流-傳導換熱模型模擬隧洞通風過程中的溫度演化過程，系統分析通風速度、通風溫度、圍巖溫度以及隔熱層等因素對洞內溫度變化的影響規律，研究結果可為高地溫引水隧洞的熱害控制提供參考。

1 隧洞通風降溫模型

1.1模型基本假設

由于湍流計算的復雜性，數值模型的收斂性具有較大挑戰。因此，為簡化數值計算，本研究做出以下假設。

第一，假設圍巖和隔熱層的熱物理性質穩定、均勻并且各向同性。

第二，隧洞內氣流被視為弱可壓縮流體，符合Boussinesq假設，即僅考慮溫度變化對流體密度引起的浮力效應，而忽略密度變化對流體動力特性的直接影響。此假設基于流體壓力變化對密度影響有限的物理事實，有效簡化了流體動力學方程，使之更適用于隧洞通風與換熱問題的數值分析。

第三，本模型忽略由流體黏性力導致的熱耗散效應，同時假定隧洞內固體壁面間的熱輻射傳遞可忽略不計。做出該假設的原因是隧洞內空氣作為多種非輻射性氣體混合物，其輻射能量交換能力有限。同時，由于隧洞結構簡化為對稱圓形，理論上壁面間的輻射能量可實現相互抵消，對整體熱傳遞過程貢獻甚微。因此，為減少計算復雜度并聚焦于主要傳熱機制，本研究將忽略輻射熱傳遞的影響。

第四，假設隧洞內壓力變化對氣流密度及溫度的影響可忽略不計。這一假設基于流體在隧洞內流動時，其壓力變化相較于溫度與密度變化而言較為微小，并且對整體換熱過程不構成顯著影響的物理認識。通過此假設，能夠進一步簡化模型方程，提高計算效率與穩定性。

1.2模型控制方程

隧洞內的傳熱系統分為熱傳導和熱對流兩部分。熱傳導主要發生在圍巖和隔熱層，熱對流主要發生在氣流內部和氣流與隧道壁的界面處。其中，隧洞隔熱層以及圍巖內的熱傳導控制方程可以寫為

式中： _：ρ 是隔熱層或圍巖的密度； C_p 是隔熱層或圍巖的比熱容； T 是隔熱層或圍巖的溫度； χ_t 是時間； q 是隔熱層或圍巖的熱流密度； Q 是隔熱層或圍巖的熱源； λ 是隔熱層或圍巖的熱導率。

在機械通風下的氣流通常處于湍流狀態，其中標準的雷諾平均Navier-Stokes（RANS）模型因其解決湍流流場的方便性而被廣泛使用。其控制方程包括時間平均質量守恒方程、動量守恒方程（N-S方程）、能量守恒方程和 k-ε 雙方程湍流模型，這些方程可以寫成如下形式。

1.2.1 質量守恒方程

式中： ：ρ_a 是氣流密度； u 是氣流速度。

1.2.2 動量守恒方程（N-S方程）

式中： ??μ 是氣流的黏度系數 σ;μ_T 是氣流的湍流黏度系數；I 是單位矩陣； P 是氣流壓力； F=ρ_aX-?/?x 0 （μ^′??u） ，其

中 X 是沿坐標軸方向的體積力 ，μ^′=2/3μ（??u） ，是氣流的第二黏度系數。

1.2.3 能量守恒方程

式（6）和（7）中： C_pa 是氣流的比熱容； T_a 是氣流溫 度； q_a 是氣流的熱通量密度； λ_a 是隨 T_a 變化的氣流 熱導率； Q_a 是氣流的熱源。

7） 1.2.4 k-ε 雙方程湍流模型

式（8）和（9）中： k 是氣流的湍流動能； ε 是湍流動能的耗散率。 p_k=μ_I[?u：（?u+（?u）^ra）]-2/3（??u）²-2/3ρ_ak 和 σ_ε 為經驗常數。

2 隧洞有限元模型建立

2.1 模型概況

本研究依托青藏高原邊緣地形過渡帶某高地溫引水隧洞的通風降溫設計需求，通風方案選擇拱頂壓入式通風。數值模擬中的幾何模型取隧洞長度為 250m 隧洞直徑為 13m ，風管直徑為 lm ，風管末端距離掌子面 20m 。具體的隧洞側剖面幾何模型如圖1所示。

為了研究不同通風速度、通風溫度、圍巖溫度以及隔熱層等因素對隧洞通風降溫效果的影響，選取表1所示參數進行數值模擬，以分析各參數對隧洞內溫度分布及降溫效率的影響規律。

2.2 初邊值條件

1）空氣流以 u=-u_an 的速度從風管入風口流入隧洞，然后以 p=p_atm 和 -n?q=0 來表征空氣的逸出邊界。為了研究通風速度 u_a 和初始溫度 T_a 的影響，設置了3種通風速度（即 0.5，0.7，0.9m/s 和3種初始空氣溫度（即5、15和 25°C ）。

2）圍巖外邊界設為恒溫邊界，其溫度等于初始巖石溫度。本研究共考慮了3種圍巖溫度 T_r：40.5060^°C

3）在湍流模塊中，隧洞壁面設為無滑移的wall邊界，同時通風管道壁面設為無滑移的innerwall邊界。在傳熱模塊中，當不考慮隔熱層時，隧洞壁面設為開放邊界；當施加隔熱層時，隧洞壁面設為thinlayer邊界。

2.3 網格劃分

隧洞的幾何模型采用非結構化網格劃分計算區 域，圍巖及隧洞區域共劃分為3436個三角形單元網

格和2036個四邊形單元網格，總單元數為5472，最小單元質量為0.1355，平均單元質量為0.773，單元面積比為0.01485。

2.4數值實現軟件

本文利用COMSOLMultiphysics實現上述數學模型，進而模擬分析通風降溫過程中的洞內溫度發展演化。COMSOLMultiphysics是一款基于有限元法的多物理場仿真軟件，其通過精確求解偏微分方程來模擬真實的復雜物理現象。該軟件廣泛應用于科學研究、工程設計、優化和問題解決等領域，特別是在傳熱分析、流體動力學、聲學和光學等多個工程和科學領域應用廣泛。

COMSOL的主要優勢在于其多物理場耦合能力，其可以同時求解流體流動、熱傳導、結構力學和電磁場等多種物理現象。其網格支持能力強大且網格類型多樣；同時，該軟件內置的物理模型豐富而先進，可以為用戶提供層流、湍流和混合流等多種流動模型，其熱傳導模塊能夠模擬包括強制對流、自然對流及輻射在內的多種傳熱模式，并具備豐富的物性參數數據庫。

對于隧洞通風降溫問題，COMSOL的湍流模塊和傳熱模塊可以提供精確的模擬方案。通過計算熱量傳遞和氣流的流動，能夠優化隧洞內的溫度分布和氣體流速。

3模擬結果分析

3.1通風溫度對高巖溫TBM施工環境降溫效果的影響

通風是高巖溫隧洞施工中降低環境溫度的主要措施之一，同時通風溫度將直接影響隧洞內施工環境的降溫效果，因此有必要對不同風溫條件下的隧洞環境控制效果進行研究。依據四季氣溫變化與晝夜溫差，選擇送風溫度 T_in 為 5、15、25°C ，通風速度 v 為0.5m/s ，圍巖溫度 T_b 為 40°C ，進而模擬高巖溫TBM施工環境的通風效果。

由圖2、圖3可以看出，降低通風溫度可有效提高高溫隧洞施工環境的降溫效果，尤其是在出風口處溫度降幅更為顯著，因此在實際工程中應考慮將管道出風點設置于施工人員活動區域。此外，在壓入式通風隧洞內，風流從通風管出口流向掌子面，在受到掌子面阻礙后，折返流向隧洞進口方向。故在此類高溫隧洞中，沿風回流路徑的各個區域將次第降溫。

值得注意的是，由于TBM的刀盤尺寸差異，因此施工人員的工作區域通常位于掌子面后方 10～30m 故通風降溫僅需主要滿足對此區域的溫度控制即可。

為進一步分析通風措施對高溫隧洞的降溫效果，在距掌子面 10m 及 30m 處（即測點 A，C^? 設置測點，進而繪制隧洞氣溫變化曲線如圖4、圖5所示。

根據曲線圖可以看出，由于受阻擋回流作用影響，因此距離掌子面最近的測點A處溫度最高，同時更遠的測點C處溫度則低于A處。值得注意的是，當圍巖溫度達到 40°C 時，以 0.5m/s 的風速通入 25^°C 空氣，在測點A處溫度只能降到 29.23^°C ，無法達到SL303—2004《水利水電工程施工組織設計規范》規定的隧洞內工作環境溫度 28°C ，此時應輔以其他方式進行降溫處置。此外，雖然更低的通風溫度降溫幅度更大并且降溫速率更快，但是風溫為 5，15^°C 時均能在通風半小時左右將掌子面后 10～30m 范圍環境溫度降至28^°C 以下，因此在 40°C 的圍巖溫度條件下，向隧洞以0.5m/s 的風速通入 15°C 的低溫空氣不僅能滿足施工規范所要求的降溫效果，而且相較于 5°C 的通風降溫更具有經濟效益。

3.2 通風速度對高巖溫TBM施工環境降溫效果的影響

通風速度是影響高溫隧洞通風降溫效果的重要參數之一，因此需要利用模型計算分析不同風速對空氣溫度的影響規律，并以此指導施工通風。模型預測計算參數取送風溫度 T_in 為 5^°C ，通風速度 v 為0.5、0.7與 0.9m/s ，圍巖溫度 T_b 取 40% ，模擬計算結果如圖6、圖7所示。

由圖8、圖9可知，在 40% 的高巖溫條件下，提高通風速度將加快高溫隧洞的降溫進程。但是在通風2h 后，采用較低的風速（ Δv=0.5m/s 仍能將隧洞溫度降至與較高風速（ v=0.9m/s ）幾乎一致的水平。因此，持續的高速通風并不會對維持隧洞低溫環境帶來額外效益。故在實際工程中，可考慮在施工前期提高風速，進而盡快降低隧洞溫度便于施工，待溫度下降至穩定水平后可適當減小風速。這樣既能有效將隧洞施工環境溫度控制在規范要求范圍內，還可進一步節省通風降溫的經濟成本。

3.3不同巖溫對TBM施工環境氣溫的影響 3.4隔熱層對高巖溫TBM施工環境降溫效果的影響

圍巖溫度是隧洞內施工環境溫度的直接影響因素，因此有必要對不同巖溫條件下的通風降溫效果進行研究。依據現有工程案例選擇送風溫度 T_in 為 15^°C 通風速度 v 為 0.5m/s ，圍巖溫度 T_b 為 40，50，60^°C ，進而模擬計算高巖溫TBM施工環境的通風效果，溫度分布如圖10、圖11所示。

根據圖12、圖13可以看出，圍巖溫度上升將阻礙隧洞通風降溫進程并削弱降溫效果。值得注意的是，當圍巖溫度 T_b=60^°C 時，長時間的通風降溫也難以將測點A處的空氣溫度降到規范規定的 28^°C 以下。同時，測點C處則分別需要大致 18，25，30min 將溫度降至 28^°C 以下。可見，通風降溫措施在高溫條件下仍能夠高效地控制環境溫度，進而為施工人員提供安全保障。

在高巖溫的隧洞工程中，除采用通風降溫措施外，通常還將設置隔熱層以進一步削弱高溫圍巖對隧洞施工環境溫度的影響，并提高襯砌結構的安全儲備。故以巖溫 T_b=60^°C ，風溫 T_in=15°C ，風速 v=0.5m/s 工況為例，分別考慮有無隔熱層對隧洞通風降溫的影響，模擬計算結果如圖14、圖15所示。

注： T_in=15C;v=0.5m/s_°

由圖16、圖17可知，在未添加隔熱層時，通風降溫僅能在出風口附近達到最優效果。相比之下，添加隔熱層將有效削弱圍巖傳熱的影響，進而在通風 ^2h 后可實現對整條隧洞的降溫調控。具體分析來看，未添加隔熱層時，測點A、C兩處最終溫度分別為27.57、18.37°C ，在添加隔熱層后，可將上述區域進一步降溫至 16.23，15.81°C ，降溫幅度分別可達 41.1% 及14.0% 。此外，由于圍巖與空氣之間的熱交換速率較慢，因此通風降溫的前1h內，是否實施圍巖隔熱對空氣溫度的影響較小。然而隨著圍巖與空氣之間熱交換的持續進行，最終隔熱工況將在穩態條件下相較于不隔熱工況產生約 5°C 的溫度降低。故在極端高溫環境中，設置隔熱層可大幅增強通風降溫效果，進而為施工過程中的工作人員提供進一步的安全保障。

4結論

本文針對引水隧洞的高溫熱害問題，利用數值模擬分析了不同通風速度、通風溫度、圍巖溫度以及隔熱層對隧洞通風降溫效果的影響，得出了以下結論。

1）在 40% 的圍巖溫度條件下，向隧洞以 0.5m/s 的風速通入 15^°C 的低溫空氣不僅能滿足施工規范所要求的降溫效果，而且相較于 5°C 的通風降溫更具有經濟效益。

2）在實際工程中，可考慮在施工前期提高風速，進而盡快降低隧洞溫度便于施工，待溫度下降至穩定水平后可適當減小風速。這樣既能有效將隧洞施工環境溫度控制在規范要求范圍內，還可進一步節省通風降溫的經濟成本。

3）當圍巖溫度達到 60°C 時，長時間的通風也難以將 10m 處的溫度降到 28^°C 以下。同時， 30m 處則分別需要大致 18.25.30min 將溫度降至 28°C 以下。通風降溫措施在高溫條件下仍能夠高效地控制施工環境溫度。

4）通風降溫的前1h內，是否實施圍巖隔熱對溫度的影響較小。然而隨著圍巖與空氣之間熱交換的持續進行，最終隔熱工況將在穩態條件下相較于不隔熱工況產生約 5°C 的溫度降低。

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