不同通風(fēng)方式對(duì)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(yīng)

（中鐵交通投資集團(tuán)有限公司，廣西南寧530021）

不同通風(fēng)方式對(duì)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(yīng)

（中鐵交通投資集團(tuán)有限公司，廣西南寧530021）

高溫現(xiàn)象是長大隧道開挖過程中常見的一種自然災(zāi)害，常用的解決手段是通風(fēng)降溫。以某高溫隧道為例，結(jié)合Fluent數(shù)值分析，從理論層面探究了側(cè)壁壓入式通風(fēng)、混合式通風(fēng)和拱頂壓入式通風(fēng)3種常用通風(fēng)方式解決這類災(zāi)害的優(yōu)劣，并從微觀層面分析了隧道內(nèi)射流氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討了較為適宜的溫控方式。研究結(jié)果表明：高溫隧道采用側(cè)壁壓入式通風(fēng)溫控方式的降溫效果不佳；采用混合式通風(fēng)溫控方式的降溫效果最差，且影響風(fēng)機(jī)使用壽命，存在安全隱患；采用拱頂壓入式通風(fēng)溫控方式在應(yīng)對(duì)高溫隧道時(shí)表現(xiàn)出高效的降溫效果。

高溫隧道；溫控；局部溫降；通風(fēng)；Fluent軟件

0 引言

某客運(yùn)專線隧道在開挖過程中遭遇了40 ℃的高溫災(zāi)害，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，施工方也曾采取了一些通風(fēng)降溫措施，但是降溫效果不理想。因此，有必要對(duì)隧道內(nèi)射流氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析與研究，以便改進(jìn)已有通風(fēng)降溫措施，尋求較佳的降溫通風(fēng)方法，解決高溫帶來的影響。

隧道施工過程中，常用的通風(fēng)降溫方式有側(cè)壁壓入式通風(fēng)、混合式通風(fēng)和拱頂壓入式通風(fēng)3種[1]，它們是根據(jù)通風(fēng)過程中風(fēng)筒布置位置的不同來進(jìn)行區(qū)分的。已有研究中，關(guān)于各通風(fēng)方式對(duì)于隧道的通風(fēng)降溫效果方面的比較研究較少，而合理的通風(fēng)方式能降低通風(fēng)成本、有效控制掌子面溫度、提高通風(fēng)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(fēng)方式[3]，采用設(shè)置監(jiān)測(cè)截面、監(jiān)測(cè)直線等方法進(jìn)行觀測(cè)，分別分析不同通風(fēng)方式對(duì)隧道內(nèi)溫度小于28 ℃[4]（即華氏301度）等值體區(qū)域涵蓋圖、射流氣流微元跡線規(guī)律的影響，以便選擇適用于高溫隧道施工的通風(fēng)降溫方案，改善掌子面人員密集活動(dòng)區(qū)的局部環(huán)境溫度。

1 工況參數(shù)及監(jiān)測(cè)截面

王英敏[1]指出，礦井通風(fēng)設(shè)置中，風(fēng)管出口到掌子面的距離應(yīng)小于有效射程，通常Lx=(4～5)[5]，其中S為隧道斷面面積。根據(jù)這一要求，設(shè)定本研究中模擬的隧道相關(guān)參數(shù)如表1所示。

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

為了能更好地觀察隧道內(nèi)氣流微元的跡線，設(shè)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(jiān)測(cè)特征截面，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)截面示意圖Fig.1Schematic diagram of monitoring section

2 側(cè)壁壓入式通風(fēng)溫控評(píng)價(jià)與分析

2.1 模型及溫度小于28 ℃等值體區(qū)域涵蓋圖

側(cè)壁壓入式通風(fēng)溫控方式是指將風(fēng)管置于側(cè)壁處的通風(fēng)方式，其模型如圖2a所示，該方式下溫度小于28℃的特征監(jiān)測(cè)截面溫度云圖如圖2b所示。

圖2 側(cè)壁壓入式通風(fēng)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(cè)壁壓入式通風(fēng)溫控方式下隧道內(nèi)溫度小于28℃的等值體區(qū)域涵蓋圖的分布情況，可得出，隧道內(nèi)溫度小于28℃的等值體區(qū)域在outlet面附近并不涵蓋，由此可知此類通風(fēng)方式的溫控效果不佳。

2.2 側(cè)壁壓入式通風(fēng)溫控效果評(píng)價(jià)

讀取特征截面監(jiān)測(cè)到的氣流微元流動(dòng)軌跡，即跡線[6]，可以找到側(cè)壁壓入式通風(fēng)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(jiān)測(cè)截面的氣流微元從開始到穩(wěn)定的跡線圖。

圖3 側(cè)壁壓入式通風(fēng)氣流微元跡線圖Fig.3The sidewall ventilation airflow micro trace chart

由圖3可以看出，側(cè)壁壓入式通風(fēng)方式下氣流微元的流動(dòng)軌跡規(guī)律為：開始階段，氣流呈有序運(yùn)動(dòng)；隨著通入氣體量的增加，出現(xiàn)渦流卷吸，致使部分高溫氣體原地打轉(zhuǎn)。

2.3 溫控效果分析

研究隧道內(nèi)氣流微元的跡線規(guī)律可以分析出側(cè)壁壓入式通風(fēng)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(yùn)動(dòng)直至掌子面，由于回流區(qū)氣流與射流區(qū)氣流相互摻混[1]，它們因進(jìn)行能量、動(dòng)量的交換而形成了渦流，致使混合氣流在離掌子面5～15m區(qū)域內(nèi)“不斷打轉(zhuǎn)”。隨著交換時(shí)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(qū)域的溫降效果較差。

2）在低速、污濁、高溫氣流回流向outlet面時(shí)，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(shì)必進(jìn)行動(dòng)量、熱對(duì)流、污濁物濃度等一系列復(fù)雜的交換。從而導(dǎo)致離outlet面較近和部分原本應(yīng)穿過outlet面并離開隧道掌子面30m范圍的氣流，改變運(yùn)動(dòng)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(yù)期效果大打折扣。這也是隧道內(nèi)溫度小于28℃等值體區(qū)域在outlet面附近并不涵蓋的原因。

基于以上原因，回流區(qū)氣流與射流區(qū)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(cè)壁壓入式通風(fēng)溫控模式的溫控效果不理想。

3 混合式通風(fēng)溫控評(píng)價(jià)與分析

3.1 模型及溫度小于28℃等值體區(qū)域涵蓋圖

混合式通風(fēng)溫控方式是指送風(fēng)機(jī)械與抽風(fēng)機(jī)械同時(shí)工作的一種通風(fēng)方式，其模型如圖4a所示，該方式下溫度小于28 ℃的特征監(jiān)測(cè)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(fēng)溫控方式下隧道內(nèi)溫度小于28°的等值體區(qū)域涵蓋圖的分布情況，可以看到隧道內(nèi)溫度小于28 ℃的等值體區(qū)域在outlet面附近并不涵蓋，相較于側(cè)壁壓入式通風(fēng)溫控方式，其溫控效果更差。

圖4 混合式通風(fēng)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(fēng)溫控效果評(píng)價(jià)

混合式通風(fēng)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(shí)，施工方抱著“一邊送風(fēng)、一邊抽氣效果肯定好”的心態(tài)而選擇混合式通風(fēng)溫控方式，但是其實(shí)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(nèi)與高溫氣流經(jīng)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(jiān)測(cè)截面溫度云圖的模擬結(jié)果表明，在風(fēng)機(jī)功率相同的情況下，混合式通風(fēng)比側(cè)壁壓入式通風(fēng)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(jiān)測(cè)氣流微元從開始到穩(wěn)定的跡線圖中找到答案。

圖5 混合式通風(fēng)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(fēng)方式下氣流微元的流動(dòng)軌跡規(guī)律為：開始階段，氣流呈有序運(yùn)動(dòng)，隨著通入氣體量的增加，出現(xiàn)渦流卷吸，并且比側(cè)壁壓入式通風(fēng)方式下的更為嚴(yán)重，致使高溫氣體很難被排出，因而隧道內(nèi)溫控效果較差。

3.3 溫控效果分析

研究隧道內(nèi)氣流微元的跡線規(guī)律，可以得出混合式通風(fēng)溫降效果較差的原因如下：

1）假定兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率相同，即inlet-in與inlet-out的進(jìn)/出風(fēng)速度大小相等，但在實(shí)際施工過程中，對(duì)inlet-out面進(jìn)行質(zhì)量流率（mass flow rate）監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其質(zhì)量流率的值小于inlet-in面的。可能的原因在于：抽風(fēng)機(jī)械置于隧道壁面附近，氣流運(yùn)動(dòng)受限，沒有足夠的氣流由inlet-out面吸入，導(dǎo)致抽風(fēng)機(jī)內(nèi)存在帶負(fù)壓的工作情況，通常伴隨著柔性風(fēng)管“干癟”現(xiàn)象，機(jī)械本身工作效率低下。

2）常用風(fēng)機(jī)的風(fēng)管直徑為1.5m，其截面積為1.77m2，相對(duì)于整個(gè)隧道的斷面面積（100m2）來說，風(fēng)管面積很小，因而導(dǎo)致回流區(qū)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(zhì)量流率與抽離隧道的質(zhì)量流率存在差值，這一差值的氣流經(jīng)由outlet面離開。

3）抽風(fēng)機(jī)源源不斷地往外抽走空氣，相對(duì)于側(cè)壁壓入式通風(fēng)溫控方式來說，其降低了隧道內(nèi)的壓強(qiáng)。這導(dǎo)致從inlet-in面射入隧道內(nèi)的氣流由于受壓強(qiáng)的影響，其速度降低速率加快，難以與隧道內(nèi)高溫空氣進(jìn)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(jìn)/出風(fēng)實(shí)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(fēng)溫控模式進(jìn)行的溫控效果較差。

4 拱頂壓入式通風(fēng)溫控評(píng)價(jià)與分析

4.1 模型及溫度小于28℃等值體區(qū)域涵蓋圖

拱頂壓入式通風(fēng)溫控方式的模型見圖6a，該方式下溫度小于28℃的特征監(jiān)測(cè)截面溫度云圖見圖6b。

圖6 拱頂壓入式通風(fēng)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(fēng)隧道內(nèi)溫度小于28°的等值體區(qū)域涵蓋圖分布情況，可知此通風(fēng)方式的溫控效果較好。

此通風(fēng)方式在隧道施工通風(fēng)中采用較少，主要是因?yàn)樵摲绞较嘛L(fēng)管需置于拱頂處，施工較為復(fù)雜，且懸吊設(shè)備不僅較麻煩還會(huì)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(xiàn)場(chǎng)管理是可以采用這一通風(fēng)方式的。

4.2 拱頂壓入式通風(fēng)溫控效果評(píng)價(jià)

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

圖7 拱頂壓入式通風(fēng)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(fēng)方式下氣流微元的流動(dòng)軌跡規(guī)律為：開始階段，隧道內(nèi)的氣流呈有序運(yùn)動(dòng)，隨著通入氣體量的增加，冷氣流下沉，與隧道內(nèi)熱空氣的熱對(duì)流強(qiáng)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(nèi)氣流微元的跡線規(guī)律可以分析出拱頂壓入式通風(fēng)溫降效果較好的原因如下：

1）氣流自inlet面射入隧道內(nèi)，沿程運(yùn)動(dòng)至掌子面，回流區(qū)氣流也摻混進(jìn)來。在掌子面附近同樣出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，類似于側(cè)壁壓入式通風(fēng)和混合式通風(fēng)，渦流氣體“打轉(zhuǎn)”。仔細(xì)觀察氣流微元跡線規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，此類通風(fēng)方式的渦流并非一直“原地打轉(zhuǎn)”，而是在渦流的“形成—發(fā)展—穩(wěn)定”中，不斷地離開“渦流團(tuán)”，同時(shí)也有氣流不斷地?fù)交煅a(bǔ)充進(jìn)來。這才是拱頂壓入式通風(fēng)溫控效果較好的主要原因。

2）本方式下出現(xiàn)的這類渦流現(xiàn)象，不但沒有降低通風(fēng)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(fēng)機(jī)的工作效率。

3）由inlet面射入的氣流溫度較低，而隧道內(nèi)原有氣流的溫度較高，根據(jù)熱脹冷縮原理，冷空氣的密度較大，有“下沉”的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；熱空氣的密度較小，有“上揚(yáng)”的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。這樣，上揚(yáng)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(jìn)程；下沉的冷空氣也在下沉過程中與高溫空氣進(jìn)行熱交換，并且在這個(gè)過程中被“擠出”outlet面。

基于上述原因，inlet與outlet面的進(jìn)/出風(fēng)能很好地進(jìn)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(fēng)溫控模式的溫控效果較佳。

5 監(jiān)測(cè)直線溫度分析

為了驗(yàn)證拱頂壓入式通風(fēng)方式的溫控效果，為實(shí)際操作提供理論依據(jù)，本研究在該方式下設(shè)置了3條直線監(jiān)測(cè)其溫度變化情況。

5.1 監(jiān)測(cè)直線設(shè)置

本研究中，設(shè)置沿軸方向的3條監(jiān)測(cè)直線①～③，具體如圖8所示。

由于拱頂壓入式通風(fēng)隧道的溫度分布為左右對(duì)稱，所以未在x軸正向設(shè)置監(jiān)測(cè)直線，其變化可以參考監(jiān)測(cè)直線②。監(jiān)測(cè)直線①和監(jiān)測(cè)值線②距離隧道壁面的距離為0.5d，監(jiān)測(cè)直線③位于圓心處，其中d為風(fēng)管直徑。

5.2 監(jiān)測(cè)直線數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所得各監(jiān)測(cè)直線的溫度變化如圖9所示。

圖9 監(jiān)測(cè)直線沿程變化圖Fig.9Diagram for the variation of monitoring line

由圖9可得出：

1）監(jiān)測(cè)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(nèi)，滿足規(guī)范要求。同時(shí)，圖a的結(jié)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(jiān)測(cè)直線②主要是監(jiān)測(cè)回流氣流，由圖9中的圖b可見，在∈(0，15)m內(nèi)，T＞28℃，其主要是因?yàn)?，射流氣流與隧道內(nèi)原有氣流進(jìn)行了充足的熱交換之后氣溫升高；其次，監(jiān)測(cè)直線靠近隧道壁面，其受高溫壁面熱輻射作用較強(qiáng)。

3）監(jiān)測(cè)直線③主要監(jiān)測(cè)的也是回流氣流，由圖9中的圖c可見，在∈(0，10)m內(nèi)，T＞28℃，其主要原因是因?yàn)闅饬骰亓鞯給utlet面時(shí)“冷量”被耗盡，致使溫度大于28℃。

4）在∈(28，30)m內(nèi)，3個(gè)監(jiān)測(cè)直線所監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)都存在一個(gè)急劇上升的變化趨勢(shì)，且斜率相近。這是因?yàn)槭苷谱用鎳鷰r熱輻射的影響，致使距離掌子面2m區(qū)域內(nèi)氣流溫度陡增，故需在此區(qū)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(fēng)溫控方式的溫控效果較為理想，可以在實(shí)際工程中應(yīng)用，但是需要注意在距離掌子面2m的區(qū)域內(nèi)做特殊溫控處理。

6 結(jié)論

通過以上試驗(yàn)與分析，可得出如下結(jié)論：

1）隧道在施工過程中多采用側(cè)壁壓入式或混合式通風(fēng)，在遭遇高溫自然災(zāi)害時(shí)，施工人員因沒意識(shí)到其特殊性，往往采取增加機(jī)械數(shù)量和增大風(fēng)管直徑的應(yīng)對(duì)方式，現(xiàn)場(chǎng)溫控效果并不理想，建議采用拱頂壓入式通風(fēng)方式以期獲得良好的降溫效果。

2）對(duì)于高溫隧道，混合式通風(fēng)方式的溫降效果較差，并且是在增加風(fēng)機(jī)數(shù)量、高耗能的情況下，故不推薦采用此類方式。

3）隧道內(nèi)附壁設(shè)置抽風(fēng)機(jī)械時(shí)，因風(fēng)機(jī)本身多為帶負(fù)壓工作，柔性風(fēng)管時(shí)常出現(xiàn)“干癟”現(xiàn)象，影響機(jī)械使用壽命，存在一定的安全隱患，因此應(yīng)盡量避免使用此種方式。

以上結(jié)論給高溫隧道通風(fēng)降溫控制提供了理論依據(jù)，可供實(shí)際施工參考。

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（責(zé)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(tuán)有限公司工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樗淼劳L(fēng)防災(zāi)，E-mail：chooseljswillbeok@163.com