高海拔寒區(qū)隧道通風(fēng)降溫研究

楊德智　何瑜　鄧毅

摘? 要：高海拔寒區(qū)修建的隧道的防凍脹措施是其一項(xiàng)重點(diǎn)工程，如果該類地區(qū)隧道未做有力防凍脹措施，在隧道營運(yùn)后將會出現(xiàn)嚴(yán)重的凍害，例如襯砌開裂、剝落，以及隧道積冰等，將會嚴(yán)重影響隧道運(yùn)行。通風(fēng)降溫系統(tǒng)主要用于隧道處于地?zé)岬刭|(zhì)情況下，極少運(yùn)用到高海拔寒區(qū)隧道實(shí)踐中，此次通風(fēng)降溫研究為防止施工開挖產(chǎn)生的熱量融化一部分裸露的圍巖從而加重凍害的發(fā)生，為防凍害奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高海拔? 寒區(qū)? 通風(fēng)? 降溫

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

高海拔寒區(qū)的隧道，由于其地理環(huán)境、氣候條件的影響，該地區(qū)的年均氣溫低下，在冬季甚至出現(xiàn)極寒的情況，常年積雪。通風(fēng)降溫技術(shù)多用在有地?zé)岬刭|(zhì)情況的隧道，而對于高海拔寒區(qū)隧道的施工通風(fēng)降溫技術(shù)可謂少見。對隧道的洞口段來講，在施工前圍巖已經(jīng)處于凍土的狀態(tài)。施工所產(chǎn)生的外界熱量可能使得掌子面附近的圍巖產(chǎn)生熱融現(xiàn)象，由于熱融現(xiàn)象的存在影響圍巖的穩(wěn)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(fēng)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(xué)狀態(tài)。該文通過理論公式計(jì)算并且利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，為避免施工而產(chǎn)生的熱融現(xiàn)象從而保證通風(fēng)風(fēng)管末端風(fēng)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(qū)項(xiàng)目，隧道起訖里程，DK259+255～DK2

75+152，全長15.897km。隧道起點(diǎn)位于青海省西寧市境內(nèi)，終點(diǎn)位于青海省海北州境內(nèi)。同時該研究的隧道處于高原地區(qū)亞寒帶半干旱氣候區(qū)，平均海拔約3300m，該處區(qū)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(jié)深度200cm。

2? 掌子面理想化溫度計(jì)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(jī)械運(yùn)輸出渣等原因，在隧道施工時就會產(chǎn)生外來熱量，通過分析可知其產(chǎn)生的因素主要有圍巖爆破、施工人員活動、內(nèi)燃機(jī)械運(yùn)行、圍巖與空氣熱交換等。

內(nèi)燃機(jī)械運(yùn)行散熱：工程的內(nèi)熱機(jī)械大都是大功率機(jī)械，隧道施工時需要進(jìn)行對開挖石方的清運(yùn)，其產(chǎn)生的熱量不容忽視，內(nèi)燃機(jī)等設(shè)備的散熱量為：

（1）

施工人員活動產(chǎn)生的熱量：人員的活動會差生熱量，根據(jù)施工人員的勞動時間及勞動強(qiáng)度可以計(jì)算得出其產(chǎn)生的熱量，可以按照下面公式計(jì)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(jìn)行計(jì)算。具體數(shù)據(jù)見表1。

施工時圍巖爆破所產(chǎn)生的熱量：

（3）

具體計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

2.2 隧道施工開挖掌子面附近風(fēng)溫計(jì)算

假設(shè)條件：（1）風(fēng)管內(nèi)及隧道中的風(fēng)流都為理想狀態(tài);（2）隧道的尺寸、高程等基本參數(shù)不變;（3）圍巖熱力學(xué)參數(shù)不變;（4）通風(fēng)量穩(wěn)定;（5）風(fēng)管風(fēng)流和隧道風(fēng)流均不可壓縮且為穩(wěn)流。隧道橫斷面尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通風(fēng)距離，風(fēng)管和隧道均簡化為細(xì)長的管道，則通風(fēng)傳熱模型近似簡化為一維紊流換熱模型。

設(shè)掌子面附近溫度為t，根據(jù)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(jì)算以（1+ω）kg為標(biāo)準(zhǔn)，干空氣質(zhì)量為1kg，與其對應(yīng)水蒸氣的質(zhì)量為ωkg，則該質(zhì)量濕空氣的比焓按下式計(jì)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(fēng)風(fēng)流溫度與空氣溫度計(jì)算

濕空氣是一種混合氣體，物理參數(shù)指標(biāo)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(zhì)量。

（7）

按上述計(jì)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(fēng)量，隧道洞口的大氣壓為68000Pa，開挖斷面面積為130m2（干空氣質(zhì)量流量取值為40.71kg/s），洞外以及洞內(nèi)的濕度分別為62%、67%，通風(fēng)筒末端距掌子面以15m距離為依據(jù)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(jù)假設(shè)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(huán)境溫度控制在0℃左右，根據(jù)計(jì)算可得知通風(fēng)管末端風(fēng)流溫度為-1℃。

3? 數(shù)值模擬隧道開挖掌子面溫度場

該項(xiàng)目隧道的掌子面溫度模擬利用有限元軟件FLUENT進(jìn)行模擬。

3.1 物理模型

此次計(jì)算是為了保證掌子面不出現(xiàn)凍融的情況進(jìn)行控制。模擬情況主要為洞口段的凍土區(qū)。分析該項(xiàng)目進(jìn)口處，凍土段大約在1000m處，數(shù)字模型縱斷面長度在不考慮平導(dǎo)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(chǎn)生的熱量也為最大值。通過上面計(jì)算分析可知掌子面附近的熱源所產(chǎn)生的熱量Q=54.104kJ，隧道掌子面開挖前熱量出于平衡狀態(tài)并且隧道掌子面開挖爆破所產(chǎn)生了額外的熱量Q，為了簡化計(jì)算將熱量Q轉(zhuǎn)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(jì)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(jì)算可知等于9.07℃。簡化計(jì)算假設(shè)如下。

（1）隧道內(nèi)風(fēng)流各向同性且風(fēng)管氣流為三維穩(wěn)態(tài)并不可壓縮。

（2）隧道內(nèi)及風(fēng)管風(fēng)流符合Bouss-inesq假設(shè)。

（3）氣密性好并在壁面處擴(kuò)散通量為0。

3.2 邊界條件設(shè)置

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

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

該次數(shù)字模擬對掌子面溫度采取了4個計(jì)算工況。風(fēng)筒末端的風(fēng)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(fēng)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(fù)溫的狀況。由溫度云圖可知風(fēng)筒末端風(fēng)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(fēng)流為-1℃時在風(fēng)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(fù)溫區(qū)的情況。而且距離隧道掌子面距離越遠(yuǎn)的風(fēng)流溫度越低并且非常接近0℃。通過此隧道數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了上節(jié)在理想一維情況下計(jì)算出的風(fēng)筒末端風(fēng)流的溫度是完全可行的。

4? 結(jié)語

通過三維Fluent軟件數(shù)字模擬和理想的一維模型數(shù)字計(jì)算分析可知：通風(fēng)筒末端的風(fēng)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(fā)生熱融的情況。通過分析得知在實(shí)際施工過程中，保證通風(fēng)管末端風(fēng)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(fù)溫區(qū)。該次所對隧道施工時采用通風(fēng)降溫的措施更有效地避免發(fā)生熱融，為防凍脹奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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