冰塊降溫在熱帶地區(qū)高地溫隧道施工中的數(shù)值模擬研究
--以海南省五指山公路隧道為例

朱 宇， 周佳媚, *， 王帥帥， 李 朗

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 3. 中交第二公路工程局有限公司， 陜西 西安 710065)

0 引言

在隧道修建過程中面臨著諸多難題，高地溫就是其中之一，尤其是當(dāng)隧道處于南方熱帶地區(qū)時(shí)，氣溫高，氣候濕熱，熱害問題加劇?！豆匪淼朗┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》[1]和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定，隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合下列衛(wèi)生及安全標(biāo)準(zhǔn)： 隧道內(nèi)氣溫不宜高于28 ℃。高溫不僅會(huì)降低工人和設(shè)備的工作效率，拖延施工進(jìn)度，還會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全和工人的生命安全。

目前，高地溫隧道常用的降溫措施包括通風(fēng)降溫、冰塊降溫、噴霧灑水降溫以及機(jī)械制冷降溫等[3]。針對(duì)寒區(qū)隧道和高海拔隧道來說，洞外環(huán)境溫度低，通風(fēng)降溫可以很好地滿足降溫需求[4]。但當(dāng)洞外氣溫較高時(shí)，需要采用其他手段來保證降溫效果，最經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方式就是冰塊降溫。例如： 蒙河鐵路位于云南地區(qū)，屬于亞熱帶氣候地區(qū)，線路上的毛坡良隧道、太陽寨隧道等在施工時(shí)利用冰塊進(jìn)行降溫，在3 m范圍內(nèi)可降溫3～5 ℃[5]；拉林鐵路桑珠嶺隧道在施工時(shí)，通過采取設(shè)置冰墻等綜合立體降溫技術(shù)，增加了洞內(nèi)濕度和人體體感舒適度[6]。此外，在齊熱哈塔爾引水發(fā)電隧洞、玉蒙鐵路舊寨隧道以及云南祿勸鉛廠引水隧洞的修建過程中均采用了冰塊降溫措施[7]。

數(shù)值模擬方法在高地溫隧道降溫中的應(yīng)用很廣泛。何青青[8]對(duì)隧道高壁溫條件下的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，分析不同送風(fēng)方式、溫度、風(fēng)管出口距掌子面距離、速度和壁面溫度5個(gè)參數(shù)對(duì)隧道施工熱環(huán)境的影響；并在常規(guī)通風(fēng)條件下，對(duì)加入噴霧以后的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明，加入噴霧后，隧道內(nèi)的溫度明顯降低，相對(duì)濕度明顯升高。李茹[9]使用Fluent對(duì)影響施工隧道通風(fēng)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布的因素進(jìn)行了分析，選擇送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度和風(fēng)管出口與掌子面的距離3個(gè)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行隧道在高溫環(huán)境下的通風(fēng)數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果給出相應(yīng)的施工通風(fēng)方案和技術(shù)措施。丁俊智等[10]使用Fluent分析了隧道相對(duì)濕度、噴霧水量、水溫及隧道風(fēng)速對(duì)噴霧降溫系統(tǒng)的影響，同時(shí)由模擬結(jié)果擬定噴霧降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，并將其應(yīng)用于雪山隧道中，通過設(shè)置噴霧降溫設(shè)施參數(shù)進(jìn)行了全尺度試驗(yàn)。

雖然冰塊降溫已經(jīng)作為一種常用的降溫方式在很多高地溫隧道中使用，但目前還處于一種經(jīng)驗(yàn)使用模式，關(guān)于冰塊用量和冰塊布置對(duì)降溫效果的影響尚沒有具體的研究和明確的結(jié)論。本文依托海南五指山特長(zhǎng)公路隧道工程，利用流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent研究冰塊用量和布置位置對(duì)掌子面附近溫度場(chǎng)的影響，以期為冰塊降溫在熱帶地區(qū)高地溫隧道中的應(yīng)用提供借鑒和思路。

1 工程背景

1.1 工程概況

五指山特長(zhǎng)隧道位于海南省保亭縣響水鎮(zhèn)境內(nèi)，為小凈距隧道。隧道左線長(zhǎng)4 845 m，最大埋深約383 m；右線長(zhǎng)4 870 m，最大埋深約370 m。施工平面布置如圖1所示。

1.2 氣候條件

隧道位于北緯18°15′～19°05′，屬低緯度熱帶海洋性氣候，受東南亞季風(fēng)影響。由于地勢(shì)的原因，北部五指山市年平均氣溫22.4 ℃，1月份平均氣溫17 ℃，7月份平均氣溫26 ℃，極端最高氣溫35.9 ℃。

海南地區(qū)四季無冬，常年高溫，因洞內(nèi)爆破作業(yè)、施工機(jī)械作業(yè)及混凝土水化熱于一體，導(dǎo)致洞內(nèi)作業(yè)面處溫度極高，實(shí)測(cè)溫度一般在40 ℃左右。因洞外環(huán)境溫度高，僅僅依靠通風(fēng)很難實(shí)質(zhì)性地降低洞內(nèi)的溫度，所以需要輔助以冰塊降溫以保證掌子面的需冷量。

2 數(shù)值計(jì)算過程

2.1 凝固融化模型理論

Fluent可以求解流體在一定溫度下或是超過一定溫度范圍時(shí)發(fā)生的凝固或(和)融化問題。Fluent中的凝固融化模型(Solidification & Melting)采用焓-多孔介質(zhì)(Enthalpy-Porosity)來求解凝固和融化問題。Enthalpy-Porosity技術(shù)的核心是： 在整個(gè)對(duì)象區(qū)域內(nèi)，將大量的液體體積分?jǐn)?shù)(即液相的流體組成的單元體積占整體區(qū)域體積的百分比)離散到整個(gè)區(qū)域的每個(gè)計(jì)算單元內(nèi)。以熱平衡方程為基礎(chǔ)，通過反復(fù)迭代這部分液體所占的體積百分比以求解離散化的熱平衡方程，并最終估算出液體所占的份額，也即凝固或(和)融化成的體積分?jǐn)?shù)[11]。

當(dāng)液體的體積分?jǐn)?shù)在0～1時(shí)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)呈糊狀。在Fluent模擬計(jì)算過程中，假設(shè)這些糊狀的區(qū)域?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)，其多孔性從1-0依次遞減，多孔性為0時(shí)，液體完全凝固成固體，流體的流動(dòng)性及流體速度皆變?yōu)?。

材料的焓能H由凝固融化潛熱值ΔH和溫度變化引起的熱量h兩者之和來計(jì)算，即

H=h+ΔH。

其中，

式中：href為參考焓；cp為定壓比熱容；Tref為參考溫度;T為溫度變量。

ΔH=βL。

式中：L為潛熱值；β為液體體積分?jǐn)?shù)。β被定義為

材料的潛熱值在0～L變化，材料為固相時(shí)潛熱值為0，材料為液相時(shí)潛熱值為L(zhǎng)。潛熱的數(shù)值L可查閱相關(guān)材料的潛熱性能表。

處理融化或凝固過程中需要求解的能量方程為

2.2 模型建立

為便于建模，將隧道橫截面尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化。隧道模型寬12 m，邊墻高2.5 m，上部為半徑6 m的半圓。進(jìn)風(fēng)口位于隧道軸線正上方，距頂部1.25 m，風(fēng)管直徑1.5 m。由于冰塊融化只對(duì)周圍有限的范圍產(chǎn)生較為明顯的影響，故本文只分析出風(fēng)口到掌子面范圍內(nèi)的溫度變化規(guī)律，洞口至出風(fēng)口距離的大小不會(huì)影響研究區(qū)域的溫度場(chǎng)。為便于計(jì)算，軸線方向計(jì)算長(zhǎng)度取100 m，出風(fēng)口距離掌子面25 m。

根據(jù)隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)使用Gambit建立三維幾何模型，然后劃分網(wǎng)格，定義模型邊界和內(nèi)部流場(chǎng)屬性，生成的模型網(wǎng)格如圖2所示。

(a) 橫截面圖

(b) 三維圖

2.3 計(jì)算工況

單位時(shí)間內(nèi)冰塊與環(huán)境之間的對(duì)流換熱量

Q=hiSΔT[12]。

(1)

式中：hi為冰表面對(duì)流傳熱系數(shù)， W/(m2·K)，它與流體流動(dòng)起因、有無相變、流動(dòng)狀態(tài)、換熱表面的幾何因素以及流體的物理性質(zhì)有關(guān)； ΔT為換熱面上環(huán)境溫度與固體表面的平均溫差， K(開爾文)；S為冰塊的表面積，m2。

由式(1)可得，冰塊融化吸收的熱量與冰塊的表面積成正比。為了在便于建模的同時(shí)最大限度地增大冰塊與空氣的接觸面積，本文采用薄壁冰墻式布置冰塊，減小表面積對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

為研究冰塊用量和布置位置對(duì)降溫效果的影響，采用5種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算工況見表1。

表1 模擬計(jì)算工況

因掌子面處工序復(fù)雜且施工設(shè)備、人員密集，故降溫需求最大。但結(jié)合實(shí)際考慮，為方便設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和人員活動(dòng)，模型中將冰塊放置于距掌子面5 m處。工況2-4中冰塊采取雙側(cè)對(duì)稱布置，如圖3(a)所示；工況5中將冰塊置于拱頂風(fēng)管出風(fēng)口軸線位置，如圖3(b)所示。

(a) 工況2-4冰塊布置

(b) 工況5冰塊布置

2.4 初始條件和邊界條件

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent，設(shè)置邊界條件和初始條件。通風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界(velocity-inlet)，根據(jù)施工方案可知，最大進(jìn)風(fēng)速度不超過6 m/s，故風(fēng)速取6 m/s，風(fēng)溫取外界環(huán)境溫度25 ℃；隧道出口設(shè)置為壓力出口邊界(pressure-outlet)；隧道壁面設(shè)置為無滑移固體壁面邊界(wall)，粗糙度取0.002 5，壁面溫度設(shè)置為40 ℃。在計(jì)算有冰塊布置的工況時(shí)打開Solidification & Melting模型，設(shè)置模型初始條件為洞內(nèi)空氣溫度40 ℃，冰塊溫度-1 ℃，冰塊體積分?jǐn)?shù)為1。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 冰塊對(duì)隧道縱向溫度場(chǎng)的影響

工況1各時(shí)間點(diǎn)隧道縱向?qū)ΨQ面溫度分布云圖如圖4所示。

(a) 通風(fēng)10 min溫度分布云圖

(b) 通風(fēng)20 min溫度分布云圖

(c) 通風(fēng)30 min溫度分布云圖

由圖4可得： 1)在只通風(fēng)不設(shè)置冰塊的情況下，隧道縱向溫度分布隨通風(fēng)時(shí)間變化不大，由洞口到掌子面溫度呈下降趨勢(shì)； 2)在通風(fēng)30 min后，距掌子面25 m范圍內(nèi)溫度穩(wěn)定在29～30 ℃?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)掌子面溫度(只通風(fēng)不放置冰塊)如表2所示。由表2可知，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差很小。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)掌子面溫度(只通風(fēng)不放置冰塊)

工況4各時(shí)間點(diǎn)隧道縱向?qū)ΨQ面溫度分布云圖如圖5所示。由圖5可知： 1)雙側(cè)各布置1.5 m3冰塊后，隧道縱向溫度場(chǎng)隨通風(fēng)時(shí)間發(fā)生較為明顯的變化。2)在冰塊完全融化(30 min時(shí))之前，在冰塊布置位置前后5 m左右范圍內(nèi)溫度下降較為明顯，且降溫的范圍隨時(shí)間逐漸擴(kuò)大。3)冰塊完全融化后，掌子面5 m范圍內(nèi)溫度最低為18 ℃，較未布置冰塊時(shí)下降了10 ℃左右； 稍遠(yuǎn)位置溫度約為23 ℃，較未布置冰塊時(shí)下降了5～8 ℃。

(a) 通風(fēng)10 min溫度分布云圖

(b) 通風(fēng)20 min溫度分布云圖

(c) 通風(fēng)30 min溫度分布云圖

3.2 冰塊用量對(duì)掌子面溫度場(chǎng)的影響

根據(jù)工況1-4的計(jì)算結(jié)果，繪制不同冰塊用量下掌子面溫度隨通風(fēng)時(shí)間的變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

1)工況1中，由于沒有放置冰塊，掌子面溫度在通風(fēng)5 min后趨于穩(wěn)定，維持在29～30 ℃。2)工況2中，冰塊用量較小，在20 min左右完全融化，此時(shí)掌子面溫度最低，為23 ℃，融化結(jié)束后溫度回升。3)工況3中，冰塊在24 min左右完全融化，此時(shí)掌子面溫度最低，為20 ℃，融化結(jié)束后溫度回升。4)工況4中，冰塊在30 min左右完全融化，此時(shí)掌子面溫度最低，為18 ℃。由此可以得出結(jié)論： 通過增設(shè)冰塊的方式對(duì)掌子面的降溫效果較為明顯，相對(duì)于未放置冰塊的工況，布置1 m3的冰塊(雙側(cè)各0.5 m3)可以降低掌子面溫度6 ℃左右，在此基礎(chǔ)上每增加1 m3(雙側(cè)各0.5 m3)冰塊用量，可多降低掌子面溫度3 ℃左右。

3.3 冰塊位置對(duì)掌子面溫度場(chǎng)的影響

工況5不同時(shí)間點(diǎn)掌子面溫度分布云圖如圖7所示。通過對(duì)比工況2和工況5不同時(shí)間點(diǎn)的溫度，分析在相同冰塊用量下冰塊位置對(duì)掌子面溫度場(chǎng)的影響。

(a) 通風(fēng)10 min掌子面溫度云圖

(b) 通風(fēng)20 min掌子面溫度云圖

(c) 通風(fēng)30 min掌子面溫度云圖

工況2和工況5不同時(shí)刻掌子面的溫度值如表3所示。

表3 工況2和工況5不同時(shí)刻掌子面的溫度值

由3.2節(jié)可知，工況2下冰塊在20 min左右時(shí)完全融化，此時(shí)掌子面溫度最低。分析表3數(shù)據(jù)可得： 相同冰塊用量時(shí)，冰塊通過托架放置于隧道頂部比雙側(cè)布置能多降低掌子面溫度3～5 ℃，且持續(xù)降溫效果較強(qiáng)。這是因?yàn)橥L(fēng)管出口的風(fēng)先經(jīng)過冰塊，然后循環(huán)至掌子面處充分降溫，而雙側(cè)布置的冰塊處于掌子面空氣循環(huán)的下游，降溫效果不充分。

考慮到施工的便利性和安全性問題，當(dāng)通風(fēng)管道位于隧道頂部時(shí)，可研發(fā)一種移動(dòng)式冰塊臺(tái)車，在施工便利時(shí)將冰塊頂升至軸線處。若隧道通風(fēng)管位于隧道側(cè)面，可參考工況5的降溫效果，將冰塊布置在隧道一側(cè)通風(fēng)管軸線處。

4 結(jié)論與建議

依托海南五指山特長(zhǎng)公路隧道工程，使用Fluent軟件建立了高地溫隧道溫度場(chǎng)的計(jì)算模型，通過5種工況的模擬計(jì)算，分析了冰塊用量、冰塊布設(shè)位置對(duì)隧道縱向及掌子面溫度場(chǎng)的影響，得到如下結(jié)論。

1)相對(duì)于未布設(shè)冰塊的工況，在雙側(cè)各布置1.5 m3冰塊后，隧道縱向溫度場(chǎng)隨著通風(fēng)時(shí)間發(fā)生了較為明顯的變化。在冰塊布設(shè)位置前后5 m左右范圍內(nèi)溫度下降較為明顯，且降溫的范圍隨時(shí)間推移逐漸擴(kuò)大；在冰塊完全融化后，掌子面5 m范圍內(nèi)溫度最低為18 ℃，較未布置冰塊時(shí)下降了10 ℃左右，稍遠(yuǎn)位置溫度為23 ℃左右，較未布置冰塊時(shí)下降了5～8 ℃。

2)增設(shè)冰塊對(duì)掌子面的降溫效果較為明顯，相對(duì)于未放置冰塊的工況，布置1 m3冰塊(雙側(cè)各0.5 m3)可以降低掌子面溫度6 ℃左右，在此基礎(chǔ)上每增加1 m3(雙側(cè)各0.5 m3)冰塊用量，可多降低掌子面溫度3 ℃左右。

3)相同冰塊用量時(shí)，將冰塊布設(shè)于風(fēng)管出風(fēng)口軸線上能夠使降溫之后的冷風(fēng)流經(jīng)過掌子面，比雙側(cè)布置工況能多降低掌子面溫度3～5 ℃，且持續(xù)降溫效果更強(qiáng)。

冰塊降溫因其經(jīng)濟(jì)性和便捷性在高地溫隧道中扮演著越來越重要的角色，本文在計(jì)算時(shí)尚未綜合考慮到各種外界因素，因此在實(shí)際應(yīng)用中建議結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工布置和工序進(jìn)一步考慮冰塊參數(shù)的選取。