施工通風(fēng)條件下高地溫隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究

黃克雙

(中鐵七局集團(tuán)第四工程有限公司，湖北 武漢 430074)

地溫超過(guò)30 ℃就是高地溫隧道[1-2]，隧道內(nèi)施工環(huán)境氣溫不得超過(guò)28 ℃，當(dāng)原始巖溫達(dá)到35 ℃，濕度達(dá)到80 %，隧道高地溫問題已經(jīng)非常嚴(yán)重，不僅影響人員健康和結(jié)構(gòu)安全，甚至使施工無(wú)法進(jìn)行。

高地溫隧道施工降溫主要采用2種措施:一是采取機(jī)械通風(fēng)降溫，改善隧道內(nèi)施工環(huán)境；二是在掌子面附近噴水降溫和冰塊降溫，確?，F(xiàn)場(chǎng)人員和結(jié)構(gòu)安全。

近年來(lái)，對(duì)高地溫隧道的研究主要集中在地溫預(yù)測(cè)、溫度分布特征和降溫技術(shù)等方面[3-10]，研究多以特定圍巖溫度進(jìn)行，對(duì)不同溫度、不同通風(fēng)時(shí)間對(duì)溫度場(chǎng)的影響研究很少。本文以某高地溫隧道為背景，研究圍巖初始溫度(30～65 ℃)對(duì)隧道溫度場(chǎng)影響的普遍規(guī)律，采用Fluent軟件模擬隧道通風(fēng)，分析隧道洞內(nèi)和圍巖溫度場(chǎng)分布特征，研究隧道與圍巖交界處的溫度變化以及圍巖溫度場(chǎng)的變化范圍，為高地溫隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 分析模型建立

通風(fēng)方式選擇壓入式通風(fēng)，采用單線隧道斷面，高度為8.1 m，面積為53.207 m2，隧道的通風(fēng)距離為2 000 m，圍巖取隧道開挖輪廓以外10 m范圍；通風(fēng)管采用圓形柔性材料，管徑2 m，通風(fēng)管出口至隧道掌子面距離為30 m，通風(fēng)管懸掛于隧道右側(cè)上部，便于使隧道內(nèi)氣流形成循環(huán)。

采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算模型采用Realizable k-ε湍流模型和流固耦合傳熱模型。通風(fēng)管入口邊界條件設(shè)為速度入口(Velocity_Inlet)，隧道洞口邊界條件設(shè)為自然流出(Outflow)，隧道壁面邊界條件設(shè)為墻(Wall)，建立的分析計(jì)算模型如1所示。各種材料的密度及熱力學(xué)參數(shù)見表1。模型邊界為不傳熱邊界。

表1 材料物性參數(shù)[9]

圖1 通風(fēng)降溫分析模型

隧道通風(fēng)風(fēng)溫應(yīng)根據(jù)隧道所處地區(qū)的氣溫確定。雅安最高月平均氣溫在25℃左右、十月至第二年三月平均氣溫在17 ℃以下，林芝與昌都最高月平均氣溫在17 ℃左右，因此研究中通風(fēng)溫度設(shè)定為17 ℃。

研究中通風(fēng)速度取為15 m/s，通風(fēng)時(shí)間為120 min，高地溫隧道圍巖初始溫度分別選取30、40、50和65 ℃進(jìn)行對(duì)比分析。

在隧道開挖前，山體整體基本上處于一種熱平衡狀態(tài)。隧道開挖時(shí)，圍巖向隧道內(nèi)散熱，由于空氣流動(dòng)性差，熱量聚集在隧道空間內(nèi)，使得隧道內(nèi)氣溫接近原始巖溫，故假定隧道和圍巖的初始溫度均等于原始巖溫，統(tǒng)稱為圍巖初始溫度。將圍巖原始溫度等溫線所包圍的范圍稱為圍巖調(diào)熱圈，隧道中心線到圍巖最外側(cè)等溫線距離稱為圍巖調(diào)熱圈半徑。

2 通風(fēng)對(duì)隧道溫度影響規(guī)律

圖2為分析截面圖。該截面為掌子面后2 m處截面，選取截面內(nèi)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值作為隧道內(nèi)平均氣溫，點(diǎn)1和點(diǎn)2距隧道底5.55 m，點(diǎn)3和點(diǎn)4距隧道底1.55 m，點(diǎn)5距隧道底4.05 m；監(jiān)測(cè)線是隧道中心線的垂線，距隧道底4.05 m，該條監(jiān)測(cè)線上不同位置的溫度反映隧道內(nèi)、隧道與圍巖交界處、圍巖內(nèi)溫度的變化；隧道拱頂、拱腳和墻腳位置均如圖2所示。

圖2 分析截面(單位：m)

2.1 隧道內(nèi)溫度分布規(guī)律

圖3為圍巖初始溫度為65 ℃的通風(fēng)管中心線截面溫度云圖，表2為隧道通風(fēng)120 min后掌子面后2 m截面溫度及掌子面平均溫度。

表2 不同初始巖溫的隧道內(nèi)溫度 ℃

圖3 圍巖初始溫度為65 ℃時(shí)隧道溫度云圖

在相同的通風(fēng)條件下，圍巖初始溫度對(duì)隧道通風(fēng)降溫有明顯影響，圍巖初始溫度越低，通風(fēng)后的隧道內(nèi)氣溫和壁面溫度越低。在隧道軸向方向上，從掌子面到洞口隧道內(nèi)氣溫逐漸增高，因?yàn)閺耐L(fēng)管出口射出的氣流是隧道內(nèi)溫度最低的空氣，回流風(fēng)溫度隨著氣流向洞口流動(dòng)的同時(shí)，氣溫逐漸升高，越接近洞口的氣流溫度越趨于隧道內(nèi)原始?xì)鉁?。在隧道徑向上，離通風(fēng)管越遠(yuǎn)氣溫越高，壁面附近氣溫最高。

由表2中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隧道右側(cè)溫度略低左側(cè)，這是由于通風(fēng)管位于隧道右側(cè)，風(fēng)流從風(fēng)管射出后，射流區(qū)的風(fēng)速高于其他地方的風(fēng)速，溫度場(chǎng)受到了速度場(chǎng)的影響，造成掌子面附近右側(cè)溫度略低左側(cè)。這種溫度的差異受初始巖溫的影響，當(dāng)初始巖溫越低，右側(cè)和左側(cè)的溫差越小。初始巖溫為30 ℃時(shí)，相差約為1 ℃左右；溫度場(chǎng)為65 ℃時(shí)，相差約為2～4 ℃。

圖4為通風(fēng)管出口至掌子面之間隧道內(nèi)及隧道壁面溫度隨距通風(fēng)管出口距離變化曲線圖。

從圖4(a)可以看出，圍巖初始溫度不同，從通風(fēng)管出口至掌子面之間隧道內(nèi)溫度值變化規(guī)律基本一致。在通風(fēng)管出口至掌子面后2 m處之間，隧道內(nèi)平均氣溫基本不變，掌子面后2 m處至掌子面氣溫升高。從圖4(b)可以看出，拱頂壁面溫度變化趨勢(shì)起伏較大，拱頂溫度隨著距通風(fēng)管出口距離增加而上升，在距通風(fēng)管出口10 m處拱頂溫度下降，掌子面后5 m至掌子面后2 m之間拱頂溫度上升，掌子面后2 m到掌子面之間拱頂溫度下降，主要是風(fēng)管設(shè)置高度影響。從圖4(c)和圖4(d)可以看出，右拱腳和右墻腳壁面溫度隨著距通風(fēng)管出口距離的增加而降低，距通風(fēng)管出口15 m處至掌子面后2 m溫度基本不變，掌子面后2 m至掌子面之間溫度略有升高。

圖4 隧道內(nèi)平均氣溫和壁面溫度隨距通風(fēng)管出口距離變化曲線

圖5為隧道內(nèi)溫度隨通風(fēng)時(shí)間的變化曲線圖，在120 min的通風(fēng)時(shí)間內(nèi)，分析掌子面后2 m處隧道內(nèi)平均氣溫，拱頂、右拱腳、右墻腳壁面溫度(三者變化趨勢(shì)一致，以拱頂為代表)以及掌子面平均溫度的變化。

從圖5可以看出，不同圍巖初始溫度條件下的隧道內(nèi)氣溫和壁面溫度隨通風(fēng)時(shí)間變化規(guī)律基本相同。在不同的圍巖初始溫度環(huán)境中，在相同風(fēng)溫、風(fēng)速下，隧道內(nèi)氣溫和壁面溫度隨著通風(fēng)時(shí)間的增加呈雙曲線形衰減，降溫速率隨著通風(fēng)時(shí)間的增加逐漸減小。前30 min內(nèi)是快速降溫階段，圍巖初始溫度越高，降溫量越大。30 min后隧道內(nèi)溫度幾乎不再變化，拱腳和墻腳壁面溫度以及掌子面平均溫度隨通風(fēng)時(shí)間的增加而緩慢降低，并且降溫速率隨時(shí)間增加而逐漸減小。拱頂壁面溫度在20 min內(nèi)隨著時(shí)間的增加而降低，30 min后溫度略有升高。由于溫度變化引起的密度變化，冷空氣密度大于熱空氣密度，冷空氣下沉，熱空氣上升并且聚集，拱頂溫度升高。通風(fēng)120 min時(shí)，隧道內(nèi)最大降溫量約為37.43 ℃，降溫幅度達(dá)到57.58%，此時(shí)隧道內(nèi)平均溫度約為27.57 ℃。所以通風(fēng)時(shí)間在2 h以內(nèi)，可以將隧道掌子面溫度降低到28 ℃以下，能滿足施工要求，初始巖溫低于65 ℃時(shí)可以采用施工通風(fēng)降溫措施。

圖5 隧道內(nèi)平均氣溫和壁面溫度隨通風(fēng)時(shí)間變化曲線

2.2 隧道壁面與圍巖內(nèi)溫度分布規(guī)律

高地溫隧道通風(fēng)2 h后，隧道內(nèi)氣溫明顯低于圍巖溫度，在壁面交界處形成溫差，且溫度變化集中在此處。由于圍巖初始溫度的不同，隧道通風(fēng)后的溫度存在差異。圍巖初始溫度為30 ℃時(shí)，通風(fēng)2 h后隧道內(nèi)溫度約為20.67 ℃；圍巖初始溫度為65 ℃時(shí)，通風(fēng)2 h后隧道內(nèi)溫度約為27.55 ℃，說(shuō)明圍巖初始溫度越高降溫難度越大，需要通風(fēng)時(shí)間越長(zhǎng)。相同的通風(fēng)條件下，圍巖初始溫度與通風(fēng)溫度的溫差越大，降溫能力越強(qiáng)，降溫效果越明顯。

圖6為隧道和圍巖徑向上不同位置溫度變化曲線，可以反映出隧道和圍巖徑向的溫度變化分布。

圖6 隧道徑向上溫度變化

從圖6中可以看出，曲線主要分為三段：高溫段是圍巖調(diào)熱圈范圍以外及以內(nèi)溫度較高的區(qū)域，溫度接近于圍巖初始溫度；變溫段在隧道壁面內(nèi)外，主要由于通風(fēng)引起隧道內(nèi)與圍巖之間產(chǎn)生溫差而使溫度發(fā)生明顯變化；低溫段是通風(fēng)后隧道內(nèi)溫度較低的段落；高溫段與變溫段相交處存在拐點(diǎn)1，變溫段與低溫段相交處存在拐點(diǎn)2。拐點(diǎn)1距隧道中心線約4.60 m，拐點(diǎn)2距隧道中心線約3.14 m，急劇變溫度段約為1.46 m。調(diào)熱圈半徑約為5.35 m，圍巖內(nèi)的溫度變化深度約為1.60 m。之所以拐點(diǎn)1到隧道中心的距離不是調(diào)熱圈半徑，是因?yàn)樵诒诿娓浇鼫夭畲?，溫度梯度大，而在接近調(diào)熱圈半徑的地方溫差小，溫度梯度小，趨于圍巖溫度。雖然圍巖初始溫度不同，但調(diào)熱圈半徑幾乎都在5.35 m附近，表明圍巖初始溫度對(duì)圍巖調(diào)熱圈半徑影響不大。

2.3 隧道內(nèi)溫度與初始巖溫關(guān)系

圖7為通風(fēng)2 h時(shí)掌子面后2 m截面隧道內(nèi)溫度與初始巖溫關(guān)系曲線。

圖7 隧道內(nèi)溫度與初始巖溫關(guān)系

從圖7可以看出，通風(fēng)2 h后隧道內(nèi)溫度與圍巖初始溫度基本呈線性變化。圍巖初始溫度對(duì)隧道內(nèi)溫度和圍巖溫度的影響不同，圍巖初始溫度越高，隧道內(nèi)溫度與隧道壁面溫度的溫差越大，圍巖初始溫度為65 ℃時(shí)，隧道內(nèi)溫度與隧道壁面溫度的溫差約為21.01 ℃，30 ℃時(shí)溫差約為5.22 ℃。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)平均溫度和壁面溫度與圍巖初始溫度存在線性關(guān)系，關(guān)系式分別為式(1)和式(2)。

通風(fēng)2 h后隧道平均溫度：

Tt=0.197 5t+14.749

(1)

式中:t為圍巖初始溫度，30 ℃≤t≤ 65 ℃。

通風(fēng)2 h后壁面平均溫度：

Tb=0.648 1t+6.451 6

(2)

3 結(jié)論

采用Fluent數(shù)值分析方法，研究了施工通風(fēng)條件下隧道圍巖初始溫度對(duì)隧道內(nèi)溫度及圍巖溫度的影響規(guī)律，得出了以下主要研究結(jié)論：

(1)當(dāng)通風(fēng)溫度與圍巖初始溫度的溫差越大，通風(fēng)降溫效果越明顯。通風(fēng)時(shí)間在2 h以內(nèi)，可以將隧道掌子面溫度降低到28 ℃以下，能滿足施工要求，初始巖溫低于65 ℃時(shí)可以采用施工通風(fēng)降溫措施。

(2)在不同圍巖初始溫度下，橫縱斷面上的降溫趨勢(shì)基本一致，隧道內(nèi)平均溫度隨通風(fēng)時(shí)間增加而呈雙曲線形衰減，圍巖調(diào)熱圈半徑幾乎相同，調(diào)熱圈半徑為5.35 m，圍巖內(nèi)的溫度變化深度約為1.60 m。

(3)隧道內(nèi)平均氣溫和壁面平均溫度與圍巖初始溫度呈線性關(guān)系。

(4)下一步研究溫度場(chǎng)與通風(fēng)速度關(guān)系、考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的隧道溫度場(chǎng)變化規(guī)律，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。