寒區(qū)隧道施工期空氣幕保溫系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

田學(xué)志

中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214028

寒區(qū)隧道冬季施工時(shí)，隨著隧道逐步貫通，外界寒冷氣流逐漸侵入隧道內(nèi)部，導(dǎo)致洞內(nèi)氣溫逐漸降低。洞內(nèi)氣溫低于5 ℃時(shí)混凝土硬化速度減緩，會(huì)影響終凝強(qiáng)度，進(jìn)而影響到工程質(zhì)量［1］。

針對(duì)寒區(qū)隧道施工期洞內(nèi)凍害問(wèn)題有一些研究。王飛等［2］以在建高海拔地區(qū)一條隧道為例，探究了不同類(lèi)型和鋪設(shè)厚度的保溫層對(duì)洞內(nèi)溫度場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)酚醛泡沫材料保溫效果更好。賴(lài)遠(yuǎn)明等［3］在青海省大同縣境內(nèi)大坂山隧道搭建防寒門(mén)，并對(duì)隧道內(nèi)縱向溫度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)搭建防寒門(mén)后洞內(nèi)氣溫大于0.34 ℃。乜鳳鳴［4］在大興安嶺嫩林線西羅2號(hào)隧道進(jìn)出口搭建了2 ～ 3道防寒門(mén)，隧道進(jìn)口端采用鍋爐供應(yīng)暖氣加熱，出口端采用地火龍加溫，能夠有效確保洞內(nèi)溫度在5 ℃以上。嚴(yán)健等［5］在寒區(qū)公路隧道洞口段設(shè)置通風(fēng)升溫系統(tǒng)，通過(guò)供熱法對(duì)進(jìn)入隧道內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱，該加熱系統(tǒng)能夠?qū)⑺淼蓝纯诙螄鷰r溫度從-6 ℃提升至5 ℃，并將隧道掌子面巖面溫度維持在6 ℃。范建國(guó)［6］采用理論研究、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算的方法，探究了寒區(qū)隧道施工期洞內(nèi)外溫度的變化規(guī)律。劉小剛等［7］針對(duì)風(fēng)火山隧道施工凍害問(wèn)題，研制了一套隧道施工通風(fēng)與洞內(nèi)溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)風(fēng)機(jī)向隧道掌子面方向送熱風(fēng)，風(fēng)機(jī)組最大功率為485 kW、隧道洞口氣溫為-30 ℃時(shí)能夠確保洞內(nèi)氣溫在3 ℃以上。魯華偉［8］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)調(diào)研和數(shù)值計(jì)算，對(duì)寒區(qū)隧道施工期洞內(nèi)通風(fēng)熱環(huán)境進(jìn)行研究。劉詩(shī)杰［9］為解決大連—旅順通道5號(hào)隧道凍害問(wèn)題，在隧道洞口架設(shè)20 m的保溫大棚，同時(shí)在施工工作面設(shè)置加熱暖風(fēng)炮等抗凍措施，將工作面氣溫控制在5 ℃以上。陶琦［10］通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了寒區(qū)隧道中電熱膜加熱系統(tǒng)的保溫效果。以上措施主要包括搭建防寒門(mén)、生爐子、安裝空調(diào)機(jī)組等?，F(xiàn)有技術(shù)雖然可以滿(mǎn)足施工期洞內(nèi)氣溫的要求，但是依然存在影響洞內(nèi)空氣質(zhì)量、CO中毒等問(wèn)題。因此，探究一種新型的寒區(qū)隧道施工期洞內(nèi)保溫措施具有一定指導(dǎo)意義。

本文依托京蘭高速鐵路在建尚山隧道工程，研制寒區(qū)隧道施工期空氣幕保溫系統(tǒng)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比搭建防寒門(mén)、搭建防寒門(mén) + 生爐子、搭建空氣幕保溫系統(tǒng)三種措施下洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫的變化。

1 空氣幕保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

尚山隧道位于烏蘭察布市尚山村。該隧道為單洞雙線隧道，起止里程DK37 + 587—DK39 + 903，全長(zhǎng)2 316 m，隧道洞口寬度為13.3 m，高度為9.6 m。Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段長(zhǎng)度分別為590 、1 726 m，隧道最大埋深為81.44 m。

隧址區(qū)屬于中溫帶亞干旱區(qū)，氣候寒冷干燥，年平均氣溫為5.1 ℃，歷年極端最高、最低氣溫分別為35.7 、-33.8 ℃；平均降水量為329 mm，年平均蒸發(fā)量為2 038.9 mm；歷年最大積雪厚度為30 cm，土壤最大凍結(jié)深度為1.91 m。隧道洞口風(fēng)速在3.5 ～ 7.9 m/s。該隧道斷面大，洞口風(fēng)速大，洞口大氣溫度低。這些不利條件對(duì)該隧道冬季施工過(guò)程中洞內(nèi)溫度控制提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

寒區(qū)隧道冬季施工期常用的保溫措施為洞口搭建防寒門(mén)和洞內(nèi)生火爐。該方法施工簡(jiǎn)便，成本低，但是存在幾點(diǎn)問(wèn)題：洞內(nèi)通風(fēng)時(shí)防寒門(mén)或者幕簾打開(kāi)，洞外冷空氣進(jìn)入洞內(nèi)，造成洞內(nèi)氣溫急劇下降；防寒門(mén)一直關(guān)閉會(huì)造成洞內(nèi)空氣質(zhì)量差，不利于施工人員的身體健康；洞內(nèi)生火爐容易造成施工人員CO中毒；施工車(chē)輛頻繁進(jìn)出，防寒門(mén)頻繁開(kāi)啟，洞內(nèi)氣溫控制難度大。

為了解決傳統(tǒng)技術(shù)存在的問(wèn)題，研制了寒區(qū)隧道施工期空氣幕保溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用強(qiáng)大的側(cè)向氣流阻隔洞外冷空氣入侵，有效提高洞內(nèi)氣溫。該系統(tǒng)主要由風(fēng)幕機(jī)、保溫框架、風(fēng)速與溫度測(cè)試元件、通風(fēng)管和PLC（Programmable Logic Controller）智能控制裝置五部分組成，見(jiàn)圖1。

圖1 寒區(qū)隧道施工期空氣幕保溫系統(tǒng)

該系統(tǒng)中風(fēng)幕機(jī)的射流風(fēng)速為28 m/s，噴口寬度為15 cm，射流角度為12°，兩臺(tái)風(fēng)幕機(jī)呈外八字形布置。洞內(nèi)通風(fēng)時(shí)，洞內(nèi)氣流由內(nèi)向外流出，與風(fēng)幕機(jī)吹出氣流的方向一致，有利于隧道通風(fēng)。

1.2 系統(tǒng)安裝過(guò)程

2023年2月1 日，隧道現(xiàn)場(chǎng)搭建了空氣幕保溫系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)安裝過(guò)程

具體內(nèi)容為：①在隧道洞口采用42、80、108 mm三種直徑的無(wú)縫鋼管搭建框架。保溫材料采用酚醛泡沫塑料。②搭建車(chē)行通道。車(chē)行通道高5 m，寬5 m。在門(mén)框上采用反光貼或霓虹燈作為警示標(biāo)志。③安裝風(fēng)幕機(jī)。風(fēng)幕機(jī)采用側(cè)吹式冷暖兩用型風(fēng)機(jī)，通過(guò)膨脹螺絲將風(fēng)幕機(jī)底座固定在水泥地面上，確保穩(wěn)定。④在框架右側(cè)安裝通風(fēng)裝置，由通風(fēng)管和風(fēng)機(jī)組成，用于洞內(nèi)通風(fēng)。⑤安裝PLC智能控制裝置，依據(jù)洞內(nèi)氣溫調(diào)節(jié)風(fēng)幕機(jī)的開(kāi)啟或關(guān)閉，在確保洞內(nèi)溫度不低于5 ℃的情況下，降低系統(tǒng)能耗。⑥安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在洞口、距洞口10、20、150 m處（混凝土澆筑處）布置4個(gè)測(cè)試斷面、38個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量洞內(nèi)氣溫的變化情況。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 洞口風(fēng)速和溫度

2022年10月1 日—2023年2月28日，對(duì)尚山隧道洞口風(fēng)速和氣溫進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 洞口風(fēng)速和氣溫

由圖3可知，2022年10月—2023年2月，該隧道洞口月平均風(fēng)速在3.37 ～ 4.84 m/s，平均氣溫在-1.52 ～ -15.58 ℃，最低氣溫可達(dá)到-22.57 ℃。

2.2 不同保溫措施適用條件

寒區(qū)隧道施工期重點(diǎn)控制洞內(nèi)澆筑混凝土處的氣溫，防止此處氣溫低于5 ℃，影響混凝土的硬化速度。不同保溫措施下洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫變化見(jiàn)圖4。

圖4 不同保溫措施下洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫變化情況

2022年11月15 日，在尚山隧道搭建防寒門(mén)，并開(kāi)始測(cè)試洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫。

11月24日，隧道洞口風(fēng)速為3.21 m/s，氣溫為-12.68 ℃。此時(shí)洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫開(kāi)始降至5 ℃以下。為了提高洞內(nèi)氣溫，11月25日在隧道洞口兩側(cè)生2個(gè)爐子，此時(shí)洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫達(dá)到8.12 ℃。

12月7日，隧道洞口風(fēng)速為5.36 m/s，氣溫為-19.13 ℃。此時(shí)洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫開(kāi)始降至5 ℃以下。

2023年1月29 日，現(xiàn)場(chǎng)搭建空氣幕保溫系統(tǒng)。隧址區(qū)2月份洞口最大風(fēng)速為4.56 m/s，最低氣溫為-15.83 ℃。開(kāi)啟空氣幕保溫系統(tǒng)后，洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫為7.36 ℃。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

以尚山隧道為例，建立二維平面計(jì)算模型，探究風(fēng)幕機(jī)的射流風(fēng)速、射流溫度對(duì)洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫的影響。該計(jì)算模型由洞外空氣、側(cè)吹式空氣幕保溫裝置和隧道組成，見(jiàn)圖5。

圖5 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

隧道洞口風(fēng)速為3.93 m/s，大氣溫度為-15.83 ℃，風(fēng)幕機(jī)的噴口寬度為15 cm，射流角度為12 °。射流風(fēng)速分別設(shè)定為10、20、28 m/s，射流溫度分別設(shè)定為20、30、50 ℃。射流風(fēng)速為28 m/s、射流溫度為50 ℃時(shí)洞內(nèi)風(fēng)速和氣溫，見(jiàn)圖6。

圖6 射流風(fēng)速為28 m/s、射流溫度為50 ℃洞內(nèi)風(fēng)速和氣溫

由圖6可知，兩道空氣幕在中間位置形成穩(wěn)定的“空氣墻”，有效阻隔了寒冷空氣的入侵，使得洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫達(dá)到273 K（0 ℃）以上。

不同射流風(fēng)速和溫度下澆筑混凝土處氣溫變化見(jiàn)表1?？芍弘S著空氣幕保溫系統(tǒng)射流風(fēng)速和射流溫度增加，洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫不斷上升；射流風(fēng)速10 m/s，射流溫度50 ℃時(shí)，澆筑混凝土處氣溫為5.04 ℃，滿(mǎn)足最低溫度要求；射流風(fēng)速28 m/s，射流溫度50 ℃時(shí)，澆筑混凝土處氣溫為6.50 ℃，也滿(mǎn)足最低溫度要求?？梢?jiàn)，適當(dāng)增加風(fēng)幕機(jī)的射流溫度，或者增加射流風(fēng)速，均可以提高洞內(nèi)氣溫。為了降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，建議適當(dāng)增加風(fēng)幕機(jī)的射流風(fēng)速。

表1 不同射流風(fēng)速和溫度下澆筑混凝土處氣溫變化

4 結(jié)論

1）搭建防寒門(mén)保溫時(shí)，洞口風(fēng)速3.21 m/s，氣溫-12.68 ℃條件下洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫開(kāi)始下降到

5 ℃以下，須聯(lián)合采用其他保溫措施。

2）搭建防寒門(mén) + 生爐子保溫時(shí)，洞口風(fēng)速5.36 m/s，氣溫-19.13 ℃條件下洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫開(kāi)始下降到5 ℃以下，須聯(lián)合采用其他保溫措施。

3）洞口最大風(fēng)速4.56 m/s，最低氣溫-15.83 ℃時(shí)，搭建空氣幕保溫系統(tǒng)后洞內(nèi)澆筑混凝土處氣溫為7.36 ℃。采用空氣幕保溫系統(tǒng)可同時(shí)解決洞內(nèi)保溫和通風(fēng)的問(wèn)題，為寒區(qū)隧道施工期洞內(nèi)保溫提供了新方法。

4）適當(dāng)增加風(fēng)幕機(jī)的射流風(fēng)速或增加射流溫度均可以提高洞內(nèi)氣溫。為了降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，建議適當(dāng)增加風(fēng)幕機(jī)的射流風(fēng)速。