鐵路隧道施工期噴霧降溫技術(shù)研究

【摘要】隨著長大深鐵路隧道工程數(shù)量的增多，隧道建設(shè)進(jìn)入高地溫地段的情況也變得不可避免。高溫環(huán)境不僅會危害工人身體健康、降低機(jī)械設(shè)備施工效率，還會影響襯砌和圍巖的安全性，制約著工程安全、進(jìn)度和質(zhì)量。該研究依托西部高原某隧道工程，采用數(shù)值模擬手段研究噴嘴數(shù)量及噴嘴布設(shè)位置對高地溫隧道溫度場和速度場的影響，獲得了霧滴在隧道中隨通風(fēng)風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在拱頂布設(shè)4組噴嘴后，隧道縱向?qū)ΨQ面溫度上部下降5 ℃，為27 ℃；下部下降3 ℃，為28 ℃，隧道的速度場沒有明顯的改變。噴嘴數(shù)量增加至8組以后，隧道縱向?qū)ΨQ面溫度上部下降7 ℃，下部下降5 ℃，相較4組噴嘴時(shí)多降低了2 ℃。噴嘴布設(shè)在隧道側(cè)壁時(shí)，隧道橫截面溫度靠近風(fēng)管側(cè)較高，風(fēng)管對側(cè)溫度較低為27 ℃。最后提出了噴霧降溫的溫度適用范圍和方案選擇建議。

【關(guān)鍵詞】隧道施工； 高地溫； 數(shù)值模擬； 噴霧降溫

【中圖分類號】U455.1A

0 引言

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，隧道內(nèi)氣溫不宜高于28 ℃［1］。在高溫環(huán)境下，工人的工作效率會降低，機(jī)械設(shè)備故障增多［2-3］，特別是對于以機(jī)械化施工為主的隧道工程會帶來巨大的影響；在高溫條件下長時(shí)間高強(qiáng)度的工作，工人會出現(xiàn)熱痙攣癥、熱虛脫癥和熱射癥等［4］，嚴(yán)重危害到工人的身心健康［5-6］；高溫還會降低圍巖和襯砌的強(qiáng)度［7-10］，加速巖爆發(fā)生時(shí)間［11］，影響施工安全性。目前應(yīng)用于隧道工程施工期降溫的技術(shù)主要有兩種。一種是借助通風(fēng)方案進(jìn)行降溫。通風(fēng)作為隧道施工必備的環(huán)節(jié)，具有供氧、降塵、稀釋有毒氣體和降溫多種功能。當(dāng)隧道熱害較輕時(shí)，加大風(fēng)量降低作業(yè)區(qū)段環(huán)境溫度是有效的［12］，但熱害問題較為嚴(yán)重時(shí)，就需要在通風(fēng)基礎(chǔ)上輔助其他降溫措施以達(dá)到滿足施工溫度標(biāo)準(zhǔn)的組合降溫方式。常用的措施有冰塊降溫、噴霧灑水降溫、加設(shè)橫洞、局部制冷、個(gè)體防護(hù)等［13］。其中噴霧降溫以其經(jīng)濟(jì)性、布設(shè)所需空間小和改善空氣濕度等優(yōu)點(diǎn)常作為輔助降溫措施的主要選擇之一。

國外對于噴霧的研究起步較早。J.Vaari［14］提出了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，研究了受保護(hù)空間內(nèi)溫度、氣體密度、氣體成分和細(xì)水霧濃度的時(shí)間演化過程。Landsberg等［15］從理論上分析了直接蒸發(fā)空氣溫度冷卻的功效。Blanchard等［16］研究了縱向通風(fēng)隧道中細(xì)水霧與熱氣體的相互作用，Saffari等［17］研究了水滴直徑和溫度對風(fēng)塔熱性能的影響。國內(nèi)學(xué)者對隧道噴霧降溫也取得了一些成果。馮振［18］模擬了液壓支架之間的噴霧零化和抑塵技術(shù)，確定了綜采煤工作面中粉塵，零場以及噴霧和除塵性能的特征。陳曦等［19-20］采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬來研究噴零壓力和噴嘴口徑與除塵效率的耦合關(guān)系。何青青［21］對隧道加入噴霧以后的通風(fēng)進(jìn)行模擬，分析溫度場和速度場的變化。王小芝［22］介紹噴霧降溫機(jī)理和噴嘴霧化機(jī)理，并用Fluent軟件模擬霧滴粒徑、空氣濕度對霧滴壽命的影響、霧滴的速度、軌跡以及噴霧降溫在隧道工程中的效果。張培紅等［23］采用Fluent對細(xì)水霧三種不同開啟關(guān)閉時(shí)間工況下，對高溫高濕巷道內(nèi)溫度、濕度變化規(guī)律進(jìn)行對比分析。丁俊智等［24］利用理論和數(shù)值模擬方法對雪山隧道內(nèi)相對濕度、噴霧水量、水溫及隧道風(fēng)速對噴霧降溫系統(tǒng)的影響進(jìn)行研究。鄒麗等［25］隧道采用Fluent軟件模擬細(xì)水霧降溫，全尺寸模擬研究了不同環(huán)境溫度、不同布置形式和不同濕度對隧道降溫效果的影響。

作為隧道輔助降溫措施，噴霧降溫的噴嘴數(shù)量和噴嘴布設(shè)位置等因素對隧道速度場和溫度場的影響研究尚未涉及。本文依托西部高原某隧道工程，使用數(shù)值模擬手段模擬分析隧道施工期噴霧降溫技術(shù)，研究噴嘴數(shù)量及噴嘴布設(shè)位置對隧道溫度場和速度場的影響，為實(shí)際工程提供理論支持和優(yōu)化降溫方案參考。

1 工程概況

文中研究的隧道工程位于西部高原，海拔2121～4637 m，最大埋深2080 m，隧道全長31.675 km。由于隧道靠近縫合帶且埋深較大，通過工程地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)在隧道洞身東南側(cè)存在溫泉分布，附近鉆探亦揭示存在高地溫現(xiàn)象。綜合鉆孔實(shí)測地溫梯度及分析計(jì)算，該隧道地溫大于50 ℃的段落占比14.8％。

2 計(jì)算過程

2.1 建立模型

由巷道式通風(fēng)風(fēng)流特點(diǎn)得出，通風(fēng)過程中風(fēng)管至掌子面區(qū)為風(fēng)流變化密集區(qū)，且施工過程中該區(qū)域?yàn)槿藛T和設(shè)備密集區(qū)，對施工溫度的要求更加嚴(yán)格。因此，計(jì)算模型應(yīng)著重研究風(fēng)管出口至掌子面區(qū)段風(fēng)流溫度和速度的變化，同時(shí)為簡化計(jì)算，計(jì)算模型選取掌子面后方100 m范圍進(jìn)行建模，掌子面距風(fēng)管出風(fēng)口距離25 m，風(fēng)管2.4 m。

根據(jù)隧道施工圖，簡化隧道斷面尺寸如圖1所示。

2.1.1 邊界條件設(shè)置

通風(fēng)管入口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界，隧道出口設(shè)置為壓力出口邊界。根據(jù)勘探報(bào)告，現(xiàn)場測得地溫最大在60 ℃以上，本文計(jì)算取壁面溫度為60 ℃進(jìn)行計(jì)算。壁面設(shè)置為無滑移固體壁面。

2.1.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場圍巖采樣測試結(jié)果，材料的主要熱參數(shù)取值如表1所示。

湍流流動(dòng)模型采用Realizablek-ε兩方程模型，采用CFD軟件Fluent分離式求解器進(jìn)行計(jì)算，考慮氣流的浮升力影響。對控制方程采用具有二階精度的迎風(fēng)拆分格式，采取廣泛使用的SIMPLE算法對湍流的時(shí)均方程進(jìn)行求解。

2.2 工況設(shè)置

通風(fēng)噴霧計(jì)算模型采用在通風(fēng)模型的基礎(chǔ)上增設(shè)噴嘴。送風(fēng)速度為10 m/s，送風(fēng)溫度為30 ℃，壁面溫度為60 ℃。噴嘴均選用壓力式霧化噴嘴（Pressure-swirl-atomizer），液滴溫度為10 ℃，噴嘴流量為0.03 kg/s，噴嘴內(nèi)徑為0.002 m，噴霧出口壓力為2 MPa，擴(kuò)散角為40°。

為研究噴嘴數(shù)量、噴嘴布設(shè)位置等因素對降溫效果的影響，設(shè)置三種工況進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 工況1

共設(shè)置4個(gè)噴嘴，噴嘴布置在隧道正上方，距地面9 m，噴嘴之間間距為5 m。如圖2所示。

2.2.2 工況2

共設(shè)置8個(gè)噴嘴，噴嘴布置在隧道正上方，采用雙排布置，每排4個(gè)，距地面9 m，兩排噴嘴間距為2 m，噴嘴之間間距為5 m。如圖3所示。

2.2.3 工況3

共設(shè)置8個(gè)噴嘴，噴嘴對稱布置在隧道兩側(cè)，距地面5.5 m，與通風(fēng)管中心等高，噴嘴之間間距為5 m，如圖4所示。

3 噴霧對隧道溫度場和速度場的影響分析

3.1 工況1霧滴運(yùn)動(dòng)分析

由圖5得出，受風(fēng)管出口射流影響，離風(fēng)管出口越近，射流風(fēng)束越集中且速度越高，使周圍氣流呈現(xiàn)被吸附的趨勢，因此距離風(fēng)管出口較近的霧滴呈靠近風(fēng)管運(yùn)動(dòng)的趨勢。距離風(fēng)管出口較遠(yuǎn)處射流效果減弱，風(fēng)束發(fā)散且速度降低，影響范圍變大，對周圍氣流有向外擠壓的趨勢，因此距離風(fēng)管出口較遠(yuǎn)的霧滴呈遠(yuǎn)離風(fēng)管運(yùn)動(dòng)的趨勢。

液滴從噴嘴噴出以后呈傘狀迅速擴(kuò)散開來，由于噴嘴壓力較大，液滴初始速度較快，受隧道內(nèi)風(fēng)流影響很小，基本呈現(xiàn)扇形分布。當(dāng)液滴速度減小以后，受隧道內(nèi)回風(fēng)流影響，液滴有向隧道出口運(yùn)動(dòng)的趨勢，故隧道貼近地面處液滴分布呈靠近出口側(cè)密集、遠(yuǎn)離出口側(cè)稀疏的趨勢，如圖6所示。霧滴最大存留時(shí)間為5 s左右，說明所有的液滴會在5 s內(nèi)全部蒸發(fā)或者被隧道壁面捕捉。

如圖7所示，霧滴直徑最大為689 μm左右，且大部分的霧滴直徑在200～300 μm之間，這說明噴霧霧滴已經(jīng)霧化成非常細(xì)小的顆粒，蒸發(fā)效果良好。霧滴沿程直徑不斷變大，這是由于密集的霧滴在運(yùn)動(dòng)過程中不斷相互碰撞聚集，形成了直徑更大的霧滴。

3.2 工況1噴霧前后溫度場對比分析

由圖8可知，噴霧前，風(fēng)管軸線截面氣溫受速度場影響比較明顯，隧道上部氣溫低于下部氣溫，溫度為31～32 ℃左右，噴霧以后，該截面溫度場發(fā)生了明顯的改變，溫度場受流場的影響減小，由于隧道下部霧滴聚集，密度變大，氣溫明顯降低，為28 ℃左右，較之前下降了3～4 ℃。

由圖9得，噴霧前，隧道中線所在面最低氣溫為31～32 ℃，且低溫區(qū)域較小，由掌子面向洞口方向呈錐形分布。噴霧后，截面溫度場變化明顯，低溫區(qū)域明顯增大，各點(diǎn)溫度較之前都有所降低，隧道上部氣溫下降最多，為27 ℃左右，這是因?yàn)樵撎幙拷鼑娮?，高速噴出的霧滴在此區(qū)域蒸發(fā)。隧道下部溫度略高，為28～29 ℃。

如圖10所示，噴霧前，距掌子面5m斷面溫度分布較為均勻，除隧道頂部受射流風(fēng)影響溫度略高以外，大部分區(qū)域溫度在31～32 ℃左右。噴霧后，溫度場以噴嘴下方為中心向四周呈放射狀，在噴嘴下方形成了一個(gè)較為明顯的低溫區(qū)，溫度為27～28 ℃左右。截面大部分區(qū)域溫度在28～29 ℃左右，相較之前也有所降低。

3.3 工況1噴霧前后速度場對比分析

由圖11～圖13得，噴霧前后隧道流型并沒有明顯的變化，這是因?yàn)閲娮靽姵龅母咚賴婌F在離開噴嘴以后速度迅速衰減，影響時(shí)間和范圍極小。由噴霧前后隧道軸線流速變化曲線得，距離掌子面各個(gè)截面的流速差別不大，噴霧后流速峰值略微后移，如圖13所示。總體來說，噴霧降溫并不會影響隧道原有的速度場。

3.4 工況2噴霧前后溫度場對比分析

由圖14得，噴霧后各個(gè)截面溫度場的分布和霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡極為相似，說明溫度場受霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡影響較為明顯?？拷L(fēng)管出口處，射流風(fēng)束集中，對周圍氣流有吸附作用，使霧滴偏向風(fēng)管側(cè)運(yùn)動(dòng)，故風(fēng)管側(cè)溫度要低于風(fēng)管對側(cè)溫度。隨著離風(fēng)管出口越來越遠(yuǎn)，射流效果減弱，風(fēng)束發(fā)散，此時(shí)溫度場分布受射流影響效果減弱，溫度場轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓢娮煜路较蛩闹艹史派錉钌叩内厔?。各截面最低溫度?5～26 ℃，且大部分區(qū)域溫度在27 ℃以下，降溫效果相比于工況1有所改善。

噴霧后，隧道縱向溫度場發(fā)生了較為明顯的改變。風(fēng)管軸線截面上部溫度由射流風(fēng)溫主導(dǎo)，為29～30 ℃，而下部溫度由噴霧霧滴主導(dǎo)，大部分區(qū)域溫度為27～29 ℃，局部低于27 ℃，因此上部溫度高于下部溫度，如圖15所示。隧道縱向?qū)ΨQ面溫度場與其相反，呈下部溫度高于上部溫度趨勢。上部靠近噴嘴位置，大量霧滴在此蒸發(fā)，溫度較低，為25～26 ℃，其他大部分區(qū)域溫度在26～27 ℃左右，如圖16所示。

3.5 工況3霧滴運(yùn)動(dòng)分析

如圖17所示，受噴嘴位置和重力的影響，工況3下絕大部分的霧滴均處于隧道6 m以下的區(qū)域。靠近掌子面區(qū)域由于風(fēng)流受阻抬升，屬于沖擊射流區(qū)域，部分霧滴隨風(fēng)流上浮至充滿整個(gè)掌子面區(qū)域，如圖18所示。由此可得，霧滴在掌子面的影響范圍要大于掌子面后方的截面。

受洞內(nèi)通風(fēng)流場影響，靠近風(fēng)管側(cè)的霧滴受進(jìn)風(fēng)流影響呈向掌子面運(yùn)動(dòng)的趨勢，風(fēng)管對側(cè)霧滴受回風(fēng)流影響呈向洞口方向運(yùn)動(dòng)趨勢。 風(fēng)管側(cè)進(jìn)風(fēng)流流速高，相對于風(fēng)管對側(cè)霧滴在z方向運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn)，如圖19所示。在掌子面區(qū)域受阻流速減慢，霧滴充滿至整個(gè)掌子面，因此靠近掌子面區(qū)域的溫度受進(jìn)風(fēng)流攜帶的霧滴主導(dǎo)。回風(fēng)流速度較慢，攜帶霧滴向隧道出口方向運(yùn)動(dòng)，影響區(qū)域至z=-65 m左右，如圖20所示。

由圖21、圖22得，靠近風(fēng)管出口的霧滴直徑最大為499 μm，而較遠(yuǎn)的霧滴直徑最大為645 μm，這是因?yàn)轱L(fēng)管出口處流速較大，加速了霧滴的蒸發(fā)，而遠(yuǎn)離風(fēng)管出口處流速減慢，霧滴蒸發(fā)緩慢的同時(shí)與周圍其他霧滴接觸凝聚在一起形成直徑較大的霧滴。

3.6 工況3噴霧前后溫度場對比

由圖23得，噴霧后隧道橫截面的溫度場與霧滴軌跡分布極為相似，說明噴霧后的溫度場是受霧滴分布主導(dǎo)，靠近風(fēng)管一側(cè)流速較大，大部分霧滴都被氣流沖散，溫度較高；而風(fēng)管對側(cè)回流風(fēng)速較小，霧滴分布密集，溫度較低?？傮w上隧道橫向溫度場分布呈上高下低，左高右低的趨勢。最低溫度為27 ℃左右，大部分區(qū)域溫度為28～29 ℃。

噴霧后，靠近風(fēng)管一側(cè)，風(fēng)管出口至掌子面區(qū)域溫度要高于風(fēng)管出口后方溫度，這主要是因?yàn)轱L(fēng)管側(cè)噴嘴位于風(fēng)管出口軸線上，屬于附壁射流區(qū)，此處流速快，霧滴還未與空氣進(jìn)行充分熱交換便被高速氣流沖散。而風(fēng)管對側(cè)溫度場分布與其相反，回流區(qū)流速較慢，霧滴與空氣進(jìn)行充分熱交換使風(fēng)管出口至掌子面區(qū)域溫度較低，噴霧降溫效果較好。由此可得，想要保證良好的噴霧降溫效果，在布設(shè)噴嘴時(shí)，應(yīng)避開風(fēng)速較高的區(qū)域，以保證噴霧降溫的效果。

4 結(jié)論與建議

本文建立隧道通風(fēng)+噴霧數(shù)值模型，模擬分析噴霧降溫前后隧道溫度場和速度場的變化規(guī)律，研究噴嘴數(shù)量及噴嘴布設(shè)位置對隧道溫度場和速度場的影響。具體結(jié)論如下：

（1）獲得了霧滴在隧道中隨通風(fēng)風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。噴嘴在隧道頂部時(shí)，靠近風(fēng)管出口的霧滴受到射流風(fēng)束吸附作用呈靠近風(fēng)管側(cè)運(yùn)動(dòng)的趨勢，遠(yuǎn)離風(fēng)管出口的霧滴則相反。霧滴在離開噴嘴以后呈傘狀擴(kuò)散，霧滴速度急速下降，霧滴最大存留時(shí)間為5 s左右。霧滴直徑大部分在200～300 μm之間，說明噴霧霧滴已經(jīng)霧化成非常細(xì)小的顆粒，蒸發(fā)效果良好。

（2）在拱頂布設(shè)4組噴嘴后，風(fēng)管所在截面下部溫度下降3～4 ℃，隧道縱向?qū)ΨQ面溫度上部下降5 ℃，為27 ℃；下部下降3 ℃，為28 ℃。隧道的速度場沒有明顯的改變，噴霧降溫不會影響遠(yuǎn)隧道原有的速度場。噴嘴數(shù)量增加至8組以后，隧道縱向?qū)ΨQ面溫度上部下降7 ℃，下部下降5 ℃，相較4組噴嘴時(shí)多降低了2 ℃。

（3）噴嘴布設(shè)在隧道側(cè)壁時(shí)，霧滴分布以隧道中下部為主，靠近風(fēng)管處射流速度快，霧滴密度小。溫度場受霧滴分布影響，與霧滴分布規(guī)律相似，橫斷面溫度靠近風(fēng)管側(cè)較高，風(fēng)管對側(cè)溫度較低為27 ℃。

（4）根據(jù)上述研究結(jié)論，建議當(dāng)施工溫度在33 ℃以內(nèi)時(shí)考慮采用噴霧降溫措施，溫度過高時(shí)降溫效果難以保證。相同噴嘴數(shù)量時(shí)，拱頂布置和側(cè)壁布置降溫幅度相近，但適用性有所不同，拱頂布置對隧道上部降溫效果更好，側(cè)壁布置對隧道下部降溫效果更好，建議根據(jù)施工人員和設(shè)備分布有針對性的選用噴嘴布設(shè)方案。

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