高地溫引水隧洞施工通風(fēng)降溫?cái)?shù)值模擬研究

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0050-08

Abstract：Toaddressthegeothermalhazardinwaterdiversion tunnels，numerical simulationswereconductedusingthe COMSOLMultiphysicstoinvestigatethechangesiinteraltemperatureduringtunnelventilation.Theefectsofvariousfactors， includingdiferentventltionspeeds，ventilaiontemperatures，surroundingrocktmperatures，anderalinsulationlars，othe coling performanceof tunelventilationwerestudied.Thecalculationresultsindicatethatwhen theairtemperatureissetat 5% and 15qC ，the ambient temperature within the range of 10～30m behind the tunnel face can be reduced to below 28‰ within half an hour of ventilation.After two hours of ventilation，using a lower airflow velocity （ v =0.5 m/s） can reduce the overall tunnel temperature to a level close to that achieved with a higher airflow velocity（ u =0.9 m/s）. When the surrounding rock temperature reaches 60% ，except for the area 10m behind the tunnel face，the temperatures at farther locations can be reduced to below with sufficientventilation time.With theapplicationofthermalinsulation layers，thetemperaturereductionsat 10m and 30m can further reach 41.1% and 14.0% ，respectively. The research results can provide reference for controlling high -temperature heat damage in diversion tunnels.

Keywords：diversion tunnel;ventilationandcoling;numerical simulation;heat insulationmeasures;highland heathazard

隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，國民日益增長的生存發(fā)展渴望以及對資源開發(fā)利用的迫切需求，已成為推動能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和加速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的強(qiáng)勁動力。為拓展對自然資源的開發(fā)范圍，我國水電、采礦、交通等工程正逐漸向地形地質(zhì)條件復(fù)雜的西部高山峽谷地區(qū)延伸。而受不良地質(zhì)條件與強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動影響，西部艱險山區(qū)目前的鐵路和水電工程建設(shè)以及礦產(chǎn)資源開采中許多擬建與在建的地下工程常面臨著突出的高溫?zé)岷栴}[1-7]。例如在鐵路沿線的地下工程中，拉林線桑珠嶺隧道最高巖溫86.7^qC^[8] ，正洞高地溫段總長為 7369m ，其中最高溫度超過 60°C 的線路總長約 1860m 。此外，穿越喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)的拉月隧道實(shí)測地溫最大值可達(dá)93.5‰ 。在我國的水利水電工程建設(shè)中，南水北調(diào)西線工程引水隧道最大埋深達(dá) 1100m ，局部圍巖溫度可高達(dá) 70^qC 。地下工程的高溫現(xiàn)象不僅會造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，還會引起熱應(yīng)力導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)及襯砌開裂等問題。因此在施工過程中，有效控制高溫?zé)岷栴}顯得尤為重要。

對于高巖熱TBM隧道，目前常采用加大通風(fēng)量的降溫方法[10-13]。通風(fēng)降溫技術(shù)是一種通過機(jī)械通風(fēng)設(shè)備調(diào)節(jié)和降低地下工程環(huán)境溫度的方法，其原理是利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生空氣流動，將外界較低溫度的新鮮空氣引入作業(yè)區(qū)域，同時排出熱空氣和有害氣體，達(dá)到降溫和改善空氣質(zhì)量的效果。杜翠鳳等4以掘進(jìn)巷道為研究對象，利用數(shù)值模擬的方法，研究了風(fēng)量、出風(fēng)溫度以及巖壁溫度三個因素對巷道降溫效果的影響。榮騰龍等針對TBM掘進(jìn)巷道，研究了不同出風(fēng)速度、出風(fēng)溫度和不同風(fēng)筒位置等因素對巷道內(nèi)通風(fēng)和降溫過程的影響。張慶明等[對比了側(cè)壁壓入式通風(fēng)和混合式通風(fēng)方式下高地溫隧道施工通風(fēng)降溫的效果，同時研究了高地溫隧道在兩種通風(fēng)方式下隧道內(nèi)溫度和降溫速度的分布規(guī)律。方勇等建立了隧道的三維數(shù)值模型，研究了風(fēng)管在不同布設(shè)位置下，對通風(fēng)效果的影響。綜上所述，眾多學(xué)者針對不同地下工程，對通風(fēng)降溫效果的影響因素進(jìn)行了研究，然而自前關(guān)于多因素共同影響下的引水隧洞通風(fēng)降溫的系統(tǒng)研究還較少。

本文主要針對TBM掘進(jìn)面臨的引水隧洞高溫?zé)岷栴}，利用COMSOLMultiphysics軟件建立空氣對流-傳導(dǎo)換熱模型模擬隧洞通風(fēng)過程中的溫度演化過程，系統(tǒng)分析通風(fēng)速度、通風(fēng)溫度、圍巖溫度以及隔熱層等因素對洞內(nèi)溫度變化的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為高地溫引水隧洞的熱害控制提供參考。

1 隧洞通風(fēng)降溫模型

1.1模型基本假設(shè)

由于湍流計(jì)算的復(fù)雜性，數(shù)值模型的收斂性具有較大挑戰(zhàn)。因此，為簡化數(shù)值計(jì)算，本研究做出以下假設(shè)。

第一，假設(shè)圍巖和隔熱層的熱物理性質(zhì)穩(wěn)定、均勻并且各向同性。

第二，隧洞內(nèi)氣流被視為弱可壓縮流體，符合Boussinesq假設(shè)，即僅考慮溫度變化對流體密度引起的浮力效應(yīng)，而忽略密度變化對流體動力特性的直接影響。此假設(shè)基于流體壓力變化對密度影響有限的物理事實(shí)，有效簡化了流體動力學(xué)方程，使之更適用于隧洞通風(fēng)與換熱問題的數(shù)值分析。

第三，本模型忽略由流體黏性力導(dǎo)致的熱耗散效應(yīng)，同時假定隧洞內(nèi)固體壁面間的熱輻射傳遞可忽略不計(jì)。做出該假設(shè)的原因是隧洞內(nèi)空氣作為多種非輻射性氣體混合物，其輻射能量交換能力有限。同時，由于隧洞結(jié)構(gòu)簡化為對稱圓形，理論上壁面間的輻射能量可實(shí)現(xiàn)相互抵消，對整體熱傳遞過程貢獻(xiàn)甚微。因此，為減少計(jì)算復(fù)雜度并聚焦于主要傳熱機(jī)制，本研究將忽略輻射熱傳遞的影響。

第四，假設(shè)隧洞內(nèi)壓力變化對氣流密度及溫度的影響可忽略不計(jì)。這一假設(shè)基于流體在隧洞內(nèi)流動時，其壓力變化相較于溫度與密度變化而言較為微小，并且對整體換熱過程不構(gòu)成顯著影響的物理認(rèn)識。通過此假設(shè)，能夠進(jìn)一步簡化模型方程，提高計(jì)算效率與穩(wěn)定性。

1.2模型控制方程

隧洞內(nèi)的傳熱系統(tǒng)分為熱傳導(dǎo)和熱對流兩部分。熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在圍巖和隔熱層，熱對流主要發(fā)生在氣流內(nèi)部和氣流與隧道壁的界面處。其中，隧洞隔熱層以及圍巖內(nèi)的熱傳導(dǎo)控制方程可以寫為

式中： _：ρ 是隔熱層或圍巖的密度； C_p 是隔熱層或圍巖的比熱容； T 是隔熱層或圍巖的溫度； χ_t 是時間； q 是隔熱層或圍巖的熱流密度； Q 是隔熱層或圍巖的熱源； λ 是隔熱層或圍巖的熱導(dǎo)率。

在機(jī)械通風(fēng)下的氣流通常處于湍流狀態(tài)，其中標(biāo)準(zhǔn)的雷諾平均Navier-Stokes（RANS）模型因其解決湍流流場的方便性而被廣泛使用。其控制方程包括時間平均質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程（N-S方程）、能量守恒方程和 k-ε 雙方程湍流模型，這些方程可以寫成如下形式。

1.2.1 質(zhì)量守恒方程

式中： ：ρ_a 是氣流密度； u 是氣流速度。

1.2.2 動量守恒方程（N-S方程）

式中： ??μ 是氣流的黏度系數(shù) σ;μ_T 是氣流的湍流黏度系數(shù)；I 是單位矩陣； P 是氣流壓力； F=ρ_aX-?/?x 0 （μ^′??u） ，其

中 X 是沿坐標(biāo)軸方向的體積力 ，μ^′=2/3μ（??u） ，是氣流的第二黏度系數(shù)。

1.2.3 能量守恒方程

式（6）和（7）中： C_pa 是氣流的比熱容； T_a 是氣流溫 度； q_a 是氣流的熱通量密度； λ_a 是隨 T_a 變化的氣流 熱導(dǎo)率； Q_a 是氣流的熱源。

7） 1.2.4 k-ε 雙方程湍流模型

式（8）和（9）中： k 是氣流的湍流動能； ε 是湍流動能的耗散率。 p_k=μ_I[?u：（?u+（?u）^ra）]-2/3（??u）²-2/3ρ_ak 和 σ_ε 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2 隧洞有限元模型建立

2.1 模型概況

本研究依托青藏高原邊緣地形過渡帶某高地溫引水隧洞的通風(fēng)降溫設(shè)計(jì)需求，通風(fēng)方案選擇拱頂壓入式通風(fēng)。數(shù)值模擬中的幾何模型取隧洞長度為 250m 隧洞直徑為 13m ，風(fēng)管直徑為 lm ，風(fēng)管末端距離掌子面 20m 。具體的隧洞側(cè)剖面幾何模型如圖1所示。

為了研究不同通風(fēng)速度、通風(fēng)溫度、圍巖溫度以及隔熱層等因素對隧洞通風(fēng)降溫效果的影響，選取表1所示參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，以分析各參數(shù)對隧洞內(nèi)溫度分布及降溫效率的影響規(guī)律。

2.2 初邊值條件

1）空氣流以 u=-u_an 的速度從風(fēng)管入風(fēng)口流入隧洞，然后以 p=p_atm 和 -n?q=0 來表征空氣的逸出邊界。為了研究通風(fēng)速度 u_a 和初始溫度 T_a 的影響，設(shè)置了3種通風(fēng)速度（即 0.5，0.7，0.9m/s 和3種初始空氣溫度（即5、15和 25°C ）。

2）圍巖外邊界設(shè)為恒溫邊界，其溫度等于初始巖石溫度。本研究共考慮了3種圍巖溫度 T_r：40.5060^°C

3）在湍流模塊中，隧洞壁面設(shè)為無滑移的wall邊界，同時通風(fēng)管道壁面設(shè)為無滑移的innerwall邊界。在傳熱模塊中，當(dāng)不考慮隔熱層時，隧洞壁面設(shè)為開放邊界；當(dāng)施加隔熱層時，隧洞壁面設(shè)為thinlayer邊界。

2.3 網(wǎng)格劃分

隧洞的幾何模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū) 域，圍巖及隧洞區(qū)域共劃分為3436個三角形單元網(wǎng)

格和2036個四邊形單元網(wǎng)格，總單元數(shù)為5472，最小單元質(zhì)量為0.1355，平均單元質(zhì)量為0.773，單元面積比為0.01485。

2.4數(shù)值實(shí)現(xiàn)軟件

本文利用COMSOLMultiphysics實(shí)現(xiàn)上述數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而模擬分析通風(fēng)降溫過程中的洞內(nèi)溫度發(fā)展演化。COMSOLMultiphysics是一款基于有限元法的多物理場仿真軟件，其通過精確求解偏微分方程來模擬真實(shí)的復(fù)雜物理現(xiàn)象。該軟件廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化和問題解決等領(lǐng)域，特別是在傳熱分析、流體動力學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)等多個工程和科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

COMSOL的主要優(yōu)勢在于其多物理場耦合能力，其可以同時求解流體流動、熱傳導(dǎo)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和電磁場等多種物理現(xiàn)象。其網(wǎng)格支持能力強(qiáng)大且網(wǎng)格類型多樣；同時，該軟件內(nèi)置的物理模型豐富而先進(jìn)，可以為用戶提供層流、湍流和混合流等多種流動模型，其熱傳導(dǎo)模塊能夠模擬包括強(qiáng)制對流、自然對流及輻射在內(nèi)的多種傳熱模式，并具備豐富的物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

對于隧洞通風(fēng)降溫問題，COMSOL的湍流模塊和傳熱模塊可以提供精確的模擬方案。通過計(jì)算熱量傳遞和氣流的流動，能夠優(yōu)化隧洞內(nèi)的溫度分布和氣體流速。

3模擬結(jié)果分析

3.1通風(fēng)溫度對高巖溫TBM施工環(huán)境降溫效果的影響

通風(fēng)是高巖溫隧洞施工中降低環(huán)境溫度的主要措施之一，同時通風(fēng)溫度將直接影響隧洞內(nèi)施工環(huán)境的降溫效果，因此有必要對不同風(fēng)溫條件下的隧洞環(huán)境控制效果進(jìn)行研究。依據(jù)四季氣溫變化與晝夜溫差，選擇送風(fēng)溫度 T_in 為 5、15、25°C ，通風(fēng)速度 v 為0.5m/s ，圍巖溫度 T_b 為 40°C ，進(jìn)而模擬高巖溫TBM施工環(huán)境的通風(fēng)效果。

由圖2、圖3可以看出，降低通風(fēng)溫度可有效提高高溫隧洞施工環(huán)境的降溫效果，尤其是在出風(fēng)口處溫度降幅更為顯著，因此在實(shí)際工程中應(yīng)考慮將管道出風(fēng)點(diǎn)設(shè)置于施工人員活動區(qū)域。此外，在壓入式通風(fēng)隧洞內(nèi)，風(fēng)流從通風(fēng)管出口流向掌子面，在受到掌子面阻礙后，折返流向隧洞進(jìn)口方向。故在此類高溫隧洞中，沿風(fēng)回流路徑的各個區(qū)域?qū)⒋蔚诮禍亍?/p>

值得注意的是，由于TBM的刀盤尺寸差異，因此施工人員的工作區(qū)域通常位于掌子面后方 10～30m 故通風(fēng)降溫僅需主要滿足對此區(qū)域的溫度控制即可。

為進(jìn)一步分析通風(fēng)措施對高溫隧洞的降溫效果，在距掌子面 10m 及 30m 處（即測點(diǎn) A，C^? 設(shè)置測點(diǎn)，進(jìn)而繪制隧洞氣溫變化曲線如圖4、圖5所示。

根據(jù)曲線圖可以看出，由于受阻擋回流作用影響，因此距離掌子面最近的測點(diǎn)A處溫度最高，同時更遠(yuǎn)的測點(diǎn)C處溫度則低于A處。值得注意的是，當(dāng)圍巖溫度達(dá)到 40°C 時，以 0.5m/s 的風(fēng)速通入 25^°C 空氣，在測點(diǎn)A處溫度只能降到 29.23^°C ，無法達(dá)到SL303—2004《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的隧洞內(nèi)工作環(huán)境溫度 28°C ，此時應(yīng)輔以其他方式進(jìn)行降溫處置。此外，雖然更低的通風(fēng)溫度降溫幅度更大并且降溫速率更快，但是風(fēng)溫為 5，15^°C 時均能在通風(fēng)半小時左右將掌子面后 10～30m 范圍環(huán)境溫度降至28^°C 以下，因此在 40°C 的圍巖溫度條件下，向隧洞以0.5m/s 的風(fēng)速通入 15°C 的低溫空氣不僅能滿足施工規(guī)范所要求的降溫效果，而且相較于 5°C 的通風(fēng)降溫更具有經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 通風(fēng)速度對高巖溫TBM施工環(huán)境降溫效果的影響

通風(fēng)速度是影響高溫隧洞通風(fēng)降溫效果的重要參數(shù)之一，因此需要利用模型計(jì)算分析不同風(fēng)速對空氣溫度的影響規(guī)律，并以此指導(dǎo)施工通風(fēng)。模型預(yù)測計(jì)算參數(shù)取送風(fēng)溫度 T_in 為 5^°C ，通風(fēng)速度 v 為0.5、0.7與 0.9m/s ，圍巖溫度 T_b 取 40% ，模擬計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖8、圖9可知，在 40% 的高巖溫條件下，提高通風(fēng)速度將加快高溫隧洞的降溫進(jìn)程。但是在通風(fēng)2h 后，采用較低的風(fēng)速（ Δv=0.5m/s 仍能將隧洞溫度降至與較高風(fēng)速（ v=0.9m/s ）幾乎一致的水平。因此，持續(xù)的高速通風(fēng)并不會對維持隧洞低溫環(huán)境帶來額外效益。故在實(shí)際工程中，可考慮在施工前期提高風(fēng)速，進(jìn)而盡快降低隧洞溫度便于施工，待溫度下降至穩(wěn)定水平后可適當(dāng)減小風(fēng)速。這樣既能有效將隧洞施工環(huán)境溫度控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)，還可進(jìn)一步節(jié)省通風(fēng)降溫的經(jīng)濟(jì)成本。

3.3不同巖溫對TBM施工環(huán)境氣溫的影響 3.4隔熱層對高巖溫TBM施工環(huán)境降溫效果的影響

圍巖溫度是隧洞內(nèi)施工環(huán)境溫度的直接影響因素，因此有必要對不同巖溫條件下的通風(fēng)降溫效果進(jìn)行研究。依據(jù)現(xiàn)有工程案例選擇送風(fēng)溫度 T_in 為 15^°C 通風(fēng)速度 v 為 0.5m/s ，圍巖溫度 T_b 為 40，50，60^°C ，進(jìn)而模擬計(jì)算高巖溫TBM施工環(huán)境的通風(fēng)效果，溫度分布如圖10、圖11所示。

根據(jù)圖12、圖13可以看出，圍巖溫度上升將阻礙隧洞通風(fēng)降溫進(jìn)程并削弱降溫效果。值得注意的是，當(dāng)圍巖溫度 T_b=60^°C 時，長時間的通風(fēng)降溫也難以將測點(diǎn)A處的空氣溫度降到規(guī)范規(guī)定的 28^°C 以下。同時，測點(diǎn)C處則分別需要大致 18，25，30min 將溫度降至 28^°C 以下。可見，通風(fēng)降溫措施在高溫條件下仍能夠高效地控制環(huán)境溫度，進(jìn)而為施工人員提供安全保障。

在高巖溫的隧洞工程中，除采用通風(fēng)降溫措施外，通常還將設(shè)置隔熱層以進(jìn)一步削弱高溫圍巖對隧洞施工環(huán)境溫度的影響，并提高襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲備。故以巖溫 T_b=60^°C ，風(fēng)溫 T_in=15°C ，風(fēng)速 v=0.5m/s 工況為例，分別考慮有無隔熱層對隧洞通風(fēng)降溫的影響，模擬計(jì)算結(jié)果如圖14、圖15所示。

注： T_in=15C;v=0.5m/s_°

由圖16、圖17可知，在未添加隔熱層時，通風(fēng)降溫僅能在出風(fēng)口附近達(dá)到最優(yōu)效果。相比之下，添加隔熱層將有效削弱圍巖傳熱的影響，進(jìn)而在通風(fēng) ^2h 后可實(shí)現(xiàn)對整條隧洞的降溫調(diào)控。具體分析來看，未添加隔熱層時，測點(diǎn)A、C兩處最終溫度分別為27.57、18.37°C ，在添加隔熱層后，可將上述區(qū)域進(jìn)一步降溫至 16.23，15.81°C ，降溫幅度分別可達(dá) 41.1% 及14.0% 。此外，由于圍巖與空氣之間的熱交換速率較慢，因此通風(fēng)降溫的前1h內(nèi)，是否實(shí)施圍巖隔熱對空氣溫度的影響較小。然而隨著圍巖與空氣之間熱交換的持續(xù)進(jìn)行，最終隔熱工況將在穩(wěn)態(tài)條件下相較于不隔熱工況產(chǎn)生約 5°C 的溫度降低。故在極端高溫環(huán)境中，設(shè)置隔熱層可大幅增強(qiáng)通風(fēng)降溫效果，進(jìn)而為施工過程中的工作人員提供進(jìn)一步的安全保障。

4結(jié)論

本文針對引水隧洞的高溫?zé)岷栴}，利用數(shù)值模擬分析了不同通風(fēng)速度、通風(fēng)溫度、圍巖溫度以及隔熱層對隧洞通風(fēng)降溫效果的影響，得出了以下結(jié)論。

1）在 40% 的圍巖溫度條件下，向隧洞以 0.5m/s 的風(fēng)速通入 15^°C 的低溫空氣不僅能滿足施工規(guī)范所要求的降溫效果，而且相較于 5°C 的通風(fēng)降溫更具有經(jīng)濟(jì)效益。

2）在實(shí)際工程中，可考慮在施工前期提高風(fēng)速，進(jìn)而盡快降低隧洞溫度便于施工，待溫度下降至穩(wěn)定水平后可適當(dāng)減小風(fēng)速。這樣既能有效將隧洞施工環(huán)境溫度控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)，還可進(jìn)一步節(jié)省通風(fēng)降溫的經(jīng)濟(jì)成本。

3）當(dāng)圍巖溫度達(dá)到 60°C 時，長時間的通風(fēng)也難以將 10m 處的溫度降到 28^°C 以下。同時， 30m 處則分別需要大致 18.25.30min 將溫度降至 28°C 以下。通風(fēng)降溫措施在高溫條件下仍能夠高效地控制施工環(huán)境溫度。

4）通風(fēng)降溫的前1h內(nèi)，是否實(shí)施圍巖隔熱對溫度的影響較小。然而隨著圍巖與空氣之間熱交換的持續(xù)進(jìn)行，最終隔熱工況將在穩(wěn)態(tài)條件下相較于不隔熱工況產(chǎn)生約 5°C 的溫度降低。

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