高地溫特長(zhǎng)鐵路隧道施工通風(fēng)降溫技術(shù)研究

關(guān)鍵詞：高地溫隧道；通風(fēng)降溫；通風(fēng)管道；灑水噴霧；冰塊

中圖分類號(hào)：U459.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.058

文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0207-03

0 引言

我國(guó)多高原山地地貌，在這些地區(qū)開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)，不可避免地會(huì)涉及很多隧道，而且這些地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，在隧道開挖過程中，常常會(huì)遇到高地溫?zé)岷栴}，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)、施工機(jī)械和施工作業(yè)人員的影響很大，因此，在高地溫段開展隧道施工，必須重視通風(fēng)降溫問題[1-2]。

目前，對(duì)于高地溫隧道降溫技術(shù)的研究已取得了一些成果。王政松3對(duì)高地溫小斷面隧道施工通風(fēng)排污降溫效果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出送風(fēng)溫度越低、風(fēng)速越高，排污降溫效果越好的結(jié)論。向兵等4研究了通風(fēng)速度對(duì)高地溫施工隧道通風(fēng)降溫效果的影響，得出了最佳通風(fēng)速度。齊兵等5以尼格隧道為例，對(duì)高地溫隧道的隔熱層進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。謝高英研究了高地溫環(huán)境下，如何采用冰塊對(duì)隧道進(jìn)行輔助降溫，并得出通風(fēng)30min后隧道氣溫與其形狀和布置方式關(guān)聯(lián)性不大這一結(jié)論。高地溫不僅影響施工環(huán)境，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性、隧道內(nèi)有害氣體的擴(kuò)散也有重要影響[7-8]，很多時(shí)候，采用單一的通風(fēng)降溫措施難以達(dá)到理想效果，而采用多種綜合措施進(jìn)行通風(fēng)降溫也是不經(jīng)濟(jì)的，因此需要根據(jù)隧道圍巖溫度來確定經(jīng)濟(jì)合理的通風(fēng)降溫措施。

本文以GJ鐵路隧道高地溫段施工為例，根據(jù)圍巖溫度，提出了多種通風(fēng)降溫措施，并進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證，可為類似工程施工提供借鑒。

1工程背景

GJ 隧道全長(zhǎng) 26.211km ，高地溫隧道長(zhǎng)度為1840m，分布在1號(hào)斜井工區(qū)大里程段落。隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中高山峽谷地貌，溝谷深切，地勢(shì)陡峻，沖溝發(fā)育，上覆第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層（QdeI）粗角礫土、碎石土、塊石土，坡殘積層 [Q.d+e|） 粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土、粗角礫土、碎石土，下伏基巖為印支期巖脈（V5I）、上三疊統(tǒng)金古組（T3in）、哇曲組（T3w）、甲丕拉組（Tj）、波里拉組（Tb）、阿堵拉組（T3a）奪蓋拉組（T3d），始新統(tǒng)然木組一段（Er）、二段（Er）、三段（Er）。隧道最大埋深為855m，年平均氣溫為5 ，年平均降雨量為 300～600mm. 。隧道高地溫段分布情況如表1所示。

2降溫措施介紹

2.1降溫措施

常用的隧道降溫措施包括通風(fēng)降溫、冰塊降溫、灑水噴霧降溫、人工制冷降溫等。 隧道采用了通風(fēng)降溫、冰塊降溫、噴霧降溫3種降溫措施。通風(fēng)降溫采用機(jī)械式壓入通風(fēng)，風(fēng)機(jī)型號(hào)為1臺(tái)2×110kW和1臺(tái) 2x 160kW；冰塊降溫則是在進(jìn)口處建立一座制冰站，24h對(duì)隧道中人員集中作業(yè)面進(jìn)行降溫；噴霧降溫則是在二襯臺(tái)車與掌子面之間每隔20m布置一臺(tái)霧炮機(jī)。

2.2 降溫措施分區(qū)

隧道中散熱量主要來自軸向洞周巖壁散熱量 Q1 、掌子面散熱量 Q2 、機(jī)械散熱量 Q3 、作業(yè)人員散熱量Q4 ，隧道中吸熱量來自通風(fēng)降溫S1、冰塊降溫S2和噴霧降溫 S3. ?；谀芰科胶庠恚傻茫?/p>

Q1+Q2+Q3+Q4=S1+S2+S3

隧道圍巖散熱是主要散熱源，故根據(jù)隧道中不同圍巖溫度計(jì)算應(yīng)該采取何種降溫措施，初步建立降溫措施分區(qū)，如表2所示。從表2中可知：基于能量平衡原理的綜合降溫措施分為4個(gè)溫度區(qū)，當(dāng)圍巖溫度 ?32? 時(shí)，采用單通風(fēng)管道降溫；當(dāng)40℃≥圍巖溫度 gt;32 ℃時(shí)，采用雙通風(fēng)管道降溫；當(dāng)48℃≥圍巖溫度 gt;40^°C 時(shí)，采用雙通道風(fēng)管 + 灑水噴霧降溫，當(dāng)溫度 gt;48^°C 時(shí)，采用雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫 + 冰塊進(jìn)行降溫。

3降溫效果分析

3.1數(shù)值模型的建立

采用數(shù)值模擬軟件構(gòu)建隧道模型。模型尺寸為長(zhǎng)120 m× 寬60 m× 高 60m ，距離掌子面模型出口處為100m（一般當(dāng)距掌子面距離為 3～4 倍洞徑時(shí)，圍巖溫度會(huì)保持不變），如圖1所示。隧道初支厚度為 ，二次襯砌厚度為0.45m，初支與二襯之間設(shè)置一層隔熱防水層（材質(zhì)為硬質(zhì)聚氨酯泡沫）。通風(fēng)管道尺寸為1.5m和1.8m（單通道為1.5m），將其安裝在距離掌子面約30m處，通風(fēng)風(fēng)量分別為1412m/min和1570 m³ /min，空氣溫度為25℃；霧炮車噴霧口為低溫空氣出口，風(fēng)速為10m/s ，溫度為20℃；冰塊設(shè)置在掌子面后方，冰塊用量為 10000kg 在開挖階段，設(shè)置圍巖對(duì)流換熱邊界，在初支施工階段，設(shè)置初支對(duì)流換熱邊界，在二襯施工階段，設(shè)置二襯對(duì)流換熱邊界[9。模型主要計(jì)算參數(shù)如表3所示。

由于隧道掌子面后方30m區(qū)域內(nèi)為主要的施工區(qū)域，因此取距離掌子面30m內(nèi)的平均空氣溫度作為通風(fēng)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)（人體能夠承受的舒適溫度為28℃）。假設(shè)圍巖溫度分別為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃和100℃。

3.2空氣溫度時(shí)程曲線

不同的通風(fēng)降溫措施下，掌子面后30m的空氣平均溫度時(shí)程曲線如圖2所示。由圖2（a）可知：在單通風(fēng)管道措施下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，空氣溫度逐漸降低，并在10min左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且與圍巖溫度無太大關(guān)系；相同通風(fēng)時(shí)間下，圍巖溫度越高，穩(wěn)定空氣溫度也越來越高，溫降值越大。由圖2（b）可知：在采取雙通風(fēng)管道措施后，隧道掌子面后30m在7min左右的溫度可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，相比單通風(fēng)通管道而言，提前約3min；相同通風(fēng)時(shí)間下，圍巖溫度越高，空氣的平均溫度也越高。由圖2（c可知：在采取雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫措施后，隧道掌子面后30m的平均空氣溫度在6min左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，相比雙通風(fēng)管道，提前約1min；與單/雙通風(fēng)管道一樣的是，圍巖溫度越高，穩(wěn)定的溫度越高，但是差值卻越來越小，表明增強(qiáng)通風(fēng)降溫措施后，效果越來越好。由圖2（d）可知：當(dāng)采取雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫 + 冰塊降溫措施時(shí)，在7min內(nèi)溫度得到迅速降低，此后溫度波動(dòng)較大，但總體溫度呈持續(xù)降低趨勢(shì)，這說明在加入冰塊降溫后，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道溫度的有效降低。

3.3通風(fēng)降溫效果對(duì)比

不同通風(fēng)降溫措施下，掌子面后30m平均溫度模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：在單通風(fēng)管道、雙通風(fēng)管道和雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫措施下，掌子面后 30m 的平均溫度隨圍巖溫度升高基本呈線性增長(zhǎng)；雖然單通風(fēng)管道措施可以降低隧道掌子面附近的空氣溫度，但作用有限，僅能對(duì)圍巖溫度 情況時(shí)，將掌子面后30m平均溫度降至 lt;28^°C ；在采取雙通風(fēng)管道時(shí)，面對(duì)圍巖溫度 ≤47^°C 情況，能夠?qū)⒄谱用婧?0m平均溫度降至 lt;28^°C ，當(dāng)采用雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫措施時(shí)，面對(duì)圍巖溫度≤55℃情況，可以將掌子面后30m平均溫度降至 lt;28° ；盡管采取雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫 + 冰塊通風(fēng)降溫措施時(shí)，溫度波動(dòng)較大，但平均溫度仍是與圍巖溫度呈正相關(guān)，且此種措施可以對(duì)隧道內(nèi)溫度進(jìn)行持續(xù)降溫，即使隧道內(nèi)圍巖溫度達(dá)到100℃，也能夠?qū)⑺淼勒谱用婧?0m內(nèi)溫度降至 lt;28^°C ，有利于改善施工作業(yè)人員工作環(huán)境。

3.4通風(fēng)降溫措施方案調(diào)整

基于模擬結(jié)果，對(duì)本隧道降溫措施方案進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果如表4所示。由表4可知：當(dāng)圍巖溫度 ?37? 時(shí)，宜采取單通風(fēng)管道措施；當(dāng)36℃lt;圍巖溫度 ?47? 時(shí)，宜采取雙通風(fēng)管道措施；當(dāng)47℃lt;圍巖溫度 ?55 ℃時(shí)，宜采取雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫措施；當(dāng)圍巖溫度 gt;55% 時(shí)，宜采取雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫 + 冰塊降溫措施。模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果有些偏差，這是因?yàn)槌伺c圍巖溫度有關(guān)之外，還與隧道斷面大小、施工作業(yè)人數(shù)、機(jī)械等使用情況有關(guān)。

根據(jù)調(diào)整后的通風(fēng)降溫措施方案，最終確定Dy3K750+650～Dy3K751+110，D3K751+290～D3K751+ 570洞段采用單通風(fēng)管道措施，在 [33mathsfK/51+280，0y3K751+110～D3K751+290 洞段采取雙通風(fēng)管道措施，對(duì)于特殊部分即圍巖溫度超過47℃的洞段，采取雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫措施。

4結(jié)語

（1）隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，不同通風(fēng)降溫措施下，隧道掌子面后30m平均溫度逐漸降低，在單通風(fēng)管道、雙通風(fēng)管道和雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫的措施下，隧道掌子面的溫度穩(wěn)定時(shí)間分別為10min、7min和6min，圍巖溫度越高，穩(wěn)定后溫度也越高；雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫 + 冰塊降溫措施下溫度會(huì)一直下降，且溫度波動(dòng)較大。

（2）單通風(fēng)管道、雙通風(fēng)管道和雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫措施分別可對(duì)圍巖溫度為≤37℃、 ?47% 和55℃的隧道進(jìn)行正常降溫，將隧道作業(yè)溫度降至 ，當(dāng)圍巖溫度 gt; 55℃后，需采取雙通風(fēng)管道 + 灑水噴霧降溫 + 冰塊降溫措施。

（3）根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)GJ隧道高溫段進(jìn)行了施工措施劃分和調(diào)整，取得了較好的應(yīng)用成果，可為類似高地溫隧道施工通風(fēng)降溫提供借鑒。

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