高地温隧道超长独头施工降温及热环境特征研究_乔红彦.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023高地温隧道超长独头施工降温及热环境特征研究乔红彦(中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400037)摘要:为解决高地温隧道超长掘进工作面降温困难等问题，以成昆铁路德昌隧道为依托，基于理论分析与现场监测研究了高温特长隧道的热害主要成因及通风降温、冰块制冷和机械制冷的现场降温效果。通过 COMSOL Multiphysics 软件对比研究了通风降温和综合降温(机械通风+冰块+机械制冷)两种方式下掌子面 100 m 内环境温度场分布规律。结果表明:(1)独头施工通风距离 46 km 时风管出口风温约 32，只设置机械通风其掌子面环境温度约 38，辅以冰块和机械制冷后基本满足掌子面施工要求;(2)掌子面平均温度随通风时间增加呈负指数趋势降低，且与风管出口风温线性相关;相较于采用综合降温方式，纯通风降温时掌子面平均温度要高 3 4，掌子面温度所需稳定时间要少 3050 min;(3)风管以上隧道环境温度整体高于风管以下;从掌子面到洞口方向，隧道上部温度呈现增 减 增的发展趋势，在距掌子面 15 m 左右出现温度高峰值;对于隧道下部温度场，通风降温与综合降温有较大差异，通风降温呈现骤降 缓降 微升趋势，综合降温呈现激增 缓升趋势。本文研究成果可为类似高地温隧道施工提供指导。关键词:特长隧道;高地温;施工通风;综合降温中图分类号:U455文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0632-08esearch on Cooling and Thermal Environment of SuperLong SingleHeadedTunnel Construction with High Ground TemperatureQiao Hongyan(The 11th Bureau Group，the 5th Engineering Co Ltd of China ailway，Chongqing 400037，PChina)Abstract:In order to solve the problem of difficulty in cooling the super-long working face of high-temperature tunnels，based on the Dechang Tunnel of Chengdu-Kunming ailway，the main causes of heat damagein high-temperature extra-long tunnels and the on-site cooling effects of ventilation cooling，ice cooling andmechanical cooling were discussed by the oretical analysis and on-site monitoring The COMSOL Multiphysics softwarewas used to compare the distribution law of the ambient temperature field within 100 m of the face under two methodsof ventilation cooling and comprehensive cooling(mechanical ventilation+ice cube+mechanical cooling)Theresearch results show that:(1)When the ventilation distance of single-head construction is 4 6 km，the airtemperature at the outlet of the air duct is about 32;when only mechanical ventilation is provided，theambient temperature of the tunnel face is about 38，supplemented by ice cubes and mechanical refrigeration，which basically meets the construction requirements of the face(2)The average temperature of the tunnelface decreases with the increase of ventilation time in a negative exponential trend，and it is linearly related to theair temperature at the outlet of the air duct;compared with the comprehensive cooling method，the averagetemperature of the tunnel face is 3 4 higher，and the stabilization time of the face temperature is 30 50 minutes less when the temperature is cooled by pure mechanical ventilation(3)The ambient temperature收稿日期:2022-11-08(修改稿)作者简介:乔红彦(1979)，男，陕西佳县人，高级工程师，主要从事隧道工程、地下工程等领域的施工工作。E-mail:36420737 qqcom基金项目:国家自然科学基金(52104076)of the tunnel above the air duct is generally higher than that below the air duct;from the tunnel face to the tunnelopening，thetemperatureoftheupperpartofthetunnelpresentsanincreasing-decreasing-increasingdevelopment trend，and a high temperature peak occurs at about 15 m from the tunnel face;in terms of thetemperature of the lower part of the tunnel section，there is a big difference between ventilation cooling andcomprehensive coolingThat is，the ventilation and cooling show a sudden decrease-slow decrease-slightincrease trend，and the comprehensive cooling shows a surge-slow increase trend The research results canprovide guidance for the construction of similar high-temperature tunnelsKeywords:extra-long tunnel;high ground temperature;construction ventilation;comprehensive cooling0引言随着隧道工程向超深、超长方向发展，高温施工环境热害已成为隧道建设中需要考虑的重要问题之一1。高温环境会给施工人员带来极大危害，包括工作效率降低、环境热病危险性增高、甚至烫伤或死亡2。当前长距离施工通风效果受风管和风机的限制，降温效果大打折扣，故有必要研究特长隧道长距离独头施工通风时机械通风、冰块、机械制冷等降温措施的隧道温控效果，以及不同降温工况下的隧道施工环境温度场分布规律。目前，对于隧道的温度场分布和隧道降温已有诸多学者开展了相关研究并取得一定成果。在隧道温度场研究方面，张源3 通过相似试验与数值模拟相结合，研究了阻热圈对隧道围岩温度场时空演化规律的影响;Zhou 等4 以四川孜拉山隧道为例研究了列车活塞风对高地温寒区隧道温度场的影响及防冻系统;王长彬5 采用模拟巷道通风系统与数据采集系统相结合的方式分析了不同巷道围岩温度和不同入风风量对巷道出口温度的影响。在隧道降温措施方面，Zeng 等6 通过模型试验和数值模拟研究了通风频率和通风速度对隧道温度场的影响;李茹7 对比通风降温各项指标发现降低风温对隧道热环境改善最明显;朱宇等8 对比分析了冰块用量和冰块布置位置的降温效果;何青青9 利用 CFD 数值模拟证明了喷雾降温可以有效降低隧道壁面温度;王志杰等10 构建了不同围岩温度条件下通风、冰块、喷雾的降温方式选择和组合。总体而言，当前针对特长高地温隧道长距离通风的施工环境温度场分布规律、长距离施工通风与冰块及机械制冷等辅助降温共同作用机制和效果的研究均较少。高地温特长隧道长距离独头压入式通风时，风管风损大，风管内风流温度沿程不断升高，风管出口风量小、风温高，导致通风降温效果不佳。鉴于此，本文依托成昆铁路的德昌隧道，探讨长距离高地温隧道不同机械通风方案降温效果，并通过有限元数值模拟研究不同降温方式下掌子面 100 m 范围内环境温度场分布规律，为特长隧道高温热害防治提供依据。1工程概况成昆铁路德昌隧道位于四川省凉山州德昌县境内，线路所在地属亚热带 北温带的多种气候类型，具有夏季长、四季不明显、昼夜温差大、气候干燥、小气候复杂多样等特点，当地年平均气温高达209，是四川省内年平均气温和总热量最高的地区。同时，参考地质资料10，隧道线路所属地区地温梯度约 25 /km，即按地层埋深计算(式(1)时埋深超过 400 m 岩层温度则大于 30。Td=T0+G(H h)(1)式中:Td为地层埋深处的原岩温度，;T0为恒温带处岩层温度，可近似为当地的年平均温度，;G为地温梯度，/km;H 为埋深，m;h 为恒温带深度，取 30 m2。隧道起讫里程为 DK494+575D2K508+858，设计长度为 14 280 m，最大埋深达 1 030 m，设置 2座斜井进行分头掘进，隧址区纵断面如图 1 所示。隧道洞口为昔格达软岩地层，隧道进口段穿越花马河断层，2#斜井小里程穿越马家湾断层，其余洞身围岩以弱风化花岗岩为主。自 2019 年 5 月开始德昌隧道 2#斜井所承担的施工工区出现严重热害问题，主要表现为高岩温(约 45)，隧道围岩以花岗岩为主，其热物理参数 随 温 度 变 化 较 小，可 视 为 常 数，按 密 度2 550 kg/m3、恒压比热容 792 J/(kg)、导热系数 2785 W/(m)计算11。同时，隧道内施工作业面最高温度达 43，平均温度 38，且随隧3362023 年第 2 期乔红彦:高地温隧道超长独头施工降温及热环境特征研究道掘进与埋深的增加，隧道岩温保持上升趋势。隧道热害区段独头施工通风如图 1 所示，2#斜井为无轨双车道，斜井长 1 887 m，坡度 5%，新增平导为双车道，长 1 200 m，平导小里程正洞施工掌子面距2#斜井入口 4 600 m，后续分析以该高温热害重点区段为主要研究对象。由图 1 可知通风管布置长达 46 km，且有 3 处大角度转折，使得风量损失大，导致通风降温效果不佳。此外，按隧道埋深与地温梯度计算，隧道高岩温段约 3 km，风管内风流温升大，影响通风降温效果。图 1德昌隧道纵断面及热害区段独头施工通风示意图Fig1Schematic diagram of Dechang Tunnel longitudinal section and single-head construction ventilationof heat-damaged section2德昌隧道长距离独头施工降温措施研究21隧道施工环境热源德昌隧道全线无高温热水出露，隧道内散热量主要来自围岩散热、人员和机械设备散热。(1)围岩散热。高温段围岩温度约 45，隧道开挖和通风使得隧道内空气与围岩温度产生温差，围岩热量通过对流换热和热辐射传递到隧道内，某一单位时间内的传热量为2。Qr=KrUl(tr t)(2)式中:Qr为隧道围岩传热量，kW;Kr为围岩与风流间的不稳定换热系数，kW/(m2);U 为隧道断面周长，m;l 为距离开挖面长度，m;tr为隧道围岩温度，;t 为距工作面 l 处的平均温，。(2)人员和机械设备散热。隧道内多工作面同时施工，台车、设备众多，包括衬砌台车 2 台、防水板台车 2 台、纵向灌注台车 1 台、装载机 2 台、自卸车 2 台以及 2 台挖掘机，按最大功率计算内燃机功率约为 600 kW，同时施工人员按 70 人计算。则单位时间内人员和设备的总散热量为:Qe=(1 e)Q+Nqh(3)式中:Qe为人员和设备的总散热量，kW;e 为发动机效率，受高温影响取 06 计算;Q 为内燃机功率，kW;N 为施工人数;qh为一个施工人员的放热量，与工作强度有关，取 047 kW/人计算2。经计算，人员和设备散热量与围岩散热量为同一量级，即施工设备多、人员多时其产生的热量不能忽略。22通风降温隧道内一直按施工通风设计进行压入式通风，工程开挖至 2#斜井平导后出现 30 以上高温工作环境，随着进一步施工开挖至平导小里程工区，隧道内工作环境温度高达 38。通风设计时通风量考虑最小回风速度、同时工作最多人员和内燃机最大功率按相关规范计算2，12。按最小回风速度 v=025 m/s 计算，通风量为:Q1=60vS(4)式中:S 为开挖断面面积，正洞取 130 m2，支洞取612 m2。按同时工作最多人数计算，通风量为:Q2=Kq2N(5)式中:K 为隧道通风系数，取 13 计算;q2为每人每分钟供风标准，按 BS 标准取 3 m3/min。按内燃机功率计算，通风量为:Q3=Qq3k(6)式中:q3为内燃机械单位功率供风量，按中国标准取 45 m3/(minkW);k 为功率系数，取 063。436地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷计算对比正洞和支洞的取值可得，正洞的最小回风速度是主要控制因素，风管出口处通风量取325 m3/s。正洞和支洞的风管漏风率均取，2#斜井新增平导小里程远端掌子面为最远独头施工通风距离，风管 L 长达 5 427 m(风管出口距掌子面10 m)，则风机站出口处的风量为:Q风机=Qmax(1)L/100(7)式中:Qmax即风管出口风量 325 m3/s，计算可得所需风机供风量为 Q风机=561 m3/s。基于以上计算风量，结合风压计算选择在斜井洞口采用一台 3160 kW 通风机进行压入式通风，通风管为聚氯乙烯材质，直径为 2 m，出口到掌子面的距离约 10 m，同时，在平导交叉口安装接力风机，隧道内增设射流风机以增强空气流通，解决通风转角多、风损大的问题。德昌隧道 2#斜井平导小里程具体通风布置如图 2 所示。长距离通风风管沿程风流吸热量不可忽略，导致风管出口处风温较高，无法达到较好的降温效果。按德昌隧道现场监测数据，通风距离达46 km时掌子面施工环境平均温度约 38。按能量守恒有:Q风机(1)46Cpt=Qr+Qe(8)式中:、Cp分别为空气的密度和恒压比热容，取12 kg/m3和 1 005 J/(kg)计算;t 为掌子面与风管出口的温差。由式、和可得 t=55，即反算得风管出口温度约 32。由计算结果分析:风管入口风温按当地平均温度 209 考虑，通风 46 km 时风管沿程温升约11，使得风管出口温度达 32。长距离通风风管内风流吸热量大，温升幅度大，通风不可能将掌子面环境温度降至 28。故要增强通风降温效果，可考虑采用隔热风筒、设置制冷机等方式以降低风管出口风温，增强通风降温效果。图 2德昌隧道 2#斜井正洞通风布置图Fig2Ventilation layout of the 2#inclined shaft to main hole of Dechang Tunnel23辅助降温措施根据现场监测和上述理论计算可知，通风后隧道掌子面环境温度仍高达 38，远高于规范要求的 28，无法满足施工要求。因此，施工现场建立5362023 年第 2 期乔红彦:高地温隧道超长独头施工降温及热环境特征研究制冰站，每日制冰 8 t，用以降低掌子面至衬砌台车段人员集中工作面温度;同时，在二衬台车处安装2 台冷风机进行机械制冷以解决其局部高温问题，冰块与冷风机降温示意图如图 3 所示。冰块和冷风机的吸热量按式(9)计算13 Q0=q0+hSt(9)式中:q0为冷风机制冷量，取 372 kW;h 为冰块表面对流换热系数，近似取 01 kW/(m2);S 为冰块 表 面 换 热 面 积，取 32 m2;t 为 隧 道 空 气温度，。假设冰块和冷风机的吸热量全部为隧道环境空气温度降低所放出的热量，即Q风机(1)46Cpt0=Q0(10)式中:t0为增设冰块和冷风机前后施工作业面平均温度的温差，可算得为 72，即隧道施工环境温度约 305，基本满足掌子面施工要求。图 3辅助降温措施Fig3Auxiliary cooling measures但根据现场监测数据，在通风、冰块、冷风机综合降温条件下隧道掌子面施工环境温度在 32 左右，略高于理论计算值，其主要原因在于隧道内空气进一步降低使得围岩散热量增加，且冷风机的制冷功率不能长期保持最大功率输出。整体而言，冰块局部降温效果显著，但降温影响范围较小，根据施工现场情况，除冰块放置区周围外其余地方体感温度无明显降低。此外，冰块融化汽化会导致隧道环境湿度升高，而过高的湿度也会加剧热害问题。相比而言，冷风机降温效果更直接，且除降温外还具有一定除湿作用，可作为辅助降温的优先选择。3不同降温措施下隧道工作面热环境对比31数值计算模型建立与验证为进一步探究通风降温和通风、冰块、冷风机综合降温条件下的隧道温度场时空演化规律，对比2 种降温方式在不同通风温度条件下的隧道施工环境降温效果，参考德昌隧道施工情况，采用有限元模拟软件 COMSOL Multiphysics 建立数值传热模型，设置如表 1 所示的模型计算工况。其中，模拟计算工况 3#和 6#用于与现场监测数据进行对比验证。表 1模拟计算工况Table 1Simulation calculation conditions工况编号1#2#3#4#5#6#降温方式通风降温综合降温(通风+冰块+冷风机)风管出口风温/252832252832结合工程实际并参考文献 10，取掌子面后方 100 m 范围为研究对象。几何模型如图 4 所示，长 120 m，宽 100 m，高 100 m，隧道位于模型中央，断面与德昌隧道正洞一致，通风管出口距掌子面10 m。为避免网格质量过低，在不影响模拟结果规律的前提下适当调整通风管位置，将其布置于隧道中线上7。同时，为简化模型将人员和设备散热量简化为点热源，其取值为 273 kW，布置于掌子面隧道中线上高 2 m 处，同时将冰块和冷风机的制冷量简化为掌子面处的热源，按式计算结果近似取470 kW。图 4隧道降温模拟计算几何模型及网格Fig4Geometric model and meshes of the tunnel coolingsimulation calculation流场采用 NG k-双方程湍流模型，流场与温度场利用 Kays-Crawford 传热湍流模型进行耦合。模型网格采用四面体网格(围岩区域)与扫掠网格(流体区域)相结合，风管壁为壳单元，厚度636地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷2 mm。通风管入口质量流量 424 kg/s(Q风机(1)46)，隧道口为开放边界，风管壁和围岩壁均为无滑移壁面，模型外边界为热绝缘，模型初始温度 45。围岩、空气和管壁的材料参数见表 2所示。表 2材料计算参数Table 2Material calculation parameters材料密度/(kgm3)恒压比热 J/(kg)导热系数 W/(m)动力粘度/(Pas)比热率空气121 0050026161051414围岩风管2 5501 4007921 16127850171/将工况 3#与工况 6#的数值模拟结果与现场监测数据进行对比(如图 5 所示)，仅通风条件下掌子面平均温度模拟结果 371，现场监测温度 377，相对误差 16%;通风与辅助综合降温时掌子面平均温度模拟结果 335，现场监测温度 320，相对误差 47%。数值模拟结果与现场监测数据吻合性较好。图 5数值模拟与现场监测的掌子面平均温度对比Fig5Comparison of the average temperature of the facefrom numerical simulation and field monitoring32不同降温措施降温效果对比321掌子面平均温度变化取掌子面处平均环境温度进行分析，不同工况下的平均温度时变曲线如图 6 所示。由图 6 分析可知:掌子面平均温度随通风时间近似呈负指数变化规律;相比通风降温，综合降温条件下掌子面平均温度要低 34，掌子面温度趋于稳定时间要长 3050 min;随着风管出口风温降低，掌子面平均温度显著降低，其整体呈线性变化趋势，温度所需稳定时间增加，仅通风条件下出口风温 25 (28、32)时 掌 子 面 温 度 307(334、371)，所需稳定时间 67 min(59 min、图 6掌子面平均温度变化曲线Fig6The average temperature change curvesof the palm surface41 min)，综合降温条件下出口风温 25 (28、32)时掌子面温度 27 (298、334)，所需稳定时间 97 min(92 min、88 min);只有风管出口风温 25 再辅以冰块和冷风机机械制冷时，掌子面平均温度才在通风 1 h 后控制在 28 以下。322隧道掌子面 100 m 内纵向温度分布不同通风温度条件下掌子面近区的纵向温度整体分布规律基本一致，故取风管出口风温 28 情况下两种降温方式(工况 2#、5#)通风管中心位置的纵向温度分布云图进行分析(如图 7 所示，通风时间取 1 min、20 min、60 min 和 120 min)。由图 7 分析可知:风管出口至掌子面风流紊流强度高，降温效果好;掌子面热源导致仅通风时掌子面下方存在局部高温，综合降温时对应位置温度显著降低;通风早期风管上方隧道环境温度明显高于风管下方，随通风时间增加风管上下两侧温度趋于一致。为具体探究风管上方和下方隧道环境温度的纵向分布情况，于通风管上方 15 m、下方35 m处沿隧道纵向布置测线，分析通风 120 min后两条测线的沿程温度分布规律，如图 8 所示。7362023 年第 2 期乔红彦:高地温隧道超长独头施工降温及热环境特征研究图 7掌子面 100 m 内纵向温度分布云图Fig7Cloud map of longitudinal temperature distribution within 100 m of the face图 8温度测点布置及沿程温度分布图Fig8Layout of temperature measuring points and temperature distribution along the route由图 8 可知，两种降温方式的风管出口风温均对隧道沿程温度变化趋势无明显影响。通风降温与综合降温两种方式的隧道上部沿程温度分布规律基本一致，从掌子面到洞口方向整体呈先升高后降低再升高的趋势:即掌子面后方隧道上部环境温度逐渐升高，直至距掌子面 15 m 左右位置温度达到峰值(A1B1段)，而后隧道上部温度开始下降，一直持续至距掌子面约 23 m 处(B1C1段)，此后温度持续缓慢上升直至洞口(C1D1段)。隧道下部环境温度与降温方式关系紧密，通风降温时，隧道下部环境温度先陡降(A2B2段)，于风管出口出现小幅波动后再缓慢降低(B2C2段)，至距掌子面 30 m 左右后持续微增(C2D2段);综合降温时，隧道下部环境温度先陡增(A3B3段)，轻微波动后一直缓慢升高(B1C1段)。4结论(1)德昌隧道独头施工通风距离 46 km 时风管内风流沿程温升约 11，风管出口温度约32，掌子面环境温度高达 37 38;增设 8 t冰块和两台冷风机后掌子面温度 32 33，冰块与冷风机局部降温效果较好。(2)掌子面平均温度随通风时间增加近似呈负指数趋势降低，随风管出口风温降低呈线性下降;同一通风温度时，通风 120 min 后综合降温方式的掌子面平均温度比通风降温低 3 4，要使掌子面平均温度降至 28 以下需通风出口风温达 25 再辅以冰块和机械制冷;掌子面平均温度所需稳定时间随风管出口风温升高而增加，且相比单纯通风降温，综合降温方式所需稳定时间要多3050 min。(3)掌子面 100 m 纵向范围内，通风管上方隧道缓降温度高于通风管下方，从掌子面到洞口方向，隧道上部温度先升高后降低再缓增，距掌子面约 15 m 处出现温度峰值;隧道下部温度分布规律与降温方式紧密相关，通风降温时其温度呈陡降缓降 缓增的变化趋势，综合降温时呈先激增后微增的变化趋势。836地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷参考文献(eferences)1 叶绪谦 高地温铁路隧道施工及运营环境温度控制研究 D 成都:西南交通大学，2021(Ye Xuqianesearchonconstructionandoperationenvironmenttemperaturecontrolofhighgroundtemperature railway tunnelD Chengdu:SouthwestJiaotong University，2021(in Chinese)2 杨立新，洪开荣，刘招伟，等 现代隧道施工通风技术 M 北京:人民交通出版社，2012(Yang LixinHong Kairong，Liu Zhaowei，et al Modern tunnelingventilationtechnology M Beijing:ChinaCommunications Press，2012(in Chinese)3 张源 高地温巷道围岩非稳态温度场及隔热降温机理研究D 北京:中国矿业大学，2013(ZhangYuan Transient temperature field of surrounding rockofthehighgeothermalroadwayanditsheatcontrol mechanism by heat insulationD Beijing:China University of Mining and Technology，2020(inChinese)4 Zhou X H，en X C，Ye X Q，et al Temperature fieldand anti-freezing system for cold-region tunnels throughrock with high geotemperaturesJ Tunnelling andUnderground Space Technology，2021，111:1038431-10384315 5 王长彬 不同风量及围岩温度下围岩传热的实验研究J 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