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高海拔寒区隧道通风降温研究

杨德智　何瑜　邓毅

摘  要：高海拔寒区修建的隧道的防冻胀措施是其一项重点工程，如果该类地区隧道未做有力防冻胀措施，在隧道营运后将会出现严重的冻害，例如衬砌开裂、剥落，以及隧道积冰等，将会严重影响隧道运行。通风降温系统主要用于隧道处于地热地质情况下，极少运用到高海拔寒区隧道实践中，此次通风降温研究为防止施工开挖产生的热量融化一部分裸露的围岩从而加重冻害的发生，为防冻害奠定基础。
关键词：高海拔  寒区  通风  降温
：U45    ：A ：1672-3791（2019）11（b）-0036-03
高海拔寒区的隧道，由于其地理环境、气候条件的影响，该地区的年均气温低下，在冬季甚至出现极寒的情况，常年积雪。通风降温技术多用在有地热地质情况的隧道，而对于高海拔寒区隧道的施工通风降温技术可谓少见。对隧道的洞口段来讲，在施工前围岩已经处于冻土的状态。施工所产生的外界热量可能使得掌子面附近的围岩产生热融现象，由于热融现象的存在影响围岩的稳定性。施工开挖时为了减少对于原有冻土的扰动，使用施工通风降温的措施从而来消除外界的热量，从而保证原有围岩原始的热力学状态。该文通过理论公式计算并且利用Fluent软件进行数值模拟，为避免施工而产生的热融现象从而保证通风风管末端风流的温度，使得施工时掌子面附近以及围岩处于0℃左右的情况。
1  工程概况
某高海拔地区项目，隧道起讫里程，DK259+255～DK2
75+152，全长15.897km。隧道起点位于青海省西宁市境内，终点位于青海省海北州境内。同时该研究的隧道处于高原地区亚寒带半干旱气候区，平均海拔约3300m，该处区域高寒缺氧，最高海拔为4500m。年平均气温5℃以下，极端最低气温-36℃，最大冻结深度200cm。
2  掌子面理想化温度计算
2.1 隧道开挖时温度场在掌子面的影响因素
由于围岩爆破以及机械运输出渣等原因，在隧道施工时就会产生外来热量，通过分析可知其产生的因素主要有围岩爆破、施工人员活动、内燃机械运行、围岩与空气热交换等。

内燃机械运行散热：工程的内热机械大都是大功率机械，隧道施工时需要进行对开挖石方的清运，其产生的热量不容忽视，内燃机等设备的散热量为：
（1）
施工人员活动产生的热量：人员的活动会差生热量，根据施工人员的劳动时间及劳动强度可以计算得出其产生的热量，可以按照下面公式计算：
Qr=qr×nr                                                                  （2）
此次只以在掌子面附近施工的人員为研究对象进行计算。具体数据见表1。
施工时围岩爆破所产生的热量：
（3）
具体计算数据见表2。
2.2 隧道施工开挖掌子面附近风温计算
假设条件：（1）风管内及隧道中的风流都为理想状态;（2）隧道的尺寸、高程等基本参数不变;（3）围岩热力学参数不变;（4）通风量稳定;（5）风管风流和隧道风流均不可压缩且为稳流。隧道横断面尺寸远远小于通风距离，风管和隧道均简化为细长的管道，则通风传热模型近似简化为一维紊流换热模型。
设掌子面附近温度为t，根据其外界热源列能量方程为：
qm1（h1-h1i）=α[Ty-（T1i+T1/2）]S+∑QM                           （4）
空气的焓值也可称为比焓，湿空气比焓计算以（1+ω）kg为标准，干空气质量为1kg，与其对应水蒸气的质量为ωkg，则该质量湿空气的比焓按下式计算：
h=1.01T+0.001ω（2501+1.85T）                                  （5）
∑QM为工作面各类绝对热源之和（kW），即
∑QM=QW+Qp+Qb+Qp                                                （6）
2.3 掌子面附近通风风流温度与空气温度计算
湿空气是一种混合气体，物理参数指标为含湿量ω（g/kg）。含湿量是指含有1kg干空气的湿空气中混有水蒸气的质量。
（7）
按上述计算的方法，采用全断面施工开完方法对此次研究的隧道正洞围岩施工段最大通风量，隧道洞口的大气压为68000Pa，开挖断面面积为130m2（干空气质量流量取值为40.71kg/s），洞外以及洞内的湿度分别为62%、67%，通风筒末端距掌子面以15m距离为依据并且围岩原始温度取-2℃。总热量∑QM=10.12+4.7+45.98-6.696=54.104kW，根据假设隧道横断面中心高程为不变值，则Qp为0。为保证隧道掌子面的工作环境温度控制在0℃左右，根据计算可得知通风管末端风流温度为-1℃。
3  数值模拟隧道开挖掌子面温度场
该项目隧道的掌子面温度模拟利用有限元软件FLUENT进行模拟。
3.1 物理模型
此次计算是为了保证掌子面不出现冻融的情况进行控制。模拟情况主要为洞口段的冻土区。分析该项目进口处，冻土段大约在1000m处，数字模型纵断面长度在不考虑平导的情况下去除1000m。横断面在II级围岩的情况下的掌子面（此时开挖断面最大）并且掌子面附近热源所产生的热量也为最大值。通过上面计算分析可知掌子面附近的热源所产生的热量Q=54.104kJ，隧道掌子面开挖前热量出于平衡状态并且隧道掌子面开挖爆破所产生了额外的热量Q，为了简化计算将热量Q转化为掌子面的温度。由于这些原因的存在，掌子面的温度从-2℃提升至7.07℃，计算公式如下：
Q=cm△T                                                                 （8）
在II圍岩下c取970（J·kg-1·k-1），m=2500×279×0.03，计算可知等于9.07℃。简化计算假设如下。
（1）隧道内风流各向同性且风管气流为三维稳态并不可压缩。
（2）隧道内及风管风流符合Bouss-inesq假设。
（3）气密性好并在壁面处扩散通量为0。
3.2 边界条件设置
该计算模型的风管进口速度为（21m/s），以压入式风筒出口为入口边界，隧道壁面设置为无滑移模型，隧道出口设置为interface;隧道掌子面设置为wall，进口设置为pressure-outlet。
3.3 数值模拟结果及分析
该次数字模拟对掌子面温度采取了4个计算工况。风筒末端的风流温度分别为-5℃、-3℃、-1℃、0℃，距离隧道掌子面距离0.5m处工作面的温度分布云图如图1所示。
由图1可知风动末端温度为0℃、-1℃、-3℃、-5℃时均可以保证隧道掌子面附近温度处于负温的状况。由温度云图可知风筒末端风流为-1℃时，隧道掌子面附近温度是最接近0℃。同时又截取了隧道掌子面0m、0.2m、0.5m、0.7m距离处，-1℃时隧道截面温度分布云图如2所示。
分析云图，通过图2可知：风流为-1℃时在风筒末端情况下，隧道掌子面附近以及掌子面的温度均处于负温区的情况。而且距离隧道掌子面距离越远的风流温度越低并且非常接近0℃。通过此隧道数值模拟分析，验证了上节在理想一维情况下计算出的风筒末端风流的温度是完全可行的。
4  结语
通过三维Fluent软件数字模拟和理想的一维模型数字计算分析可知：通风筒末端的风流温度在-1℃的情况下时，完全可以保证隧道掌子面附近的温度约为0℃。在此情况下保证隧道掌子面暴露在外的围岩不发生热融的情况。通过分析得知在实际施工过程中，保证通风管末端风流温度在0℃～-1℃时均可保证掌子面以及隧道掌子面附近为负温区。该次所对隧道施工时采用通风降温的措施更有效地避免发生热融，为防冻胀奠定了良好的基础。
参考文献
[1] 江亦元.高海拔多年冻土隧道施工技术及工艺试验研究[D].中南大学，2005.
[2] 张靖周.高等传热学[M].北京：科学出版社，2009：107-129.
[3] 黄翔.空调工程[M].北京：机械工业出版社，2006：12-38.
[4] 韦节廷.空气调节工程[M].北京：中国电力出版社，2009：18-32.

-全文完-