楊德智　何瑜　鄧毅

摘? 要：高海拔寒區(qū)修建的隧道的防凍脹措施是其一項(xiàng)重點(diǎn)工程，如果該類地區(qū)隧道未做有力防凍脹措施，在隧道營(yíng)運(yùn)后將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的凍害，例如襯砌開裂、剝落，以及隧道積冰等，將會(huì)嚴(yán)重影響隧道運(yùn)行。通風(fēng)降溫系統(tǒng)主要用于隧道處于地?zé)岬刭|(zhì)情況下，極少運(yùn)用到高海拔寒區(qū)隧道實(shí)踐中，此次通風(fēng)降溫研究為防止施工開挖產(chǎn)生的熱量融化一部分裸露的圍巖從而加重凍害的發(fā)生，為防凍害奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高海拔? 寒區(qū)? 通風(fēng)? 降溫

中圖分類號(hào)：U45 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（b）-0036-03

高海拔寒區(qū)的隧道，由于其地理環(huán)境、氣候條件的影響，該地區(qū)的年均氣溫低下，在冬季甚至出現(xiàn)極寒的情況，常年積雪。通風(fēng)降溫技術(shù)多用在有地?zé)岬刭|(zhì)情況的隧道，而對(duì)于高海拔寒區(qū)隧道的施工通風(fēng)降溫技術(shù)可謂少見。對(duì)隧道的洞口段來講，在施工前圍巖已經(jīng)處于凍土的狀態(tài)。施工所產(chǎn)生的外界熱量可能使得掌子面附近的圍巖產(chǎn)生熱融現(xiàn)象，由于熱融現(xiàn)象的存在影響圍巖的穩(wěn)定性。施工開挖時(shí)為了減少對(duì)于原有凍土的擾動(dòng)，使用施工通風(fēng)降溫的措施從而來消除外界的熱量，從而保證原有圍巖原始的熱力學(xué)狀態(tài)。該文通過理論公式計(jì)算并且利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，為避免施工而產(chǎn)生的熱融現(xiàn)象從而保證通風(fēng)風(fēng)管末端風(fēng)流的溫度，使得施工時(shí)掌子面附近以及圍巖處于0℃左右的情況。

1? 工程概況

某高海拔地區(qū)項(xiàng)目，隧道起訖里程，DK259+255～DK2

75+152，全長(zhǎng)15.897km。隧道起點(diǎn)位于青海省西寧市境內(nèi)，終點(diǎn)位于青海省海北州境內(nèi)。同時(shí)該研究的隧道處于高原地區(qū)亞寒帶半干旱氣候區(qū)，平均海拔約3300m，該處區(qū)域高寒缺氧，最高海拔為4500m。年平均氣溫5℃以下，極端最低氣溫-36℃，最大凍結(jié)深度200cm。

2? 掌子面理想化溫度計(jì)算

2.1 隧道開挖時(shí)溫度場(chǎng)在掌子面的影響因素

由于圍巖爆破以及機(jī)械運(yùn)輸出渣等原因，在隧道施工時(shí)就會(huì)產(chǎn)生外來熱量，通過分析可知其產(chǎn)生的因素主要有圍巖爆破、施工人員活動(dòng)、內(nèi)燃機(jī)械運(yùn)行、圍巖與空氣熱交換等。

內(nèi)燃機(jī)械運(yùn)行散熱：工程的內(nèi)熱機(jī)械大都是大功率機(jī)械，隧道施工時(shí)需要進(jìn)行對(duì)開挖石方的清運(yùn)，其產(chǎn)生的熱量不容忽視，內(nèi)燃機(jī)等設(shè)備的散熱量為：

（1）

施工人員活動(dòng)產(chǎn)生的熱量：人員的活動(dòng)會(huì)差生熱量，根據(jù)施工人員的勞動(dòng)時(shí)間及勞動(dòng)強(qiáng)度可以計(jì)算得出其產(chǎn)生的熱量，可以按照下面公式計(jì)算：

Qr=qr×nr? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

此次只以在掌子面附近施工的人員為研究對(duì)象進(jìn)行計(jì)算。具體數(shù)據(jù)見表1。

施工時(shí)圍巖爆破所產(chǎn)生的熱量：

（3）

具體計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

2.2 隧道施工開挖掌子面附近風(fēng)溫計(jì)算

假設(shè)條件：（1）風(fēng)管內(nèi)及隧道中的風(fēng)流都為理想狀態(tài);（2）隧道的尺寸、高程等基本參數(shù)不變;（3）圍巖熱力學(xué)參數(shù)不變;（4）通風(fēng)量穩(wěn)定;（5）風(fēng)管風(fēng)流和隧道風(fēng)流均不可壓縮且為穩(wěn)流。隧道橫斷面尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通風(fēng)距離，風(fēng)管和隧道均簡(jiǎn)化為細(xì)長(zhǎng)的管道，則通風(fēng)傳熱模型近似簡(jiǎn)化為一維紊流換熱模型。

設(shè)掌子面附近溫度為t，根據(jù)其外界熱源列能量方程為：

qm1（h1-h1i）=α[Ty-（T1i+T1/2）]S+∑QM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

空氣的焓值也可稱為比焓，濕空氣比焓計(jì)算以（1+ω）kg為標(biāo)準(zhǔn)，干空氣質(zhì)量為1kg，與其對(duì)應(yīng)水蒸氣的質(zhì)量為ωkg，則該質(zhì)量濕空氣的比焓按下式計(jì)算：

h=1.01T+0.001ω（2501+1.85T）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

∑QM為工作面各類絕對(duì)熱源之和（kW），即

∑QM=QW+Qp+Qb+Qp? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

2.3 掌子面附近通風(fēng)風(fēng)流溫度與空氣溫度計(jì)算

濕空氣是一種混合氣體，物理參數(shù)指標(biāo)為含濕量ω（g/kg）。含濕量是指含有1kg干空氣的濕空氣中混有水蒸氣的質(zhì)量。

（7）

按上述計(jì)算的方法，采用全斷面施工開完方法對(duì)此次研究的隧道正洞圍巖施工段最大通風(fēng)量，隧道洞口的大氣壓為68000Pa，開挖斷面面積為130m2（干空氣質(zhì)量流量取值為40.71kg/s），洞外以及洞內(nèi)的濕度分別為62%、67%，通風(fēng)筒末端距掌子面以15m距離為依據(jù)并且圍巖原始溫度取-2℃?？偀崃俊芉M=10.12+4.7+45.98-6.696=54.104kW，根據(jù)假設(shè)隧道橫斷面中心高程為不變值，則Qp為0。為保證隧道掌子面的工作環(huán)境溫度控制在0℃左右，根據(jù)計(jì)算可得知通風(fēng)管末端風(fēng)流溫度為-1℃。

3? 數(shù)值模擬隧道開挖掌子面溫度場(chǎng)

該項(xiàng)目隧道的掌子面溫度模擬利用有限元軟件FLUENT進(jìn)行模擬。

3.1 物理模型

此次計(jì)算是為了保證掌子面不出現(xiàn)凍融的情況進(jìn)行控制。模擬情況主要為洞口段的凍土區(qū)。分析該項(xiàng)目進(jìn)口處，凍土段大約在1000m處，數(shù)字模型縱斷面長(zhǎng)度在不考慮平導(dǎo)的情況下去除1000m。橫斷面在II級(jí)圍巖的情況下的掌子面（此時(shí)開挖斷面最大）并且掌子面附近熱源所產(chǎn)生的熱量也為最大值。通過上面計(jì)算分析可知掌子面附近的熱源所產(chǎn)生的熱量Q=54.104kJ，隧道掌子面開挖前熱量出于平衡狀態(tài)并且隧道掌子面開挖爆破所產(chǎn)生了額外的熱量Q，為了簡(jiǎn)化計(jì)算將熱量Q轉(zhuǎn)化為掌子面的溫度。由于這些原因的存在，掌子面的溫度從-2℃提升至7.07℃，計(jì)算公式如下：

Q=cm△T? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

在II圍巖下c取970（J·kg-1·k-1），m=2500×279×0.03，計(jì)算可知等于9.07℃。簡(jiǎn)化計(jì)算假設(shè)如下。

（1）隧道內(nèi)風(fēng)流各向同性且風(fēng)管氣流為三維穩(wěn)態(tài)并不可壓縮。

（2）隧道內(nèi)及風(fēng)管風(fēng)流符合Bouss-inesq假設(shè)。

（3）氣密性好并在壁面處擴(kuò)散通量為0。

3.2 邊界條件設(shè)置

該計(jì)算模型的風(fēng)管進(jìn)口速度為（21m/s），以壓入式風(fēng)筒出口為入口邊界，隧道壁面設(shè)置為無滑移模型，隧道出口設(shè)置為interface;隧道掌子面設(shè)置為wall，進(jìn)口設(shè)置為pressure-outlet。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

該次數(shù)字模擬對(duì)掌子面溫度采取了4個(gè)計(jì)算工況。風(fēng)筒末端的風(fēng)流溫度分別為-5℃、-3℃、-1℃、0℃，距離隧道掌子面距離0.5m處工作面的溫度分布云圖如圖1所示。

由圖1可知風(fēng)動(dòng)末端溫度為0℃、-1℃、-3℃、-5℃時(shí)均可以保證隧道掌子面附近溫度處于負(fù)溫的狀況。由溫度云圖可知風(fēng)筒末端風(fēng)流為-1℃時(shí)，隧道掌子面附近溫度是最接近0℃。同時(shí)又截取了隧道掌子面0m、0.2m、0.5m、0.7m距離處，-1℃時(shí)隧道截面溫度分布云圖如2所示。

分析云圖，通過圖2可知：風(fēng)流為-1℃時(shí)在風(fēng)筒末端情況下，隧道掌子面附近以及掌子面的溫度均處于負(fù)溫區(qū)的情況。而且距離隧道掌子面距離越遠(yuǎn)的風(fēng)流溫度越低并且非常接近0℃。通過此隧道數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了上節(jié)在理想一維情況下計(jì)算出的風(fēng)筒末端風(fēng)流的溫度是完全可行的。

4? 結(jié)語(yǔ)

通過三維Fluent軟件數(shù)字模擬和理想的一維模型數(shù)字計(jì)算分析可知：通風(fēng)筒末端的風(fēng)流溫度在-1℃的情況下時(shí)，完全可以保證隧道掌子面附近的溫度約為0℃。在此情況下保證隧道掌子面暴露在外的圍巖不發(fā)生熱融的情況。通過分析得知在實(shí)際施工過程中，保證通風(fēng)管末端風(fēng)流溫度在0℃～-1℃時(shí)均可保證掌子面以及隧道掌子面附近為負(fù)溫區(qū)。該次所對(duì)隧道施工時(shí)采用通風(fēng)降溫的措施更有效地避免發(fā)生熱融，為防凍脹奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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