嚴健，何川，朱虹宇，姚志軍

寒區(qū)隧道施工期通風升溫及效果分析

嚴健1, 2，何川1，朱虹宇3，姚志軍4

(1. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學 土木學院，四川 成都 610031；3. 四川高速發(fā)展有限公司，四川 成都 615000；4. 中鐵一局集團有限公司，陜西 咸陽 710054)

以川藏公路北線雀兒山隧道為工程依托，設(shè)計施工期洞口段通風升溫系統(tǒng)，并利用流固傳熱理論對升溫需風量及通風加熱模塊的升溫系數(shù)進行計算，通過現(xiàn)場測試分析通風加熱效果，提出洞口段施工通風升溫時的臨時輔助保溫措施。研究結(jié)果表明：為實現(xiàn)對洞口段300 m低溫圍巖從?6 ℃升高到5 ℃的升溫效果，要求加熱模塊的升溫系數(shù)達到5.5，理論計算所得的通風需風量為96.31 m3/s，需要在洞內(nèi)布置2條風道；現(xiàn)場測試表明加熱模塊對掌子面附近的洞壁溫度影響顯著，掌子面巖面溫度約在6 ℃。

隧道工程；寒區(qū)隧道；通風升溫；溫度場；現(xiàn)場測試

在我國已建成的高海拔寒區(qū)特長隧道中，受隧道洞外低溫大風環(huán)境影響，當洞外冷空氣進入隧道后會與隧道壁面發(fā)生熱交換，使得寒區(qū)隧道洞內(nèi)將出現(xiàn)正負溫交替變化現(xiàn)象，最終使隧道圍巖和結(jié)構(gòu)反復經(jīng)歷凍融凍脹產(chǎn)生凍害。高海拔地區(qū)特長隧道施工條件艱難，工期長，僅目前正在開展的位于寒區(qū)的川藏鐵路超特長隧道就有9座，長度在25 080 m(海子山隧道)~42 510 m(易貢隧道)，工期達到了64~98個月。為合理進行施工組織、防止低溫環(huán)境對圍巖-結(jié)構(gòu)安全造成的不利影響，對動輒5~8 a超長工期中的寒區(qū)特長隧道通風方式、溫度場影響、防凍技術(shù)等方面進行研究已迫在眉睫。目前，眾多學者對長隧道的通風方式、溫度場影響、防凍技術(shù)等方面進行了研究。李柯等[1?3]分別針對縱向通風風流分配計算方法、通風模型、影響隧道風場的條件進行了研究；針對高海拔隧道溫度場，LIU等[4]數(shù)值模擬了風火山隧道在湍流和層流兩種工況下的溫度場，并與實測結(jié)果進行了比較；YAN等[5]以德格隧道為依托采用現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬等研究方法，得出隧道內(nèi)溫度場的時空演化規(guī)律并對保溫層設(shè)計參數(shù)進行了研究。在此基礎(chǔ)上，周小涵等[6?7]對通風與寒區(qū)隧道抗防凍的影響及范圍進行了研究；Sodha等[8]進行了寒區(qū)隧道的最佳長度及冷熱潛能的研究；ZHANG等[9]利用實驗，對特定截面上的空氣溫度分布進行了計算；孫文昊[10]同時考慮地層?空氣換熱量、汽車散熱量、隧道內(nèi)燈具散熱量等因素對隧道內(nèi)空氣溫度場進行了求解。防凍設(shè)計一直是寒區(qū)隧道備受關(guān)注的焦點之一[11]，圍繞寒區(qū)隧道凍害產(chǎn)生的溫度條件、通風條件、水文條件、地質(zhì)圍巖條件采取的主動和被動防凍技術(shù)方案、防凍設(shè)計和施工等方面研究成果豐富。作為主動保溫措施，直接給隧道圍巖和風流加熱的供熱法起源于國外，且在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應用。寒區(qū)隧道主要對水溝、圍巖等進行加溫，可使用電力、地熱水、蒸氣作為熱源供暖；在通風及通風溫升的理論和應用研究方面，Starfield等[12?13]對礦道通風溫升的計算方法、熱流在地下風道中的熱傳遞規(guī)律進行了理論和數(shù)值分析。李自強等[14]計算確定了特長公路隧道施工中的通風控制標準及需風量。譚賢君等[15]以西藏嘎隆拉隧道為工程依托，研究了通風影響下隧道進出口段圍巖負溫度區(qū)間以及保溫范圍。劉小剛[16]針對風火山隧道設(shè)計了高原嚴寒環(huán)境下寒季施工通風與洞內(nèi)溫度控制體系，研制了通風?空調(diào)一體化機組。本文川藏公路北線雀兒山隧道為工程依托，設(shè)計了施工期通風升溫系統(tǒng)，并利用流固傳熱理論，考慮洞口端洞周和掌子面熱流交換，對通風加熱后對洞壁面的升溫需風量和通風加熱模塊的升溫系數(shù)進行理論計算，通過特征斷面風場、溫度場的現(xiàn)場測試，對通風加熱管模塊設(shè)置后的效果進行分析。該研究對解決寒區(qū)特長隧道超長施工期通風設(shè)計、防凍具有一定的參考價值。

1 工程概況

川藏公路北線(國道317線)雀兒山隧道是目前我國在建海拔最高，里程最長的公路隧道。其位于四川省甘孜州北部德格縣境內(nèi)，雀兒山主峰海拔6 168 m，雀兒山隧道進口高程4 378.72 m，隧道出口高程4 239.50 m，隧道長7 079 m，該隧道主洞為單洞雙向行車隧道。作為川藏經(jīng)濟走廊中“四路一隧”的重要工程，其新建具有重要的現(xiàn)實意義。

雀兒山隧道隧址區(qū)屬典型的高原越嶺高寒氣候，隧道出口地區(qū)歷年平均氣溫?0.3 ℃，月平均氣溫在?9.0 ℃～8.6 ℃之間，最冷月(3月)平均氣溫為?9.0 ℃，最熱月平均氣溫為8.6 ℃。年極端最高氣溫為23.5 ℃，年極端最低氣溫?34.7 ℃；各月平均氣壓在600.4～610.9 hPa之間；0～320 cm厚年平均地溫1.8～4.0 ℃，各月平均地溫在?11.6～12.6℃之間；最大凍土深度1. 38 m，最大積雪厚度55 cm。

施工期，雀兒山隧道進口、出口工區(qū)分別設(shè)置軸流風機，通過設(shè)置在隧道頂部的通風管進行壓入式通風。后期由于現(xiàn)場通風效果需要，采用增加接力風機、延長通風時間，在正洞每間隔500 m增設(shè)一臺射流風機向洞外排放污風的長壓短抽混合通風等措施。

2 施工期通風升溫系統(tǒng)設(shè)計

2.1 通風升溫系統(tǒng)設(shè)計

寒區(qū)隧道在施工期的通風方式會對隧道的防凍措施選擇產(chǎn)生影響。考慮高海拔地區(qū)資源環(huán)境的限制、防凍措施實施維護的成本和效益，在施工期和運營期統(tǒng)一可行、直接可靠的措施是提高洞內(nèi)氣溫；實現(xiàn)這一目標最直接的途徑是利用供熱法對進入隧道的空氣流進行加熱，為此，現(xiàn)場設(shè)計采用了一種新的通風升溫系統(tǒng)[17]，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場組裝如圖1所示。

(a) 隧道通風升溫系統(tǒng)示意圖；(b) 通風加熱管模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；(c) 現(xiàn)場安裝布設(shè)示意圖

2.2 通風升溫系統(tǒng)布設(shè)及特點

設(shè)計采用的通風升溫系統(tǒng)是根據(jù)隧道壓入式通風技術(shù)及電熱升溫物理原理設(shè)計，在實際使用過程中，通過軸流式通風機供入冷風，冷風經(jīng)通風加熱管模塊進行加熱后得到有效的升溫，達到供風升溫提高洞內(nèi)環(huán)境溫度的效果。與現(xiàn)有的其他加熱方式相比較，該通風加熱系統(tǒng)具有以下特點：

1) 圖1(a)表示的通風升溫系統(tǒng)由軸流式通風機、風管和通風加熱模塊組成，風管位于軸流式通風機前側(cè)，加熱管模塊安裝在風管上，且與風管連接成一體。

2) 圖1(b)是通風加熱管模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，包括了圓形加熱管以及分別安裝在圓形加熱管前后端的出風口和進風口。圓形加熱管包括內(nèi)外鋼管，內(nèi)外鋼管之間的保溫隔熱層，內(nèi)側(cè)鋼管內(nèi)部設(shè)置通風加熱裝置，內(nèi)部的過風面積與隧道通風風管相同。

3) 圖1(c)為隧道主洞和平導洞口端安裝的2組通風升溫系統(tǒng)，為了保證通風加熱后的熱空氣不與洞外進行熱對流，需要設(shè)置臨時風門兩道，同時，為了加大對施工污風的抽排，可利用射流風機進行長壓短抽式混合通風。

通風升溫系統(tǒng)主要在施工期洞口段二襯未施作、或未施作保溫層條件下使用，可為混凝土噴射施工和混凝土澆筑養(yǎng)護提供良好的溫度環(huán)境，進而滿足高海拔高寒地區(qū)隧道的施工需求；同時，能確保洞內(nèi)掌子面及洞周裸露圍巖、初支結(jié)構(gòu)的溫度，避免因低溫造成地下水結(jié)冰使襯砌結(jié)構(gòu)凍脹、造成襯砌結(jié)構(gòu)變形開裂等安全隱患。該通風升溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易加工制作，成本較低；通風加熱管模塊體積小、重量輕且吊裝移動簡便，安裝位置調(diào)整方便，可以按設(shè)計要求，安裝在風管的前端，中部或末端，且可以多組串并聯(lián)安裝，最終與風管組成通風管道使用，滿足不同掘進位置的通風升溫需求。采用通風加熱裝置對洞內(nèi)進行通風電熱升溫，熱能供應穩(wěn)定，后期，可根據(jù)需要切換成地源熱泵、空氣源熱泵等進行供熱。

3 隧道施工通風加熱及理論計算

3.1 隧道通風加熱對流換熱模型

研究低溫隧道通風升溫問題實質(zhì)上是研究通風升溫過程中熱量的傳遞問題，根據(jù)通風加熱過程中不同階段不同位置風的溫度情況，繪制出的通風加熱及在隧道內(nèi)與低溫襯砌?圍巖壁面對流換熱模型如圖2所示。

圖2 通風加熱及隧道內(nèi)對流換熱模型

風機出口溫度風流經(jīng)風機入口吹到風機出口的過程相對密閉，在風機內(nèi)部，空氣無含濕量變化，此過程可視為等濕升溫的過程[18]，則風機出口溫度(風管入口風溫)T2可按以下計算公式計算：

式中：T1為風機出口溫度，℃；T2為風機入口溫度，℃；N為風機的有效功率，kW；為風機風量，m3/s;c為空氣比熱容，kJ/(m3?℃)；為風機內(nèi)通風加熱模塊的升溫系數(shù)，該指標是加熱模塊選型的關(guān)鍵。

假設(shè)風管絕熱，即風管內(nèi)風流在風管內(nèi)不與隧洞內(nèi)空氣進行熱交換，T2=T3。根據(jù)圖2所示，經(jīng)過升溫系統(tǒng)升溫的具有較高溫度的風流在與低溫圍巖發(fā)生熱交換時將冷卻風流，基于風流與圍巖之間的氣-固換熱理論，采用牛頓冷卻公式進行計算，流體經(jīng)對流換熱被冷卻時的計算公式如下：

式中：為需熱量，W；為傳熱面積，m2；K為氣?固換熱不穩(wěn)定對流換熱系數(shù)，W/( m2?℃)。

寒區(qū)隧道洞內(nèi)開挖和初支施作施工過程中，溫度場影響因素眾多，由于作業(yè)人員、炮碴、機械設(shè)備本身會釋熱，其釋熱量對寒區(qū)隧道負溫區(qū)段的溫度場影響更加復雜，因此，以隧道洞周壁面和掌子面兩部分為加熱目標，假定隧道開挖和初支施作工作段內(nèi)僅加熱上述2個部分，據(jù)此，對其升溫需風量分別進行計算：

3.1.1 隧道出口端洞周壁面升溫需風量1

隧道通風升溫的換熱面積為隧道斷面周長在長度內(nèi)的展開面積，則式(2)隧道軸向洞周巖壁吸熱量1可以寫成：

設(shè)在沿隧道軸向長度范圍內(nèi)T5為變量，在長度d內(nèi)隧道洞壁散熱量使風流溫度升高d，則：

式(4)進行變量分離：

式(5)兩邊積分、整理，可得隧道開挖作業(yè)段軸向洞周圍巖加熱需風量計算式如下：

式中：T3一般小于風管出口風溫1～3 ℃。根據(jù)現(xiàn)場實測，隧道進洞300 m處受平導通風影響隧洞壁面為負溫且二襯未及時跟進，通風加熱計算長度=300 m。

3.1.2 掌子面加熱需風量2

假設(shè)掌子面的開挖面積2(m2)即是傳熱面積，則

風流與圍巖之間的氣?固換熱計算中，不穩(wěn)定對流換熱系數(shù)K根據(jù)文獻[19]確定，取15×10?3kW/(m2?℃)。

表1 隧道通風升溫相關(guān)計算參數(shù)表

表1為設(shè)計文件提供以及現(xiàn)場測試所得的相關(guān)計算參數(shù)，根據(jù)表1和式(6)，式(7)可計算出單位時間內(nèi)將隧道洞內(nèi)壁面加熱到目標溫度所需風量：

3.2 通風機需求計算

施工期風機設(shè)置位置及相應的型號如表3所示。根據(jù)設(shè)計文件和表3，風機各項額定指標為：額定風量30.9 m3/s、全壓4 180 Pa，功率270 kW。上述1組2臺風機送至出口的額定風量可按公式8計算：

式中：為百米漏風率，取=1%；1=300 m；1為風機高原折減系數(shù)，取0.8，代入計算參數(shù)，分別需要風機數(shù)量計算如下：

則計算出隧道主洞需要風機數(shù)量為：

當加熱模塊放置于風機末端，根據(jù)式(1)和表1中現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)，可計算出風機選定后，為滿足隧道加熱需求，通風加熱模塊的升溫系數(shù)=5.5。

根據(jù)以上計算，為實現(xiàn)對洞口300m低溫圍巖從?6 ℃升高到5 ℃的升溫效果，當加熱模塊放置于風機末端時，需要在洞內(nèi)布置2條風道可滿足需風量要求。

表2 雀兒山隧道不同施工段風機選型及參數(shù)

4 施工期通風升溫效果的現(xiàn)場測試

4.1 通風升溫現(xiàn)場測試方案

當通風加熱管模塊前后移動時，隧道掌子面附近風流?襯砌換熱示意圖如圖3所示。針對無通風加熱和使用通風加熱2種工況，現(xiàn)場選取K347+610監(jiān)測斷面(斷面離掌子面20 m)，采用大量程水銀溫度計配合MS6520B型紅外測溫儀對拱頂、拱腰和邊墻的壁面溫度進行測試；同時，采用德圖Testo 417 精密型風速儀對觀測斷面凈空風速、風管出口風速進行測試。溫度和風速的測量范圍分別為：?50～+50 ℃和0~60 m/s，分辨率為0.1 ℃和 0. 1 m/s，分別采用算術(shù)平均法，滑動平均法進行計算。測試現(xiàn)場如圖4，其中，測試斷面上風速測點選擇在平均風速點處，位置距離隧道中心線及路面均為2 m。

圖3 通風升溫系統(tǒng)加熱模塊布設(shè)模型及監(jiān)測點位圖

4.2 通風升溫現(xiàn)場測試結(jié)果分析

圖4是有無通風加熱模塊時觀測斷面風速?隧道壁面溫度日變化曲線，從圖中可以看出：

1) 加熱模塊對掌子面附近的洞壁溫度影響非常大，圖5(a)中洞外溫度與洞內(nèi)溫度變化曲線較一致，位于掌子面附近的監(jiān)測斷面一天中大部分時間為負溫，而圖5(b)中加熱模塊起到了加熱掌子面風溫的作用，最終使得洞壁溫度保持在較高水平。

2) 掌子面風管出風口風速測試結(jié)果可見，除圖4(a)2:00和5:00測試時間風機未開，掌子面風速為“0”外，其他測試時間所得風速相差不大，掌子面受洞口風速影響較小，洞口段300 m內(nèi)，洞內(nèi)環(huán)境風速與掌子面前方風管風速差大約為2 ~3 m/s。

3) 就加熱模塊不同布設(shè)方式下的通風加熱效果而言，洞口段300 m需加熱范圍經(jīng)熱流交換后，掌子面巖面溫度約在6 ℃。

4) 分析認為，氣流的相對運動所引起的熱量傳遞方式通常會隨著通風時風速、溫差等變化而變化,軸流風機流量較大，風壓比較小，加熱后的新風在風機內(nèi)部形成順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)，由于風管與隧道存在熱交換，熱風在風管長距離運輸過程中熱能散失較多，不能有效攜帶更多的熱量到達掌子面附近，因此，后期可針對加熱模塊位置，對其前置于風管口及在風管口的中部設(shè)置時的加熱效果進行進一步分析。

(a) 無加熱模塊；(b) 有加熱模塊

4.3 通風升溫現(xiàn)場臨時輔助保溫措施

為防止洞口段冰磧地層凍土圍巖低溫凍脹損傷和熱融失穩(wěn)，施工中還采取了以下措施進行臨時保溫。

1) 洞口混凝土澆筑選在夏季白天天晴時施做；

2) 在隧道洞門口增設(shè)防風保溫簾遮擋；

3) 在模板附近加設(shè)保溫措施，增加臺車表面溫度，防止熱量散失。

施工單位于2012?09?15正式進洞，2012? 11?10進入冬休。施工期間，加強環(huán)境溫度和開挖時圍巖溫度的觀測，并做好詳細記錄。冬休期間，雀兒山隧道出口環(huán)境晝夜平均溫度?12.6 ℃，為防止洞內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)和背后圍巖凍害發(fā)生，在停工期間于洞口外設(shè)置保溫簾，洞內(nèi)采用電加熱提高洞內(nèi)溫度，保證洞內(nèi)二襯表面溫度在5 ℃以上。2013? 03?20復工，期間經(jīng)監(jiān)控量測，各項變形位移值和應力值均滿足規(guī)范要求，從而最終保證洞口段冰磧地層圍巖和支護結(jié)構(gòu)免受凍害。

(a) 防風保溫簾；(b)洞內(nèi)加熱設(shè)施

5 結(jié)論

1) 對于高海拔寒區(qū)特長隧道，利用供熱法對進入隧道的空氣流進行加熱是特長隧道較長建設(shè)期洞口段最直接的防凍途徑。

2) 理論計算表明，為實現(xiàn)對主洞洞口端300m低溫圍巖從?6 ℃升高到5 ℃的升溫效果，理論計算所得的通風需風量為96.31 m3/s，需要在洞內(nèi)布置2條風道。

3) 設(shè)計了施工期通風升溫系統(tǒng)，利用現(xiàn)場測試對隧道通風升溫的效果進行了評價，結(jié)果表明：加熱模塊對掌子面附近的洞壁溫度影響非常大，洞口段300 m需加熱范圍在熱流交換后，掌子面巖面溫度約在6 ℃。

4) 為防止施工期洞口段冰磧地層季凍土圍巖?結(jié)構(gòu)低溫凍脹損傷，施工中需要采取防寒門、洞內(nèi)加熱設(shè)施等臨時輔助保溫措施。

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Heating ventilation and effect analysis during construction period for tunnels in cold region

YAN Jian1, 2, HE Chuan1, ZHU Hongyu3, YAO Zhijun4

(1. MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3. Sichuan Expressway Construction Development Corporation, Chengdu 610000, China; 4. China Railway First Group Co., Ltd, Xianyang 710054, China)

This paper was aimed at presenting the results of a case study by taking the Que’ershan tunnel in the project of North Line of Sichuan-Tibet Highway. The ventilation and heating system during the construction period was designed and the fluid-solid heat transfer theory was used to calculate the air demand for heating. Meanwhile, the effect of ventilation heating pipe module adopted in the design was analyzed through field tests. Finally, the temporary auxiliary thermal insulation measures for ventilation and heating in the construction of tunnel entrance section were proposed. The study results show that: in order to rising the temperature of low surrounding rock from ?6 ℃ to 5 ℃with in the 300 m distance from the main tunnel portal section, the ventilation air volume is about 96.31 m3/s by the theoretical calculation and 2 air ducts need to be arranged when the heating module is located at the back. The heating coefficientof heating module is required to reach 5.5. Field tests show that when the temperature of the tunnel face is about 6 ℃, the heating module has a significant influence on the temperature of the cave wall near the tunnel surface.

tunnel engineering; extra-long highway tunnel in cold region; heating ventilation; thermal field; field test

U451

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0379 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190264

2019?04?05

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0802201)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2017G006-B)；高鐵聯(lián)合基金資助項目(U1734205)

嚴健(1979?)，男，四川西昌人，講師，博士，從事高海拔隧道工程方面的研究；E?mail：sharefuture33@163.com

(編輯 蔣學東)