朱 宇， 周佳媚, *， 王帥帥， 李 朗

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 3. 中交第二公路工程局有限公司， 陜西 西安 710065)

0 引言

在隧道修建過(guò)程中面臨著諸多難題，高地溫就是其中之一，尤其是當(dāng)隧道處于南方熱帶地區(qū)時(shí)，氣溫高，氣候濕熱，熱害問(wèn)題加劇?！豆匪淼朗┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》[1]和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定，隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合下列衛(wèi)生及安全標(biāo)準(zhǔn)： 隧道內(nèi)氣溫不宜高于28 ℃。高溫不僅會(huì)降低工人和設(shè)備的工作效率，拖延施工進(jìn)度，還會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全和工人的生命安全。

目前，高地溫隧道常用的降溫措施包括通風(fēng)降溫、冰塊降溫、噴霧灑水降溫以及機(jī)械制冷降溫等[3]。針對(duì)寒區(qū)隧道和高海拔隧道來(lái)說(shuō)，洞外環(huán)境溫度低，通風(fēng)降溫可以很好地滿足降溫需求[4]。但當(dāng)洞外氣溫較高時(shí)，需要采用其他手段來(lái)保證降溫效果，最經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方式就是冰塊降溫。例如： 蒙河鐵路位于云南地區(qū)，屬于亞熱帶氣候地區(qū)，線路上的毛坡良隧道、太陽(yáng)寨隧道等在施工時(shí)利用冰塊進(jìn)行降溫，在3 m范圍內(nèi)可降溫3～5 ℃[5]；拉林鐵路桑珠嶺隧道在施工時(shí)，通過(guò)采取設(shè)置冰墻等綜合立體降溫技術(shù)，增加了洞內(nèi)濕度和人體體感舒適度[6]。此外，在齊熱哈塔爾引水發(fā)電隧洞、玉蒙鐵路舊寨隧道以及云南祿勸鉛廠引水隧洞的修建過(guò)程中均采用了冰塊降溫措施[7]。

數(shù)值模擬方法在高地溫隧道降溫中的應(yīng)用很廣泛。何青青[8]對(duì)隧道高壁溫條件下的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，分析不同送風(fēng)方式、溫度、風(fēng)管出口距掌子面距離、速度和壁面溫度5個(gè)參數(shù)對(duì)隧道施工熱環(huán)境的影響；并在常規(guī)通風(fēng)條件下，對(duì)加入噴霧以后的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明，加入噴霧后，隧道內(nèi)的溫度明顯降低，相對(duì)濕度明顯升高。李茹[9]使用Fluent對(duì)影響施工隧道通風(fēng)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布的因素進(jìn)行了分析，選擇送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度和風(fēng)管出口與掌子面的距離3個(gè)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行隧道在高溫環(huán)境下的通風(fēng)數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果給出相應(yīng)的施工通風(fēng)方案和技術(shù)措施。丁俊智等[10]使用Fluent分析了隧道相對(duì)濕度、噴霧水量、水溫及隧道風(fēng)速對(duì)噴霧降溫系統(tǒng)的影響，同時(shí)由模擬結(jié)果擬定噴霧降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，并將其應(yīng)用于雪山隧道中，通過(guò)設(shè)置噴霧降溫設(shè)施參數(shù)進(jìn)行了全尺度試驗(yàn)。

雖然冰塊降溫已經(jīng)作為一種常用的降溫方式在很多高地溫隧道中使用，但目前還處于一種經(jīng)驗(yàn)使用模式，關(guān)于冰塊用量和冰塊布置對(duì)降溫效果的影響尚沒有具體的研究和明確的結(jié)論。本文依托海南五指山特長(zhǎng)公路隧道工程，利用流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent研究冰塊用量和布置位置對(duì)掌子面附近溫度場(chǎng)的影響，以期為冰塊降溫在熱帶地區(qū)高地溫隧道中的應(yīng)用提供借鑒和思路。

1 工程背景

1.1 工程概況

五指山特長(zhǎng)隧道位于海南省保亭縣響水鎮(zhèn)境內(nèi)，為小凈距隧道。隧道左線長(zhǎng)4 845 m，最大埋深約383 m；右線長(zhǎng)4 870 m，最大埋深約370 m。施工平面布置如圖1所示。

1.2 氣候條件

隧道位于北緯18°15′～19°05′，屬低緯度熱帶海洋性氣候，受東南亞季風(fēng)影響。由于地勢(shì)的原因，北部五指山市年平均氣溫22.4 ℃，1月份平均氣溫17 ℃，7月份平均氣溫26 ℃，極端最高氣溫35.9 ℃。

海南地區(qū)四季無(wú)冬，常年高溫，因洞內(nèi)爆破作業(yè)、施工機(jī)械作業(yè)及混凝土水化熱于一體，導(dǎo)致洞內(nèi)作業(yè)面處溫度極高，實(shí)測(cè)溫度一般在40 ℃左右。因洞外環(huán)境溫度高，僅僅依靠通風(fēng)很難實(shí)質(zhì)性地降低洞內(nèi)的溫度，所以需要輔助以冰塊降溫以保證掌子面的需冷量。

2 數(shù)值計(jì)算過(guò)程

2.1 凝固融化模型理論

Fluent可以求解流體在一定溫度下或是超過(guò)一定溫度范圍時(shí)發(fā)生的凝固或(和)融化問(wèn)題。Fluent中的凝固融化模型(Solidification & Melting)采用焓-多孔介質(zhì)(Enthalpy-Porosity)來(lái)求解凝固和融化問(wèn)題。Enthalpy-Porosity技術(shù)的核心是： 在整個(gè)對(duì)象區(qū)域內(nèi)，將大量的液體體積分?jǐn)?shù)(即液相的流體組成的單元體積占整體區(qū)域體積的百分比)離散到整個(gè)區(qū)域的每個(gè)計(jì)算單元內(nèi)。以熱平衡方程為基礎(chǔ)，通過(guò)反復(fù)迭代這部分液體所占的體積百分比以求解離散化的熱平衡方程，并最終估算出液體所占的份額，也即凝固或(和)融化成的體積分?jǐn)?shù)[11]。

當(dāng)液體的體積分?jǐn)?shù)在0～1時(shí)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)呈糊狀。在Fluent模擬計(jì)算過(guò)程中，假設(shè)這些糊狀的區(qū)域?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)，其多孔性從1-0依次遞減，多孔性為0時(shí)，液體完全凝固成固體，流體的流動(dòng)性及流體速度皆變?yōu)?。

材料的焓能H由凝固融化潛熱值ΔH和溫度變化引起的熱量h兩者之和來(lái)計(jì)算，即

H=h+ΔH。

其中，

式中：href為參考焓；cp為定壓比熱容；Tref為參考溫度;T為溫度變量。

ΔH=βL。

式中：L為潛熱值；β為液體體積分?jǐn)?shù)。β被定義為

材料的潛熱值在0～L變化，材料為固相時(shí)潛熱值為0，材料為液相時(shí)潛熱值為L(zhǎng)。潛熱的數(shù)值L可查閱相關(guān)材料的潛熱性能表。

處理融化或凝固過(guò)程中需要求解的能量方程為

2.2 模型建立

為便于建模，將隧道橫截面尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化。隧道模型寬12 m，邊墻高2.5 m，上部為半徑6 m的半圓。進(jìn)風(fēng)口位于隧道軸線正上方，距頂部1.25 m，風(fēng)管直徑1.5 m。由于冰塊融化只對(duì)周圍有限的范圍產(chǎn)生較為明顯的影響，故本文只分析出風(fēng)口到掌子面范圍內(nèi)的溫度變化規(guī)律，洞口至出風(fēng)口距離的大小不會(huì)影響研究區(qū)域的溫度場(chǎng)。為便于計(jì)算，軸線方向計(jì)算長(zhǎng)度取100 m，出風(fēng)口距離掌子面25 m。

根據(jù)隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)使用Gambit建立三維幾何模型，然后劃分網(wǎng)格，定義模型邊界和內(nèi)部流場(chǎng)屬性，生成的模型網(wǎng)格如圖2所示。

(a) 橫截面圖

(b) 三維圖

2.3 計(jì)算工況

單位時(shí)間內(nèi)冰塊與環(huán)境之間的對(duì)流換熱量

Q=hiSΔT[12]。

(1)

式中：hi為冰表面對(duì)流傳熱系數(shù)， W/(m2·K)，它與流體流動(dòng)起因、有無(wú)相變、流動(dòng)狀態(tài)、換熱表面的幾何因素以及流體的物理性質(zhì)有關(guān)； ΔT為換熱面上環(huán)境溫度與固體表面的平均溫差， K(開爾文)；S為冰塊的表面積，m2。

由式(1)可得，冰塊融化吸收的熱量與冰塊的表面積成正比。為了在便于建模的同時(shí)最大限度地增大冰塊與空氣的接觸面積，本文采用薄壁冰墻式布置冰塊，減小表面積對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

為研究冰塊用量和布置位置對(duì)降溫效果的影響，采用5種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算工況見表1。

表1 模擬計(jì)算工況

因掌子面處工序復(fù)雜且施工設(shè)備、人員密集，故降溫需求最大。但結(jié)合實(shí)際考慮，為方便設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和人員活動(dòng)，模型中將冰塊放置于距掌子面5 m處。工況2-4中冰塊采取雙側(cè)對(duì)稱布置，如圖3(a)所示；工況5中將冰塊置于拱頂風(fēng)管出風(fēng)口軸線位置，如圖3(b)所示。

(a) 工況2-4冰塊布置

(b) 工況5冰塊布置

2.4 初始條件和邊界條件

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent，設(shè)置邊界條件和初始條件。通風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界(velocity-inlet)，根據(jù)施工方案可知，最大進(jìn)風(fēng)速度不超過(guò)6 m/s，故風(fēng)速取6 m/s，風(fēng)溫取外界環(huán)境溫度25 ℃；隧道出口設(shè)置為壓力出口邊界(pressure-outlet)；隧道壁面設(shè)置為無(wú)滑移固體壁面邊界(wall)，粗糙度取0.002 5，壁面溫度設(shè)置為40 ℃。在計(jì)算有冰塊布置的工況時(shí)打開Solidification & Melting模型，設(shè)置模型初始條件為洞內(nèi)空氣溫度40 ℃，冰塊溫度-1 ℃，冰塊體積分?jǐn)?shù)為1。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 冰塊對(duì)隧道縱向溫度場(chǎng)的影響

工況1各時(shí)間點(diǎn)隧道縱向?qū)ΨQ面溫度分布云圖如圖4所示。

(a) 通風(fēng)10 min溫度分布云圖

(b) 通風(fēng)20 min溫度分布云圖

(c) 通風(fēng)30 min溫度分布云圖

由圖4可得： 1)在只通風(fēng)不設(shè)置冰塊的情況下，隧道縱向溫度分布隨通風(fēng)時(shí)間變化不大，由洞口到掌子面溫度呈下降趨勢(shì)； 2)在通風(fēng)30 min后，距掌子面25 m范圍內(nèi)溫度穩(wěn)定在29～30 ℃?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)掌子面溫度(只通風(fēng)不放置冰塊)如表2所示。由表2可知，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差很小。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)掌子面溫度(只通風(fēng)不放置冰塊)

工況4各時(shí)間點(diǎn)隧道縱向?qū)ΨQ面溫度分布云圖如圖5所示。由圖5可知： 1)雙側(cè)各布置1.5 m3冰塊后，隧道縱向溫度場(chǎng)隨通風(fēng)時(shí)間發(fā)生較為明顯的變化。2)在冰塊完全融化(30 min時(shí))之前，在冰塊布置位置前后5 m左右范圍內(nèi)溫度下降較為明顯，且降溫的范圍隨時(shí)間逐漸擴(kuò)大。3)冰塊完全融化后，掌子面5 m范圍內(nèi)溫度最低為18 ℃，較未布置冰塊時(shí)下降了10 ℃左右； 稍遠(yuǎn)位置溫度約為23 ℃，較未布置冰塊時(shí)下降了5～8 ℃。

(a) 通風(fēng)10 min溫度分布云圖

(b) 通風(fēng)20 min溫度分布云圖

(c) 通風(fēng)30 min溫度分布云圖

3.2 冰塊用量對(duì)掌子面溫度場(chǎng)的影響

根據(jù)工況1-4的計(jì)算結(jié)果，繪制不同冰塊用量下掌子面溫度隨通風(fēng)時(shí)間的變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

1)工況1中，由于沒有放置冰塊，掌子面溫度在通風(fēng)5 min后趨于穩(wěn)定，維持在29～30 ℃。2)工況2中，冰塊用量較小，在20 min左右完全融化，此時(shí)掌子面溫度最低，為23 ℃，融化結(jié)束后溫度回升。3)工況3中，冰塊在24 min左右完全融化，此時(shí)掌子面溫度最低，為20 ℃，融化結(jié)束后溫度回升。4)工況4中，冰塊在30 min左右完全融化，此時(shí)掌子面溫度最低，為18 ℃。由此可以得出結(jié)論： 通過(guò)增設(shè)冰塊的方式對(duì)掌子面的降溫效果較為明顯，相對(duì)于未放置冰塊的工況，布置1 m3的冰塊(雙側(cè)各0.5 m3)可以降低掌子面溫度6 ℃左右，在此基礎(chǔ)上每增加1 m3(雙側(cè)各0.5 m3)冰塊用量，可多降低掌子面溫度3 ℃左右。

3.3 冰塊位置對(duì)掌子面溫度場(chǎng)的影響

工況5不同時(shí)間點(diǎn)掌子面溫度分布云圖如圖7所示。通過(guò)對(duì)比工況2和工況5不同時(shí)間點(diǎn)的溫度，分析在相同冰塊用量下冰塊位置對(duì)掌子面溫度場(chǎng)的影響。

(a) 通風(fēng)10 min掌子面溫度云圖

(b) 通風(fēng)20 min掌子面溫度云圖

(c) 通風(fēng)30 min掌子面溫度云圖

工況2和工況5不同時(shí)刻掌子面的溫度值如表3所示。

表3 工況2和工況5不同時(shí)刻掌子面的溫度值

由3.2節(jié)可知，工況2下冰塊在20 min左右時(shí)完全融化，此時(shí)掌子面溫度最低。分析表3數(shù)據(jù)可得： 相同冰塊用量時(shí)，冰塊通過(guò)托架放置于隧道頂部比雙側(cè)布置能多降低掌子面溫度3～5 ℃，且持續(xù)降溫效果較強(qiáng)。這是因?yàn)橥L(fēng)管出口的風(fēng)先經(jīng)過(guò)冰塊，然后循環(huán)至掌子面處充分降溫，而雙側(cè)布置的冰塊處于掌子面空氣循環(huán)的下游，降溫效果不充分。

考慮到施工的便利性和安全性問(wèn)題，當(dāng)通風(fēng)管道位于隧道頂部時(shí)，可研發(fā)一種移動(dòng)式冰塊臺(tái)車，在施工便利時(shí)將冰塊頂升至軸線處。若隧道通風(fēng)管位于隧道側(cè)面，可參考工況5的降溫效果，將冰塊布置在隧道一側(cè)通風(fēng)管軸線處。

4 結(jié)論與建議

依托海南五指山特長(zhǎng)公路隧道工程，使用Fluent軟件建立了高地溫隧道溫度場(chǎng)的計(jì)算模型，通過(guò)5種工況的模擬計(jì)算，分析了冰塊用量、冰塊布設(shè)位置對(duì)隧道縱向及掌子面溫度場(chǎng)的影響，得到如下結(jié)論。

1)相對(duì)于未布設(shè)冰塊的工況，在雙側(cè)各布置1.5 m3冰塊后，隧道縱向溫度場(chǎng)隨著通風(fēng)時(shí)間發(fā)生了較為明顯的變化。在冰塊布設(shè)位置前后5 m左右范圍內(nèi)溫度下降較為明顯，且降溫的范圍隨時(shí)間推移逐漸擴(kuò)大；在冰塊完全融化后，掌子面5 m范圍內(nèi)溫度最低為18 ℃，較未布置冰塊時(shí)下降了10 ℃左右，稍遠(yuǎn)位置溫度為23 ℃左右，較未布置冰塊時(shí)下降了5～8 ℃。

2)增設(shè)冰塊對(duì)掌子面的降溫效果較為明顯，相對(duì)于未放置冰塊的工況，布置1 m3冰塊(雙側(cè)各0.5 m3)可以降低掌子面溫度6 ℃左右，在此基礎(chǔ)上每增加1 m3(雙側(cè)各0.5 m3)冰塊用量，可多降低掌子面溫度3 ℃左右。

3)相同冰塊用量時(shí)，將冰塊布設(shè)于風(fēng)管出風(fēng)口軸線上能夠使降溫之后的冷風(fēng)流經(jīng)過(guò)掌子面，比雙側(cè)布置工況能多降低掌子面溫度3～5 ℃，且持續(xù)降溫效果更強(qiáng)。

冰塊降溫因其經(jīng)濟(jì)性和便捷性在高地溫隧道中扮演著越來(lái)越重要的角色，本文在計(jì)算時(shí)尚未綜合考慮到各種外界因素，因此在實(shí)際應(yīng)用中建議結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工布置和工序進(jìn)一步考慮冰塊參數(shù)的選取。