不同通風(fēng)參數(shù)對高溫隧道掌子面溫降效果研究

陳乾陽, 陳壽根, 陳 奇, 何 濤

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031)

某客運(yùn)專線隧道在開挖過程中遭遇40 ℃高溫災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，施工方采取了一些通風(fēng)降溫措施，但效果不佳。因此有必要對通風(fēng)降溫參數(shù)進(jìn)行研究分析，以便改進(jìn)措施，尋求更佳的通風(fēng)降溫參數(shù)或其他降溫措施，以解決高溫隧道施工問題。

對于隧道熱害，為改善施工環(huán)境，一般視熱害嚴(yán)重程度分別采用礦井通風(fēng)、隔絕熱源、個體防護(hù)、局部制冷、集中制冷來考慮治理[1]。一般在熱害并不十分嚴(yán)重情況下，通過加大風(fēng)量通風(fēng)，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，利用調(diào)熱風(fēng)道等措施均能改善井下環(huán)境[2]。一般認(rèn)為在井下應(yīng)最大限度地優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，采取各種手段盡量隔絕井下熱原向通風(fēng)風(fēng)流的熱流流動，以降低井下風(fēng)溫，只有在特別困難的情況下，采用制冷空調(diào)技術(shù)降低井下氣溫[3]。在現(xiàn)有的關(guān)于利用通風(fēng)對隧道降溫研究中，多是關(guān)于不同通風(fēng)方式對降溫效果的研究[4-6],鮮有不同通風(fēng)參數(shù)對溫降效果的研究。而合理的通風(fēng)參數(shù)能在滿足施工要求得同時，降低通風(fēng)成本。因此本文利用Fluent軟件，模擬不同通風(fēng)速度和不同通風(fēng)氣溫條件下，采用設(shè)置監(jiān)測斷面進(jìn)行觀測，分析不同通風(fēng)參數(shù)下對隧道內(nèi)溫度場的分布影響,以便選取合適的通風(fēng)方案。

1 工況參數(shù)

1.1 計算模型

利用流體計算軟件CFD模擬計算該隧道通風(fēng)效果，建立圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)-洞內(nèi)系統(tǒng)模型，其中整個模型長度為200 m，掌子面離洞口距離為180 m，風(fēng)管通風(fēng)口距掌子面30 m，設(shè)置隧道中軸線斷面為監(jiān)測斷面。模型見圖1、圖2，經(jīng)檢驗網(wǎng)格劃分均勻，符合計算精度要求。

圖1 網(wǎng)格橫斷面示意

圖2 模型三維示意

1.2 計算參數(shù)及邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，模型計算參數(shù)如表1所示，邊界條件如表2所示。

2 不同通風(fēng)速度下溫控效果分布與評價

在通風(fēng)設(shè)備功能條件滿足理論要求的情況下，可增大通風(fēng)速度加快空氣流通，降低隧道內(nèi)氣溫。因此，有必要進(jìn)行模擬計算，研究不同通風(fēng)速度下的通風(fēng)降溫效果。

2.1 不同通風(fēng)速度下隧道溫度場分布

通風(fēng)風(fēng)口速度為10 m/s、20 m/s、30 m/s工況下，隧道溫度場分布見圖3～圖5。

圖3 風(fēng)口速度10m/s隧道溫度場分布

熱物理性質(zhì)取值比熱容/(j·kg-1·k-1)巖石1256.1混凝土970空氣1006.43密度/(kg·m-3)巖石2500混凝土2400導(dǎo)熱系數(shù)/(w·m-1·k-1)巖石2.5混凝土1.5空氣0.0242粘性指數(shù)/(kg·m-1·s-1)空氣17894×10-5

表2 邊界條件

圖4 風(fēng)口速度15m/s隧道溫度場分布

圖5 風(fēng)口速度20m/s隧道溫度場分布

計算結(jié)果表明：

(1)不同通風(fēng)速度下隧道內(nèi)氣溫降低的效果差別不大，但隧道內(nèi)氣溫降低范圍有所不同。

(2)在通風(fēng)速度為15 m/s、20 m/s時，掌子面至風(fēng)口區(qū)域的溫度降低范圍大于通風(fēng)速度為10 m/s的工況。但通風(fēng)速度為15 m/s工況與通風(fēng)速度為20 m/s工況相比，掌子面至風(fēng)口區(qū)域的溫度降低范圍無明顯變化。

2.2 溫控效果評價

由以上計算可知，改變通風(fēng)速度大小對降低隧道內(nèi)最大氣溫效果不明顯。但不同通風(fēng)速度下隧道內(nèi)空氣受影響范圍不同，通風(fēng)速度越大，隧道內(nèi)氣溫降低范圍越大。但當(dāng)通風(fēng)速度增加到一定程度后，隧道內(nèi)氣溫降低范圍增加較小。故僅依靠簡單地增加通風(fēng)速度的方式擴(kuò)大溫降范圍效果有限。應(yīng)同時增加其他措施。

3 不同通風(fēng)氣溫下掌子面溫控分布與評價

隧道地屬地，平均氣溫21.3 ℃，年最熱月平均氣溫34.1℃，年最冷月平均氣溫8.3 ℃。為考慮不同季節(jié)條件下隧道內(nèi)溫度是否滿足施工條件，在相同通風(fēng)風(fēng)速(風(fēng)口速度設(shè)定為10 m/s)條件下，分別取風(fēng)筒口空氣溫度10 ℃(283.16 K)、20 ℃(293.16 K)、30 ℃(303.16 K)(不考慮風(fēng)機(jī)制冷，僅考慮將室外自然空氣灌入隧道內(nèi))模擬不同氣候溫度對通風(fēng)降溫效果的影響。

3.1 不同通風(fēng)氣溫下隧道溫度場分布

通風(fēng)氣溫分別為10 ℃(283.16 K)、20 ℃(293.16 K)、30 ℃(303.16 K)的監(jiān)測斷面溫度場分布見圖6～圖8。

圖6 通風(fēng)溫度10℃監(jiān)測斷面溫度場分布

圖7 通風(fēng)溫度20℃監(jiān)測斷面溫度場分布

圖8 通風(fēng)溫度30℃監(jiān)測斷面溫度場分布

計算結(jié)果表明：

(1)在相同模型參數(shù)下，通風(fēng)溫度對隧道內(nèi)溫度場分布的影響較大，通風(fēng)溫度越高，隧道內(nèi)降溫效果越差，圍巖溫度梯度越小。不同通風(fēng)氣溫下低溫空氣的利用效率亦有較大差別。

(2)通風(fēng)氣溫為10 ℃工況下，施工區(qū)域(掌子面至通風(fēng)筒口區(qū)域)的溫度有明顯降低，隧道氣溫下降到17 ℃左右。隧道內(nèi)溫度分布不均，隧道上部斷面溫度明顯低于下部斷面低溫空氣利用效率不高。

(3)通風(fēng)氣溫為20 ℃工況下，施工區(qū)域的溫度有明顯降低，隧道內(nèi)氣溫降低到22 ℃左右。隧道內(nèi)溫度較為均勻，低溫空氣利用效率較高。

(4)通風(fēng)氣溫為30 ℃工況時，隧道氣溫處于30 ℃左右，通風(fēng)降溫效果較差，施工很難正常進(jìn)行。

3.2 不同通風(fēng)氣溫下隧道溫度場評價

由上述計算結(jié)果可知，在夏季炎熱天氣下，室外空氣較高不能直接灌入隧道內(nèi)，必須降低風(fēng)機(jī)進(jìn)口端氣溫。不同通風(fēng)氣溫下，低溫空氣的利用效率不同。在通風(fēng)氣溫為10 ℃和20 ℃，相差10 ℃情況下，施工區(qū)域均氣溫都能滿足施工需求，二者均氣溫僅相差5 ℃，同時在20 ℃工況下施工區(qū)域氣溫分布較10 ℃工況下更為均勻。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了驗證通風(fēng)溫度20 ℃下，不同通風(fēng)速度的溫控效果，為實際通風(fēng)方案提供依據(jù)。本研究在掌子面至通風(fēng)管口范圍內(nèi)，于拱腰頂處間距5 m分別設(shè)置氣溫監(jiān)測點。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 不同通風(fēng)風(fēng)速下監(jiān)測點氣溫

由上述監(jiān)測點可知現(xiàn)場實測氣溫高于數(shù)值模擬計算氣溫，這是因為數(shù)值模擬對隧道模型進(jìn)行了簡化，忽略了隧道中人員、設(shè)備發(fā)熱等情況。實測數(shù)據(jù)表明拱腰溫度變化不大，與但數(shù)值模擬計算溫度變化趨勢一致。采取10 m/s通風(fēng)速度，20 ℃通風(fēng)氣溫是經(jīng)濟(jì)可行的。

5 結(jié)論

(1)在高地溫隧道中，提高通風(fēng)風(fēng)速對降低隧道內(nèi)氣溫效果不佳，宜考慮其他措施。降低通風(fēng)口氣溫可以有效降低隧道空氣氣溫，是一種有效的降溫措施。

(2)不同通風(fēng)氣溫下低溫空氣的利用效率不同，進(jìn)風(fēng)氣溫為20 ℃時與進(jìn)風(fēng)溫度為10 ℃情況下隧道內(nèi)氣溫均能滿足要求，且進(jìn)風(fēng)氣溫為20 ℃的效率顯著高于進(jìn)風(fēng)氣溫為10 ℃的工況。

(3)不同通風(fēng)風(fēng)速下，隧道內(nèi)氣溫降低的效果差別不大，但隧道內(nèi)氣溫降低范圍有所不同，風(fēng)速越高，氣溫降低范圍越大。