施工通風條件下高地溫隧道溫度場分布規律研究

黃克雙

(中鐵七局集團第四工程有限公司，湖北 武漢 430074)

地溫超過30 ℃就是高地溫隧道[1-2]，隧道內施工環境氣溫不得超過28 ℃，當原始巖溫達到35 ℃，濕度達到80 %，隧道高地溫問題已經非常嚴重，不僅影響人員健康和結構安全，甚至使施工無法進行。

高地溫隧道施工降溫主要采用2種措施:一是采取機械通風降溫，改善隧道內施工環境；二是在掌子面附近噴水降溫和冰塊降溫，確保現場人員和結構安全。

近年來，對高地溫隧道的研究主要集中在地溫預測、溫度分布特征和降溫技術等方面[3-10]，研究多以特定圍巖溫度進行，對不同溫度、不同通風時間對溫度場的影響研究很少。本文以某高地溫隧道為背景，研究圍巖初始溫度(30～65 ℃)對隧道溫度場影響的普遍規律，采用Fluent軟件模擬隧道通風，分析隧道洞內和圍巖溫度場分布特征，研究隧道與圍巖交界處的溫度變化以及圍巖溫度場的變化范圍，為高地溫隧道施工通風設計提供參考。

1 分析模型建立

通風方式選擇壓入式通風，采用單線隧道斷面，高度為8.1 m，面積為53.207 m2，隧道的通風距離為2 000 m，圍巖取隧道開挖輪廓以外10 m范圍；通風管采用圓形柔性材料，管徑2 m，通風管出口至隧道掌子面距離為30 m，通風管懸掛于隧道右側上部，便于使隧道內氣流形成循環。

采用Fluent軟件進行數值分析，計算模型采用Realizable k-ε湍流模型和流固耦合傳熱模型。通風管入口邊界條件設為速度入口(Velocity_Inlet)，隧道洞口邊界條件設為自然流出(Outflow)，隧道壁面邊界條件設為墻(Wall)，建立的分析計算模型如1所示。各種材料的密度及熱力學參數見表1。模型邊界為不傳熱邊界。

表1 材料物性參數[9]

圖1 通風降溫分析模型

隧道通風風溫應根據隧道所處地區的氣溫確定。雅安最高月平均氣溫在25℃左右、十月至第二年三月平均氣溫在17 ℃以下，林芝與昌都最高月平均氣溫在17 ℃左右，因此研究中通風溫度設定為17 ℃。

研究中通風速度取為15 m/s，通風時間為120 min，高地溫隧道圍巖初始溫度分別選取30、40、50和65 ℃進行對比分析。

在隧道開挖前，山體整體基本上處于一種熱平衡狀態。隧道開挖時，圍巖向隧道內散熱，由于空氣流動性差，熱量聚集在隧道空間內，使得隧道內氣溫接近原始巖溫，故假定隧道和圍巖的初始溫度均等于原始巖溫，統稱為圍巖初始溫度。將圍巖原始溫度等溫線所包圍的范圍稱為圍巖調熱圈，隧道中心線到圍巖最外側等溫線距離稱為圍巖調熱圈半徑。

2 通風對隧道溫度影響規律

圖2為分析截面圖。該截面為掌子面后2 m處截面，選取截面內5個監測點的平均值作為隧道內平均氣溫，點1和點2距隧道底5.55 m，點3和點4距隧道底1.55 m，點5距隧道底4.05 m；監測線是隧道中心線的垂線，距隧道底4.05 m，該條監測線上不同位置的溫度反映隧道內、隧道與圍巖交界處、圍巖內溫度的變化；隧道拱頂、拱腳和墻腳位置均如圖2所示。

圖2 分析截面(單位：m)

2.1 隧道內溫度分布規律

圖3為圍巖初始溫度為65 ℃的通風管中心線截面溫度云圖，表2為隧道通風120 min后掌子面后2 m截面溫度及掌子面平均溫度。

表2 不同初始巖溫的隧道內溫度 ℃

圖3 圍巖初始溫度為65 ℃時隧道溫度云圖

在相同的通風條件下，圍巖初始溫度對隧道通風降溫有明顯影響，圍巖初始溫度越低，通風后的隧道內氣溫和壁面溫度越低。在隧道軸向方向上，從掌子面到洞口隧道內氣溫逐漸增高，因為從通風管出口射出的氣流是隧道內溫度最低的空氣，回流風溫度隨著氣流向洞口流動的同時，氣溫逐漸升高，越接近洞口的氣流溫度越趨于隧道內原始氣溫。在隧道徑向上，離通風管越遠氣溫越高，壁面附近氣溫最高。

由表2中數據發現，隧道右側溫度略低左側，這是由于通風管位于隧道右側，風流從風管射出后，射流區的風速高于其他地方的風速，溫度場受到了速度場的影響，造成掌子面附近右側溫度略低左側。這種溫度的差異受初始巖溫的影響，當初始巖溫越低，右側和左側的溫差越小。初始巖溫為30 ℃時，相差約為1 ℃左右；溫度場為65 ℃時，相差約為2～4 ℃。

圖4為通風管出口至掌子面之間隧道內及隧道壁面溫度隨距通風管出口距離變化曲線圖。

從圖4(a)可以看出，圍巖初始溫度不同，從通風管出口至掌子面之間隧道內溫度值變化規律基本一致。在通風管出口至掌子面后2 m處之間，隧道內平均氣溫基本不變，掌子面后2 m處至掌子面氣溫升高。從圖4(b)可以看出，拱頂壁面溫度變化趨勢起伏較大，拱頂溫度隨著距通風管出口距離增加而上升，在距通風管出口10 m處拱頂溫度下降，掌子面后5 m至掌子面后2 m之間拱頂溫度上升，掌子面后2 m到掌子面之間拱頂溫度下降，主要是風管設置高度影響。從圖4(c)和圖4(d)可以看出，右拱腳和右墻腳壁面溫度隨著距通風管出口距離的增加而降低，距通風管出口15 m處至掌子面后2 m溫度基本不變，掌子面后2 m至掌子面之間溫度略有升高。

圖4 隧道內平均氣溫和壁面溫度隨距通風管出口距離變化曲線

圖5為隧道內溫度隨通風時間的變化曲線圖，在120 min的通風時間內，分析掌子面后2 m處隧道內平均氣溫，拱頂、右拱腳、右墻腳壁面溫度(三者變化趨勢一致，以拱頂為代表)以及掌子面平均溫度的變化。

從圖5可以看出，不同圍巖初始溫度條件下的隧道內氣溫和壁面溫度隨通風時間變化規律基本相同。在不同的圍巖初始溫度環境中，在相同風溫、風速下，隧道內氣溫和壁面溫度隨著通風時間的增加呈雙曲線形衰減，降溫速率隨著通風時間的增加逐漸減小。前30 min內是快速降溫階段，圍巖初始溫度越高，降溫量越大。30 min后隧道內溫度幾乎不再變化，拱腳和墻腳壁面溫度以及掌子面平均溫度隨通風時間的增加而緩慢降低，并且降溫速率隨時間增加而逐漸減小。拱頂壁面溫度在20 min內隨著時間的增加而降低，30 min后溫度略有升高。由于溫度變化引起的密度變化，冷空氣密度大于熱空氣密度，冷空氣下沉，熱空氣上升并且聚集，拱頂溫度升高。通風120 min時，隧道內最大降溫量約為37.43 ℃，降溫幅度達到57.58%，此時隧道內平均溫度約為27.57 ℃。所以通風時間在2 h以內，可以將隧道掌子面溫度降低到28 ℃以下，能滿足施工要求，初始巖溫低于65 ℃時可以采用施工通風降溫措施。

圖5 隧道內平均氣溫和壁面溫度隨通風時間變化曲線

2.2 隧道壁面與圍巖內溫度分布規律

高地溫隧道通風2 h后，隧道內氣溫明顯低于圍巖溫度，在壁面交界處形成溫差，且溫度變化集中在此處。由于圍巖初始溫度的不同，隧道通風后的溫度存在差異。圍巖初始溫度為30 ℃時，通風2 h后隧道內溫度約為20.67 ℃；圍巖初始溫度為65 ℃時，通風2 h后隧道內溫度約為27.55 ℃，說明圍巖初始溫度越高降溫難度越大，需要通風時間越長。相同的通風條件下，圍巖初始溫度與通風溫度的溫差越大，降溫能力越強，降溫效果越明顯。

圖6為隧道和圍巖徑向上不同位置溫度變化曲線，可以反映出隧道和圍巖徑向的溫度變化分布。

圖6 隧道徑向上溫度變化

從圖6中可以看出，曲線主要分為三段：高溫段是圍巖調熱圈范圍以外及以內溫度較高的區域，溫度接近于圍巖初始溫度；變溫段在隧道壁面內外，主要由于通風引起隧道內與圍巖之間產生溫差而使溫度發生明顯變化；低溫段是通風后隧道內溫度較低的段落；高溫段與變溫段相交處存在拐點1，變溫段與低溫段相交處存在拐點2。拐點1距隧道中心線約4.60 m，拐點2距隧道中心線約3.14 m，急劇變溫度段約為1.46 m。調熱圈半徑約為5.35 m，圍巖內的溫度變化深度約為1.60 m。之所以拐點1到隧道中心的距離不是調熱圈半徑，是因為在壁面附近溫差大，溫度梯度大，而在接近調熱圈半徑的地方溫差小，溫度梯度小，趨于圍巖溫度。雖然圍巖初始溫度不同，但調熱圈半徑幾乎都在5.35 m附近，表明圍巖初始溫度對圍巖調熱圈半徑影響不大。

2.3 隧道內溫度與初始巖溫關系

圖7為通風2 h時掌子面后2 m截面隧道內溫度與初始巖溫關系曲線。

圖7 隧道內溫度與初始巖溫關系

從圖7可以看出，通風2 h后隧道內溫度與圍巖初始溫度基本呈線性變化。圍巖初始溫度對隧道內溫度和圍巖溫度的影響不同，圍巖初始溫度越高，隧道內溫度與隧道壁面溫度的溫差越大，圍巖初始溫度為65 ℃時，隧道內溫度與隧道壁面溫度的溫差約為21.01 ℃，30 ℃時溫差約為5.22 ℃。通過數據擬合發現隧道內平均溫度和壁面溫度與圍巖初始溫度存在線性關系，關系式分別為式(1)和式(2)。

通風2 h后隧道平均溫度：

Tt=0.197 5t+14.749

(1)

式中:t為圍巖初始溫度，30 ℃≤t≤ 65 ℃。

通風2 h后壁面平均溫度：

Tb=0.648 1t+6.451 6

(2)

3 結論

采用Fluent數值分析方法，研究了施工通風條件下隧道圍巖初始溫度對隧道內溫度及圍巖溫度的影響規律，得出了以下主要研究結論：

(1)當通風溫度與圍巖初始溫度的溫差越大，通風降溫效果越明顯。通風時間在2 h以內，可以將隧道掌子面溫度降低到28 ℃以下，能滿足施工要求，初始巖溫低于65 ℃時可以采用施工通風降溫措施。

(2)在不同圍巖初始溫度下，橫縱斷面上的降溫趨勢基本一致，隧道內平均溫度隨通風時間增加而呈雙曲線形衰減，圍巖調熱圈半徑幾乎相同，調熱圈半徑為5.35 m，圍巖內的溫度變化深度約為1.60 m。

(3)隧道內平均氣溫和壁面平均溫度與圍巖初始溫度呈線性關系。

(4)下一步研究溫度場與通風速度關系、考慮支護結構的隧道溫度場變化規律，并通過現場監測結果進行驗證。