基于高地溫隧道熱流耦合溫度場的數值模擬研究

馬超豪，梁 艷,汪 濤，董麗娜

(1. 河北交規院瑞志交通技術咨詢有限公司 石家莊市 050000； 2. 河北省公路安全感知與監測重點實驗室 石家莊市 050000; 3. 河北交通職業技術學院 石家莊市 050091； 4. 河北省交通規劃設計院 石家莊市 050000；5. 河北省道路結構與材料工程技術研究中心 石家莊市 050000)

0 引言

我們國家在開發西部的進程中，受到復雜多變的地理和地質條件因素影響，隧道工程建設過程中會面臨高地溫問題。我國的《鐵路隧道設計規范》中規定隧道內溫度不得高于28℃[1]。《煤礦安全規程》規定礦井采掘工作面的空氣溫度超過30℃時必須停止作業[2]。在此高溫環境中長時間進行工程建設，不僅會對施工人員的身體健康造成較大威脅，也會對機械設備的正常使用造成阻礙。因此，采取有效降溫措施減小高地溫問題帶來的高溫環境影響十分必要。

國內外眾多學者對隧道通風溫度場問題開展了大量的研究。曹正卯[3]對長大隧道與復雜地下工程施工通風特性進行相關研究，范磊[4]對高地溫深埋特長隧道熱害問題進行了施工熱害控制研究，并通過建立三維非穩態傳熱模型，模擬研究了隧道運營環境溫度場，王卓等[5]通過理論計算對隧道施工熱環境通風降溫問題進行研究，解彬等[6]采用壓入式通風方式對掘進工作面溫度場進行研究。結合目前實際工程情況，為降低高溫環境問題對施工過程的影響所采取的最常用的降溫措施就是通風降溫。以西部某高地溫隧道工程為依托，對實際采用的通風—抽風相結合降溫方式中影響降溫效果的三個因素—通風溫度、通風速度和通風口與工作面距離進行研究。通過對特定區域溫度數值和溫度場變化規律的分析和總結，為類似工程的實際通風方案的制定與選擇提供相關參考。

1 模型建立與驗證

1.1 建立幾何模型

三維模型整體形狀為長方體，考慮工程實際情況和計算時長等因素，將模型長度設定為500m，高度和寬度均為15m。洞口處坐標值Z=0，工作面處坐標值Z=500。根據實際工程的結構尺寸簡化后的馬蹄形的隧洞位于長方體的中心位置。根據工程現場實際情況，將通風管道設定在隧洞左側拱腰位置處，抽風管設定在隧道底部靠近邊墻。通風管和抽風管的直徑均為1 m，如圖1所示。

圖1 模型示意圖

1.2 模型計算區域與網格劃分

隧道三維模型由開挖的洞室和周圍巖體組成。開挖的洞室為空氣流通區域。周圍巖體為高溫固體區域。簡化通風管和抽風管為面，忽略其厚度。模型中開挖隧洞和周圍巖體為體域，簡化的通風管和抽風管為面域，故網格劃分采用非結構化網格。流體區域存在流場與溫度場的相互作用，網格劃分時進行加密處理。

1.3 介質參數設定

在通風的過程中，風流與圍巖的傳熱作用受材料的熱力學性質的影響，假定在計算過程中材料的熱力學性質為常數，介質物性參數見表1。

表1 介質物性參數

1.4 模型邊界設定

三維模型所需設定的邊界條件包括入口邊界、出口邊界和壁面邊界。三維模型最外邊界根據工程圍巖溫度沿徑向變化情況設定為恒定溫度邊界。將通風管入口的邊界條件設定為速度進口，在此邊界條件下可根據不同工況設定風溫和風速。抽風管出口設定為壓力出口,模型中隧洞洞口設定為壓力出口。

1.5 模型驗證

工作面附近橫斷面溫度云圖顯示的斷面溫度與隧洞內監測溫度基本一致，且與施工現場采取降溫措施后的溫度基本相符。如圖2所示，監測點的現場實際數值與模擬數值差值不大，最大相對誤差為9.7%。因此，此三維隧洞模型比較可靠，可以應用其進行通風降溫溫度場規律變化情況的研究。

圖2 實測與模擬數據對比

2 通風降溫計算與分析

根據現有相關研究資料可知：在通風降溫方面，通風溫度、通風速度以及通風口與工作面的距離這三個因素對通風降溫效果存在影響。考慮實際情況，且有利于溫度場分布規律的分析研究，對三個因素分別設定存在一定梯度差的工況數值。考慮工程實際通風可能涉及到的溫度，也考慮通風溫度與洞內溫度的差值大小，設定通風溫度分別為5℃、10℃、15℃、20℃、25℃；不同的通風機功率的大小決定通風管口的風速，根據實際工程中采用的不同型號的風機，設定風速值分別為15.7m/s、20.4m/s、24.2m/s、30.6m/s；通風口位置的選擇更多地受施工現場條件的限制，因此設定通風口距離工作面的距離分別為5m、10m、20m、30m。隧洞內初始空氣溫度設定為47℃，隧道周邊圍巖初始溫度設定為87℃，通風計算時長設定為240 min。

在隧道開挖施工過程中，施工人員和機械設備的主要工作活動區域集中在工作面附近一定距離范圍內，因此選取模型中隧洞中心縱向對稱面溫度云圖，并重點關注工作面附近區域(距離工作面10m范圍內)的最高溫度、主要工作活動范圍區域內(距離工作面100m范圍內)的平均溫度和主要工作活動范圍區域的平均溫度與初始隧洞內溫度的溫度差在不同工況下的變化情況，并以主要工作活動范圍區域的平均溫度為指標考量選取的工況的降溫效果。

2.1 不同通風溫度工況模擬結果與分析

不同通風溫度下，隧洞內溫度場的分布規律基本相似—工作面附近溫度最低，越往洞口溫度愈高。在主要工作活動范圍區域內的環境空氣溫度比較均勻，未形成明顯的溫度分層狀況。

如表2所示，不同通風溫度下的工作面附近區域最高溫度和主要工作活動范圍的平均溫度與通風溫度的相關性很明顯。當通風溫度增加時，工作面附近區域最高溫度數值相應變大，并且主要工作活動范圍區域的平均溫度也隨之增加。主要工作活動區域的平均溫度與隧洞內初始溫度的差值隨著通風溫度的增加而降低。說明通風溫度越低，對降溫的作用越大。通風溫度為5℃和10℃時工作面附近區域的最高溫度和主要工作活動區域的空氣平均溫度均能滿足小于28℃的要求，通風溫度為15℃和20℃時工作面附近區域的最高空氣溫度能滿足小于28℃的要求，主要工作活動區域的平均空氣溫度不能滿足小于28℃的要求，通風溫度為25℃時工作面附近區域最高溫度和主要工作活動區域的平均空氣溫度均不能滿足小于28℃的要求。

表2 不同通風溫度工況下的空氣溫度

總體來說，通風的溫度對通風降溫的效果有較大影響。通風溫度與洞室內初始溫度差值越大，通風降溫的效果越顯著。在實際工程中，可以通過在低溫季節施工或者在通風口附近放置冰塊等措施來降低進入隧洞內的空氣的溫度。

2.2 不同通風速度工況模擬結果與分析

不同通風速度下，隧洞內溫度場的分布規律存在些許差異，這是由于建模時設定為通風-抽風相結合方式，當通風管的功率低于抽風管時，隧道內的空氣壓力低于隧洞外，隧洞外的氣體由洞口進入洞內。經工作面回流向洞外的氣體與從洞口涌入的氣體在抽風機所在斷面處相遇，形成類似斷面的溫度斷帶。因此，實際工程中采用通風抽風相結合的通風方案進行降溫時應注意兩者功率大小的問題。不同通風速度工況的溫度場的分布規律與不同通風溫度工況下的溫度場分布規律相似。

表3 不同通風風速工況下的空氣溫度

如表3所示，不同通風速度下工作面附近最高空氣溫度與通風風速的相關性并不明顯。隨著通風速度的增加，工作面附近最高空氣溫度有降低趨勢，但幅度很小，而主要工作活動區域的平均溫度隨著通風速度的增加有一定程度的下降趨勢。主要工作活動區域的平均溫度與隧洞內初始溫度的差值隨著通風速度的增加而增加。說明通風風速越大，降溫效果越好，符合空氣流通量越大，熱量散失越多的規律。四種通風風速工況下工作面附近區域的最高空氣溫度均滿足小于28℃的要求，但主要工作活動區域的平均空氣溫度均未能滿足小于28℃的要求，最小溫度差值2.7℃，最大溫度差值6.8℃。

總體來說，通風的速度對通風降溫的效果有一定的影響。風速越大，空氣流通量越大，帶走的熱量越多，通風降溫的效果越顯著。但在實際工程中，過大的風速不僅會影響施工中的各項工作，而且會造成電力資源的過多浪費。因此，在實際工程中，通風風機的功率并非越大越好，要結合實際情況考慮。

2.3 不同通風口與工作面距離工況模擬結果與分析

在通風口距離工作面不同長度下，隧洞內溫度場的分布規律基本相似，且與不同溫度工況的溫度場分布規律相類似。通風口距離工作面越遠，在工作面附近產生的低溫區域范圍越大。

如表4所示，隨著通風口距離工作面長度的增加，工作面附近最高溫度和主要工作活動區域的平均溫度均逐漸增加，而主要工作活動區域的平均溫度與隧洞初始空氣溫度的差值逐漸降低，變化幅度較小。說明通風管管口距離工作面越近，通風降溫效果越好。5m、10m、20m三種距離工況下工作面附近區域的最高空氣溫度均滿足小于28℃的要求，但主要工作活動區域的空氣平均溫度均未能滿足小于28℃的要求，最小溫度差值2.8℃，最大溫度差值5.9℃。30m距離工況下工作面附近區域的最高空氣溫度和主要工作活動區域的空氣平均溫度均未滿足小于28℃的要求。

表4 不同距離工況下的空氣溫度

總體來說，通風管口與工作面的距離長短會對通風降溫效果產生一定影響。通風管口距離工作面越近，降溫效果越明顯。但在實際施工過程中，受到爆破和挖掘等工作的限制，通風口的布置位置不能距離工作面過近。但在制定和選擇通風降溫方案時，應盡可能地將通風管靠近工作面。

綜合分析對比不同工況下的溫度場和溫度數值，可以發現隧洞內的空氣溫度經過通風后相比于初始高溫均有明顯降低，且通風溫度的影響作用最明顯，最高降溫值可達24.4℃。

3 結論

應用經過驗證的三維隧洞模型，對高地溫隧洞在不同通風工況下的溫度場進行數值模擬研究。通過對比分析總結可得：

(1)通風溫度、通風風速和通風管與工作面距離均對通風降溫的效果存在一定影響，其中通風溫度因素的影響最大。

(2)當通風溫度越低、通風風速越大、通風管距離工作面越近時，隧洞內的空氣溫度環境越好，降溫效果越明顯。

(3)在所選定的工況中，最高降溫為24.4℃，最低降溫為7.1℃。通風溫度為5 ℃和10 ℃的工況中，主要工作活動范圍區域內(距離工作面100 m范圍內)的平均空氣溫度值能夠滿足小于28 ℃的要求。

實際工程中由于眾多因素的影響與制約，單單依靠通風降溫措施并非十分有效，還需結合其它方式方法來增加降溫效果。