寒區隧道施工期空氣幕保溫系統現場試驗研究

田學志

中鐵十九局集團第六工程有限公司， 江蘇 無錫 214028

寒區隧道冬季施工時，隨著隧道逐步貫通，外界寒冷氣流逐漸侵入隧道內部，導致洞內氣溫逐漸降低。洞內氣溫低于5 ℃時混凝土硬化速度減緩，會影響終凝強度，進而影響到工程質量［1］。

針對寒區隧道施工期洞內凍害問題有一些研究。王飛等［2］以在建高海拔地區一條隧道為例，探究了不同類型和鋪設厚度的保溫層對洞內溫度場的影響，發現酚醛泡沫材料保溫效果更好。賴遠明等［3］在青海省大同縣境內大坂山隧道搭建防寒門，并對隧道內縱向溫度進行了長期監測，發現搭建防寒門后洞內氣溫大于0.34 ℃。乜鳳鳴［4］在大興安嶺嫩林線西羅2號隧道進出口搭建了2 ～ 3道防寒門，隧道進口端采用鍋爐供應暖氣加熱，出口端采用地火龍加溫，能夠有效確保洞內溫度在5 ℃以上。嚴健等［5］在寒區公路隧道洞口段設置通風升溫系統，通過供熱法對進入隧道內的空氣進行加熱，該加熱系統能夠將隧道洞口段圍巖溫度從-6 ℃提升至5 ℃，并將隧道掌子面巖面溫度維持在6 ℃。范建國［6］采用理論研究、現場測試和數值計算的方法，探究了寒區隧道施工期洞內外溫度的變化規律。劉小剛等［7］針對風火山隧道施工凍害問題，研制了一套隧道施工通風與洞內溫度控制系統，通過風機向隧道掌子面方向送熱風，風機組最大功率為485 kW、隧道洞口氣溫為-30 ℃時能夠確保洞內氣溫在3 ℃以上。魯華偉［8］通過現場數據調研和數值計算，對寒區隧道施工期洞內通風熱環境進行研究。劉詩杰［9］為解決大連—旅順通道5號隧道凍害問題，在隧道洞口架設20 m的保溫大棚，同時在施工工作面設置加熱暖風炮等抗凍措施，將工作面氣溫控制在5 ℃以上。陶琦［10］通過數值計算分析了寒區隧道中電熱膜加熱系統的保溫效果。以上措施主要包括搭建防寒門、生爐子、安裝空調機組等。現有技術雖然可以滿足施工期洞內氣溫的要求，但是依然存在影響洞內空氣質量、CO中毒等問題。因此，探究一種新型的寒區隧道施工期洞內保溫措施具有一定指導意義。

本文依托京蘭高速鐵路在建尚山隧道工程，研制寒區隧道施工期空氣幕保溫系統，并通過現場試驗對比搭建防寒門、搭建防寒門 + 生爐子、搭建空氣幕保溫系統三種措施下洞內澆筑混凝土處氣溫的變化。

1 空氣幕保溫系統設計

1.1 工程概況

尚山隧道位于烏蘭察布市尚山村。該隧道為單洞雙線隧道，起止里程DK37 + 587—DK39 + 903，全長2 316 m，隧道洞口寬度為13.3 m，高度為9.6 m。Ⅳ、Ⅴ級圍巖段長度分別為590 、1 726 m，隧道最大埋深為81.44 m。

隧址區屬于中溫帶亞干旱區，氣候寒冷干燥，年平均氣溫為5.1 ℃，歷年極端最高、最低氣溫分別為35.7 、-33.8 ℃；平均降水量為329 mm，年平均蒸發量為2 038.9 mm；歷年最大積雪厚度為30 cm，土壤最大凍結深度為1.91 m。隧道洞口風速在3.5 ～ 7.9 m/s。該隧道斷面大，洞口風速大，洞口大氣溫度低。這些不利條件對該隧道冬季施工過程中洞內溫度控制提出嚴峻挑戰。

寒區隧道冬季施工期常用的保溫措施為洞口搭建防寒門和洞內生火爐。該方法施工簡便，成本低，但是存在幾點問題：洞內通風時防寒門或者幕簾打開，洞外冷空氣進入洞內，造成洞內氣溫急劇下降；防寒門一直關閉會造成洞內空氣質量差，不利于施工人員的身體健康；洞內生火爐容易造成施工人員CO中毒；施工車輛頻繁進出，防寒門頻繁開啟，洞內氣溫控制難度大。

為了解決傳統技術存在的問題，研制了寒區隧道施工期空氣幕保溫系統。該系統利用強大的側向氣流阻隔洞外冷空氣入侵，有效提高洞內氣溫。該系統主要由風幕機、保溫框架、風速與溫度測試元件、通風管和PLC（Programmable Logic Controller）智能控制裝置五部分組成，見圖1。

圖1 寒區隧道施工期空氣幕保溫系統

該系統中風幕機的射流風速為28 m/s，噴口寬度為15 cm，射流角度為12°，兩臺風幕機呈外八字形布置。洞內通風時，洞內氣流由內向外流出，與風幕機吹出氣流的方向一致，有利于隧道通風。

1.2 系統安裝過程

2023年2月1 日，隧道現場搭建了空氣幕保溫系統。系統安裝過程見圖2。

圖2 系統安裝過程

具體內容為：①在隧道洞口采用42、80、108 mm三種直徑的無縫鋼管搭建框架。保溫材料采用酚醛泡沫塑料。②搭建車行通道。車行通道高5 m，寬5 m。在門框上采用反光貼或霓虹燈作為警示標志。③安裝風幕機。風幕機采用側吹式冷暖兩用型風機，通過膨脹螺絲將風幕機底座固定在水泥地面上，確保穩定。④在框架右側安裝通風裝置，由通風管和風機組成，用于洞內通風。⑤安裝PLC智能控制裝置，依據洞內氣溫調節風幕機的開啟或關閉，在確保洞內溫度不低于5 ℃的情況下，降低系統能耗。⑥安裝監測系統。在洞口、距洞口10、20、150 m處（混凝土澆筑處）布置4個測試斷面、38個測點，測量洞內氣溫的變化情況。

2 現場試驗

2.1 洞口風速和溫度

2022年10月1 日—2023年2月28日，對尚山隧道洞口風速和氣溫進行測量，結果見圖3。

圖3 洞口風速和氣溫

由圖3可知，2022年10月—2023年2月，該隧道洞口月平均風速在3.37 ～ 4.84 m/s，平均氣溫在-1.52 ～ -15.58 ℃，最低氣溫可達到-22.57 ℃。

2.2 不同保溫措施適用條件

寒區隧道施工期重點控制洞內澆筑混凝土處的氣溫，防止此處氣溫低于5 ℃，影響混凝土的硬化速度。不同保溫措施下洞內澆筑混凝土處氣溫變化見圖4。

圖4 不同保溫措施下洞內澆筑混凝土處氣溫變化情況

2022年11月15 日，在尚山隧道搭建防寒門，并開始測試洞內澆筑混凝土處氣溫。

11月24日，隧道洞口風速為3.21 m/s，氣溫為-12.68 ℃。此時洞內澆筑混凝土處氣溫開始降至5 ℃以下。為了提高洞內氣溫，11月25日在隧道洞口兩側生2個爐子，此時洞內澆筑混凝土處氣溫達到8.12 ℃。

12月7日，隧道洞口風速為5.36 m/s，氣溫為-19.13 ℃。此時洞內澆筑混凝土處氣溫開始降至5 ℃以下。

2023年1月29 日，現場搭建空氣幕保溫系統。隧址區2月份洞口最大風速為4.56 m/s，最低氣溫為-15.83 ℃。開啟空氣幕保溫系統后，洞內澆筑混凝土處氣溫為7.36 ℃。

3 數值模擬

3.1 計算模型

以尚山隧道為例，建立二維平面計算模型，探究風幕機的射流風速、射流溫度對洞內澆筑混凝土處氣溫的影響。該計算模型由洞外空氣、側吹式空氣幕保溫裝置和隧道組成，見圖5。

圖5 計算模型

3.2 計算結果分析

隧道洞口風速為3.93 m/s，大氣溫度為-15.83 ℃，風幕機的噴口寬度為15 cm，射流角度為12 °。射流風速分別設定為10、20、28 m/s，射流溫度分別設定為20、30、50 ℃。射流風速為28 m/s、射流溫度為50 ℃時洞內風速和氣溫，見圖6。

圖6 射流風速為28 m/s、射流溫度為50 ℃洞內風速和氣溫

由圖6可知，兩道空氣幕在中間位置形成穩定的“空氣墻”，有效阻隔了寒冷空氣的入侵，使得洞內澆筑混凝土處氣溫達到273 K（0 ℃）以上。

不同射流風速和溫度下澆筑混凝土處氣溫變化見表1。可知：隨著空氣幕保溫系統射流風速和射流溫度增加，洞內澆筑混凝土處氣溫不斷上升；射流風速10 m/s，射流溫度50 ℃時，澆筑混凝土處氣溫為5.04 ℃，滿足最低溫度要求；射流風速28 m/s，射流溫度50 ℃時，澆筑混凝土處氣溫為6.50 ℃，也滿足最低溫度要求。可見，適當增加風幕機的射流溫度，或者增加射流風速，均可以提高洞內氣溫。為了降低系統運行能耗，建議適當增加風幕機的射流風速。

表1 不同射流風速和溫度下澆筑混凝土處氣溫變化

4 結論

1）搭建防寒門保溫時，洞口風速3.21 m/s，氣溫-12.68 ℃條件下洞內澆筑混凝土處氣溫開始下降到

5 ℃以下，須聯合采用其他保溫措施。

2）搭建防寒門 + 生爐子保溫時，洞口風速5.36 m/s，氣溫-19.13 ℃條件下洞內澆筑混凝土處氣溫開始下降到5 ℃以下，須聯合采用其他保溫措施。

3）洞口最大風速4.56 m/s，最低氣溫-15.83 ℃時，搭建空氣幕保溫系統后洞內澆筑混凝土處氣溫為7.36 ℃。采用空氣幕保溫系統可同時解決洞內保溫和通風的問題，為寒區隧道施工期洞內保溫提供了新方法。

4）適當增加風幕機的射流風速或增加射流溫度均可以提高洞內氣溫。為了降低系統運行能耗，建議適當增加風幕機的射流風速。