張敏

小斷面盾構(gòu)隧洞內(nèi)溫度場分布特征研究

張敏

（中鐵十四局集團隧道工程公司，山東 濟南 250101）

以小斷面盾構(gòu)隧洞內(nèi)溫度場分布特征為主題，對通風現(xiàn)場風速、風溫等氣候物理參數(shù)進行測試，對隧道洞壁、電控柜、電機、液壓馬達、液壓油箱等高溫區(qū)域溫度進行連續(xù)實測并整理分析。通過對風速風溫測試、熱源分布、溫度測試結(jié)果進行熱力學分析，得到小斷面盾構(gòu)隧洞內(nèi)溫度場分布特征。為后續(xù)隧洞的通風設計發(fā)展提出了合理的參數(shù)，并為后續(xù)布置降溫裝備提供了指導。

隧道；盾構(gòu)；溫度場；現(xiàn)場實測

1 引言

小斷面盾構(gòu)隧洞平時降溫通常采用自然或機械通風方式。自然通風降溫效果有限，當隧道掘進時，因為施工隧道相當長，隧洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境溫度對隧洞內(nèi)作業(yè)人員的安全以及工作設施正常運行起著非常重要的作用，當隧洞內(nèi)環(huán)境溫度很高時，還會增大經(jīng)濟成本、能耗損失等。嚴重時甚至不能進行正常的施工掘進，影響整體工期的進展。綜上所述，本文擬以熱學分析為理論基礎，通過施工現(xiàn)場實測，從而得到小斷面盾構(gòu)隧洞內(nèi)溫度場分布特征，為后續(xù)的隧洞通風的設計發(fā)展提供了合理有效的參數(shù)，并為后續(xù)布置降溫裝備提供了指導依據(jù)。

2 溫度測試方案

2.1 測試位置

2.1.1 熱源確定及溫度測試位置

隧道內(nèi)熱源溫度測試位置主要包括隧洞洞壁、電控柜、電機、液壓馬達、液壓油箱等高溫區(qū)域。

2.1.2 氣候物理參數(shù)測試位置

將隧道分為盾構(gòu)作業(yè)區(qū)和洞身區(qū)，其中盾構(gòu)作業(yè)區(qū)測試位置為風管出口處、靠近掌子面附近、高溫區(qū)域附近、作業(yè)人員密集區(qū)域、局部風機處；洞身區(qū)測試位置為隧洞口處、沿隧道縱向每隔100 m取一截面。

2.2 測試準備

測試所用主要檢測儀器如表1所示。測試前檢查測試儀器電量，并提前準備好備用電池；熟悉測試儀器使用方法，確保數(shù)據(jù)能實時保存；打印測試數(shù)據(jù)記錄表，對于無法實時保存的數(shù)據(jù)，每個測點測試結(jié)束后在測試數(shù)據(jù)記錄表中即時記錄。

2.3 測試步驟

測試步驟如下：①到達測試點。②熱源測試。對于每個熱源，使用熱成像儀多次多點測量其表面溫度；使用激光測距儀測量其外形尺寸，并拍照記錄，在后續(xù)研究中將其外表面形狀近似為規(guī)則幾何體，如標準圓柱體、立方體等。③氣候物理參數(shù)測試。隧道截面測試點分布如圖1所示。對于洞身區(qū)每個隧道截面，按圖1中5個測點依次測量其氣溫、氣壓、風量、風速等參數(shù)，每個測點測量3次并記錄數(shù)據(jù)；對于盾構(gòu)作業(yè)區(qū)各測試位置，選取合適測點測量3次并記錄數(shù)據(jù)。④舍去誤差較大的測量值，取所得數(shù)據(jù)的平均值。⑤測試完成后整理數(shù)據(jù)，并在測試數(shù)據(jù)記錄表中記錄。

表1 檢測儀器清單

名稱數(shù)字式溫度大氣壓力表熱線式風速風量計實時粉塵檢測儀熱成像儀激光測距儀 型號BY-2003PAR866CEL-712Ti300SW-60 廠家億歐?，攦x表CASELLAFlukeSNDWAY 測量范圍大氣壓力：30.00～110.00 kPa大氣溫度：﹣10～+60 ℃風速：0.0～30.0 m/s風量：0～999 900 m3/s0.001 mg/m3～250 g/m3﹣20～+650 ℃0～50 m 分辨率大氣壓力：0.01 kPa大氣溫度：0.1 ℃風速：0.01 m/s0.001 mg/m30.1 ℃0.001 m 精度大氣壓力：0.5級大氣溫度：±2 ℃風速：（1%+1 d）滿量程或（5%+1 d）讀數(shù)＜2 μg/m3/℃±2 ℃或2%±1.5 mm

3 隧道溫度場測試結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)場測試結(jié)果

對通風現(xiàn)場風速風溫等氣候物理參數(shù)進行測試，并對隧道洞壁、電控柜、電機、液壓馬達、液壓油箱等高溫區(qū)域溫度進行連續(xù)實測、整理分析。隧洞現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2、表3所示。

圖1 隧道截面測試點分布

表2 風速風溫測試結(jié)果

測試位置風速/（m/s）溫度/℃開氏溫度/K物理模型中對應坐標 風管出口10.7129.4302.55一二號拖車中間位置（15 053，0，0） 10.629.4302.55 10.6129.3302.45 尾盾中部（1號拖車）3.927.2300.35（4 218，0，0） 2.727.1300.25 尾盾風機10.1127.6300.75 9.7527.5300.65 10.8127.5300.65 2號拖車0.0328.1301.25（19 728，0，0） 4號拖車0.7828.5301.65（33 092，0，0） 0.4828.5301.65 0.6628.4301.55 6號拖車0.6729.5302.65（45 956，0，0） 0.7129.5302.65 0.8129.6302.75 8號拖車0.4829.3302.45（59 320，0，0） 0.5629.4302.55 0.3829.3302.45 10號拖車1.4828.5301.65（73 184，0，0） 1.1628.4301.55 0.9428.5301.65 12號拖車0.2928.6301.75（85 548，0，0） 0.3928.6301.75 0.3228.5301.65 14號拖車0.4128.1301.25（99 912，0，0） 0.4928.2301.35 0.628.1301.25 洞口0.9422.1295.25（4 218，0，0） 1.0922.3295.45（4 218，0，0） 1.322.1295.25（4 218，0，0）

3.2 隧洞內(nèi)主要熱源及其散熱量

根據(jù)上述風速風溫、熱源分布、溫度測試結(jié)果，結(jié)合下述流動與傳熱分析等熱力學分析、圍巖內(nèi)部溫度場分析等理論分析，可以得出隧洞內(nèi)的主要熱源及散熱量。

3.2.1 流動與傳熱分析

在盾構(gòu)機施工過程中，隧洞內(nèi)風流的流動可分為兩個過程：從通風管道的入口至通風管道的出口，風管中風流在流動；風管外部風流的流動，從風管的出口到開挖面，最后來到隧洞的出口處。風管外的活動風流和風管內(nèi)的風流之間存在熱量交換，這兩個流動彼此有關(guān)。此外，隧洞內(nèi)表壁和風管流外部流動的風流之間也有熱交換，巖石表部的溫度和風管外部風流，巖石內(nèi)部的溫度也彼此相關(guān)聯(lián)[3]。當分析隧洞的通風熱環(huán)境時，應該將巖石溫度場及其通風管內(nèi)部氣流流動、通風管外部氣流流動的計算聯(lián)系在一起，結(jié)合起來計算。無論是風管內(nèi)部氣流流動或是風管外部的氣流流動，其控制方程組都是由以下4個方程組成的方程組：

式（1）中：為空氣密度，kg/m3；為空氣速度，m/s；為漏風質(zhì)量流量，kg/s；為空氣的壓力，Pa；x為單位質(zhì)量空氣受到的合外力，包括質(zhì)量和壁面阻力；為單位質(zhì)量空氣的焓，J/kg；為單位質(zhì)量氣體在單位時間吸收的熱量，J/kg；為水蒸氣的質(zhì)量分數(shù)。

表3 熱源分布調(diào)研及溫度測試結(jié)果

熱源名稱位置最高溫度/℃最低溫度/℃平均溫度/℃ 隧道壁面1200環(huán)附近21.318.720.2 風管溫度 21 電機2（橫向）14號拖車39.824.239.5 電機1（縱向）14號拖車25.623.824.9 空壓機13號拖車33.82129.1 高壓室（側(cè)）12號拖車38.12626 高壓室（正）29.414.825.7 變壓器42.325.326.5 硅油箱43.520.339 低壓室11號拖車31.521.129 硅油箱55.318.740.1 變頻柜10號拖車3416.729.9 電器柜34.914.730.1 配電柜9號拖車31.826.130.4 電機8號拖車48.132.145 板式換熱器27.620.322.7 電機2（后）7號拖車49.439.541.2 電機1（前）47.226.239.5 液壓泵站6號拖車39.827.735.7 電機3（后）5號拖車51.538.940.6 電機2（中）57.927.547 電機1（前）46.826.436.9 電機2（后）4號拖車48.226.836.9 電機1（前）55.133.641.8

3.2.2 圍巖內(nèi)部溫度場分析

在研究中，分析圍巖內(nèi)部溫度場采用的是二維非定常導熱模型，首先將圓柱坐標下的二維非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程利用有限體積法離散化，然后通過數(shù)值方法求解出圍巖內(nèi)部溫度場。二維非穩(wěn)態(tài)導熱方程在圓柱坐標如下式所示：

式（2）中：w－a為空氣之間、隧洞壁表面的巖石之間的對流換熱系數(shù)。W，R為圍巖的表面溫度；a為通道氣體的溫度；=為對流換熱邊界條件。

3.2.3 隧洞內(nèi)熱源及散熱量

在盾構(gòu)機施工中，因為隧洞處于一種相對密閉的施工環(huán)境中，隧洞內(nèi)溫度會相對較高。導致隧洞內(nèi)高溫的原因有很多，且方式多樣復雜，包含以下兩個主要方面：自然因素，即水利、工程地質(zhì)等客觀地質(zhì)條件構(gòu)成的地熱因素；人為因素，即施工帶來的各種熱害因素[4]。

通過對風速風溫測試、熱源分布、溫度測試結(jié)果進行熱力學分析發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)施工隧洞內(nèi)主要熱源有以下幾種：①機電設備運轉(zhuǎn)發(fā)熱。2=，其中為機電設備的放熱系數(shù)；為機電設備的額定功率。②圍巖放熱。r=r（m－）其中r為隧道圍巖傳熱量，kW；r為空氣流與圍巖的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；為隧洞周長，m；為隧洞的長度，m；m為起始巖石平均溫度，℃；為隧洞中的風平均溫度，℃。③礦物和其他有機氧化物的氧化放熱。④隧洞內(nèi)人員放熱。⑤空氣自然壓縮熱。

4 結(jié)語

熱力學分析得到構(gòu)隧洞內(nèi)溫度場分布特征，表明小斷面盾構(gòu)隧洞內(nèi)熱源中機電設備運轉(zhuǎn)發(fā)熱、圍巖發(fā)熱、礦物和其他有機氧化物的氧化放熱占主導作用。在計算實際熱量的過程中，礦物和其他有機氧化物的氧化放熱、隧洞內(nèi)的人員放熱、空氣自然壓縮熱等對整體的熱量效果影響不大，可根據(jù)實際計算決定是否忽略。綜上所述，本文以熱學分析為理論基礎，通過施工現(xiàn)場實測，從而得到小斷面盾構(gòu)隧洞內(nèi)溫度場分布特征，為后續(xù)的隧洞通風的設計發(fā)展提供了合理有效的參數(shù)，并為后續(xù)布置降溫裝備提供了指導依據(jù)。

［1］童莉，張政，陳忠購，等.機械通風條件下連棟溫室速度場和溫度場的CFD數(shù)值模擬［J］.中國農(nóng)業(yè)大學學報，2003（6）：33-37.

［2］丁浩，劉瑞全，胡居義，等.姜路嶺隧道溫度場特性分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52（1）：76-81.

［3］金龍哲，李晉平，孫玉福.礦井粉塵防治理論［M］.北京：科學出版社，2010.

［4］陳志強.鉆爆法隧道施工粉塵防治的研究［D］.濟南：山東大學，2008.

U452.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.014

2095－6835（2020）09－0040－03

張敏（1985—），女，工程師，研究方向為市政工程。

〔編輯：嚴麗琴〕