王志杰， 姜逸帆， *， 林 銘， 鄧宇航， 劉新星， 魏子棋， 周 平

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 中國水利水電第五工程局有限公司， 四川 成都 610061)

0 引言

我國西南地區(qū)豐富的地熱資源使得西南地區(qū)的隧道建設出現了大量的高地溫現象[1-2]。高地溫隧道帶來的隧道襯砌結構劣化、施工器械壽命降低、施工人員舒適度降低等問題[3-4]，嚴重影響了隧道的正常施工。因此，研究合適的降溫措施已經成為了高地溫隧道研究的熱點問題。

目前常用的降溫方式有通風降溫、隔熱層阻隔熱源、人工制冷等方法[5]，不同學者對單一的降溫措施展開了相應研究。對于通風降溫，Zeng等[6]采用數值模擬以及比例模型試驗驗證了通風降溫的有效性。李茹[7]研究通風降溫各指標的影響，得出降低風溫對隧道溫度的改善最明顯。對于隔熱層阻隔熱源的研究，Kang等[8]通過數值模擬開展了隔熱層使用性能的研究。蔣爽等[9]指出通風條件是除了厚度和導熱系數外影響隔熱層效果的關鍵因素。對于人工制冷的研究，何青青[10]利用流體計算軟件Fluent證明了噴霧降溫可以有效地降低隧道壁面溫度。朱宇等[11]通過軟件模擬證明了冰塊降溫的有效性，結合冰塊降溫與通風措施可以起到良好的降溫效果。

雖然已有了大量針對單一降溫措施的研究，但是采用多種措施組合的方式才能實現效果的最大化。對于綜合降溫技術的研究，嚴健等[12]提出了以通風為主，結合噴灑冷水、設置冰墻等綜合立體降溫技術，并研究了各項措施的降溫效果。朱宇等[13]以45 ℃為界線，45 ℃以下采用通風措施，45 ℃以上還需增加隔熱、冰塊制冷、灑水噴霧、局部制冷等措施。李建高等[14]針對不同溫度，提出了不同的通風、冰塊降溫、注漿堵水、機械制冷組合降溫方式。為實現科學有效的降溫，對于多種降溫措施在不同溫度環(huán)境下的組合使用研究是目前高地溫隧道降溫技術的研究趨勢，而目前相關的研究較少。

本文依托紅河州建水—元陽高速公路的尼格隧道，利用流體計算軟件Fluent以及理論公式計算，針對不同隧道施工溫度下，對現場采用的不同降溫措施的運用方式進行探討，形成一套不同溫度下的高地溫隧道綜合降溫技術。

1 工程概況

1.1 隧道概況

尼格隧道進口位于紅河州個舊市賈沙鄉(xiāng)克勒村附近山體中部，設計樁號左線起點LZ5K44+300，洞底設計標高1 026.8 m，終點樁號LZ5K47+666，洞底設計標高958.9 m，全長3 366 m； 右線起點LK44+315，洞底設計標高1 026.8 m，終點樁號LK47+666，洞底設計標高959.2 m，全長3 351 m。建筑凈空(寬×高)12.75 m×8.0 m，隧道縱坡-2.000%(單向坡)。最大埋深639 m，屬深埋特長隧道。

隧道主要穿越燕山期花崗巖(γ53(a))、三疊系中統個舊組上段(T2g2)灰?guī)r、灰質白云巖。距隧道進口75 m處存在斷層F8，與線路交角51°，走向N20°～30°E，傾向SE65°～75°，破碎帶充填構造角礫巖夾斷層泥，寬0.2～0.5 m。

尼格隧道進口自2019年3月21日開始出現高巖溫，通過對已揭示的高溫段溫度監(jiān)測可知，洞內最高巖溫為75 ℃，空氣溫度達40 ℃。在此之前，隧道內高溫主要表現為高水溫，最高水溫 63.4 ℃。尼格隧道進口高巖溫隨隧道掘進長度及埋深增大保持上升趨勢。尼格隧道出口自2018年11月23日開始出現高巖溫，通過對已揭示的高溫段溫度監(jiān)測可知，洞內最高巖溫為85 ℃，空氣溫度為51 ℃，隨著隧道掘進及埋深的增大，隧道巖溫一直保持上升趨勢。

通過對高溫情況的調查，總結出隧道穿越灰?guī)r段主要表現為高水溫，最大涌水量9～12 L/s，最高水溫63.4 ℃，最高氣溫達41 ℃，花崗巖段主要表現為高巖溫，最高溫度達88.8 ℃，最高氣溫達56.4 ℃，隧道干燥無出水，圍巖堅硬程度及完整程度均較好。通過對尼格隧道所在區(qū)域周邊的尼格溫泉、老虎灘溫泉、丫沙底溫泉進行溫度監(jiān)測，將這3處溫泉定性為高溫溫泉，如圖1所示。尼格隧道的熱源補給充沛。

圖1 尼格隧道區(qū)域示意圖

1.2 高溫隧道洞內溫度概況

1.2.1 環(huán)向溫度監(jiān)測

采用WST數字溫度計對里程LK45+930處的斷面進行隧道環(huán)向溫度監(jiān)測，主要包括拱頂、拱肩和邊墻3個位置。同時還監(jiān)測了隧道內風速的情況，監(jiān)測自2020年5月23日開始，每天監(jiān)測1次，至2020年6月13日結束。LK45+930斷面環(huán)向不同位置的溫度如圖2所示。

圖2 隧道環(huán)向不同位置的溫度對比曲線圖

由圖2可以得出，受到洞內爆破以及施工機械的影響，隧道斷面環(huán)向溫度呈現上下波動的規(guī)律，并整體呈現上升趨勢；隧道斷面拱頂附近溫度最高，其次是拱肩附近的溫度較高，邊墻附近溫度最低；在溫度變化幅度方面，拱頂附近溫度變化幅度最大，其次是拱肩附近，邊墻附近溫度變化幅度最小。

1.2.2 徑向溫度監(jiān)測

對LK45+930斷面隧道徑向溫度監(jiān)測包括距洞壁1 m、2 m、3 m、4 m和5 m 5個位置，監(jiān)測自2020年5月25日開始，每天監(jiān)測1次，至2020年6月13日結束。LK45+930斷面徑向不同位置處的溫度如圖3所示。

圖3 隧道徑向不同位置處溫度隨時間的變化曲線

由圖3可以得出，隧道LK45+930斷面徑向不同位置處的溫度變化趨勢基本一致，具體表現為溫度先下降，在隔熱層鋪設后上升的趨勢(隔熱層為厚度5 cm的硬質聚氨酯)，整體曲線呈“U”形； 隨著徑向距洞壁距離的增加，圍巖溫度逐漸增加；在溫度變化幅度方面，隨著徑向距洞壁距離的增加，圍巖受洞內通風等外因的影響越小，溫度變化幅度越減小，由徑向距洞壁距離為1 m時的17 ℃到距洞壁距離為5 m時6 ℃的溫度變化幅度。

通過環(huán)境溫度監(jiān)測，尼格隧道洞內環(huán)境溫度最高可達52 ℃，因此必須采取相應的降溫措施降低洞內溫度。

1.3 高溫隧道降溫措施概況

為解決尼格隧道的高地溫環(huán)境，具體實施如下降溫措施。

1)通風降溫措施。在尼格隧道各洞口外，距洞口20～30 m處各安裝1臺2×110 kW軸流風機和2×160 kW軸流風機，分別通過φ1.5 m雙抗軟風管(阻燃、抗靜電)和φ1.8 m雙抗軟風管(阻燃、抗靜電)將新鮮空氣送至洞內。

2)冰塊降溫。在尼格隧道出口建立1座 20 t制冰站，如圖3所示。制冰站每日制冰 20 t， 額定功率 75 kW。為了降溫，將制做的冰塊在人員集中作業(yè)的工作面使用。結合隧道施工的 24 h工作制度，該制冰站需 24 h作業(yè)，保證洞內正常作業(yè)。

3)霧炮車降溫。霧炮車降溫是通過霧化處理的水對小范圍內的環(huán)境溫度進行降溫。霧炮車同時可以降低隧道施工過程中粉塵的質量分數，提高工作環(huán)境的濕度，從而提高隧道內工人的工作舒適度。對改善隧道施工環(huán)境有較大的好處。尼格隧道在二次襯砌臺車至掌子面每隔15～20 m布置1臺霧炮機，用于霧炮噴淋除塵降溫，各降溫措施見圖4。

(a) 通風降溫

(b) 噴霧降溫

(c) 冰塊降溫

雖采用上述方案對尼格隧道進行降溫，但存在措施適用區(qū)間不明，降溫效果不佳等問題。故針對不同圍巖溫度下的降溫措施適用性展開研究。

2 基于能量平衡的降溫措施設計

2.1 計算原理

高地溫隧道內的主要熱量來源為圍巖的熱量輸入，部分來源于施工機械產熱及施工人員作業(yè)產熱等，要使得洞內溫度達到規(guī)范規(guī)定的溫度，要采取一定的降溫措施，如通風降溫、噴霧灑水及冰塊降溫等。根據《公路隧道施工技術規(guī)范》，隧道內溫度不得高于28 ℃，故偏于保守地假設一系列降溫措施能使得洞內整體溫度降低至28 ℃，即規(guī)范規(guī)定的洞內最高溫度?；谀芰科胶庠瓌t，使產生熱量等于降溫措施的吸收熱量，即至少需要滿足：

(1)

2.2 散熱量計算

2.2.1 軸向洞周巖壁散熱量Q1

軸向洞周巖壁散熱量Q1是主要的熱量來源，主要是通過對流換熱將這部分熱量傳給洞內空氣，其計算如下[15]：

Q1=KTUL(Tw-Tf) 。

(2)

式中：KT為對流換熱系數，kW/(m2·℃)；U為周長，取值40.8 m；L為需要降溫的開挖段長度，取值30 m；Tw為需降溫的開挖段內圍巖的平均溫度；Tf為熱流交換后的洞內凈空溫度，為滿足施工要求取28 ℃。

(3)

式中λ為巖石導熱系數，取0.002 3 kW/(m·℃)。

(4)

(5)

式(4)—(5)中：A為隧道斷面開挖面積，取值127.3 m2；λ為巖石導熱系數，取0.002 3 kW/(m·℃)；a為導溫系數，取0.004 428 m2/h；t為通風時間，h。

2.2.2 掌子面散熱量Q2

掌子面散熱量Q2計算過程與軸向洞周巖壁散熱量Q1類似，即：

Q2=KTA(Tw-Tf) 。

(6)

2.2.3 機械散熱量Q3

在高溫情況下機械的工作效率會受到嚴重影響，發(fā)動機效率e僅為40%。工程機械燃油轉化為有效機械能之外的剩余能量是機械主要的散熱量，該部分熱量按下式計算[16]：

(7)

式中： 1-e為機械的散熱系數；n為機械設備的數量；Ni為機械設備的額定功率，/(r/min)；Ki為各種柴油設備實際運轉時間與累積作業(yè)時間的比例。

2.2.4 人員散熱Q4

隧道施工人員釋放的熱量與其工作強度有關，取掌子面附近人員釋熱量qh=0.47 kW/人。洞口嚴格執(zhí)行進出洞等級手續(xù)，確保洞內作業(yè)人數不超過29人。故人員散熱為[12]：

Q4=Nqh。

(8)

2.3 吸熱量

尼格隧道采用1臺2×110 kW風機和1臺2×160 kW風機進行通風，通風量分別為1 412 m3/min，1 570 m3/min，其所能吸收的熱量為：

Q1′=cpm(V1+V2)(Tf-Tf0) 。

(9)

式中：Tf0為熱交換前隧道內風流初始溫度，取25 ℃；V1為2×110 kW風機風量；V2為2×160 kW風機風量；cpm為空氣比熱容。

2.3.2 灑水噴霧吸熱量Q2′

灑水噴霧降溫是高地溫隧道降溫的常用措施，該方法最大的優(yōu)點是能夠兼顧降溫和降塵，對改善隧道施工環(huán)境有較大的好處。采用每4 h進行1次灑水噴霧降溫[12]。

(10)

(11)

(12)

式(10)—(12)中：q2′為單周期內的熱量，kW；tc為灑水噴霧的周期；γ為水蒸氣的汽化潛熱，取2 500 kJ/kg；W為水分蒸發(fā)量；KT1為考慮壁面粗糙度的對流換熱系數；Ts為風流的平均濕球溫度；p為濕空氣壓力，取3 600 Pa；p0為標準大氣壓力，取101.325 kPa；εm為避免粗糙度系數，取3.1；vh為平均風速，根據實際通風量進行換算取值。

2.3.3 冰塊吸熱量Q3′

已知1 kg冰融化成0 ℃的冰水需要336 kJ熱量，即q=336 kJ/kg。且水的比熱容cw=4.2 kJ/(kg·℃)，融化后的每千克水溫度升高1 ℃需要吸收熱量為4.2 kJ。因此冰塊吸熱的計算式為：

(13)

式中m為冰塊質量，kg。

2.4 降溫措施分區(qū)

通過式(1)—(13)計算散熱量與吸熱量的差值，計算公式如下式所示：

ΔQ=Q1+Q2+Q3+Q4-(Q1′+Q2′+Q3′) 。

(14)

計算不同圍巖溫度下散熱量與吸熱量的差值ΔQ，如圖5所示。

圖5 不同圍巖溫度下散熱量與吸熱量的差值ΔQ

根據圖5，總結出高地溫隧道各溫度條件下具體降溫措施，如表1所示。

表1 綜合降溫措施選用表

3 基于CFD計算的綜合降溫技術研究

采用流體計算軟件Fluent對單通風管道、雙通風管道、噴霧降溫以及冰塊降溫這4種降溫措施的降溫效果進行計算分析，進一步探究各措施的降溫效果。

3.1 模型建立

根據尼格隧道實際斷面尺寸進行建模，考慮圍巖對空氣的熱量交換，以及隧道施工主要集中在掌子面處，出于簡化計算考慮，模型取至掌子面100 m范圍。分別建立單、雙管道模型、雙管道加冰塊模型以及雙管道加噴霧模型。4個模型的尺寸為長120 m，寬60 m，高60 m，并且設置掌子面距離模型出口處均為100 m。其中，單通風管模型的通風管道尺寸為1.5 m，雙通風管模型的通風管道尺寸為1.5 m和1.8 m，通風管理距掌子面均采用30 m。冰塊模擬為放置在隧道兩側的10 t冰塊，放置位置距離掌子面10 m，冰塊降溫采用Fluent中的凝固融化模型(solidification & melting)來求解冰塊的凝固和融化問題[11]。創(chuàng)建噴霧出口進行噴霧模擬，距離掌子面20 m。CFD各計算模型如圖6所示。由于理論計算中圍巖散熱為主要熱源，因此在數值模擬中為簡化計算，僅考慮圍巖熱源作為溫度來源。

(a) 單管道模型 (b) 雙管道模型

(c) 雙管道加冰塊模型 (d) 雙管道加噴霧模型

3.2 邊界條件

將隧道通風口設置為速度入口，通風管道的風速分別按實際的通風管道風量1 412 m3/min和1 570 m3/min設置，空氣溫度取25 ℃，出口采用自由出流邊界，空氣與圍巖壁面設置為無滑移固體壁面，流體模型采用數學模型為k-epsilon 二方程湍流模型，模型外邊界采用溫度邊界。

3.3 模擬結果

以圍巖溫度90 ℃為例，分別取通風時間為10 min、20 min和30 min的縱向溫度云圖，不同降溫措施的溫度云圖如圖7所示。

由于隧道掌子面前方30 m區(qū)域內為主要施工作業(yè)區(qū)域，記錄通風降溫過程中的掌子面前方30 m區(qū)域的平均空氣溫度變化曲線，從而對比不同圍巖溫度下的隧道空氣溫度降溫效果，不同降溫措施的降溫時程曲線如圖8所示。

由圖7可以看出，通風降溫是將低溫空氣送入掌子面，并將高溫空氣擠壓排出隧道； 同時對洞壁進行對流散熱，從而降低隧道的溫度。 噴霧降溫則降低了小范圍的溫度，加快了局部區(qū)域的溫降。冰塊通過吸收洞內空氣的能量，可以在短時間內降低冰塊周圍大范圍的溫度。由于低溫空氣密度大，大量的低溫空氣聚集在隧道下方，可為作業(yè)人員帶來舒適的作業(yè)環(huán)境。

(a) 單通風管道通風10 min (b) 單通風管道通風20 min (c)單通風管道通風30 min

(d) 雙通風管道通風10 min (e) 雙通風管道通風20 min (f) 雙通風管道通風30 min

(g) 雙通風管道+噴霧10 min (h) 雙通風管道+噴霧20 min (i) 雙通風管道+噴霧30 min

(j) 雙通風管道+冰塊10 min (k) 雙通風管道+冰塊20 min (l) 雙通風管道+冰塊30 min

(a) 單通風管道降溫 (b)雙通風管道降溫

(c) 雙通風管道+噴霧降溫 (d) 雙通風管道+冰塊降溫

通過對降溫曲線的分析可知，圍巖溫度越低，掌子面前方30 m處的空氣溫度從開始降溫到溫度穩(wěn)定所需時間越短。以單通風管道為例，圍巖溫度為100 ℃時溫降需要11 min，而圍巖溫度為30 ℃時溫降只需要6 min。增加降溫措施也可以縮短掌子面前方溫度降低的時間。以圍巖溫度100 ℃為例，在溫度達到穩(wěn)定前，單通風管道降溫速率為7.58 ℃/min，雙通風管道降溫速率為10.44 ℃/min，雙通風管道+噴霧降溫速率為10.77 ℃/min，雙通風管道+冰塊降溫速率為11.65 ℃/min。因此，增大通風量可以顯著提高降溫速率。

取不同降溫措施下掌子面前方30 m范圍內降溫30 min后的平均空氣溫度，如圖9所示。

由圖9可以看出，數值模擬與理論計算提出的降溫組合具有較好的一致性，各組合工況滿足了所應用溫度區(qū)間的降溫要求。從降溫效果上對比，增大通風量可以提升8 ℃的降溫能力，在此基礎上配合噴霧降溫也可提高8 ℃的降溫能力，配合10 t冰塊則可對100 ℃圍巖溫度下的洞內空氣溫度實現有效降溫。這3種方式的降溫效果從大到小依次為： 冰塊降溫、增大通風量、噴霧降溫。增大通風量的方式隨著圍巖溫度的增大，降溫效果越明顯。噴霧降溫作為一種局部的降溫措施，對整體空氣的溫度作用效果有限。冰塊降溫作為一種最有效的降溫方式，適用于高圍巖溫度情況。

圖9 不同圍巖溫度下的掌子面空氣溫度曲線

4 高地溫隧道綜合降溫體系

4.1 綜合降溫體系構建

據高地溫隧道的特點，制定出以綜合監(jiān)測、熱源阻隔、洞內降溫為主體的降溫體系。即結合“預、防、治”三位一體的降溫體系，如圖10所示。

圖10 高地溫隧道綜合降溫體系

1)預——超前預報與溫度監(jiān)測。采用無線分布式三維成像超前預報技術(AGI-T3)(見圖11)和超前水平鉆探技術(見圖12)對隧道掌子面前方的圍巖以及富水情況進行預報，并提前檢測前方的圍巖溫度。對于已開挖段落，實時監(jiān)測洞內環(huán)境溫度，對已設定的降溫措施進行反饋調整。

圖11 無線分布式三維成像超前預報

圖12 超前水平鉆探測溫

2)防——熱源阻隔。采用通過對初期支護段及時進行隔熱層敷設實現了阻隔熱源對隧道環(huán)境的直接作用，使熱量集中在掌子面區(qū)域產出。通過注漿封堵實現了對掌子面區(qū)域熱水滲出的控制，解決了高溫水對施工環(huán)境的劣化影響。

3)治——熱源阻隔。通過對圍巖溫度的測試，利用不同溫度分區(qū)的降溫措施的研究成果，對隧道掌子面區(qū)域進行集中的降溫處理。通過理論公式，對隧道不同斷面下不同降溫措施適用的溫度區(qū)間進行計算(見圖13)。通過對不同溫度制定降溫措施，可以實現對熱源集中處的有效降溫。

圖13 不同隧道斷面綜合降溫措施選用圖

4.2 現場應用情況

為驗證隔熱層對溫度傳遞的阻隔作用，對隔熱層內外溫度進行現場溫度監(jiān)測，結果如圖14所示，施作完隔熱層后，降溫差達9.9～14.1 ℃，降溫率達20%，證明了“防”的有效性。

1)外側表示向圍巖側，里側表示向隧道洞身側； 2)起始時間2020-08-20，截止時間2020-09-06。

通過對掌子面圍巖溫度的監(jiān)測，圍巖溫度為47 ℃，采用雙通風加噴霧降溫的方案。采用增加噴霧的降溫方案后，壁面處溫度由40.8 ℃降為34.8 ℃(見圖15)，降溫幅度達到6℃，與數值計算的溫降量相近。證明該降溫措施能達到理論的降溫幅度。

(a) (b)

通過“預、防、治”三位一體的降溫體系，可以主動預防、提前揭示高地溫概況，利用阻隔措施控制熱源產生，減少熱量輸入，再根據洞內溫度采用不同的降溫措施，實現降溫體系效能最大化。

5 結論與討論

以紅河州建水至元陽高速公路的尼格隧道為依托，通過能量平衡公式以及CFD軟件對高地溫隧道的降溫措施進行研究，從而設計出高地溫隧道分級降溫措施，主要結論如下：

1) 通過對比不同降溫措施的降溫速率，增大通風量(由1 412 m3/min增至2 982 m3/min)可提升降溫速率2.86 ℃/min，噴霧可提升降溫速率0.33 ℃/min，冰塊可提升降溫速率1.21 ℃/min(以巖溫100 ℃為例)?？梢娡L降溫可以加快洞內溫度置換速度，大大提升洞內溫度降低速率。因此對于高地溫隧道，增大通風量是必要措施。

2) 通過比較降溫效果，增大通風量(由1 412 m3/min增至2 982 m3/min)可以提升8 ℃的降溫能力，在此基礎上配合噴霧降溫也可提高8 ℃的降溫能力，配合10 t冰塊可對100 ℃圍巖溫度下的洞內空氣溫度實現有效降溫。這3種方式的降溫效果從大至小為： 冰塊降溫>增大通風量>噴霧降溫。

3) 通風降溫、冰塊降溫以及噴霧降溫的作用效果各異。通風降溫可以實現洞內空氣的置換流通，宜作基礎降溫措施； 冰塊降溫通過融化吸熱可實現大規(guī)模的溫降，實際效果與冰塊體積相關，可用在熱害等級較高的隧道； 噴霧降溫在實現降溫功能的同時兼顧除塵和加濕，可用作掌子面輔助降溫措施實現對隧道的局部降溫。

4) 通過能量平衡公式計算與CFD軟件計算得到的結果具有較好的一致性。提出圍巖溫度T<32 ℃時采用單通風管道(通風量1 412 m3/min)，圍巖溫度T在32 ℃≤T≤40 ℃時采用雙通風管道(通風量2 982 m3/min)，圍巖溫度T在40 ℃48 ℃增設冰塊降溫。結合熱害發(fā)生機制以及計算研究結果，提出了“預，防，治”三位一體的降溫體系，實現了主動降溫與被動降溫相結合，將降溫效能最大化。

5) 該體系著重保證對局部區(qū)域溫度的有效控制，若實現隧道全空間的有效降溫必定帶來巨大的能源消耗，因此使用時需要選擇重點降溫區(qū)域進行局部降溫。