關(guān)喜彬

(中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司，江蘇 無錫 214028)

0 引言

在高緯度、高海拔地區(qū)修建隧道的數(shù)量逐年增多，如吉圖暉鐵路沿線的草木溝隧道、五峰山隧道和哈爾巴嶺2號隧道等。大量寒區(qū)隧道建設(shè)和運(yùn)營情況表明，低溫引起的凍害普遍存在于既有隧道中，這些凍害既對隧道結(jié)構(gòu)造成破壞，同時(shí)也給鐵路運(yùn)營埋下安全隱患[1-3]。

近年來，學(xué)者們采用多種方法來減少凍害對寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)的破壞和影響，并采取多種防凍措施來預(yù)防凍害發(fā)生[4]。例如：保溫層法是指在隧道內(nèi)鋪設(shè)輕質(zhì)隔熱材料，利用其導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，減少洞內(nèi)冷空氣與圍巖之間的熱傳導(dǎo)，阻止寒冷氣流入侵圍巖內(nèi)部；但保溫層法不能隨著外界環(huán)境氣溫變化而變化，屬于被動的保溫方法，當(dāng)外界環(huán)境溫度過低時(shí)，其保溫效果并不能令人滿意[5]。防寒門法是指在隧道洞口建造防寒門來阻隔寒冷氣流入侵隧道內(nèi)部，其保溫效果較好，但僅適應(yīng)于交通流量小的隧道[6]。電伴熱法是指采用加熱電纜對隧道直接供暖，保溫效果較好，但后期維護(hù)能耗較大[7]。地?zé)嵩幢梅ㄊ侵覆捎玫孛鎿Q熱器吸收地?zé)崮軐λ淼乐苯庸┡?，其保溫效果較好，適用于地?zé)崮苜Y源豐富的地區(qū)[8]。因此，針對現(xiàn)有保溫技術(shù)的局限性和目前寒區(qū)隧道凍害形勢的嚴(yán)峻性，有必要探索一種新型的保溫方法來解決隧道凍害問題。

空氣幕裝置因其良好的空氣阻隔效果，最初被用于隔斷室內(nèi)外氣流的熱交換和控制粉塵污染的擴(kuò)散[9]。20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家開展了大量空氣幕的空氣流場模型試驗(yàn)，提出了空氣幕運(yùn)動軌跡方程和阻隔效率的計(jì)算方法，為空氣幕的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)[10]。2019年，Yang等[11]探究了不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下空氣幕性能的變化規(guī)律。目前，空氣幕技術(shù)廣泛應(yīng)用于冷庫、礦用巷道和超市等領(lǐng)域，但在寒區(qū)隧道保溫領(lǐng)域尚未有應(yīng)用空氣幕的先例。

目前，國內(nèi)有不少學(xué)者采用模型試驗(yàn)的方法來探究如何解決寒區(qū)隧道凍害問題。夏才初等[12]開展?jié)u凍隧道演化模擬試驗(yàn)，揭示寒區(qū)隧道凍害的發(fā)展規(guī)律。郭瑞等[13]開展寒區(qū)隧道縱向溫度場模型試驗(yàn)，探究設(shè)防長度與洞內(nèi)風(fēng)速的關(guān)系。高焱等[14]開展寒區(qū)高速鐵路隧道溫度場模型試驗(yàn)，揭示了列車運(yùn)行條件下隧道洞內(nèi)溫度場的變化規(guī)律。渠孟飛等[15]開展寒區(qū)隧道襯砌凍脹力的模型試驗(yàn)，得到巴郎山隧道襯砌凍脹力的變化規(guī)律。但目前尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于空氣幕作用下保溫室內(nèi)空氣流場和溫度場方面的報(bào)道，因此開展相關(guān)的模型試驗(yàn)具有一定的創(chuàng)新意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

為預(yù)防凍害的發(fā)生，本文提出一種新型的寒區(qū)隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并研制不同外界風(fēng)速、風(fēng)幕機(jī)射流風(fēng)速和射流角度等條件下的試驗(yàn)系統(tǒng)，探究保溫裝置內(nèi)空氣流場和溫度場的變化規(guī)律。

1 隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)及控制方程

1.1 寒區(qū)隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)

天平鐵路關(guān)山隧道全長15 634 m，位于甘肅省天水市與平?jīng)鍪薪唤绲囟?。關(guān)山隧道極端最低氣溫為-25.5 ℃，年平均降水量為568.5 mm，年最大降水量為824.4 mm，最大季節(jié)凍結(jié)深度為79 cm。為預(yù)防關(guān)山隧道凍害的發(fā)生，提出一種新型的寒區(qū)隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)。該保溫系統(tǒng)由保溫裝置、側(cè)吹式風(fēng)幕機(jī)、溫度和風(fēng)速風(fēng)向傳感器及PLC智能控制器4部分組成。當(dāng)隧道洞口的溫度和風(fēng)速檢測傳感器檢測到外界氣溫和風(fēng)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC智能控制器控制風(fēng)幕機(jī)的工作狀態(tài)，調(diào)整空氣幕的射流角度、射流風(fēng)速、射流溫度等參數(shù)，通過風(fēng)幕機(jī)吹出的豎向強(qiáng)風(fēng)，阻隔寒冷氣流入侵隧道內(nèi)部，確保隧道洞口的溫度達(dá)到0 ℃以上，預(yù)防隧道凍害的發(fā)生。當(dāng)隧道采用縱向式通風(fēng)時(shí)，隧道中的射流風(fēng)機(jī)從洞口引入新鮮空氣，通過另外一個洞口排出。此時(shí)，空氣幕保溫系統(tǒng)中的風(fēng)速風(fēng)向傳感器監(jiān)測到風(fēng)向由隧道內(nèi)部向外部流動，關(guān)閉空氣幕，使隧道順利完成通風(fēng)。寒區(qū)隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 寒區(qū)隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)

1.2 隧道空氣幕阻隔效率控制方程

隧道空氣幕阻隔效率控制方程的計(jì)算模型見圖2。

圖2 空氣幕阻隔效率計(jì)算模型

如圖2所示，設(shè)定空氣幕的氣流為f，隧道外流入隧道的氣流為f1，空氣幕傾斜平射氣流為f2[10]，則：

f=f1+f2。

(1)

(2)

(3)

式(2)—(3)中：ω為隧道外自然風(fēng)速，m/s；L為隧道的最大跨徑，m；H為隧道平均高度，m；ω0為射流風(fēng)速，m/s；B1為空氣幕噴口長度，m；ε為湍流系數(shù)；α為射流角度，(°)；b0為空氣幕射流厚度，m；x、y為距離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。

當(dāng)由隧道外流入隧道的氣流與空氣幕傾斜平射氣流合成的空氣幕氣流垂直于x軸時(shí)，則在空氣幕作用下，外界氣流與空氣幕的合成氣流

(4)

外界氣流與空氣幕的合成氣流fG同樣可表現(xiàn)為空氣幕射流量Q0和空氣幕工作時(shí)未能阻擋的空氣量Qm的總和：

fG=Q0+Qm。

(5)

空氣幕射流量

Q0=ω0B1b0。

(6)

空氣幕工作時(shí)未能阻擋的空氣量

(7)

空氣幕不工作時(shí)，侵入隧道的總風(fēng)量Q等同于隧道外流入隧道的氣流f1，表示為：

(8)

得到空氣幕阻隔效率

(9)

保溫系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定的依據(jù)是以阻隔效率最大為標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步研究空氣幕射流角度、射流風(fēng)速和射流厚度等參數(shù)與阻隔效率之間的最優(yōu)關(guān)系，通過最優(yōu)關(guān)系找出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，開展不同空氣幕參數(shù)與阻隔效率之間的研究。計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

1.3 射流角度與阻隔效率之間的變化規(guī)律

空氣幕射流角度變化范圍為0°～90°，假設(shè)洞外風(fēng)速為1.5 m/s，射流風(fēng)速為6 m/s，射流厚度為0.05 m，將以上計(jì)算參數(shù)代入式(9)，計(jì)算射流角度與阻隔效率的關(guān)系，再采用Matlab軟件繪制射流角度與阻隔效率之間的變化規(guī)律，見圖3。

圖3 射流角度與阻隔效率之間的變化規(guī)律曲線

如圖3所示，阻隔效率隨射流角度的變化趨勢為先遞增、后遞減，其最大值為1.091，此時(shí)對應(yīng)風(fēng)幕機(jī)最佳的射流角度為77.9°。當(dāng)空氣幕阻隔效率大于等于1時(shí)，說明空氣幕對空氣流動的阻隔效率為100%，也說明此時(shí)空氣幕的開啟功率過大。

1.4 外界風(fēng)速與阻隔效率之間的變化規(guī)律

外界風(fēng)速為0～12 m/s，假設(shè)射流角度為77.6°，射流風(fēng)速為6 m/s，射流厚度為0.5 m，探究并采用Origin數(shù)據(jù)分析軟件繪制外界風(fēng)速與阻隔效率之間的變化規(guī)律，見圖4。

圖4 外界風(fēng)速與阻隔效率之間的變化規(guī)律曲線

由圖4可知，外界風(fēng)速與阻隔效率之間呈反比例關(guān)系；當(dāng)外界風(fēng)速為1.5 m/s，射流風(fēng)速為6 m/s時(shí)，阻隔效率為1.091，說明射流風(fēng)速為4倍及以上的外界風(fēng)速時(shí)，阻隔效果好。

1.5 射流風(fēng)速與阻隔效率之間的變化規(guī)律

假設(shè)射流風(fēng)速為0～20 m/s，外界風(fēng)速為1.5 m/s，射流角度為77.6°，射流厚度為0.5 m時(shí)，探究并采用Origin數(shù)據(jù)分析軟件繪制射流風(fēng)速與阻隔效率之間的變化規(guī)律，見圖5。

圖5 射流風(fēng)速與阻隔效率之間的變化規(guī)律曲線

由圖5可知，射流風(fēng)速與阻隔效率之間呈正比例關(guān)系；當(dāng)外界風(fēng)速為1.5 m/s，射流風(fēng)速為5.5 m/s時(shí)，此時(shí)阻隔效率為0.99，說明此種情況可以有效阻隔外界寒冷氣流入侵隧道內(nèi)部。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

隧道內(nèi)的空氣流場和溫度場是非常復(fù)雜的對流換熱和圍巖熱傳導(dǎo)耦合問題，考慮空氣幕作用后使得問題更為復(fù)雜。因此，為了簡化，作出如下假定：1)氣流為不可壓縮的理想流體；2)氣體流動為湍流；3)氣流、圍巖均為連續(xù)介質(zhì)。

2.1 相似比設(shè)計(jì)

開展模型試驗(yàn)研究時(shí)，需要滿足幾何相似、運(yùn)動相似和熱力學(xué)相似3個相似準(zhǔn)則，綜合考慮試驗(yàn)精度和可實(shí)施性[16-17]，該試驗(yàn)的幾何相似比確定為lm∶lp=1∶20(下角標(biāo)m和p分別表示模型和原型)。

在確保模型幾何相似的基礎(chǔ)上，達(dá)到與原型的運(yùn)動相似，模型與原型的阿基米德數(shù)、雷諾數(shù)這2個準(zhǔn)則數(shù)應(yīng)該相等；同時(shí)還需要滿足熱力學(xué)相似。即在幾何和運(yùn)動相似的基礎(chǔ)上，模型與原型在空氣熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種熱傳遞方式上相同，因此模型與原型的貝克萊準(zhǔn)則應(yīng)該相等。

雷諾數(shù)是用于判斷流體是層流還是湍流的相似準(zhǔn)則。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，黏滯力對流場的影響大于慣性，流體為層流狀態(tài)；隨著雷諾數(shù)的增加，慣性對流場的影響大于黏滯力，流體逐漸由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變成湍流狀態(tài)；當(dāng)雷諾數(shù)繼續(xù)增大時(shí)，流體湍流的激烈程度幾乎不再變化，其值只與相對粗糙度有關(guān)，處于相同自模區(qū)內(nèi)流體的流動狀態(tài)相似。保溫室原型和模型內(nèi)壁面材質(zhì)分別為混凝土和保溫板，原型的相對粗糙度為0.002，模型的相對粗糙度為0.03。由莫迪圖可知，當(dāng)相對粗糙度分別為0.002和0.03時(shí)，雷諾數(shù)Re分別大于600 000和30 000時(shí)，即流體進(jìn)入第2自模區(qū)的湍流穩(wěn)定狀態(tài)。因此，針對本次試驗(yàn)，模型流場的相似比主要由阿基米德數(shù)準(zhǔn)則決定，即：

(Ar)p=(Ar)m。

(10)

(11)

(12)

式(10)—(12)中：(Ar)p、(Ar)m分別為原型和模型的阿基米德數(shù)；g為重力加速度；lp、lm分別為原型與模型的保溫室長度；Tp、Tm分別為原型與模型的保溫室溫度；ΔTp、ΔTm分別為原型與模型的保溫室的溫差；vp、vm分別為原型與模型的風(fēng)速；C1為試驗(yàn)的幾何相似比。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由外界環(huán)境控制系統(tǒng)、隧道模型、隧道空氣幕保溫裝置和數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)4部分組成。試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

空氣幕裝置安裝在保溫室前端兩側(cè)，空氣幕的射流風(fēng)速為1～20 m/s，射流溫度為30～55 ℃，通過抽取外界氣流，經(jīng)空氣幕加熱后，以一定的角度噴射，阻隔外界冷空氣的侵入。風(fēng)速傳感器布置在保溫室內(nèi)，共設(shè)置6個測點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)測量侵入隧道的風(fēng)速，風(fēng)速傳感器的測量范圍為0.3～30 m/s，精度為0.1 m/s。溫度傳感器布置在保溫室后端，共設(shè)置6個測點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)測量溫度的變化情況，溫度傳感器的測量范圍為-55～125 ℃，精度為0.1 ℃。溫度傳感器和風(fēng)速傳感器測點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 溫度傳感器和風(fēng)速傳感器測點(diǎn)布置圖

試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建主要有以下步驟：1)搭建外界環(huán)境控制系統(tǒng)，其溫度調(diào)控范圍為0～-30 ℃；2)澆筑隧道襯砌結(jié)構(gòu)，按1∶20的幾何相似比例制作隧道襯砌；3)在隧道前端安裝空氣幕保溫室；4)將風(fēng)速傳感器和溫度傳感器安裝在保溫室內(nèi)。隧道模型及空氣幕保溫室見圖8和圖9。

圖8 隧道模型

圖9 空氣幕保溫室

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 空氣幕最優(yōu)射流角度

選取測點(diǎn)5和測點(diǎn)6為研究對象，當(dāng)外界風(fēng)速分別為4 m/s和5 m/s、空氣幕的射流厚度為5 cm、射流風(fēng)速為10 m/s時(shí)，改變空氣幕的射流角度，不同射流角度下保溫室內(nèi)風(fēng)速的變化規(guī)律如圖10和圖11所示。

圖10 不同外界風(fēng)速情況下測點(diǎn)5的實(shí)測數(shù)據(jù)

圖11 不同外界風(fēng)速情況下測點(diǎn)6的實(shí)測數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)測試結(jié)果可知，測點(diǎn)5和測點(diǎn)6的最優(yōu)射流角度為75°，采用式(9)計(jì)算得到空氣幕最優(yōu)射流角度為77.9°，兩者得到的最優(yōu)射流角度結(jié)果相近。由此可知，隧道空氣幕阻隔效率控制方程可靠可信，可以用于寒區(qū)隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 外界風(fēng)速與阻隔效率之間的關(guān)系

選取測點(diǎn)1—6為研究對象，當(dāng)外界風(fēng)速分別為1.5、3、4、5 m/s，空氣幕的射流厚度為5 cm，射流風(fēng)速為10 m/s，射流角度為77.9°時(shí)，得出不同外界風(fēng)速情況下保溫室內(nèi)風(fēng)速的變化規(guī)律，如圖12所示。

由試驗(yàn)測試結(jié)果可知，空氣幕能夠有效阻隔外界氣流的侵入。隨著外界風(fēng)速的增加，保溫室內(nèi)風(fēng)速也隨之增加，即空氣幕的阻隔效率逐漸降低；由測點(diǎn)1—6的實(shí)測數(shù)據(jù)可知，保溫室底部的風(fēng)速最大，中下位置的風(fēng)速最小。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，該系統(tǒng)的風(fēng)速監(jiān)測器應(yīng)安裝于隧道底部。

3.3 射流風(fēng)速與阻隔效率之間的關(guān)系

采用控制變量法，當(dāng)空氣幕的射流厚度b0為5 cm，外界風(fēng)速ω為1.5、3、5 m/s，射流角度為0°～90°時(shí)，分別研究射流風(fēng)速分別為10 m/s和12 m/s條件下保溫室內(nèi)風(fēng)速變化規(guī)律，如圖13和圖14所示。

由圖13和圖14試驗(yàn)結(jié)果對比分析可知，當(dāng)射流風(fēng)速增大時(shí)，同一測點(diǎn)位置的風(fēng)速均有所下降，阻隔效率有所增加；這與圖5理論計(jì)算中阻隔效率隨著射流風(fēng)速的增加而增大的規(guī)律相同。相同射流厚度和外界風(fēng)速條件下，射流風(fēng)速對射流角度的最優(yōu)值影響較小。當(dāng)外界風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，不同射流風(fēng)速下空氣幕的最優(yōu)射流角度為55°～75°；當(dāng)外界風(fēng)速為3 m/s時(shí)，不同射流風(fēng)速下空氣幕的最優(yōu)射流角度為65°～75°；當(dāng)外界風(fēng)速為5 m/s時(shí)，不同射流風(fēng)速下空氣幕的最優(yōu)射流角度為75°左右。由此可見，不同的外界風(fēng)速越小，最優(yōu)射流角度越小，式(9)所計(jì)算出的最優(yōu)射流角度77.9°可用于寒區(qū)隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。工程實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)外界情況和洞內(nèi)風(fēng)速傳感器適當(dāng)降低射流角度。

(a)b0=5 cm, ω0=10 m/s, ω=1.5 m/s

(a)b0=5 cm, ω0=12 m/s, ω=1.5 m/s

3.4 側(cè)吹式射流保溫裝置保溫效果分析

以關(guān)山隧道2021年最冷月平均氣溫-19.2 ℃為環(huán)境氣溫，選取溫度傳感器測點(diǎn)1—6為研究對象，當(dāng)外界風(fēng)速為1.5 m/s、空氣幕的射流角度為75°、射流厚度為5 cm、射流風(fēng)速為10 m/s、射流溫度為45 ℃時(shí)，空氣幕開啟后保溫室內(nèi)溫度場的變化情況如圖15所示。

圖15 保溫室內(nèi)溫度傳感器測點(diǎn)1—6的實(shí)測數(shù)據(jù)

當(dāng)隧道外界的環(huán)境氣溫為-19.2 ℃時(shí)，保溫室內(nèi)的溫度低于0 ℃，此種條件下常溫空氣幕無法滿足隧道防寒保溫的需求。當(dāng)熱溫空氣幕開啟8 min后，保溫室內(nèi)空氣除底部測點(diǎn)3和測點(diǎn)6外，其余部分均開始出現(xiàn)正溫，此種條件下進(jìn)入隧道洞口的氣溫已經(jīng)達(dá)到0 ℃以上。由此可見，熱溫空氣幕具有較好的保溫效果，有助于預(yù)防關(guān)山隧道凍害的發(fā)生。

4 經(jīng)濟(jì)性對比

以關(guān)山隧道為例，對比分析保溫層法與空氣幕保溫系統(tǒng)100年使用年限內(nèi)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。

4.1 保溫層法總費(fèi)用

保溫層法的總成本主要包括保溫材料成本、人工成本和維護(hù)成本。關(guān)山隧道現(xiàn)場冬季最冷月平均氣溫為-25.5 ℃，文獻(xiàn)[18]給出了保溫層鋪設(shè)長度的計(jì)算式，即：

y=-0.8128x2-53.448x+150.73。

(13)

式中：y為隧道入口處保溫層鋪設(shè)長度，m；x是最冷月份的平均溫度，℃。

由式(13)計(jì)算得出關(guān)山隧道保溫層鋪設(shè)長度為985.13 m。假設(shè)隧道入口和出口處保溫層的鋪設(shè)長度相等，則隧道所需保溫層的總長度為1 970.26 m；關(guān)山隧道每m鋪設(shè)0.05 m厚隔熱層所需材料約為0.86 m3；保溫層材料選用硬質(zhì)聚氨酯，市場價(jià)格約1 300元/m3。根據(jù)計(jì)算，保溫材料成本為220.25萬元；鋪設(shè)保溫層的人工成本為4 500 元/m，因此，施工人工成本為886.62萬元。

硬質(zhì)聚氨酯保溫材料的使用壽命為25年，在隧道100年的使用期內(nèi)需要更換3次保溫材料。人工拆除保溫層的費(fèi)用為167元/m3，計(jì)算得出拆除費(fèi)用為32.9萬元。

因此，隧道運(yùn)營100年，保溫層法總成本為4 526.18萬元。

4.2 空氣幕系統(tǒng)總費(fèi)用

空氣幕系統(tǒng)主要由保溫裝置、側(cè)吹式風(fēng)幕機(jī)、溫度和風(fēng)速風(fēng)向傳感器和PLC智能控制器4部分組成。保溫裝置主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)保溫框架，建設(shè)費(fèi)用約為10.6萬元，使用年限為50年，保溫裝置主體結(jié)構(gòu)全周期總費(fèi)用共計(jì)21.2萬元。側(cè)吹式風(fēng)幕機(jī)采用定制型可調(diào)熱風(fēng)幕機(jī)，單臺價(jià)格約為3.9萬元，2臺共7.8萬元，使用年限為10年，空氣幕全周期總費(fèi)用共計(jì)78萬元。PLC智能控制器費(fèi)用為3.6萬元，使用年限為10年，在隧道100年全周期總費(fèi)用為36萬元。

空氣幕系統(tǒng)年耗電量主要包括空氣幕和PLC智能控制器。PLC智能控制器耗電量較低，因此只計(jì)算空氣幕在凍結(jié)期150 d內(nèi)全功率運(yùn)行所需的電量和電費(fèi)。單臺風(fēng)幕機(jī)功率為9.9 kW，2臺風(fēng)幕機(jī)功率為19.8 kW。年凍結(jié)期內(nèi)全功率運(yùn)行的功率為71 280 kW，按照中國工業(yè)用電0.86元/kW·h，計(jì)算可得風(fēng)幕機(jī)年用電費(fèi)用為61 300.8元，即風(fēng)幕機(jī)在隧道100年全周期中用電總費(fèi)用為613萬元。

因此，隧道運(yùn)營100年，隧道出入口處空氣幕系統(tǒng)總成本為1 496.4萬元。

對比可知，在隧道100年全周期中，保溫層法總成本為4 526.18萬元，空氣幕系統(tǒng)總成本為1 496.4萬元。根據(jù)本文計(jì)算的費(fèi)用，在隧道內(nèi)采用空氣幕系統(tǒng)進(jìn)行防寒保溫具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。但本文僅粗略估算了空氣幕系統(tǒng)的成本，具體施工及用電成本需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

5 結(jié)論與討論

1)根據(jù)流函數(shù)疊加原理推導(dǎo)出寒區(qū)隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)空氣幕阻隔效率的控制方程，并在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了該控制方程的正確性。該控制方程可用于優(yōu)化寒區(qū)隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

2)為預(yù)防和控制關(guān)山隧道凍害的發(fā)生，提出寒區(qū)隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并研制不同外界風(fēng)速、風(fēng)幕機(jī)射流風(fēng)速和射流角度等條件下的試驗(yàn)系統(tǒng)，為解決寒區(qū)隧道凍害問題提供新方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

3)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)外界風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，不同射流風(fēng)速下空氣幕的最優(yōu)射流角度為55°～75°；當(dāng)外界風(fēng)速為3 m/s時(shí)，不同射流風(fēng)速下空氣幕的最優(yōu)射流角度為65°～75°；當(dāng)外界風(fēng)速為5 m/s時(shí)，不同射流風(fēng)速下空氣幕的最優(yōu)射流角度為75°左右。

4)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)外界環(huán)境溫度為-19.2 ℃時(shí)，常溫空氣幕難以滿足隧道保溫需求。熱空氣幕開啟8 min后，保溫室內(nèi)溫度均達(dá)到0 ℃以上，能夠有效預(yù)防隧道凍害的發(fā)生。