馬超豪，梁 艷,汪 濤，董麗娜

(1. 河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司 石家莊市 050000； 2. 河北省公路安全感知與監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊市 050000; 3. 河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石家莊市 050091； 4. 河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 石家莊市 050000；5. 河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心 石家莊市 050000)

0 引言

我們國(guó)家在開(kāi)發(fā)西部的進(jìn)程中，受到復(fù)雜多變的地理和地質(zhì)條件因素影響，隧道工程建設(shè)過(guò)程中會(huì)面臨高地溫問(wèn)題。我國(guó)的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定隧道內(nèi)溫度不得高于28℃[1]?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定礦井采掘工作面的空氣溫度超過(guò)30℃時(shí)必須停止作業(yè)[2]。在此高溫環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行工程建設(shè)，不僅會(huì)對(duì)施工人員的身體健康造成較大威脅，也會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)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(wèn)題帶來(lái)的高溫環(huán)境影響十分必要。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)隧道通風(fēng)溫度場(chǎng)問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究。曹正卯[3]對(duì)長(zhǎng)大隧道與復(fù)雜地下工程施工通風(fēng)特性進(jìn)行相關(guān)研究，范磊[4]對(duì)高地溫深埋特長(zhǎng)隧道熱害問(wèn)題進(jìn)行了施工熱害控制研究，并通過(guò)建立三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，模擬研究了隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境溫度場(chǎng)，王卓等[5]通過(guò)理論計(jì)算對(duì)隧道施工熱環(huán)境通風(fēng)降溫問(wèn)題進(jìn)行研究，解彬等[6]采用壓入式通風(fēng)方式對(duì)掘進(jìn)工作面溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。結(jié)合目前實(shí)際工程情況，為降低高溫環(huán)境問(wèn)題對(duì)施工過(guò)程的影響所采取的最常用的降溫措施就是通風(fēng)降溫。以西部某高地溫隧道工程為依托，對(duì)實(shí)際采用的通風(fēng)—抽風(fēng)相結(jié)合降溫方式中影響降溫效果的三個(gè)因素—通風(fēng)溫度、通風(fēng)速度和通風(fēng)口與工作面距離進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)特定區(qū)域溫度數(shù)值和溫度場(chǎng)變化規(guī)律的分析和總結(jié)，為類似工程的實(shí)際通風(fēng)方案的制定與選擇提供相關(guān)參考。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 建立幾何模型

三維模型整體形狀為長(zhǎng)方體，考慮工程實(shí)際情況和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)等因素，將模型長(zhǎng)度設(shè)定為500m，高度和寬度均為15m。洞口處坐標(biāo)值Z=0，工作面處坐標(biāo)值Z=500。根據(jù)實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)化后的馬蹄形的隧洞位于長(zhǎng)方體的中心位置。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將通風(fēng)管道設(shè)定在隧洞左側(cè)拱腰位置處，抽風(fēng)管設(shè)定在隧道底部靠近邊墻。通風(fēng)管和抽風(fēng)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(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

隧道三維模型由開(kāi)挖的洞室和周圍巖體組成。開(kāi)挖的洞室為空氣流通區(qū)域。周圍巖體為高溫固體區(qū)域。簡(jiǎn)化通風(fēng)管和抽風(fēng)管為面，忽略其厚度。模型中開(kāi)挖隧洞和周圍巖體為體域，簡(jiǎn)化的通風(fēng)管和抽風(fēng)管為面域，故網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。流體區(qū)域存在流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的相互作用，網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行加密處理。

1.3 介質(zhì)參數(shù)設(shè)定

在通風(fēng)的過(guò)程中，風(fēng)流與圍巖的傳熱作用受材料的熱力學(xué)性質(zhì)的影響，假定在計(jì)算過(guò)程中材料的熱力學(xué)性質(zhì)為常數(shù)，介質(zhì)物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 介質(zhì)物性參數(shù)

1.4 模型邊界設(shè)定

三維模型所需設(shè)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(jù)工程圍巖溫度沿徑向變化情況設(shè)定為恒定溫度邊界。將通風(fēng)管入口的邊界條件設(shè)定為速度進(jìn)口，在此邊界條件下可根據(jù)不同工況設(shè)定風(fēng)溫和風(fēng)速。抽風(fēng)管出口設(shè)定為壓力出口,模型中隧洞洞口設(shè)定為壓力出口。

1.5 模型驗(yàn)證

工作面附近橫斷面溫度云圖顯示的斷面溫度與隧洞內(nèi)監(jiān)測(cè)溫度基本一致，且與施工現(xiàn)場(chǎng)采取降溫措施后的溫度基本相符。如圖2所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)值與模擬數(shù)值差值不大，最大相對(duì)誤差為9.7%。因此，此三維隧洞模型比較可靠，可以應(yīng)用其進(jìn)行通風(fēng)降溫溫度場(chǎng)規(guī)律變化情況的研究。

圖2 實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

2 通風(fēng)降溫計(jì)算與分析

根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)研究資料可知：在通風(fēng)降溫方面，通風(fēng)溫度、通風(fēng)速度以及通風(fēng)口與工作面的距離這三個(gè)因素對(duì)通風(fēng)降溫效果存在影響?？紤]實(shí)際情況，且有利于溫度場(chǎng)分布規(guī)律的分析研究，對(duì)三個(gè)因素分別設(shè)定存在一定梯度差的工況數(shù)值?？紤]工程實(shí)際通風(fēng)可能涉及到的溫度，也考慮通風(fēng)溫度與洞內(nèi)溫度的差值大小，設(shè)定通風(fēng)溫度分別為5℃、10℃、15℃、20℃、25℃；不同的通風(fēng)機(jī)功率的大小決定通風(fēng)管口的風(fēng)速，根據(jù)實(shí)際工程中采用的不同型號(hào)的風(fēng)機(jī)，設(shè)定風(fēng)速值分別為15.7m/s、20.4m/s、24.2m/s、30.6m/s；通風(fēng)口位置的選擇更多地受施工現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，因此設(shè)定通風(fēng)口距離工作面的距離分別為5m、10m、20m、30m。隧洞內(nèi)初始空氣溫度設(shè)定為47℃，隧道周邊圍巖初始溫度設(shè)定為87℃，通風(fēng)計(jì)算時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為240 min。

在隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中，施工人員和機(jī)械設(shè)備的主要工作活動(dòng)區(qū)域集中在工作面附近一定距離范圍內(nèi)，因此選取模型中隧洞中心縱向?qū)ΨQ面溫度云圖，并重點(diǎn)關(guān)注工作面附近區(qū)域(距離工作面10m范圍內(nèi))的最高溫度、主要工作活動(dòng)范圍區(qū)域內(nèi)(距離工作面100m范圍內(nèi))的平均溫度和主要工作活動(dòng)范圍區(qū)域的平均溫度與初始隧洞內(nèi)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(dòng)范圍區(qū)域的平均溫度為指標(biāo)考量選取的工況的降溫效果。

2.1 不同通風(fēng)溫度工況模擬結(jié)果與分析

不同通風(fēng)溫度下，隧洞內(nèi)溫度場(chǎng)的分布規(guī)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(dòng)范圍區(qū)域內(nèi)的環(huán)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(fēng)溫度下的工作面附近區(qū)域最高溫度和主要工作活動(dòng)范圍的平均溫度與通風(fēng)溫度的相關(guān)性很明顯。當(dāng)通風(fēng)溫度增加時(shí)，工作面附近區(qū)域最高溫度數(shù)值相應(yīng)變大，并且主要工作活動(dòng)范圍區(qū)域的平均溫度也隨之增加。主要工作活動(dòng)區(qū)域的平均溫度與隧洞內(nèi)初始溫度的差值隨著通風(fēng)溫度的增加而降低。說(shuō)明通風(fēng)溫度越低，對(duì)降溫的作用越大。通風(fēng)溫度為5℃和10℃時(shí)工作面附近區(qū)域的最高溫度和主要工作活動(dòng)區(qū)域的空氣平均溫度均能滿足小于28℃的要求，通風(fēng)溫度為15℃和20℃時(shí)工作面附近區(qū)域的最高空氣溫度能滿足小于28℃的要求，主要工作活動(dòng)區(qū)域的平均空氣溫度不能滿足小于28℃的要求，通風(fēng)溫度為25℃時(shí)工作面附近區(qū)域最高溫度和主要工作活動(dòng)區(qū)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(fēng)溫度工況下的空氣溫度

總體來(lái)說(shuō)，通風(fēng)的溫度對(duì)通風(fēng)降溫的效果有較大影響。通風(fēng)溫度與洞室內(nèi)初始溫度差值越大，通風(fēng)降溫的效果越顯著。在實(shí)際工程中，可以通過(guò)在低溫季節(jié)施工或者在通風(fēng)口附近放置冰塊等措施來(lái)降低進(jìn)入隧洞內(nèi)的空氣的溫度。

2.2 不同通風(fēng)速度工況模擬結(jié)果與分析

不同通風(fēng)速度下，隧洞內(nèi)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律存在些許差異，這是由于建模時(shí)設(shè)定為通風(fēng)-抽風(fēng)相結(jié)合方式，當(dāng)通風(fēng)管的功率低于抽風(fēng)管時(shí)，隧道內(nèi)的空氣壓力低于隧洞外，隧洞外的氣體由洞口進(jìn)入洞內(nèi)。經(jīng)工作面回流向洞外的氣體與從洞口涌入的氣體在抽風(fēng)機(jī)所在斷面處相遇，形成類似斷面的溫度斷帶。因此，實(shí)際工程中采用通風(fēng)抽風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方案進(jìn)行降溫時(shí)應(yīng)注意兩者功率大小的問(wèn)題。不同通風(fēng)速度工況的溫度場(chǎng)的分布規(guī)律與不同通風(fēng)溫度工況下的溫度場(chǎng)分布規(guī)律相似。

表3 不同通風(fēng)風(fēng)速工況下的空氣溫度

如表3所示，不同通風(fēng)速度下工作面附近最高空氣溫度與通風(fēng)風(fēng)速的相關(guān)性并不明顯。隨著通風(fēng)速度的增加，工作面附近最高空氣溫度有降低趨勢(shì)，但幅度很小，而主要工作活動(dòng)區(qū)域的平均溫度隨著通風(fēng)速度的增加有一定程度的下降趨勢(shì)。主要工作活動(dòng)區(qū)域的平均溫度與隧洞內(nèi)初始溫度的差值隨著通風(fēng)速度的增加而增加。說(shuō)明通風(fēng)風(fēng)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(guī)律。四種通風(fēng)風(fēng)速工況下工作面附近區(qū)域的最高空氣溫度均滿足小于28℃的要求，但主要工作活動(dòng)區(qū)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(lái)說(shuō)，通風(fēng)的速度對(duì)通風(fēng)降溫的效果有一定的影響。風(fēng)速越大，空氣流通量越大，帶走的熱量越多，通風(fēng)降溫的效果越顯著。但在實(shí)際工程中，過(guò)大的風(fēng)速不僅會(huì)影響施工中的各項(xiàng)工作，而且會(huì)造成電力資源的過(guò)多浪費(fèi)。因此，在實(shí)際工程中，通風(fēng)風(fēng)機(jī)的功率并非越大越好，要結(jié)合實(shí)際情況考慮。

2.3 不同通風(fēng)口與工作面距離工況模擬結(jié)果與分析

在通風(fēng)口距離工作面不同長(zhǎng)度下，隧洞內(nèi)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律基本相似，且與不同溫度工況的溫度場(chǎng)分布規(guī)律相類似。通風(fēng)口距離工作面越遠(yuǎn)，在工作面附近產(chǎn)生的低溫區(qū)域范圍越大。

如表4所示，隨著通風(fēng)口距離工作面長(zhǎng)度的增加，工作面附近最高溫度和主要工作活動(dòng)區(qū)域的平均溫度均逐漸增加，而主要工作活動(dòng)區(qū)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(shuō)明通風(fēng)管管口距離工作面越近，通風(fēng)降溫效果越好。5m、10m、20m三種距離工況下工作面附近區(qū)域的最高空氣溫度均滿足小于28℃的要求，但主要工作活動(dòng)區(qū)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(qū)域的最高空氣溫度和主要工作活動(dòng)區(qū)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(lái)說(shuō)，通風(fēng)管口與工作面的距離長(zhǎng)短會(huì)對(duì)通風(fēng)降溫效果產(chǎn)生一定影響。通風(fēng)管口距離工作面越近，降溫效果越明顯。但在實(shí)際施工過(guò)程中，受到爆破和挖掘等工作的限制，通風(fēng)口的布置位置不能距離工作面過(guò)近。但在制定和選擇通風(fēng)降溫方案時(shí)，應(yīng)盡可能地將通風(fēng)管靠近工作面。

綜合分析對(duì)比不同工況下的溫度場(chǎng)和溫度數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)隧洞內(nèi)的空氣溫度經(jīng)過(guò)通風(fēng)后相比于初始高溫均有明顯降低，且通風(fēng)溫度的影響作用最明顯，最高降溫值可達(dá)24.4℃。

3 結(jié)論

應(yīng)用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的三維隧洞模型，對(duì)高地溫隧洞在不同通風(fēng)工況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過(guò)對(duì)比分析總結(jié)可得：

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

(2)當(dāng)通風(fēng)溫度越低、通風(fēng)風(fēng)速越大、通風(fēng)管距離工作面越近時(shí)，隧洞內(nèi)的空氣溫度環(huán)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(fēng)溫度為5 ℃和10 ℃的工況中，主要工作活動(dòng)范圍區(qū)域內(nèi)(距離工作面100 m范圍內(nèi))的平均空氣溫度值能夠滿足小于28 ℃的要求。

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