施工通风条件下高地温隧道温度场分布规律研究

黄克双

(中铁七局集团第四工程有限公司，湖北 武汉 430074)

地温超过30 ℃就是高地温隧道[1-2]，隧道内施工环境气温不得超过28 ℃，当原始岩温达到35 ℃，湿度达到80 %，隧道高地温问题已经非常严重，不仅影响人员健康和结构安全，甚至使施工无法进行。

高地温隧道施工降温主要采用2种措施:一是采取机械通风降温，改善隧道内施工环境；二是在掌子面附近喷水降温和冰块降温，确保现场人员和结构安全。

近年来，对高地温隧道的研究主要集中在地温预测、温度分布特征和降温技术等方面[3-10]，研究多以特定围岩温度进行，对不同温度、不同通风时间对温度场的影响研究很少。本文以某高地温隧道为背景，研究围岩初始温度(30～65 ℃)对隧道温度场影响的普遍规律，采用Fluent软件模拟隧道通风，分析隧道洞内和围岩温度场分布特征，研究隧道与围岩交界处的温度变化以及围岩温度场的变化范围，为高地温隧道施工通风设计提供参考。

1 分析模型建立

通风方式选择压入式通风，采用单线隧道断面，高度为8.1 m，面积为53.207 m2，隧道的通风距离为2 000 m，围岩取隧道开挖轮廓以外10 m范围；通风管采用圆形柔性材料，管径2 m，通风管出口至隧道掌子面距离为30 m，通风管悬挂于隧道右侧上部，便于使隧道内气流形成循环。

采用Fluent软件进行数值分析，计算模型采用Realizable k-ε湍流模型和流固耦合传热模型。通风管入口边界条件设为速度入口(Velocity_Inlet)，隧道洞口边界条件设为自然流出(Outflow)，隧道壁面边界条件设为墙(Wall)，建立的分析计算模型如1所示。各种材料的密度及热力学参数见表1。模型边界为不传热边界。

表1 材料物性参数[9]

图1 通风降温分析模型

隧道通风风温应根据隧道所处地区的气温确定。雅安最高月平均气温在25℃左右、十月至第二年三月平均气温在17 ℃以下，林芝与昌都最高月平均气温在17 ℃左右，因此研究中通风温度设定为17 ℃。

研究中通风速度取为15 m/s，通风时间为120 min，高地温隧道围岩初始温度分别选取30、40、50和65 ℃进行对比分析。

在隧道开挖前，山体整体基本上处于一种热平衡状态。隧道开挖时，围岩向隧道内散热，由于空气流动性差，热量聚集在隧道空间内，使得隧道内气温接近原始岩温，故假定隧道和围岩的初始温度均等于原始岩温，统称为围岩初始温度。将围岩原始温度等温线所包围的范围称为围岩调热圈，隧道中心线到围岩最外侧等温线距离称为围岩调热圈半径。

2 通风对隧道温度影响规律

图2为分析截面图。该截面为掌子面后2 m处截面，选取截面内5个监测点的平均值作为隧道内平均气温，点1和点2距隧道底5.55 m，点3和点4距隧道底1.55 m，点5距隧道底4.05 m；监测线是隧道中心线的垂线，距隧道底4.05 m，该条监测线上不同位置的温度反映隧道内、隧道与围岩交界处、围岩内温度的变化；隧道拱顶、拱脚和墙脚位置均如图2所示。

图2 分析截面(单位：m)

2.1 隧道内温度分布规律

图3为围岩初始温度为65 ℃的通风管中心线截面温度云图，表2为隧道通风120 min后掌子面后2 m截面温度及掌子面平均温度。

表2 不同初始岩温的隧道内温度 ℃

图3 围岩初始温度为65 ℃时隧道温度云图

在相同的通风条件下，围岩初始温度对隧道通风降温有明显影响，围岩初始温度越低，通风后的隧道内气温和壁面温度越低。在隧道轴向方向上，从掌子面到洞口隧道内气温逐渐增高，因为从通风管出口射出的气流是隧道内温度最低的空气，回流风温度随着气流向洞口流动的同时，气温逐渐升高，越接近洞口的气流温度越趋于隧道内原始气温。在隧道径向上，离通风管越远气温越高，壁面附近气温最高。

由表2中数据发现，隧道右侧温度略低左侧，这是由于通风管位于隧道右侧，风流从风管射出后，射流区的风速高于其他地方的风速，温度场受到了速度场的影响，造成掌子面附近右侧温度略低左侧。这种温度的差异受初始岩温的影响，当初始岩温越低，右侧和左侧的温差越小。初始岩温为30 ℃时，相差约为1 ℃左右；温度场为65 ℃时，相差约为2～4 ℃。

图4为通风管出口至掌子面之间隧道内及隧道壁面温度随距通风管出口距离变化曲线图。

从图4(a)可以看出，围岩初始温度不同，从通风管出口至掌子面之间隧道内温度值变化规律基本一致。在通风管出口至掌子面后2 m处之间，隧道内平均气温基本不变，掌子面后2 m处至掌子面气温升高。从图4(b)可以看出，拱顶壁面温度变化趋势起伏较大，拱顶温度随着距通风管出口距离增加而上升，在距通风管出口10 m处拱顶温度下降，掌子面后5 m至掌子面后2 m之间拱顶温度上升，掌子面后2 m到掌子面之间拱顶温度下降，主要是风管设置高度影响。从图4(c)和图4(d)可以看出，右拱脚和右墙脚壁面温度随着距通风管出口距离的增加而降低，距通风管出口15 m处至掌子面后2 m温度基本不变，掌子面后2 m至掌子面之间温度略有升高。

图4 隧道内平均气温和壁面温度随距通风管出口距离变化曲线

图5为隧道内温度随通风时间的变化曲线图，在120 min的通风时间内，分析掌子面后2 m处隧道内平均气温，拱顶、右拱脚、右墙脚壁面温度(三者变化趋势一致，以拱顶为代表)以及掌子面平均温度的变化。

从图5可以看出，不同围岩初始温度条件下的隧道内气温和壁面温度随通风时间变化规律基本相同。在不同的围岩初始温度环境中，在相同风温、风速下，隧道内气温和壁面温度随着通风时间的增加呈双曲线形衰减，降温速率随着通风时间的增加逐渐减小。前30 min内是快速降温阶段，围岩初始温度越高，降温量越大。30 min后隧道内温度几乎不再变化，拱脚和墙脚壁面温度以及掌子面平均温度随通风时间的增加而缓慢降低，并且降温速率随时间增加而逐渐减小。拱顶壁面温度在20 min内随着时间的增加而降低，30 min后温度略有升高。由于温度变化引起的密度变化，冷空气密度大于热空气密度，冷空气下沉，热空气上升并且聚集，拱顶温度升高。通风120 min时，隧道内最大降温量约为37.43 ℃，降温幅度达到57.58%，此时隧道内平均温度约为27.57 ℃。所以通风时间在2 h以内，可以将隧道掌子面温度降低到28 ℃以下，能满足施工要求，初始岩温低于65 ℃时可以采用施工通风降温措施。

图5 隧道内平均气温和壁面温度随通风时间变化曲线

2.2 隧道壁面与围岩内温度分布规律

高地温隧道通风2 h后，隧道内气温明显低于围岩温度，在壁面交界处形成温差，且温度变化集中在此处。由于围岩初始温度的不同，隧道通风后的温度存在差异。围岩初始温度为30 ℃时，通风2 h后隧道内温度约为20.67 ℃；围岩初始温度为65 ℃时，通风2 h后隧道内温度约为27.55 ℃，说明围岩初始温度越高降温难度越大，需要通风时间越长。相同的通风条件下，围岩初始温度与通风温度的温差越大，降温能力越强，降温效果越明显。

图6为隧道和围岩径向上不同位置温度变化曲线，可以反映出隧道和围岩径向的温度变化分布。

图6 隧道径向上温度变化

从图6中可以看出，曲线主要分为三段：高温段是围岩调热圈范围以外及以内温度较高的区域，温度接近于围岩初始温度；变温段在隧道壁面内外，主要由于通风引起隧道内与围岩之间产生温差而使温度发生明显变化；低温段是通风后隧道内温度较低的段落；高温段与变温段相交处存在拐点1，变温段与低温段相交处存在拐点2。拐点1距隧道中心线约4.60 m，拐点2距隧道中心线约3.14 m，急剧变温度段约为1.46 m。调热圈半径约为5.35 m，围岩内的温度变化深度约为1.60 m。之所以拐点1到隧道中心的距离不是调热圈半径，是因为在壁面附近温差大，温度梯度大，而在接近调热圈半径的地方温差小，温度梯度小，趋于围岩温度。虽然围岩初始温度不同，但调热圈半径几乎都在5.35 m附近，表明围岩初始温度对围岩调热圈半径影响不大。

2.3 隧道内温度与初始岩温关系

图7为通风2 h时掌子面后2 m截面隧道内温度与初始岩温关系曲线。

图7 隧道内温度与初始岩温关系

从图7可以看出，通风2 h后隧道内温度与围岩初始温度基本呈线性变化。围岩初始温度对隧道内温度和围岩温度的影响不同，围岩初始温度越高，隧道内温度与隧道壁面温度的温差越大，围岩初始温度为65 ℃时，隧道内温度与隧道壁面温度的温差约为21.01 ℃，30 ℃时温差约为5.22 ℃。通过数据拟合发现隧道内平均温度和壁面温度与围岩初始温度存在线性关系，关系式分别为式(1)和式(2)。

通风2 h后隧道平均温度：

Tt=0.197 5t+14.749

(1)

式中:t为围岩初始温度，30 ℃≤t≤ 65 ℃。

通风2 h后壁面平均温度：

Tb=0.648 1t+6.451 6

(2)

3 结论

采用Fluent数值分析方法，研究了施工通风条件下隧道围岩初始温度对隧道内温度及围岩温度的影响规律，得出了以下主要研究结论：

(1)当通风温度与围岩初始温度的温差越大，通风降温效果越明显。通风时间在2 h以内，可以将隧道掌子面温度降低到28 ℃以下，能满足施工要求，初始岩温低于65 ℃时可以采用施工通风降温措施。

(2)在不同围岩初始温度下，横纵断面上的降温趋势基本一致，隧道内平均温度随通风时间增加而呈双曲线形衰减，围岩调热圈半径几乎相同，调热圈半径为5.35 m，围岩内的温度变化深度约为1.60 m。

(3)隧道内平均气温和壁面平均温度与围岩初始温度呈线性关系。

(4)下一步研究温度场与通风速度关系、考虑支护结构的隧道温度场变化规律，并通过现场监测结果进行验证。