高地温隧道超长独头施工降温及热环境特征研究_乔红彦.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023高地温隧道超长独头施工降温及热环境特征研究乔红彦(中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400037)摘要:为解决高地温隧道超长掘进工作面降温困难等问题，以成昆铁路德昌隧道为依托，基于理论分析与现场监测研究了高温特长隧道的热害主要成因及通风降温、冰块制冷和机械制冷的现场降温效果。通过 COMSOL Multiphysics 软件对比研究了通风降温和综合降温(机械通风+冰块+机械制冷)两种方式下掌子面 100 m 内环境温度场分布规律。结果表明:(1)独头施工通风距离 46 km 时风管出口风温约 32，只设置机械通风其掌子面环境温度约 38，辅以冰块和机械制冷后基本满足掌子面施工要求;(2)掌子面平均温度随通风时间增加呈负指数趋势降低，且与风管出口风温线性相关;相较于采用综合降温方式，纯通风降温时掌子面平均温度要高 3 4，掌子面温度所需稳定时间要少 3050 min;(3)风管以上隧道环境温度整体高于风管以下;从掌子面到洞口方向，隧道上部温度呈现增 减 增的发展趋势，在距掌子面 15 m 左右出现温度高峰值;对于隧道下部温度场，通风降温与综合降温有较大差异，通风降温呈现骤降 缓降 微升趋势，综合降温呈现激增 缓升趋势。本文研究成果可为类似高地温隧道施工提供指导。关键词:特长隧道;高地温;施工通风;综合降温中图分类号:U455文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0632-08esearch on Cooling and Thermal Environment of SuperLong SingleHeadedTunnel Construction with High Ground TemperatureQiao Hongyan(The 11th Bureau Group，the 5th Engineering Co Ltd of China ailway，Chongqing 400037，PChina)Abstract:In order to solve the problem of difficulty in cooling the super-long working face of high-temperature tunnels，based on the Dechang Tunnel of Chengdu-Kunming ailway，the main causes of heat damagein high-temperature extra-long tunnels and the on-site cooling effects of ventilation cooling，ice cooling andmechanical cooling were discussed by the oretical analysis and on-site monitoring The COMSOL Multiphysics softwarewas used to compare the distribution law of the ambient temperature field within 100 m of the face under two methodsof ventilation cooling and comprehensive cooling(mechanical ventilation+ice cube+mechanical cooling)Theresearch results show that:(1)When the ventilation distance of single-head construction is 4 6 km，the airtemperature at the outlet of the air duct is about 32;when only mechanical ventilation is provided，theambient temperature of the tunnel face is about 38，supplemented by ice cubes and mechanical refrigeration，which basically meets the construction requirements of the face(2)The average temperature of the tunnelface decreases with the increase of ventilation time in a negative exponential trend，and it is linearly related to theair temperature at the outlet of the air duct;compared with the comprehensive cooling method，the averagetemperature of the tunnel face is 3 4 higher，and the stabilization time of the face temperature is 30 50 minutes less when the temperature is cooled by pure mechanical ventilation(3)The ambient temperature收稿日期:2022-11-08(修改稿)作者简介:乔红彦(1979)，男，陕西佳县人，高级工程师，主要从事隧道工程、地下工程等领域的施工工作。E-mail:36420737 qqcom基金项目:国家自然科学基金(52104076)of the tunnel above the air duct is generally higher than that below the air duct;from the tunnel face to the tunnelopening，thetemperatureoftheupperpartofthetunnelpresentsanincreasing-decreasing-increasingdevelopment trend，and a high temperature peak occurs at about 15 m from the tunnel face;in terms of thetemperature of the lower part of the tunnel section，there is a big difference between ventilation cooling andcomprehensive coolingThat is，the ventilation and cooling show a sudden decrease-slow decrease-slightincrease trend，and the comprehensive cooling shows a surge-slow increase trend The research results canprovide guidance for the construction of similar high-temperature tunnelsKeywords:extra-long tunnel;high ground temperature;construction ventilation;comprehensive cooling0引言随着隧道工程向超深、超长方向发展，高温施工环境热害已成为隧道建设中需要考虑的重要问题之一1。高温环境会给施工人员带来极大危害，包括工作效率降低、环境热病危险性增高、甚至烫伤或死亡2。当前长距离施工通风效果受风管和风机的限制，降温效果大打折扣，故有必要研究特长隧道长距离独头施工通风时机械通风、冰块、机械制冷等降温措施的隧道温控效果，以及不同降温工况下的隧道施工环境温度场分布规律。目前，对于隧道的温度场分布和隧道降温已有诸多学者开展了相关研究并取得一定成果。在隧道温度场研究方面，张源3 通过相似试验与数值模拟相结合，研究了阻热圈对隧道围岩温度场时空演化规律的影响;Zhou 等4 以四川孜拉山隧道为例研究了列车活塞风对高地温寒区隧道温度场的影响及防冻系统;王长彬5 采用模拟巷道通风系统与数据采集系统相结合的方式分析了不同巷道围岩温度和不同入风风量对巷道出口温度的影响。在隧道降温措施方面，Zeng 等6 通过模型试验和数值模拟研究了通风频率和通风速度对隧道温度场的影响;李茹7 对比通风降温各项指标发现降低风温对隧道热环境改善最明显;朱宇等8 对比分析了冰块用量和冰块布置位置的降温效果;何青青9 利用 CFD 数值模拟证明了喷雾降温可以有效降低隧道壁面温度;王志杰等10 构建了不同围岩温度条件下通风、冰块、喷雾的降温方式选择和组合。总体而言，当前针对特长高地温隧道长距离通风的施工环境温度场分布规律、长距离施工通风与冰块及机械制冷等辅助降温共同作用机制和效果的研究均较少。高地温特长隧道长距离独头压入式通风时，风管风损大，风管内风流温度沿程不断升高，风管出口风量小、风温高，导致通风降温效果不佳。鉴于此，本文依托成昆铁路的德昌隧道，探讨长距离高地温隧道不同机械通风方案降温效果，并通过有限元数值模拟研究不同降温方式下掌子面 100 m 范围内环境温度场分布规律，为特长隧道高温热害防治提供依据。1工程概况成昆铁路德昌隧道位于四川省凉山州德昌县境内，线路所在地属亚热带 北温带的多种气候类型，具有夏季长、四季不明显、昼夜温差大、气候干燥、小气候复杂多样等特点，当地年平均气温高达209，是四川省内年平均气温和总热量最高的地区。同时，参考地质资料10，隧道线路所属地区地温梯度约 25 /km，即按地层埋深计算(式(1)时埋深超过 400 m 岩层温度则大于 30。Td=T0+G(H h)(1)式中:Td为地层埋深处的原岩温度，;T0为恒温带处岩层温度，可近似为当地的年平均温度，;G为地温梯度，/km;H 为埋深，m;h 为恒温带深度，取 30 m2。隧道起讫里程为 DK494+575D2K508+858，设计长度为 14 280 m，最大埋深达 1 030 m，设置 2座斜井进行分头掘进，隧址区纵断面如图 1 所示。隧道洞口为昔格达软岩地层，隧道进口段穿越花马河断层，2#斜井小里程穿越马家湾断层，其余洞身围岩以弱风化花岗岩为主。自 2019 年 5 月开始德昌隧道 2#斜井所承担的施工工区出现严重热害问题，主要表现为高岩温(约 45)，隧道围岩以花岗岩为主，其热物理参数 随 温 度 变 化 较 小，可 视 为 常 数，按 密 度2 550 kg/m3、恒压比热容 792 J/(kg)、导热系数 2785 W/(m)计算11。同时，隧道内施工作业面最高温度达 43，平均温度 38，且随隧3362023 年第 2 期乔红彦:高地温隧道超长独头施工降温及热环境特征研究道掘进与埋深的增加，隧道岩温保持上升趋势。隧道热害区段独头施工通风如图 1 所示，2#斜井为无轨双车道，斜井长 1 887 m，坡度 5%，新增平导为双车道，长 1 200 m，平导小里程正洞施工掌子面距2#斜井入口 4 600 m，后续分析以该高温热害重点区段为主要研究对象。由图 1 可知通风管布置长达 46 km，且有 3 处大角度转折，使得风量损失大，导致通风降温效果不佳。此外，按隧道埋深与地温梯度计算，隧道高岩温段约 3 km，风管内风流温升大，影响