高地温尼格隧道综合降温体系研究

王志杰， 姜逸帆， *， 林 铭， 邓宇航， 刘新星， 魏子棋， 周 平

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 中国水利水电第五工程局有限公司， 四川 成都 610061)

0 引言

我国西南地区丰富的地热资源使得西南地区的隧道建设出现了大量的高地温现象[1-2]。高地温隧道带来的隧道衬砌结构劣化、施工器械寿命降低、施工人员舒适度降低等问题[3-4]，严重影响了隧道的正常施工。因此，研究合适的降温措施已经成为了高地温隧道研究的热点问题。

目前常用的降温方式有通风降温、隔热层阻隔热源、人工制冷等方法[5]，不同学者对单一的降温措施展开了相应研究。对于通风降温，Zeng等[6]采用数值模拟以及比例模型试验验证了通风降温的有效性。李茹[7]研究通风降温各指标的影响，得出降低风温对隧道温度的改善最明显。对于隔热层阻隔热源的研究，Kang等[8]通过数值模拟开展了隔热层使用性能的研究。蒋爽等[9]指出通风条件是除了厚度和导热系数外影响隔热层效果的关键因素。对于人工制冷的研究，何青青[10]利用流体计算软件Fluent证明了喷雾降温可以有效地降低隧道壁面温度。朱宇等[11]通过软件模拟证明了冰块降温的有效性，结合冰块降温与通风措施可以起到良好的降温效果。

虽然已有了大量针对单一降温措施的研究，但是采用多种措施组合的方式才能实现效果的最大化。对于综合降温技术的研究，严健等[12]提出了以通风为主，结合喷洒冷水、设置冰墙等综合立体降温技术，并研究了各项措施的降温效果。朱宇等[13]以45 ℃为界线，45 ℃以下采用通风措施，45 ℃以上还需增加隔热、冰块制冷、洒水喷雾、局部制冷等措施。李建高等[14]针对不同温度，提出了不同的通风、冰块降温、注浆堵水、机械制冷组合降温方式。为实现科学有效的降温，对于多种降温措施在不同温度环境下的组合使用研究是目前高地温隧道降温技术的研究趋势，而目前相关的研究较少。

本文依托红河州建水—元阳高速公路的尼格隧道，利用流体计算软件Fluent以及理论公式计算，针对不同隧道施工温度下，对现场采用的不同降温措施的运用方式进行探讨，形成一套不同温度下的高地温隧道综合降温技术。

1 工程概况

1.1 隧道概况

尼格隧道进口位于红河州个旧市贾沙乡克勒村附近山体中部，设计桩号左线起点LZ5K44+300，洞底设计标高1 026.8 m，终点桩号LZ5K47+666，洞底设计标高958.9 m，全长3 366 m； 右线起点LK44+315，洞底设计标高1 026.8 m，终点桩号LK47+666，洞底设计标高959.2 m，全长3 351 m。建筑净空(宽×高)12.75 m×8.0 m，隧道纵坡-2.000%(单向坡)。最大埋深639 m，属深埋特长隧道。

隧道主要穿越燕山期花岗岩(γ53(a))、三叠系中统个旧组上段(T2g2)灰岩、灰质白云岩。距隧道进口75 m处存在断层F8，与线路交角51°，走向N20°～30°E，倾向SE65°～75°，破碎带充填构造角砾岩夹断层泥，宽0.2～0.5 m。

尼格隧道进口自2019年3月21日开始出现高岩温，通过对已揭示的高温段温度监测可知，洞内最高岩温为75 ℃，空气温度达40 ℃。在此之前，隧道内高温主要表现为高水温，最高水温 63.4 ℃。尼格隧道进口高岩温随隧道掘进长度及埋深增大保持上升趋势。尼格隧道出口自2018年11月23日开始出现高岩温，通过对已揭示的高温段温度监测可知，洞内最高岩温为85 ℃，空气温度为51 ℃，随着隧道掘进及埋深的增大，隧道岩温一直保持上升趋势。

通过对高温情况的调查，总结出隧道穿越灰岩段主要表现为高水温，最大涌水量9～12 L/s，最高水温63.4 ℃，最高气温达41 ℃，花岗岩段主要表现为高岩温，最高温度达88.8 ℃，最高气温达56.4 ℃，隧道干燥无出水，围岩坚硬程度及完整程度均较好。通过对尼格隧道所在区域周边的尼格温泉、老虎滩温泉、丫沙底温泉进行温度监测，将这3处温泉定性为高温温泉，如图1所示。尼格隧道的热源补给充沛。

图1 尼格隧道区域示意图

1.2 高温隧道洞内温度概况

1.2.1 环向温度监测

采用WST数字温度计对里程LK45+930处的断面进行隧道环向温度监测，主要包括拱顶、拱肩和边墙3个位置。同时还监测了隧道内风速的情况，监测自2020年5月23日开始，每天监测1次，至2020年6月13日结束。LK45+930断面环向不同位置的温度如图2所示。

图2 隧道环向不同位置的温度对比曲线图

由图2可以得出，受到洞内爆破以及施工机械的影响，隧道断面环向温度呈现上下波动的规律，并整体呈现上升趋势；隧道断面拱顶附近温度最高，其次是拱肩附近的温度较高，边墙附近温度最低；在温度变化幅度方面，拱顶附近温度变化幅度最大，其次是拱肩附近，边墙附近温度变化幅度最小。

1.2.2 径向温度监测

对LK45+930断面隧道径向温度监测包括距洞壁1 m、2 m、3 m、4 m和5 m 5个位置，监测自2020年5月25日开始，每天监测1次，至2020年6月13日结束。LK45+930断面径向不同位置处的温度如图3所示。

图3 隧道径向不同位置处温度随时间的变化曲线

由图3可以得出，隧道LK45+930断面径向不同位置处的温度变化趋势基本一致，具体表现为温度先下降，在隔热层铺设后上升的趋势(隔热层为厚度5 cm的硬质聚氨酯)，整体曲线呈“U”形； 随着径向距洞壁距离的增加，围岩温度逐渐增加；在温度变化幅度方面，随着径向距洞壁距离的增加，围岩受洞内通风等外因的影响越小，温度变化幅度越减小，由径向距洞壁距离为1 m时的17 ℃到距洞壁距离为5 m时6 ℃的温度变化幅度。

通过环境温度监测，尼格隧道洞内环境温度最高可达52 ℃，因此必须采取相应的降温措施降低洞内温度。

1.3 高温隧道降温措施概况

为解决尼格隧道的高地温环境，具体实施如下降温措施。

1)通风降温措施。在尼格隧道各洞口外，距洞口20～30 m处各安装1台2×110 kW轴流风机和2×160 kW轴流风机，分别通过φ1.5 m双抗软风管(阻燃、抗静电)和φ1.8 m双抗软风管(阻燃、抗静电)将新鲜空气送至洞内。

2)冰块降温。在尼格隧道出口建立1座 20 t制冰站，如图3所示。制冰站每日制冰 20 t， 额定功率 75 kW。为了降温，将制做的冰块在人员集中作业的工作面使用。结合隧道施工的 24 h工作制度，该制冰站需 24 h作业，保证洞内正常作业。

3)雾炮车降温。雾炮车降温是通过雾化处理的水对小范围内的环境温度进行降温。雾炮车同时可以降低隧道施工过程中粉尘的质量分数，提高工作环境的湿度，从而提高隧道内工人的工作舒适度。对改善隧道施工环境有较大的好处。尼格隧道在二次衬砌台车至掌子面每隔15～20 m布置1台雾炮机，用于雾炮喷淋除尘降温，各降温措施见图4。

(a) 通风降温

(b) 喷雾降温

(c) 冰块降温

虽采用上述方案对尼格隧道进行降温，但存在措施适用区间不明，降温效果不佳等问题。故针对不同围岩温度下的降温措施适用性展开研究。

2 基于能量平衡的降温措施设计

2.1 计算原理

高地温隧道内的主要热量来源为围岩的热量输入，部分来源于施工机械产热及施工人员作业产热等，要使得洞内温度达到规范规定的温度，要采取一定的降温措施，如通风降温、喷雾洒水及冰块降温等。根据《公路隧道施工技术规范》，隧道内温度不得高于28 ℃，故偏于保守地假设一系列降温措施能使得洞内整体温度降低至28 ℃，即规范规定的洞内最高温度。基于能量平衡原则，使产生热量等于降温措施的吸收热量，即至少需要满足：

(1)

2.2 散热量计算

2.2.1 轴向洞周岩壁散热量Q1

轴向洞周岩壁散热量Q1是主要的热量来源，主要是通过对流换热将这部分热量传给洞内空气，其计算如下[15]：

Q1=KTUL(Tw-Tf) 。

(2)

式中：KT为对流换热系数，kW/(m2·℃)；U为周长，取值40.8 m；L为需要降温的开挖段长度，取值30 m；Tw为需降温的开挖段内围岩的平均温度；Tf为热流交换后的洞内净空温度，为满足施工要求取28 ℃。

(3)

式中λ为岩石导热系数，取0.002 3 kW/(m·℃)。

(4)

(5)

式(4)—(5)中：A为隧道断面开挖面积，取值127.3 m2；λ为岩石导热系数，取0.002 3 kW/(m·℃)；a为导温系数，取0.004 428 m2/h；t为通风时间，h。

2.2.2 掌子面散热量Q2

掌子面散热量Q2计算过程与轴向洞周岩壁散热量Q1类似，即：

Q2=KTA(Tw-Tf) 。

(6)

2.2.3 机械散热量Q3

在高温情况下机械的工作效率会受到严重影响，发动机效率e仅为40%。工程机械燃油转化为有效机械能之外的剩余能量是机械主要的散热量，该部分热量按下式计算[16]：

(7)

式中： 1-e为机械的散热系数；n为机械设备的数量；Ni为机械设备的额定功率，/(r/min)；Ki为各种柴油设备实际运转时间与累积作业时间的比例。

2.2.4 人员散热Q4

隧道施工人员释放的热量与其工作强度有关，取掌子面附近人员释热量qh=0.47 kW/人。洞口严格执行进出洞等级手续，确保洞内作业人数不超过29人。故人员散热为[12]：

Q4=Nqh。

(8)

2.3 吸热量

尼格隧道采用1台2×110 kW风机和1台2×160 kW风机进行通风，通风量分别为1 412 m3/min，1 570 m3/min，其所能吸收的热量为：

Q1′=cpm(V1+V2)(Tf-Tf0) 。

(9)

式中：Tf0为热交换前隧道内风流初始温度，取25 ℃；V1为2×110 kW风机风量；V2为2×160 kW风机风量；cpm为空气比热容。

2.3.2 洒水喷雾吸热量Q2′

洒水喷雾降温是高地温隧道降温的常用措施，该方法最大的优点是能够兼顾降温和降尘，对改善隧道施工环境有较大的好处。采用每4 h进行1次洒水喷雾降温[12]。

(10)

(11)

(12)

式(10)—(12)中：q2′为单周期内的热量，kW；tc为洒水喷雾的周期；γ为水蒸气的汽化潜热，取2 500 kJ/kg；W为水分蒸发量；KT1为考虑壁面粗糙度的对流换热系数；Ts为风流的平均湿球温度；p为湿空气压力，取3 600 Pa；p0为标准大气压力，取101.325 kPa；εm为避免粗糙度系数，取3.1；vh为平均风速，根据实际通风量进行换算取值。

2.3.3 冰块吸热量Q3′

已知1 kg冰融化成0 ℃的冰水需要336 kJ热量，即q=336 kJ/kg。且水的比热容cw=4.2 kJ/(kg·℃)，融化后的每千克水温度升高1 ℃需要吸收热量为4.2 kJ。因此冰块吸热的计算式为：

(13)

式中m为冰块质量，kg。

2.4 降温措施分区

通过式(1)—(13)计算散热量与吸热量的差值，计算公式如下式所示：

ΔQ=Q1+Q2+Q3+Q4-(Q1′+Q2′+Q3′) 。

(14)

计算不同围岩温度下散热量与吸热量的差值ΔQ，如图5所示。

图5 不同围岩温度下散热量与吸热量的差值ΔQ

根据图5，总结出高地温隧道各温度条件下具体降温措施，如表1所示。

表1 综合降温措施选用表

3 基于CFD计算的综合降温技术研究

采用流体计算软件Fluent对单通风管道、双通风管道、喷雾降温以及冰块降温这4种降温措施的降温效果进行计算分析，进一步探究各措施的降温效果。

3.1 模型建立

根据尼格隧道实际断面尺寸进行建模，考虑围岩对空气的热量交换，以及隧道施工主要集中在掌子面处，出于简化计算考虑，模型取至掌子面100 m范围。分别建立单、双管道模型、双管道加冰块模型以及双管道加喷雾模型。4个模型的尺寸为长120 m，宽60 m，高60 m，并且设置掌子面距离模型出口处均为100 m。其中，单通风管模型的通风管道尺寸为1.5 m，双通风管模型的通风管道尺寸为1.5 m和1.8 m，通风管理距掌子面均采用30 m。冰块模拟为放置在隧道两侧的10 t冰块，放置位置距离掌子面10 m，冰块降温采用Fluent中的凝固融化模型(solidification & melting)来求解冰块的凝固和融化问题[11]。创建喷雾出口进行喷雾模拟，距离掌子面20 m。CFD各计算模型如图6所示。由于理论计算中围岩散热为主要热源，因此在数值模拟中为简化计算，仅考虑围岩热源作为温度来源。

(a) 单管道模型 (b) 双管道模型

(c) 双管道加冰块模型 (d) 双管道加喷雾模型

3.2 边界条件

将隧道通风口设置为速度入口，通风管道的风速分别按实际的通风管道风量1 412 m3/min和1 570 m3/min设置，空气温度取25 ℃，出口采用自由出流边界，空气与围岩壁面设置为无滑移固体壁面，流体模型采用数学模型为k-epsilon 二方程湍流模型，模型外边界采用温度边界。

3.3 模拟结果

以围岩温度90 ℃为例，分别取通风时间为10 min、20 min和30 min的纵向温度云图，不同降温措施的温度云图如图7所示。

由于隧道掌子面前方30 m区域内为主要施工作业区域，记录通风降温过程中的掌子面前方30 m区域的平均空气温度变化曲线，从而对比不同围岩温度下的隧道空气温度降温效果，不同降温措施的降温时程曲线如图8所示。

由图7可以看出，通风降温是将低温空气送入掌子面，并将高温空气挤压排出隧道； 同时对洞壁进行对流散热，从而降低隧道的温度。 喷雾降温则降低了小范围的温度，加快了局部区域的温降。冰块通过吸收洞内空气的能量，可以在短时间内降低冰块周围大范围的温度。由于低温空气密度大，大量的低温空气聚集在隧道下方，可为作业人员带来舒适的作业环境。

(a) 单通风管道通风10 min (b) 单通风管道通风20 min (c)单通风管道通风30 min

(d) 双通风管道通风10 min (e) 双通风管道通风20 min (f) 双通风管道通风30 min

(g) 双通风管道+喷雾10 min (h) 双通风管道+喷雾20 min (i) 双通风管道+喷雾30 min

(j) 双通风管道+冰块10 min (k) 双通风管道+冰块20 min (l) 双通风管道+冰块30 min

(a) 单通风管道降温 (b)双通风管道降温

(c) 双通风管道+喷雾降温 (d) 双通风管道+冰块降温

通过对降温曲线的分析可知，围岩温度越低，掌子面前方30 m处的空气温度从开始降温到温度稳定所需时间越短。以单通风管道为例，围岩温度为100 ℃时温降需要11 min，而围岩温度为30 ℃时温降只需要6 min。增加降温措施也可以缩短掌子面前方温度降低的时间。以围岩温度100 ℃为例，在温度达到稳定前，单通风管道降温速率为7.58 ℃/min，双通风管道降温速率为10.44 ℃/min，双通风管道+喷雾降温速率为10.77 ℃/min，双通风管道+冰块降温速率为11.65 ℃/min。因此，增大通风量可以显著提高降温速率。

取不同降温措施下掌子面前方30 m范围内降温30 min后的平均空气温度，如图9所示。

由图9可以看出，数值模拟与理论计算提出的降温组合具有较好的一致性，各组合工况满足了所应用温度区间的降温要求。从降温效果上对比，增大通风量可以提升8 ℃的降温能力，在此基础上配合喷雾降温也可提高8 ℃的降温能力，配合10 t冰块则可对100 ℃围岩温度下的洞内空气温度实现有效降温。这3种方式的降温效果从大到小依次为： 冰块降温、增大通风量、喷雾降温。增大通风量的方式随着围岩温度的增大，降温效果越明显。喷雾降温作为一种局部的降温措施，对整体空气的温度作用效果有限。冰块降温作为一种最有效的降温方式，适用于高围岩温度情况。

图9 不同围岩温度下的掌子面空气温度曲线

4 高地温隧道综合降温体系

4.1 综合降温体系构建

据高地温隧道的特点，制定出以综合监测、热源阻隔、洞内降温为主体的降温体系。即结合“预、防、治”三位一体的降温体系，如图10所示。

图10 高地温隧道综合降温体系

1)预——超前预报与温度监测。采用无线分布式三维成像超前预报技术(AGI-T3)(见图11)和超前水平钻探技术(见图12)对隧道掌子面前方的围岩以及富水情况进行预报，并提前检测前方的围岩温度。对于已开挖段落，实时监测洞内环境温度，对已设定的降温措施进行反馈调整。

图11 无线分布式三维成像超前预报

图12 超前水平钻探测温

2)防——热源阻隔。采用通过对初期支护段及时进行隔热层敷设实现了阻隔热源对隧道环境的直接作用，使热量集中在掌子面区域产出。通过注浆封堵实现了对掌子面区域热水渗出的控制，解决了高温水对施工环境的劣化影响。

3)治——热源阻隔。通过对围岩温度的测试，利用不同温度分区的降温措施的研究成果，对隧道掌子面区域进行集中的降温处理。通过理论公式，对隧道不同断面下不同降温措施适用的温度区间进行计算(见图13)。通过对不同温度制定降温措施，可以实现对热源集中处的有效降温。

图13 不同隧道断面综合降温措施选用图

4.2 现场应用情况

为验证隔热层对温度传递的阻隔作用，对隔热层内外温度进行现场温度监测，结果如图14所示，施作完隔热层后，降温差达9.9～14.1 ℃，降温率达20%，证明了“防”的有效性。

1)外侧表示向围岩侧，里侧表示向隧道洞身侧； 2)起始时间2020-08-20，截止时间2020-09-06。

通过对掌子面围岩温度的监测，围岩温度为47 ℃，采用双通风加喷雾降温的方案。采用增加喷雾的降温方案后，壁面处温度由40.8 ℃降为34.8 ℃(见图15)，降温幅度达到6℃，与数值计算的温降量相近。证明该降温措施能达到理论的降温幅度。

(a) (b)

通过“预、防、治”三位一体的降温体系，可以主动预防、提前揭示高地温概况，利用阻隔措施控制热源产生，减少热量输入，再根据洞内温度采用不同的降温措施，实现降温体系效能最大化。

5 结论与讨论

以红河州建水至元阳高速公路的尼格隧道为依托，通过能量平衡公式以及CFD软件对高地温隧道的降温措施进行研究，从而设计出高地温隧道分级降温措施，主要结论如下：

1) 通过对比不同降温措施的降温速率，增大通风量(由1 412 m3/min增至2 982 m3/min)可提升降温速率2.86 ℃/min，喷雾可提升降温速率0.33 ℃/min，冰块可提升降温速率1.21 ℃/min(以岩温100 ℃为例)。可见通风降温可以加快洞内温度置换速度，大大提升洞内温度降低速率。因此对于高地温隧道，增大通风量是必要措施。

2) 通过比较降温效果，增大通风量(由1 412 m3/min增至2 982 m3/min)可以提升8 ℃的降温能力，在此基础上配合喷雾降温也可提高8 ℃的降温能力，配合10 t冰块可对100 ℃围岩温度下的洞内空气温度实现有效降温。这3种方式的降温效果从大至小为： 冰块降温>增大通风量>喷雾降温。

3) 通风降温、冰块降温以及喷雾降温的作用效果各异。通风降温可以实现洞内空气的置换流通，宜作基础降温措施； 冰块降温通过融化吸热可实现大规模的温降，实际效果与冰块体积相关，可用在热害等级较高的隧道； 喷雾降温在实现降温功能的同时兼顾除尘和加湿，可用作掌子面辅助降温措施实现对隧道的局部降温。

4) 通过能量平衡公式计算与CFD软件计算得到的结果具有较好的一致性。提出围岩温度T<32 ℃时采用单通风管道(通风量1 412 m3/min)，围岩温度T在32 ℃≤T≤40 ℃时采用双通风管道(通风量2 982 m3/min)，围岩温度T在40 ℃48 ℃增设冰块降温。结合热害发生机制以及计算研究结果，提出了“预，防，治”三位一体的降温体系，实现了主动降温与被动降温相结合，将降温效能最大化。

5) 该体系着重保证对局部区域温度的有效控制，若实现隧道全空间的有效降温必定带来巨大的能源消耗，因此使用时需要选择重点降温区域进行局部降温。