基于高地温隧道热流耦合温度场的数值模拟研究

马超豪，梁 艳,汪 涛，董丽娜

(1. 河北交规院瑞志交通技术咨询有限公司 石家庄市 050000； 2. 河北省公路安全感知与监测重点实验室 石家庄市 050000; 3. 河北交通职业技术学院 石家庄市 050091； 4. 河北省交通规划设计院 石家庄市 050000；5. 河北省道路结构与材料工程技术研究中心 石家庄市 050000)

0 引言

我们国家在开发西部的进程中，受到复杂多变的地理和地质条件因素影响，隧道工程建设过程中会面临高地温问题。我国的《铁路隧道设计规范》中规定隧道内温度不得高于28℃[1]。《煤矿安全规程》规定矿井采掘工作面的空气温度超过30℃时必须停止作业[2]。在此高温环境中长时间进行工程建设，不仅会对施工人员的身体健康造成较大威胁，也会对机械设备的正常使用造成阻碍。因此，采取有效降温措施减小高地温问题带来的高温环境影响十分必要。

国内外众多学者对隧道通风温度场问题开展了大量的研究。曹正卯[3]对长大隧道与复杂地下工程施工通风特性进行相关研究，范磊[4]对高地温深埋特长隧道热害问题进行了施工热害控制研究，并通过建立三维非稳态传热模型，模拟研究了隧道运营环境温度场，王卓等[5]通过理论计算对隧道施工热环境通风降温问题进行研究，解彬等[6]采用压入式通风方式对掘进工作面温度场进行研究。结合目前实际工程情况，为降低高温环境问题对施工过程的影响所采取的最常用的降温措施就是通风降温。以西部某高地温隧道工程为依托，对实际采用的通风—抽风相结合降温方式中影响降温效果的三个因素—通风温度、通风速度和通风口与工作面距离进行研究。通过对特定区域温度数值和温度场变化规律的分析和总结，为类似工程的实际通风方案的制定与选择提供相关参考。

1 模型建立与验证

1.1 建立几何模型

三维模型整体形状为长方体，考虑工程实际情况和计算时长等因素，将模型长度设定为500m，高度和宽度均为15m。洞口处坐标值Z=0，工作面处坐标值Z=500。根据实际工程的结构尺寸简化后的马蹄形的隧洞位于长方体的中心位置。根据工程现场实际情况，将通风管道设定在隧洞左侧拱腰位置处，抽风管设定在隧道底部靠近边墙。通风管和抽风管的直径均为1 m，如图1所示。

图1 模型示意图

1.2 模型计算区域与网格划分

隧道三维模型由开挖的洞室和周围岩体组成。开挖的洞室为空气流通区域。周围岩体为高温固体区域。简化通风管和抽风管为面，忽略其厚度。模型中开挖隧洞和周围岩体为体域，简化的通风管和抽风管为面域，故网格划分采用非结构化网格。流体区域存在流场与温度场的相互作用，网格划分时进行加密处理。

1.3 介质参数设定

在通风的过程中，风流与围岩的传热作用受材料的热力学性质的影响，假定在计算过程中材料的热力学性质为常数，介质物性参数见表1。

表1 介质物性参数

1.4 模型边界设定

三维模型所需设定的边界条件包括入口边界、出口边界和壁面边界。三维模型最外边界根据工程围岩温度沿径向变化情况设定为恒定温度边界。将通风管入口的边界条件设定为速度进口，在此边界条件下可根据不同工况设定风温和风速。抽风管出口设定为压力出口,模型中隧洞洞口设定为压力出口。

1.5 模型验证

工作面附近横断面温度云图显示的断面温度与隧洞内监测温度基本一致，且与施工现场采取降温措施后的温度基本相符。如图2所示，监测点的现场实际数值与模拟数值差值不大，最大相对误差为9.7%。因此，此三维隧洞模型比较可靠，可以应用其进行通风降温温度场规律变化情况的研究。

图2 实测与模拟数据对比

2 通风降温计算与分析

根据现有相关研究资料可知：在通风降温方面，通风温度、通风速度以及通风口与工作面的距离这三个因素对通风降温效果存在影响。考虑实际情况，且有利于温度场分布规律的分析研究，对三个因素分别设定存在一定梯度差的工况数值。考虑工程实际通风可能涉及到的温度，也考虑通风温度与洞内温度的差值大小，设定通风温度分别为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃；不同的通风机功率的大小决定通风管口的风速，根据实际工程中采用的不同型号的风机，设定风速值分别为15.7m/s、20.4m/s、24.2m/s、30.6m/s；通风口位置的选择更多地受施工现场条件的限制，因此设定通风口距离工作面的距离分别为5m、10m、20m、30m。隧洞内初始空气温度设定为47℃，隧道周边围岩初始温度设定为87℃，通风计算时长设定为240 min。

在隧道开挖施工过程中，施工人员和机械设备的主要工作活动区域集中在工作面附近一定距离范围内，因此选取模型中隧洞中心纵向对称面温度云图，并重点关注工作面附近区域(距离工作面10m范围内)的最高温度、主要工作活动范围区域内(距离工作面100m范围内)的平均温度和主要工作活动范围区域的平均温度与初始隧洞内温度的温度差在不同工况下的变化情况，并以主要工作活动范围区域的平均温度为指标考量选取的工况的降温效果。

2.1 不同通风温度工况模拟结果与分析

不同通风温度下，隧洞内温度场的分布规律基本相似—工作面附近温度最低，越往洞口温度愈高。在主要工作活动范围区域内的环境空气温度比较均匀，未形成明显的温度分层状况。

如表2所示，不同通风温度下的工作面附近区域最高温度和主要工作活动范围的平均温度与通风温度的相关性很明显。当通风温度增加时，工作面附近区域最高温度数值相应变大，并且主要工作活动范围区域的平均温度也随之增加。主要工作活动区域的平均温度与隧洞内初始温度的差值随着通风温度的增加而降低。说明通风温度越低，对降温的作用越大。通风温度为5℃和10℃时工作面附近区域的最高温度和主要工作活动区域的空气平均温度均能满足小于28℃的要求，通风温度为15℃和20℃时工作面附近区域的最高空气温度能满足小于28℃的要求，主要工作活动区域的平均空气温度不能满足小于28℃的要求，通风温度为25℃时工作面附近区域最高温度和主要工作活动区域的平均空气温度均不能满足小于28℃的要求。

表2 不同通风温度工况下的空气温度

总体来说，通风的温度对通风降温的效果有较大影响。通风温度与洞室内初始温度差值越大，通风降温的效果越显著。在实际工程中，可以通过在低温季节施工或者在通风口附近放置冰块等措施来降低进入隧洞内的空气的温度。

2.2 不同通风速度工况模拟结果与分析

不同通风速度下，隧洞内温度场的分布规律存在些许差异，这是由于建模时设定为通风-抽风相结合方式，当通风管的功率低于抽风管时，隧道内的空气压力低于隧洞外，隧洞外的气体由洞口进入洞内。经工作面回流向洞外的气体与从洞口涌入的气体在抽风机所在断面处相遇，形成类似断面的温度断带。因此，实际工程中采用通风抽风相结合的通风方案进行降温时应注意两者功率大小的问题。不同通风速度工况的温度场的分布规律与不同通风温度工况下的温度场分布规律相似。

表3 不同通风风速工况下的空气温度

如表3所示，不同通风速度下工作面附近最高空气温度与通风风速的相关性并不明显。随着通风速度的增加，工作面附近最高空气温度有降低趋势，但幅度很小，而主要工作活动区域的平均温度随着通风速度的增加有一定程度的下降趋势。主要工作活动区域的平均温度与隧洞内初始温度的差值随着通风速度的增加而增加。说明通风风速越大，降温效果越好，符合空气流通量越大，热量散失越多的规律。四种通风风速工况下工作面附近区域的最高空气温度均满足小于28℃的要求，但主要工作活动区域的平均空气温度均未能满足小于28℃的要求，最小温度差值2.7℃，最大温度差值6.8℃。

总体来说，通风的速度对通风降温的效果有一定的影响。风速越大，空气流通量越大，带走的热量越多，通风降温的效果越显著。但在实际工程中，过大的风速不仅会影响施工中的各项工作，而且会造成电力资源的过多浪费。因此，在实际工程中，通风风机的功率并非越大越好，要结合实际情况考虑。

2.3 不同通风口与工作面距离工况模拟结果与分析

在通风口距离工作面不同长度下，隧洞内温度场的分布规律基本相似，且与不同温度工况的温度场分布规律相类似。通风口距离工作面越远，在工作面附近产生的低温区域范围越大。

如表4所示，随着通风口距离工作面长度的增加，工作面附近最高温度和主要工作活动区域的平均温度均逐渐增加，而主要工作活动区域的平均温度与隧洞初始空气温度的差值逐渐降低，变化幅度较小。说明通风管管口距离工作面越近，通风降温效果越好。5m、10m、20m三种距离工况下工作面附近区域的最高空气温度均满足小于28℃的要求，但主要工作活动区域的空气平均温度均未能满足小于28℃的要求，最小温度差值2.8℃，最大温度差值5.9℃。30m距离工况下工作面附近区域的最高空气温度和主要工作活动区域的空气平均温度均未满足小于28℃的要求。

表4 不同距离工况下的空气温度

总体来说，通风管口与工作面的距离长短会对通风降温效果产生一定影响。通风管口距离工作面越近，降温效果越明显。但在实际施工过程中，受到爆破和挖掘等工作的限制，通风口的布置位置不能距离工作面过近。但在制定和选择通风降温方案时，应尽可能地将通风管靠近工作面。

综合分析对比不同工况下的温度场和温度数值，可以发现隧洞内的空气温度经过通风后相比于初始高温均有明显降低，且通风温度的影响作用最明显，最高降温值可达24.4℃。

3 结论

应用经过验证的三维隧洞模型，对高地温隧洞在不同通风工况下的温度场进行数值模拟研究。通过对比分析总结可得：

(1)通风温度、通风风速和通风管与工作面距离均对通风降温的效果存在一定影响，其中通风温度因素的影响最大。

(2)当通风温度越低、通风风速越大、通风管距离工作面越近时，隧洞内的空气温度环境越好，降温效果越明显。

(3)在所选定的工况中，最高降温为24.4℃，最低降温为7.1℃。通风温度为5 ℃和10 ℃的工况中，主要工作活动范围区域内(距离工作面100 m范围内)的平均空气温度值能够满足小于28 ℃的要求。

实际工程中由于众多因素的影响与制约，单单依靠通风降温措施并非十分有效，还需结合其它方式方法来增加降温效果。