寒区隧道施工期空气幕保温系统现场试验研究

田学志

中铁十九局集团第六工程有限公司， 江苏 无锡 214028

寒区隧道冬季施工时，随着隧道逐步贯通，外界寒冷气流逐渐侵入隧道内部，导致洞内气温逐渐降低。洞内气温低于5 ℃时混凝土硬化速度减缓，会影响终凝强度，进而影响到工程质量［1］。

针对寒区隧道施工期洞内冻害问题有一些研究。王飞等［2］以在建高海拔地区一条隧道为例，探究了不同类型和铺设厚度的保温层对洞内温度场的影响，发现酚醛泡沫材料保温效果更好。赖远明等［3］在青海省大同县境内大坂山隧道搭建防寒门，并对隧道内纵向温度进行了长期监测，发现搭建防寒门后洞内气温大于0.34 ℃。乜凤鸣［4］在大兴安岭嫩林线西罗2号隧道进出口搭建了2 ～ 3道防寒门，隧道进口端采用锅炉供应暖气加热，出口端采用地火龙加温，能够有效确保洞内温度在5 ℃以上。严健等［5］在寒区公路隧道洞口段设置通风升温系统，通过供热法对进入隧道内的空气进行加热，该加热系统能够将隧道洞口段围岩温度从-6 ℃提升至5 ℃，并将隧道掌子面岩面温度维持在6 ℃。范建国［6］采用理论研究、现场测试和数值计算的方法，探究了寒区隧道施工期洞内外温度的变化规律。刘小刚等［7］针对风火山隧道施工冻害问题，研制了一套隧道施工通风与洞内温度控制系统，通过风机向隧道掌子面方向送热风，风机组最大功率为485 kW、隧道洞口气温为-30 ℃时能够确保洞内气温在3 ℃以上。鲁华伟［8］通过现场数据调研和数值计算，对寒区隧道施工期洞内通风热环境进行研究。刘诗杰［9］为解决大连—旅顺通道5号隧道冻害问题，在隧道洞口架设20 m的保温大棚，同时在施工工作面设置加热暖风炮等抗冻措施，将工作面气温控制在5 ℃以上。陶琦［10］通过数值计算分析了寒区隧道中电热膜加热系统的保温效果。以上措施主要包括搭建防寒门、生炉子、安装空调机组等。现有技术虽然可以满足施工期洞内气温的要求，但是依然存在影响洞内空气质量、CO中毒等问题。因此，探究一种新型的寒区隧道施工期洞内保温措施具有一定指导意义。

本文依托京兰高速铁路在建尚山隧道工程，研制寒区隧道施工期空气幕保温系统，并通过现场试验对比搭建防寒门、搭建防寒门 + 生炉子、搭建空气幕保温系统三种措施下洞内浇筑混凝土处气温的变化。

1 空气幕保温系统设计

1.1 工程概况

尚山隧道位于乌兰察布市尚山村。该隧道为单洞双线隧道，起止里程DK37 + 587—DK39 + 903，全长2 316 m，隧道洞口宽度为13.3 m，高度为9.6 m。Ⅳ、Ⅴ级围岩段长度分别为590 、1 726 m，隧道最大埋深为81.44 m。

隧址区属于中温带亚干旱区，气候寒冷干燥，年平均气温为5.1 ℃，历年极端最高、最低气温分别为35.7 、-33.8 ℃；平均降水量为329 mm，年平均蒸发量为2 038.9 mm；历年最大积雪厚度为30 cm，土壤最大冻结深度为1.91 m。隧道洞口风速在3.5 ～ 7.9 m/s。该隧道断面大，洞口风速大，洞口大气温度低。这些不利条件对该隧道冬季施工过程中洞内温度控制提出严峻挑战。

寒区隧道冬季施工期常用的保温措施为洞口搭建防寒门和洞内生火炉。该方法施工简便，成本低，但是存在几点问题：洞内通风时防寒门或者幕帘打开，洞外冷空气进入洞内，造成洞内气温急剧下降；防寒门一直关闭会造成洞内空气质量差，不利于施工人员的身体健康；洞内生火炉容易造成施工人员CO中毒；施工车辆频繁进出，防寒门频繁开启，洞内气温控制难度大。

为了解决传统技术存在的问题，研制了寒区隧道施工期空气幕保温系统。该系统利用强大的侧向气流阻隔洞外冷空气入侵，有效提高洞内气温。该系统主要由风幕机、保温框架、风速与温度测试元件、通风管和PLC（Programmable Logic Controller）智能控制装置五部分组成，见图1。

图1 寒区隧道施工期空气幕保温系统

该系统中风幕机的射流风速为28 m/s，喷口宽度为15 cm，射流角度为12°，两台风幕机呈外八字形布置。洞内通风时，洞内气流由内向外流出，与风幕机吹出气流的方向一致，有利于隧道通风。

1.2 系统安装过程

2023年2月1 日，隧道现场搭建了空气幕保温系统。系统安装过程见图2。

图2 系统安装过程

具体内容为：①在隧道洞口采用42、80、108 mm三种直径的无缝钢管搭建框架。保温材料采用酚醛泡沫塑料。②搭建车行通道。车行通道高5 m，宽5 m。在门框上采用反光贴或霓虹灯作为警示标志。③安装风幕机。风幕机采用侧吹式冷暖两用型风机，通过膨胀螺丝将风幕机底座固定在水泥地面上，确保稳定。④在框架右侧安装通风装置，由通风管和风机组成，用于洞内通风。⑤安装PLC智能控制装置，依据洞内气温调节风幕机的开启或关闭，在确保洞内温度不低于5 ℃的情况下，降低系统能耗。⑥安装监测系统。在洞口、距洞口10、20、150 m处（混凝土浇筑处）布置4个测试断面、38个测点，测量洞内气温的变化情况。

2 现场试验

2.1 洞口风速和温度

2022年10月1 日—2023年2月28日，对尚山隧道洞口风速和气温进行测量，结果见图3。

图3 洞口风速和气温

由图3可知，2022年10月—2023年2月，该隧道洞口月平均风速在3.37 ～ 4.84 m/s，平均气温在-1.52 ～ -15.58 ℃，最低气温可达到-22.57 ℃。

2.2 不同保温措施适用条件

寒区隧道施工期重点控制洞内浇筑混凝土处的气温，防止此处气温低于5 ℃，影响混凝土的硬化速度。不同保温措施下洞内浇筑混凝土处气温变化见图4。

图4 不同保温措施下洞内浇筑混凝土处气温变化情况

2022年11月15 日，在尚山隧道搭建防寒门，并开始测试洞内浇筑混凝土处气温。

11月24日，隧道洞口风速为3.21 m/s，气温为-12.68 ℃。此时洞内浇筑混凝土处气温开始降至5 ℃以下。为了提高洞内气温，11月25日在隧道洞口两侧生2个炉子，此时洞内浇筑混凝土处气温达到8.12 ℃。

12月7日，隧道洞口风速为5.36 m/s，气温为-19.13 ℃。此时洞内浇筑混凝土处气温开始降至5 ℃以下。

2023年1月29 日，现场搭建空气幕保温系统。隧址区2月份洞口最大风速为4.56 m/s，最低气温为-15.83 ℃。开启空气幕保温系统后，洞内浇筑混凝土处气温为7.36 ℃。

3 数值模拟

3.1 计算模型

以尚山隧道为例，建立二维平面计算模型，探究风幕机的射流风速、射流温度对洞内浇筑混凝土处气温的影响。该计算模型由洞外空气、侧吹式空气幕保温装置和隧道组成，见图5。

图5 计算模型

3.2 计算结果分析

隧道洞口风速为3.93 m/s，大气温度为-15.83 ℃，风幕机的喷口宽度为15 cm，射流角度为12 °。射流风速分别设定为10、20、28 m/s，射流温度分别设定为20、30、50 ℃。射流风速为28 m/s、射流温度为50 ℃时洞内风速和气温，见图6。

图6 射流风速为28 m/s、射流温度为50 ℃洞内风速和气温

由图6可知，两道空气幕在中间位置形成稳定的“空气墙”，有效阻隔了寒冷空气的入侵，使得洞内浇筑混凝土处气温达到273 K（0 ℃）以上。

不同射流风速和温度下浇筑混凝土处气温变化见表1。可知：随着空气幕保温系统射流风速和射流温度增加，洞内浇筑混凝土处气温不断上升；射流风速10 m/s，射流温度50 ℃时，浇筑混凝土处气温为5.04 ℃，满足最低温度要求；射流风速28 m/s，射流温度50 ℃时，浇筑混凝土处气温为6.50 ℃，也满足最低温度要求。可见，适当增加风幕机的射流温度，或者增加射流风速，均可以提高洞内气温。为了降低系统运行能耗，建议适当增加风幕机的射流风速。

表1 不同射流风速和温度下浇筑混凝土处气温变化

4 结论

1）搭建防寒门保温时，洞口风速3.21 m/s，气温-12.68 ℃条件下洞内浇筑混凝土处气温开始下降到

5 ℃以下，须联合采用其他保温措施。

2）搭建防寒门 + 生炉子保温时，洞口风速5.36 m/s，气温-19.13 ℃条件下洞内浇筑混凝土处气温开始下降到5 ℃以下，须联合采用其他保温措施。

3）洞口最大风速4.56 m/s，最低气温-15.83 ℃时，搭建空气幕保温系统后洞内浇筑混凝土处气温为7.36 ℃。采用空气幕保温系统可同时解决洞内保温和通风的问题，为寒区隧道施工期洞内保温提供了新方法。

4）适当增加风幕机的射流风速或增加射流温度均可以提高洞内气温。为了降低系统运行能耗，建议适当增加风幕机的射流风速。