寒区隧道施工期通风升温及效果分析

严健，何川，朱虹宇，姚志军

寒区隧道施工期通风升温及效果分析

严健1, 2，何川1，朱虹宇3，姚志军4

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.西南交通大学 土木学院，四川 成都 610031；3. 四川高速发展有限公司，四川 成都 615000；4. 中铁一局集团有限公司，陕西 咸阳 710054)

以川藏公路北线雀儿山隧道为工程依托，设计施工期洞口段通风升温系统，并利用流固传热理论对升温需风量及通风加热模块的升温系数进行计算，通过现场测试分析通风加热效果，提出洞口段施工通风升温时的临时辅助保温措施。研究结果表明：为实现对洞口段300 m低温围岩从−6 ℃升高到5 ℃的升温效果，要求加热模块的升温系数达到5.5，理论计算所得的通风需风量为96.31 m3/s，需要在洞内布置2条风道；现场测试表明加热模块对掌子面附近的洞壁温度影响显著，掌子面岩面温度约在6 ℃。

隧道工程；寒区隧道；通风升温；温度场；现场测试

在我国已建成的高海拔寒区特长隧道中，受隧道洞外低温大风环境影响，当洞外冷空气进入隧道后会与隧道壁面发生热交换，使得寒区隧道洞内将出现正负温交替变化现象，最终使隧道围岩和结构反复经历冻融冻胀产生冻害。高海拔地区特长隧道施工条件艰难，工期长，仅目前正在开展的位于寒区的川藏铁路超特长隧道就有9座，长度在25 080 m(海子山隧道)~42 510 m(易贡隧道)，工期达到了64~98个月。为合理进行施工组织、防止低温环境对围岩-结构安全造成的不利影响，对动辄5~8 a超长工期中的寒区特长隧道通风方式、温度场影响、防冻技术等方面进行研究已迫在眉睫。目前，众多学者对长隧道的通风方式、温度场影响、防冻技术等方面进行了研究。李柯等[1−3]分别针对纵向通风风流分配计算方法、通风模型、影响隧道风场的条件进行了研究；针对高海拔隧道温度场，LIU等[4]数值模拟了风火山隧道在湍流和层流两种工况下的温度场，并与实测结果进行了比较；YAN等[5]以德格隧道为依托采用现场测试、数值模拟等研究方法，得出隧道内温度场的时空演化规律并对保温层设计参数进行了研究。在此基础上，周小涵等[6−7]对通风与寒区隧道抗防冻的影响及范围进行了研究；Sodha等[8]进行了寒区隧道的最佳长度及冷热潜能的研究；ZHANG等[9]利用实验，对特定截面上的空气温度分布进行了计算；孙文昊[10]同时考虑地层−空气换热量、汽车散热量、隧道内灯具散热量等因素对隧道内空气温度场进行了求解。防冻设计一直是寒区隧道备受关注的焦点之一[11]，围绕寒区隧道冻害产生的温度条件、通风条件、水文条件、地质围岩条件采取的主动和被动防冻技术方案、防冻设计和施工等方面研究成果丰富。作为主动保温措施，直接给隧道围岩和风流加热的供热法起源于国外，且在世界范围内得到了广泛的应用。寒区隧道主要对水沟、围岩等进行加温，可使用电力、地热水、蒸气作为热源供暖；在通风及通风温升的理论和应用研究方面，Starfield等[12−13]对矿道通风温升的计算方法、热流在地下风道中的热传递规律进行了理论和数值分析。李自强等[14]计算确定了特长公路隧道施工中的通风控制标准及需风量。谭贤君等[15]以西藏嘎隆拉隧道为工程依托，研究了通风影响下隧道进出口段围岩负温度区间以及保温范围。刘小刚[16]针对风火山隧道设计了高原严寒环境下寒季施工通风与洞内温度控制体系，研制了通风−空调一体化机组。本文川藏公路北线雀儿山隧道为工程依托，设计了施工期通风升温系统，并利用流固传热理论，考虑洞口端洞周和掌子面热流交换，对通风加热后对洞壁面的升温需风量和通风加热模块的升温系数进行理论计算，通过特征断面风场、温度场的现场测试，对通风加热管模块设置后的效果进行分析。该研究对解决寒区特长隧道超长施工期通风设计、防冻具有一定的参考价值。

1 工程概况

川藏公路北线(国道317线)雀儿山隧道是目前我国在建海拔最高，里程最长的公路隧道。其位于四川省甘孜州北部德格县境内，雀儿山主峰海拔6 168 m，雀儿山隧道进口高程4 378.72 m，隧道出口高程4 239.50 m，隧道长7 079 m，该隧道主洞为单洞双向行车隧道。作为川藏经济走廊中“四路一隧”的重要工程，其新建具有重要的现实意义。

雀儿山隧道隧址区属典型的高原越岭高寒气候，隧道出口地区历年平均气温−0.3 ℃，月平均气温在−9.0 ℃～8.6 ℃之间，最冷月(3月)平均气温为−9.0 ℃，最热月平均气温为8.6 ℃。年极端最高气温为23.5 ℃，年极端最低气温−34.7 ℃；各月平均气压在600.4～610.9 hPa之间；0～320 cm厚年平均地温1.8～4.0 ℃，各月平均地温在−11.6～12.6℃之间；最大冻土深度1. 38 m，最大积雪厚度55 cm。

施工期，雀儿山隧道进口、出口工区分别设置轴流风机，通过设置在隧道顶部的通风管进行压入式通风。后期由于现场通风效果需要，采用增加接力风机、延长通风时间，在正洞每间隔500 m增设一台射流风机向洞外排放污风的长压短抽混合通风等措施。

2 施工期通风升温系统设计

2.1 通风升温系统设计

寒区隧道在施工期的通风方式会对隧道的防冻措施选择产生影响。考虑高海拔地区资源环境的限制、防冻措施实施维护的成本和效益，在施工期和运营期统一可行、直接可靠的措施是提高洞内气温；实现这一目标最直接的途径是利用供热法对进入隧道的空气流进行加热，为此，现场设计采用了一种新的通风升温系统[17]，该系统结构及现场组装如图1所示。

(a) 隧道通风升温系统示意图；(b) 通风加热管模块的内部结构示意图；(c) 现场安装布设示意图

2.2 通风升温系统布设及特点

设计采用的通风升温系统是根据隧道压入式通风技术及电热升温物理原理设计，在实际使用过程中，通过轴流式通风机供入冷风，冷风经通风加热管模块进行加热后得到有效的升温，达到供风升温提高洞内环境温度的效果。与现有的其他加热方式相比较，该通风加热系统具有以下特点：

1) 图1(a)表示的通风升温系统由轴流式通风机、风管和通风加热模块组成，风管位于轴流式通风机前侧，加热管模块安装在风管上，且与风管连接成一体。

2) 图1(b)是通风加热管模块内部结构图，包括了圆形加热管以及分别安装在圆形加热管前后端的出风口和进风口。圆形加热管包括内外钢管，内外钢管之间的保温隔热层，内侧钢管内部设置通风加热装置，内部的过风面积与隧道通风风管相同。

3) 图1(c)为隧道主洞和平导洞口端安装的2组通风升温系统，为了保证通风加热后的热空气不与洞外进行热对流，需要设置临时风门两道，同时，为了加大对施工污风的抽排，可利用射流风机进行长压短抽式混合通风。

通风升温系统主要在施工期洞口段二衬未施作、或未施作保温层条件下使用，可为混凝土喷射施工和混凝土浇筑养护提供良好的温度环境，进而满足高海拔高寒地区隧道的施工需求；同时，能确保洞内掌子面及洞周裸露围岩、初支结构的温度，避免因低温造成地下水结冰使衬砌结构冻胀、造成衬砌结构变形开裂等安全隐患。该通风升温系统结构简单、易加工制作，成本较低；通风加热管模块体积小、重量轻且吊装移动简便，安装位置调整方便，可以按设计要求，安装在风管的前端，中部或末端，且可以多组串并联安装，最终与风管组成通风管道使用，满足不同掘进位置的通风升温需求。采用通风加热装置对洞内进行通风电热升温，热能供应稳定，后期，可根据需要切换成地源热泵、空气源热泵等进行供热。

3 隧道施工通风加热及理论计算

3.1 隧道通风加热对流换热模型

研究低温隧道通风升温问题实质上是研究通风升温过程中热量的传递问题，根据通风加热过程中不同阶段不同位置风的温度情况，绘制出的通风加热及在隧道内与低温衬砌−围岩壁面对流换热模型如图2所示。

图2 通风加热及隧道内对流换热模型

风机出口温度风流经风机入口吹到风机出口的过程相对密闭，在风机内部，空气无含湿量变化，此过程可视为等湿升温的过程[18]，则风机出口温度(风管入口风温)T2可按以下计算公式计算：

式中：T1为风机出口温度，℃；T2为风机入口温度，℃；N为风机的有效功率，kW；为风机风量，m3/s;c为空气比热容，kJ/(m3∙℃)；为风机内通风加热模块的升温系数，该指标是加热模块选型的关键。

假设风管绝热，即风管内风流在风管内不与隧洞内空气进行热交换，T2=T3。根据图2所示，经过升温系统升温的具有较高温度的风流在与低温围岩发生热交换时将冷却风流，基于风流与围岩之间的气-固换热理论，采用牛顿冷却公式进行计算，流体经对流换热被冷却时的计算公式如下：

式中：为需热量，W；为传热面积，m2；K为气−固换热不稳定对流换热系数，W/( m2∙℃)。

寒区隧道洞内开挖和初支施作施工过程中，温度场影响因素众多，由于作业人员、炮碴、机械设备本身会释热，其释热量对寒区隧道负温区段的温度场影响更加复杂，因此，以隧道洞周壁面和掌子面两部分为加热目标，假定隧道开挖和初支施作工作段内仅加热上述2个部分，据此，对其升温需风量分别进行计算：

3.1.1 隧道出口端洞周壁面升温需风量1

隧道通风升温的换热面积为隧道断面周长在长度内的展开面积，则式(2)隧道轴向洞周岩壁吸热量1可以写成：

设在沿隧道轴向长度范围内T5为变量，在长度d内隧道洞壁散热量使风流温度升高d，则：

式(4)进行变量分离：

式(5)两边积分、整理，可得隧道开挖作业段轴向洞周围岩加热需风量计算式如下：

式中：T3一般小于风管出口风温1～3 ℃。根据现场实测，隧道进洞300 m处受平导通风影响隧洞壁面为负温且二衬未及时跟进，通风加热计算长度=300 m。

3.1.2 掌子面加热需风量2

假设掌子面的开挖面积2(m2)即是传热面积，则

风流与围岩之间的气−固换热计算中，不稳定对流换热系数K根据文献[19]确定，取15×10−3kW/(m2∙℃)。

表1 隧道通风升温相关计算参数表

表1为设计文件提供以及现场测试所得的相关计算参数，根据表1和式(6)，式(7)可计算出单位时间内将隧道洞内壁面加热到目标温度所需风量：

3.2 通风机需求计算

施工期风机设置位置及相应的型号如表3所示。根据设计文件和表3，风机各项额定指标为：额定风量30.9 m3/s、全压4 180 Pa，功率270 kW。上述1组2台风机送至出口的额定风量可按公式8计算：

式中：为百米漏风率，取=1%；1=300 m；1为风机高原折减系数，取0.8，代入计算参数，分别需要风机数量计算如下：

则计算出隧道主洞需要风机数量为：

当加热模块放置于风机末端，根据式(1)和表1中现场测试的数据，可计算出风机选定后，为满足隧道加热需求，通风加热模块的升温系数=5.5。

根据以上计算，为实现对洞口300m低温围岩从−6 ℃升高到5 ℃的升温效果，当加热模块放置于风机末端时，需要在洞内布置2条风道可满足需风量要求。

表2 雀儿山隧道不同施工段风机选型及参数

4 施工期通风升温效果的现场测试

4.1 通风升温现场测试方案

当通风加热管模块前后移动时，隧道掌子面附近风流−衬砌换热示意图如图3所示。针对无通风加热和使用通风加热2种工况，现场选取K347+610监测断面(断面离掌子面20 m)，采用大量程水银温度计配合MS6520B型红外测温仪对拱顶、拱腰和边墙的壁面温度进行测试；同时，采用德图Testo 417 精密型风速仪对观测断面净空风速、风管出口风速进行测试。温度和风速的测量范围分别为：−50～+50 ℃和0~60 m/s，分辨率为0.1 ℃和 0. 1 m/s，分别采用算术平均法，滑动平均法进行计算。测试现场如图4，其中，测试断面上风速测点选择在平均风速点处，位置距离隧道中心线及路面均为2 m。

图3 通风升温系统加热模块布设模型及监测点位图

4.2 通风升温现场测试结果分析

图4是有无通风加热模块时观测断面风速−隧道壁面温度日变化曲线，从图中可以看出：

1) 加热模块对掌子面附近的洞壁温度影响非常大，图5(a)中洞外温度与洞内温度变化曲线较一致，位于掌子面附近的监测断面一天中大部分时间为负温，而图5(b)中加热模块起到了加热掌子面风温的作用，最终使得洞壁温度保持在较高水平。

2) 掌子面风管出风口风速测试结果可见，除图4(a)2:00和5:00测试时间风机未开，掌子面风速为“0”外，其他测试时间所得风速相差不大，掌子面受洞口风速影响较小，洞口段300 m内，洞内环境风速与掌子面前方风管风速差大约为2 ~3 m/s。

3) 就加热模块不同布设方式下的通风加热效果而言，洞口段300 m需加热范围经热流交换后，掌子面岩面温度约在6 ℃。

4) 分析认为，气流的相对运动所引起的热量传递方式通常会随着通风时风速、温差等变化而变化,轴流风机流量较大，风压比较小，加热后的新风在风机内部形成顺时针或者逆时针旋转，由于风管与隧道存在热交换，热风在风管长距离运输过程中热能散失较多，不能有效携带更多的热量到达掌子面附近，因此，后期可针对加热模块位置，对其前置于风管口及在风管口的中部设置时的加热效果进行进一步分析。

(a) 无加热模块；(b) 有加热模块

4.3 通风升温现场临时辅助保温措施

为防止洞口段冰碛地层冻土围岩低温冻胀损伤和热融失稳，施工中还采取了以下措施进行临时保温。

1) 洞口混凝土浇筑选在夏季白天天晴时施做；

2) 在隧道洞门口增设防风保温帘遮挡；

3) 在模板附近加设保温措施，增加台车表面温度，防止热量散失。

施工单位于2012−09−15正式进洞，2012− 11−10进入冬休。施工期间，加强环境温度和开挖时围岩温度的观测，并做好详细记录。冬休期间，雀儿山隧道出口环境昼夜平均温度−12.6 ℃，为防止洞内衬砌结构和背后围岩冻害发生，在停工期间于洞口外设置保温帘，洞内采用电加热提高洞内温度，保证洞内二衬表面温度在5 ℃以上。2013− 03−20复工，期间经监控量测，各项变形位移值和应力值均满足规范要求，从而最终保证洞口段冰碛地层围岩和支护结构免受冻害。

(a) 防风保温帘；(b)洞内加热设施

5 结论

1) 对于高海拔寒区特长隧道，利用供热法对进入隧道的空气流进行加热是特长隧道较长建设期洞口段最直接的防冻途径。

2) 理论计算表明，为实现对主洞洞口端300m低温围岩从−6 ℃升高到5 ℃的升温效果，理论计算所得的通风需风量为96.31 m3/s，需要在洞内布置2条风道。

3) 设计了施工期通风升温系统，利用现场测试对隧道通风升温的效果进行了评价，结果表明：加热模块对掌子面附近的洞壁温度影响非常大，洞口段300 m需加热范围在热流交换后，掌子面岩面温度约在6 ℃。

4) 为防止施工期洞口段冰碛地层季冻土围岩−结构低温冻胀损伤，施工中需要采取防寒门、洞内加热设施等临时辅助保温措施。

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Heating ventilation and effect analysis during construction period for tunnels in cold region

YAN Jian1, 2, HE Chuan1, ZHU Hongyu3, YAO Zhijun4

(1. MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3. Sichuan Expressway Construction Development Corporation, Chengdu 610000, China; 4. China Railway First Group Co., Ltd, Xianyang 710054, China)

This paper was aimed at presenting the results of a case study by taking the Que’ershan tunnel in the project of North Line of Sichuan-Tibet Highway. The ventilation and heating system during the construction period was designed and the fluid-solid heat transfer theory was used to calculate the air demand for heating. Meanwhile, the effect of ventilation heating pipe module adopted in the design was analyzed through field tests. Finally, the temporary auxiliary thermal insulation measures for ventilation and heating in the construction of tunnel entrance section were proposed. The study results show that: in order to rising the temperature of low surrounding rock from −6 ℃ to 5 ℃with in the 300 m distance from the main tunnel portal section, the ventilation air volume is about 96.31 m3/s by the theoretical calculation and 2 air ducts need to be arranged when the heating module is located at the back. The heating coefficientof heating module is required to reach 5.5. Field tests show that when the temperature of the tunnel face is about 6 ℃, the heating module has a significant influence on the temperature of the cave wall near the tunnel surface.

tunnel engineering; extra-long highway tunnel in cold region; heating ventilation; thermal field; field test

U451

A

1672 − 7029(2020)02 − 0379 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190264

2019−04−05

国家重点研发计划项目(2016YFC0802201)；中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2017G006-B)；高铁联合基金资助项目(U1734205)

严健(1979−)，男，四川西昌人，讲师，博士，从事高海拔隧道工程方面的研究；E−mail：sharefuture33@163.com

(编辑 蒋学东)