冰块降温在热带地区高地温隧道施工中的数值模拟研究--以海南省五指山公路隧道为例

朱 宇， 周佳媚, *， 王帅帅， 李 朗

(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. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 3. 中交第二公路工程局有限公司， 陕西 西安 710065)

0 引言

在隧道修建过程中面临着诸多难题，高地温就是其中之一，尤其是当隧道处于南方热带地区时，气温高，气候湿热，热害问题加剧。《公路隧道施工技术规范》[1]和《铁路隧道设计规范》[2]规定，隧道内施工作业环境应符合下列卫生及安全标准： 隧道内气温不宜高于28 ℃。高温不仅会降低工人和设备的工作效率，拖延施工进度，还会影响结构安全和工人的生命安全。

目前，高地温隧道常用的降温措施包括通风降温、冰块降温、喷雾洒水降温以及机械制冷降温等[3]。针对寒区隧道和高海拔隧道来说，洞外环境温度低，通风降温可以很好地满足降温需求[4]。但当洞外气温较高时，需要采用其他手段来保证降温效果，最经济简便的方式就是冰块降温。例如： 蒙河铁路位于云南地区，属于亚热带气候地区，线路上的毛坡良隧道、太阳寨隧道等在施工时利用冰块进行降温，在3 m范围内可降温3～5 ℃[5]；拉林铁路桑珠岭隧道在施工时，通过采取设置冰墙等综合立体降温技术，增加了洞内湿度和人体体感舒适度[6]。此外，在齐热哈塔尔引水发电隧洞、玉蒙铁路旧寨隧道以及云南禄劝铅厂引水隧洞的修建过程中均采用了冰块降温措施[7]。

数值模拟方法在高地温隧道降温中的应用很广泛。何青青[8]对隧道高壁温条件下的热环境进行数值模拟和分析，分析不同送风方式、温度、风管出口距掌子面距离、速度和壁面温度5个参数对隧道施工热环境的影响；并在常规通风条件下，对加入喷雾以后的温度场和速度场进行了模拟。模拟结果表明，加入喷雾后，隧道内的温度明显降低，相对湿度明显升高。李茹[9]使用Fluent对影响施工隧道通风温度场和速度场分布的因素进行了分析，选择送风温度、送风速度和风管出口与掌子面的距离3个送风参数进行隧道在高温环境下的通风数值模拟，并根据模拟结果给出相应的施工通风方案和技术措施。丁俊智等[10]使用Fluent分析了隧道相对湿度、喷雾水量、水温及隧道风速对喷雾降温系统的影响，同时由模拟结果拟定喷雾降温系统的设计参数，并将其应用于雪山隧道中，通过设置喷雾降温设施参数进行了全尺度试验。

虽然冰块降温已经作为一种常用的降温方式在很多高地温隧道中使用，但目前还处于一种经验使用模式，关于冰块用量和冰块布置对降温效果的影响尚没有具体的研究和明确的结论。本文依托海南五指山特长公路隧道工程，利用流体力学计算软件Fluent研究冰块用量和布置位置对掌子面附近温度场的影响，以期为冰块降温在热带地区高地温隧道中的应用提供借鉴和思路。

1 工程背景

1.1 工程概况

五指山特长隧道位于海南省保亭县响水镇境内，为小净距隧道。隧道左线长4 845 m，最大埋深约383 m；右线长4 870 m，最大埋深约370 m。施工平面布置如图1所示。

1.2 气候条件

隧道位于北纬18°15′～19°05′，属低纬度热带海洋性气候，受东南亚季风影响。由于地势的原因，北部五指山市年平均气温22.4 ℃，1月份平均气温17 ℃，7月份平均气温26 ℃，极端最高气温35.9 ℃。

海南地区四季无冬，常年高温，因洞内爆破作业、施工机械作业及混凝土水化热于一体，导致洞内作业面处温度极高，实测温度一般在40 ℃左右。因洞外环境温度高，仅仅依靠通风很难实质性地降低洞内的温度，所以需要辅助以冰块降温以保证掌子面的需冷量。

2 数值计算过程

2.1 凝固融化模型理论

Fluent可以求解流体在一定温度下或是超过一定温度范围时发生的凝固或(和)融化问题。Fluent中的凝固融化模型(Solidification & Melting)采用焓-多孔介质(Enthalpy-Porosity)来求解凝固和融化问题。Enthalpy-Porosity技术的核心是： 在整个对象区域内，将大量的液体体积分数(即液相的流体组成的单元体积占整体区域体积的百分比)离散到整个区域的每个计算单元内。以热平衡方程为基础，通过反复迭代这部分液体所占的体积百分比以求解离散化的热平衡方程，并最终估算出液体所占的份额，也即凝固或(和)融化成的体积分数[11]。

当液体的体积分数在0～1时，这个区域内呈糊状。在Fluent模拟计算过程中，假设这些糊状的区域为多孔介质，其多孔性从1-0依次递减，多孔性为0时，液体完全凝固成固体，流体的流动性及流体速度皆变为0。

材料的焓能H由凝固融化潜热值ΔH和温度变化引起的热量h两者之和来计算，即

H=h+ΔH。

其中，

式中：href为参考焓；cp为定压比热容；Tref为参考温度;T为温度变量。

ΔH=βL。

式中：L为潜热值；β为液体体积分数。β被定义为

材料的潜热值在0～L变化，材料为固相时潜热值为0，材料为液相时潜热值为L。潜热的数值L可查阅相关材料的潜热性能表。

处理融化或凝固过程中需要求解的能量方程为

2.2 模型建立

为便于建模，将隧道横截面尺寸进行简化。隧道模型宽12 m，边墙高2.5 m，上部为半径6 m的半圆。进风口位于隧道轴线正上方，距顶部1.25 m，风管直径1.5 m。由于冰块融化只对周围有限的范围产生较为明显的影响，故本文只分析出风口到掌子面范围内的温度变化规律，洞口至出风口距离的大小不会影响研究区域的温度场。为便于计算，轴线方向计算长度取100 m，出风口距离掌子面25 m。

根据隧道的相关数据使用Gambit建立三维几何模型，然后划分网格，定义模型边界和内部流场属性，生成的模型网格如图2所示。

(a) 横截面图

(b) 三维图

2.3 计算工况

单位时间内冰块与环境之间的对流换热量

Q=hiSΔT[12]。

(1)

式中：hi为冰表面对流传热系数， W/(m2·K)，它与流体流动起因、有无相变、流动状态、换热表面的几何因素以及流体的物理性质有关； ΔT为换热面上环境温度与固体表面的平均温差， K(开尔文)；S为冰块的表面积，m2。

由式(1)可得，冰块融化吸收的热量与冰块的表面积成正比。为了在便于建模的同时最大限度地增大冰块与空气的接触面积，本文采用薄壁冰墙式布置冰块，减小表面积对计算结果的影响。

为研究冰块用量和布置位置对降温效果的影响，采用5种工况进行模拟计算，计算工况见表1。

表1 模拟计算工况

因掌子面处工序复杂且施工设备、人员密集，故降温需求最大。但结合实际考虑，为方便设备运转和人员活动，模型中将冰块放置于距掌子面5 m处。工况2-4中冰块采取双侧对称布置，如图3(a)所示；工况5中将冰块置于拱顶风管出风口轴线位置，如图3(b)所示。

(a) 工况2-4冰块布置

(b) 工况5冰块布置

2.4 初始条件和边界条件

将网格文件导入Fluent，设置边界条件和初始条件。通风管进风口设置为速度进口边界(velocity-inlet)，根据施工方案可知，最大进风速度不超过6 m/s，故风速取6 m/s，风温取外界环境温度25 ℃；隧道出口设置为压力出口边界(pressure-outlet)；隧道壁面设置为无滑移固体壁面边界(wall)，粗糙度取0.002 5，壁面温度设置为40 ℃。在计算有冰块布置的工况时打开Solidification & Melting模型，设置模型初始条件为洞内空气温度40 ℃，冰块温度-1 ℃，冰块体积分数为1。

3 模拟结果分析

3.1 冰块对隧道纵向温度场的影响

工况1各时间点隧道纵向对称面温度分布云图如图4所示。

(a) 通风10 min温度分布云图

(b) 通风20 min温度分布云图

(c) 通风30 min温度分布云图

由图4可得： 1)在只通风不设置冰块的情况下，隧道纵向温度分布随通风时间变化不大，由洞口到掌子面温度呈下降趋势； 2)在通风30 min后，距掌子面25 m范围内温度稳定在29～30 ℃。现场实测掌子面温度(只通风不放置冰块)如表2所示。由表2可知，模拟计算结果与实测结果误差很小。

表2 现场实测掌子面温度(只通风不放置冰块)

工况4各时间点隧道纵向对称面温度分布云图如图5所示。由图5可知： 1)双侧各布置1.5 m3冰块后，隧道纵向温度场随通风时间发生较为明显的变化。2)在冰块完全融化(30 min时)之前，在冰块布置位置前后5 m左右范围内温度下降较为明显，且降温的范围随时间逐渐扩大。3)冰块完全融化后，掌子面5 m范围内温度最低为18 ℃，较未布置冰块时下降了10 ℃左右； 稍远位置温度约为23 ℃，较未布置冰块时下降了5～8 ℃。

(a) 通风10 min温度分布云图

(b) 通风20 min温度分布云图

(c) 通风30 min温度分布云图

3.2 冰块用量对掌子面温度场的影响

根据工况1-4的计算结果，绘制不同冰块用量下掌子面温度随通风时间的变化曲线，结果如图6所示。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

(d) 工况4

1)工况1中，由于没有放置冰块，掌子面温度在通风5 min后趋于稳定，维持在29～30 ℃。2)工况2中，冰块用量较小，在20 min左右完全融化，此时掌子面温度最低，为23 ℃，融化结束后温度回升。3)工况3中，冰块在24 min左右完全融化，此时掌子面温度最低，为20 ℃，融化结束后温度回升。4)工况4中，冰块在30 min左右完全融化，此时掌子面温度最低，为18 ℃。由此可以得出结论： 通过增设冰块的方式对掌子面的降温效果较为明显，相对于未放置冰块的工况，布置1 m3的冰块(双侧各0.5 m3)可以降低掌子面温度6 ℃左右，在此基础上每增加1 m3(双侧各0.5 m3)冰块用量，可多降低掌子面温度3 ℃左右。

3.3 冰块位置对掌子面温度场的影响

工况5不同时间点掌子面温度分布云图如图7所示。通过对比工况2和工况5不同时间点的温度，分析在相同冰块用量下冰块位置对掌子面温度场的影响。

(a) 通风10 min掌子面温度云图

(b) 通风20 min掌子面温度云图

(c) 通风30 min掌子面温度云图

工况2和工况5不同时刻掌子面的温度值如表3所示。

表3 工况2和工况5不同时刻掌子面的温度值

由3.2节可知，工况2下冰块在20 min左右时完全融化，此时掌子面温度最低。分析表3数据可得： 相同冰块用量时，冰块通过托架放置于隧道顶部比双侧布置能多降低掌子面温度3～5 ℃，且持续降温效果较强。这是因为通风管出口的风先经过冰块，然后循环至掌子面处充分降温，而双侧布置的冰块处于掌子面空气循环的下游，降温效果不充分。

考虑到施工的便利性和安全性问题，当通风管道位于隧道顶部时，可研发一种移动式冰块台车，在施工便利时将冰块顶升至轴线处。若隧道通风管位于隧道侧面，可参考工况5的降温效果，将冰块布置在隧道一侧通风管轴线处。

4 结论与建议

依托海南五指山特长公路隧道工程，使用Fluent软件建立了高地温隧道温度场的计算模型，通过5种工况的模拟计算，分析了冰块用量、冰块布设位置对隧道纵向及掌子面温度场的影响，得到如下结论。

1)相对于未布设冰块的工况，在双侧各布置1.5 m3冰块后，隧道纵向温度场随着通风时间发生了较为明显的变化。在冰块布设位置前后5 m左右范围内温度下降较为明显，且降温的范围随时间推移逐渐扩大；在冰块完全融化后，掌子面5 m范围内温度最低为18 ℃，较未布置冰块时下降了10 ℃左右，稍远位置温度为23 ℃左右，较未布置冰块时下降了5～8 ℃。

2)增设冰块对掌子面的降温效果较为明显，相对于未放置冰块的工况，布置1 m3冰块(双侧各0.5 m3)可以降低掌子面温度6 ℃左右，在此基础上每增加1 m3(双侧各0.5 m3)冰块用量，可多降低掌子面温度3 ℃左右。

3)相同冰块用量时，将冰块布设于风管出风口轴线上能够使降温之后的冷风流经过掌子面，比双侧布置工况能多降低掌子面温度3～5 ℃，且持续降温效果更强。

冰块降温因其经济性和便捷性在高地温隧道中扮演着越来越重要的角色，本文在计算时尚未综合考虑到各种外界因素，因此在实际应用中建议结合现场施工布置和工序进一步考虑冰块参数的选取。