寒区隧道侧吹式空气幕保温系统及模型试验研究

2022-11-08关喜彬

隧道建设(中英文) 2022年10期

关喜彬

(中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏无锡 214028)

0 引言

在高纬度、高海拔地区修建隧道的数量逐年增多，如吉图晖铁路沿线的草木沟隧道、五峰山隧道和哈尔巴岭2号隧道等。大量寒区隧道建设和运营情况表明，低温引起的冻害普遍存在于既有隧道中，这些冻害既对隧道结构造成破坏，同时也给铁路运营埋下安全隐患[1-3]。

近年来，学者们采用多种方法来减少冻害对寒区隧道结构的破坏和影响，并采取多种防冻措施来预防冻害发生[4]。例如：保温层法是指在隧道内铺设轻质隔热材料，利用其导热系数低的特点，减少洞内冷空气与围岩之间的热传导，阻止寒冷气流入侵围岩内部；但保温层法不能随着外界环境气温变化而变化，属于被动的保温方法，当外界环境温度过低时，其保温效果并不能令人满意[5]。防寒门法是指在隧道洞口建造防寒门来阻隔寒冷气流入侵隧道内部，其保温效果较好，但仅适应于交通流量小的隧道[6]。电伴热法是指采用加热电缆对隧道直接供暖，保温效果较好，但后期维护能耗较大[7]。地热源泵法是指采用地面换热器吸收地热能对隧道直接供暖，其保温效果较好，适用于地热能资源丰富的地区[8]。因此，针对现有保温技术的局限性和目前寒区隧道冻害形势的严峻性，有必要探索一种新型的保温方法来解决隧道冻害问题。

空气幕装置因其良好的空气阻隔效果，最初被用于隔断室内外气流的热交换和控制粉尘污染的扩散[9]。20世纪30年代，前苏联科学家开展了大量空气幕的空气流场模型试验，提出了空气幕运动轨迹方程和阻隔效率的计算方法，为空气幕的设计奠定了理论基础[10]。2019年，Yang等[11]探究了不同风速、风向条件下空气幕性能的变化规律。目前，空气幕技术广泛应用于冷库、矿用巷道和超市等领域，但在寒区隧道保温领域尚未有应用空气幕的先例。

目前，国内有不少学者采用模型试验的方法来探究如何解决寒区隧道冻害问题。夏才初等[12]开展渐冻隧道演化模拟试验，揭示寒区隧道冻害的发展规律。郭瑞等[13]开展寒区隧道纵向温度场模型试验，探究设防长度与洞内风速的关系。高焱等[14]开展寒区高速铁路隧道温度场模型试验，揭示了列车运行条件下隧道洞内温度场的变化规律。渠孟飞等[15]开展寒区隧道衬砌冻胀力的模型试验，得到巴郎山隧道衬砌冻胀力的变化规律。但目前尚未发现关于空气幕作用下保温室内空气流场和温度场方面的报道，因此开展相关的模型试验具有一定的创新意义和工程应用价值。

为预防冻害的发生，本文提出一种新型的寒区隧道侧吹式空气幕保温系统，设计并研制不同外界风速、风幕机射流风速和射流角度等条件下的试验系统，探究保温装置内空气流场和温度场的变化规律。

1 隧道侧吹式空气幕保温系统及控制方程

1.1 寒区隧道侧吹式空气幕保温系统

天平铁路关山隧道全长15 634 m，位于甘肃省天水市与平凉市交界地段。关山隧道极端最低气温为-25.5 ℃，年平均降水量为568.5 mm，年最大降水量为824.4 mm，最大季节冻结深度为79 cm。为预防关山隧道冻害的发生，提出一种新型的寒区隧道侧吹式空气幕保温系统。该保温系统由保温装置、侧吹式风幕机、温度和风速风向传感器及PLC智能控制器4部分组成。当隧道洞口的温度和风速检测传感器检测到外界气温和风速达到设定值时，PLC智能控制器控制风幕机的工作状态，调整空气幕的射流角度、射流风速、射流温度等参数，通过风幕机吹出的竖向强风，阻隔寒冷气流入侵隧道内部，确保隧道洞口的温度达到0 ℃以上，预防隧道冻害的发生。当隧道采用纵向式通风时，隧道中的射流风机从洞口引入新鲜空气，通过另外一个洞口排出。此时，空气幕保温系统中的风速风向传感器监测到风向由隧道内部向外部流动，关闭空气幕，使隧道顺利完成通风。寒区隧道侧吹式空气幕保温系统如图1所示。

图1 寒区隧道侧吹式空气幕保温系统

1.2 隧道空气幕阻隔效率控制方程

隧道空气幕阻隔效率控制方程的计算模型见图2。

图2 空气幕阻隔效率计算模型

如图2所示，设定空气幕的气流为f，隧道外流入隧道的气流为f1，空气幕倾斜平射气流为f2[10]，则：

f=f1+f2。

(1)

(2)

(3)

式(2)—(3)中：ω为隧道外自然风速，m/s；L为隧道的最大跨径，m；H为隧道平均高度，m；ω0为射流风速，m/s；B1为空气幕喷口长度，m；ε为湍流系数；α为射流角度，(°)；b0为空气幕射流厚度，m；x、y为距离坐标原点的距离。

当由隧道外流入隧道的气流与空气幕倾斜平射气流合成的空气幕气流垂直于x轴时，则在空气幕作用下，外界气流与空气幕的合成气流

(4)

外界气流与空气幕的合成气流fG同样可表现为空气幕射流量Q0和空气幕工作时未能阻挡的空气量Qm的总和：

fG=Q0+Qm。

(5)

空气幕射流量

Q0=ω0B1b0。

(6)

空气幕工作时未能阻挡的空气量

(7)

空气幕不工作时，侵入隧道的总风量Q等同于隧道外流入隧道的气流f1，表示为：

(8)

得到空气幕阻隔效率

(9)

保温系统参数标定的依据是以阻隔效率最大为标准，为进一步研究空气幕射流角度、射流风速和射流厚度等参数与阻隔效率之间的最优关系，通过最优关系找出最优设计方案，开展不同空气幕参数与阻隔效率之间的研究。计算参数如表1所示。

表1 计算参数

1.3 射流角度与阻隔效率之间的变化规律

空气幕射流角度变化范围为0°～90°，假设洞外风速为1.5 m/s，射流风速为6 m/s，射流厚度为0.05 m，将以上计算参数代入式(9)，计算射流角度与阻隔效率的关系，再采用Matlab软件绘制射流角度与阻隔效率之间的变化规律，见图3。

图3 射流角度与阻隔效率之间的变化规律曲线

如图3所示，阻隔效率随射流角度的变化趋势为先递增、后递减，其最大值为1.091，此时对应风幕机最佳的射流角度为77.9°。当空气幕阻隔效率大于等于1时，说明空气幕对空气流动的阻隔效率为100%，也说明此时空气幕的开启功率过大。

1.4 外界风速与阻隔效率之间的变化规律

外界风速为0～12 m/s，假设射流角度为77.6°，射流风速为6 m/s，射流厚度为0.5 m，探究并采用Origin数据分析软件绘制外界风速与阻隔效率之间的变化规律，见图4。

图4 外界风速与阻隔效率之间的变化规律曲线

由图4可知，外界风速与阻隔效率之间呈反比例关系；当外界风速为1.5 m/s，射流风速为6 m/s时，阻隔效率为1.091，说明射流风速为4倍及以上的外界风速时，阻隔效果好。

1.5 射流风速与阻隔效率之间的变化规律

假设射流风速为0～20 m/s，外界风速为1.5 m/s，射流角度为77.6°，射流厚度为0.5 m时，探究并采用Origin数据分析软件绘制射流风速与阻隔效率之间的变化规律，见图5。

图5 射流风速与阻隔效率之间的变化规律曲线

由图5可知，射流风速与阻隔效率之间呈正比例关系；当外界风速为1.5 m/s，射流风速为5.5 m/s时，此时阻隔效率为0.99，说明此种情况可以有效阻隔外界寒冷气流入侵隧道内部。

2 试验系统

隧道内的空气流场和温度场是非常复杂的对流换热和围岩热传导耦合问题，考虑空气幕作用后使得问题更为复杂。因此，为了简化，作出如下假定：1)气流为不可压缩的理想流体；2)气体流动为湍流；3)气流、围岩均为连续介质。

2.1 相似比设计

开展模型试验研究时，需要满足几何相似、运动相似和热力学相似3个相似准则，综合考虑试验精度和可实施性[16-17]，该试验的几何相似比确定为lm∶lp=1∶20(下角标m和p分别表示模型和原型)。

在确保模型几何相似的基础上，达到与原型的运动相似，模型与原型的阿基米德数、雷诺数这2个准则数应该相等；同时还需要满足热力学相似。即在几何和运动相似的基础上，模型与原型在空气热传导、热对流和热辐射3种热传递方式上相同，因此模型与原型的贝克莱准则应该相等。

雷诺数是用于判断流体是层流还是湍流的相似准则。当雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性，流体为层流状态；随着雷诺数的增加，惯性对流场的影响大于黏滞力，流体逐渐由层流状态转变成湍流状态；当雷诺数继续增大时，流体湍流的激烈程度几乎不再变化，其值只与相对粗糙度有关，处于相同自模区内流体的流动状态相似。保温室原型和模型内壁面材质分别为混凝土和保温板，原型的相对粗糙度为0.002，模型的相对粗糙度为0.03。由莫迪图可知，当相对粗糙度分别为0.002和0.03时，雷诺数Re分别大于600 000和30 000时，即流体进入第2自模区的湍流稳定状态。因此，针对本次试验，模型流场的相似比主要由阿基米德数准则决定，即：

(Ar)p=(Ar)m。

(10)

(11)

(12)

式(10)—(12)中：(Ar)p、(Ar)m分别为原型和模型的阿基米德数；g为重力加速度；lp、lm分别为原型与模型的保温室长度；Tp、Tm分别为原型与模型的保温室温度；ΔTp、ΔTm分别为原型与模型的保温室的温差；vp、vm分别为原型与模型的风速；C1为试验的几何相似比。

2.2 试验系统

试验系统由外界环境控制系统、隧道模型、隧道空气幕保温装置和数据监测系统4部分组成。试验系统原理如图6所示。

图6 试验系统原理图

空气幕装置安装在保温室前端两侧，空气幕的射流风速为1～20 m/s，射流温度为30～55 ℃，通过抽取外界气流，经空气幕加热后，以一定的角度喷射，阻隔外界冷空气的侵入。风速传感器布置在保温室内，共设置6个测点，用于实时测量侵入隧道的风速，风速传感器的测量范围为0.3～30 m/s，精度为0.1 m/s。温度传感器布置在保温室后端，共设置6个测点，用于实时测量温度的变化情况，温度传感器的测量范围为-55～125 ℃，精度为0.1 ℃。温度传感器和风速传感器测点布置如图7所示。

图7 温度传感器和风速传感器测点布置图

试验系统的搭建主要有以下步骤：1)搭建外界环境控制系统，其温度调控范围为0～-30 ℃；2)浇筑隧道衬砌结构，按1∶20的几何相似比例制作隧道衬砌；3)在隧道前端安装空气幕保温室；4)将风速传感器和温度传感器安装在保温室内。隧道模型及空气幕保温室见图8和图9。

图8 隧道模型

图9 空气幕保温室

3 试验结果

3.1 空气幕最优射流角度

选取测点5和测点6为研究对象，当外界风速分别为4 m/s和5 m/s、空气幕的射流厚度为5 cm、射流风速为10 m/s时，改变空气幕的射流角度，不同射流角度下保温室内风速的变化规律如图10和图11所示。

图10 不同外界风速情况下测点5的实测数据

图11 不同外界风速情况下测点6的实测数据

由试验测试结果可知，测点5和测点6的最优射流角度为75°，采用式(9)计算得到空气幕最优射流角度为77.9°，两者得到的最优射流角度结果相近。由此可知，隧道空气幕阻隔效率控制方程可靠可信，可以用于寒区隧道侧吹式空气幕保温系统的参数优化设计。

3.2 外界风速与阻隔效率之间的关系

选取测点1—6为研究对象，当外界风速分别为1.5、3、4、5 m/s，空气幕的射流厚度为5 cm，射流风速为10 m/s，射流角度为77.9°时，得出不同外界风速情况下保温室内风速的变化规律，如图12所示。

由试验测试结果可知，空气幕能够有效阻隔外界气流的侵入。随着外界风速的增加，保温室内风速也随之增加，即空气幕的阻隔效率逐渐降低；由测点1—6的实测数据可知，保温室底部的风速最大，中下位置的风速最小。因此，在实际工程应用时，该系统的风速监测器应安装于隧道底部。

3.3 射流风速与阻隔效率之间的关系

采用控制变量法，当空气幕的射流厚度b0为5 cm，外界风速ω为1.5、3、5 m/s，射流角度为0°～90°时，分别研究射流风速分别为10 m/s和12 m/s条件下保温室内风速变化规律，如图13和图14所示。

由图13和图14试验结果对比分析可知，当射流风速增大时，同一测点位置的风速均有所下降，阻隔效率有所增加；这与图5理论计算中阻隔效率随着射流风速的增加而增大的规律相同。相同射流厚度和外界风速条件下，射流风速对射流角度的最优值影响较小。当外界风速为1.5 m/s时，不同射流风速下空气幕的最优射流角度为55°～75°；当外界风速为3 m/s时，不同射流风速下空气幕的最优射流角度为65°～75°；当外界风速为5 m/s时，不同射流风速下空气幕的最优射流角度为75°左右。由此可见，不同的外界风速越小，最优射流角度越小，式(9)所计算出的最优射流角度77.9°可用于寒区隧道侧吹式空气幕保温系统的参数优化设计。工程实际应用中，可根据外界情况和洞内风速传感器适当降低射流角度。

(a)b0=5 cm, ω0=10 m/s, ω=1.5 m/s

(a)b0=5 cm, ω0=12 m/s, ω=1.5 m/s

3.4 侧吹式射流保温装置保温效果分析

以关山隧道2021年最冷月平均气温-19.2 ℃为环境气温，选取温度传感器测点1—6为研究对象，当外界风速为1.5 m/s、空气幕的射流角度为75°、射流厚度为5 cm、射流风速为10 m/s、射流温度为45 ℃时，空气幕开启后保温室内温度场的变化情况如图15所示。

图15 保温室内温度传感器测点1—6的实测数据

当隧道外界的环境气温为-19.2 ℃时，保温室内的温度低于0 ℃，此种条件下常温空气幕无法满足隧道防寒保温的需求。当热温空气幕开启8 min后，保温室内空气除底部测点3和测点6外，其余部分均开始出现正温，此种条件下进入隧道洞口的气温已经达到0 ℃以上。由此可见，热温空气幕具有较好的保温效果，有助于预防关山隧道冻害的发生。

4 经济性对比

以关山隧道为例，对比分析保温层法与空气幕保温系统100年使用年限内的经济费用。

4.1 保温层法总费用

保温层法的总成本主要包括保温材料成本、人工成本和维护成本。关山隧道现场冬季最冷月平均气温为-25.5 ℃，文献[18]给出了保温层铺设长度的计算式，即：

y=-0.8128x2-53.448x+150.73。

(13)

式中：y为隧道入口处保温层铺设长度，m；x是最冷月份的平均温度，℃。

由式(13)计算得出关山隧道保温层铺设长度为985.13 m。假设隧道入口和出口处保温层的铺设长度相等，则隧道所需保温层的总长度为1 970.26 m；关山隧道每m铺设0.05 m厚隔热层所需材料约为0.86 m3；保温层材料选用硬质聚氨酯，市场价格约1 300元/m3。根据计算，保温材料成本为220.25万元；铺设保温层的人工成本为4 500 元/m，因此，施工人工成本为886.62万元。

硬质聚氨酯保温材料的使用寿命为25年，在隧道100年的使用期内需要更换3次保温材料。人工拆除保温层的费用为167元/m3，计算得出拆除费用为32.9万元。

因此，隧道运营100年，保温层法总成本为4 526.18万元。

4.2 空气幕系统总费用

空气幕系统主要由保温装置、侧吹式风幕机、温度和风速风向传感器和PLC智能控制器4部分组成。保温装置主体结构采用钢结构保温框架，建设费用约为10.6万元，使用年限为50年，保温装置主体结构全周期总费用共计21.2万元。侧吹式风幕机采用定制型可调热风幕机，单台价格约为3.9万元，2台共7.8万元，使用年限为10年，空气幕全周期总费用共计78万元。PLC智能控制器费用为3.6万元，使用年限为10年，在隧道100年全周期总费用为36万元。

空气幕系统年耗电量主要包括空气幕和PLC智能控制器。PLC智能控制器耗电量较低，因此只计算空气幕在冻结期150 d内全功率运行所需的电量和电费。单台风幕机功率为9.9 kW，2台风幕机功率为19.8 kW。年冻结期内全功率运行的功率为71 280 kW，按照中国工业用电0.86元/kW·h，计算可得风幕机年用电费用为61 300.8元，即风幕机在隧道100年全周期中用电总费用为613万元。

因此，隧道运营100年，隧道出入口处空气幕系统总成本为1 496.4万元。

对比可知，在隧道100年全周期中，保温层法总成本为4 526.18万元，空气幕系统总成本为1 496.4万元。根据本文计算的费用，在隧道内采用空气幕系统进行防寒保温具有很大的经济效益。但本文仅粗略估算了空气幕系统的成本，具体施工及用电成本需结合现场实际情况进行详细计算。