寒區(qū)隧道施工期通風(fēng)升溫及效果分析

嚴(yán)健，何川，朱虹宇，姚志軍

寒區(qū)隧道施工期通風(fēng)升溫及效果分析

嚴(yán)健1, 2，何川1，朱虹宇3，姚志軍4

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木學(xué)院，四川 成都 610031；3. 四川高速發(fā)展有限公司，四川 成都 615000；4. 中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 710054)

以川藏公路北線雀兒山隧道為工程依托，設(shè)計(jì)施工期洞口段通風(fēng)升溫系統(tǒng)，并利用流固傳熱理論對(duì)升溫需風(fēng)量及通風(fēng)加熱模塊的升溫系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析通風(fēng)加熱效果，提出洞口段施工通風(fēng)升溫時(shí)的臨時(shí)輔助保溫措施。研究結(jié)果表明：為實(shí)現(xiàn)對(duì)洞口段300 m低溫圍巖從?6 ℃升高到5 ℃的升溫效果，要求加熱模塊的升溫系數(shù)達(dá)到5.5，理論計(jì)算所得的通風(fēng)需風(fēng)量為96.31 m3/s，需要在洞內(nèi)布置2條風(fēng)道；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明加熱模塊對(duì)掌子面附近的洞壁溫度影響顯著，掌子面巖面溫度約在6 ℃。

隧道工程；寒區(qū)隧道；通風(fēng)升溫；溫度場(chǎng)；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在我國(guó)已建成的高海拔寒區(qū)特長(zhǎng)隧道中，受隧道洞外低溫大風(fēng)環(huán)境影響，當(dāng)洞外冷空氣進(jìn)入隧道后會(huì)與隧道壁面發(fā)生熱交換，使得寒區(qū)隧道洞內(nèi)將出現(xiàn)正負(fù)溫交替變化現(xiàn)象，最終使隧道圍巖和結(jié)構(gòu)反復(fù)經(jīng)歷凍融凍脹產(chǎn)生凍害。高海拔地區(qū)特長(zhǎng)隧道施工條件艱難，工期長(zhǎng)，僅目前正在開展的位于寒區(qū)的川藏鐵路超特長(zhǎng)隧道就有9座，長(zhǎng)度在25 080 m(海子山隧道)~42 510 m(易貢隧道)，工期達(dá)到了64~98個(gè)月。為合理進(jìn)行施工組織、防止低溫環(huán)境對(duì)圍巖-結(jié)構(gòu)安全造成的不利影響，對(duì)動(dòng)輒5~8 a超長(zhǎng)工期中的寒區(qū)特長(zhǎng)隧道通風(fēng)方式、溫度場(chǎng)影響、防凍技術(shù)等方面進(jìn)行研究已迫在眉睫。目前，眾多學(xué)者對(duì)長(zhǎng)隧道的通風(fēng)方式、溫度場(chǎng)影響、防凍技術(shù)等方面進(jìn)行了研究。李柯等[1?3]分別針對(duì)縱向通風(fēng)風(fēng)流分配計(jì)算方法、通風(fēng)模型、影響隧道風(fēng)場(chǎng)的條件進(jìn)行了研究；針對(duì)高海拔隧道溫度場(chǎng)，LIU等[4]數(shù)值模擬了風(fēng)火山隧道在湍流和層流兩種工況下的溫度場(chǎng)，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較；YAN等[5]以德格隧道為依托采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值模擬等研究方法，得出隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律并對(duì)保溫層設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，周小涵等[6?7]對(duì)通風(fēng)與寒區(qū)隧道抗防凍的影響及范圍進(jìn)行了研究；Sodha等[8]進(jìn)行了寒區(qū)隧道的最佳長(zhǎng)度及冷熱潛能的研究；ZHANG等[9]利用實(shí)驗(yàn)，對(duì)特定截面上的空氣溫度分布進(jìn)行了計(jì)算；孫文昊[10]同時(shí)考慮地層?空氣換熱量、汽車散熱量、隧道內(nèi)燈具散熱量等因素對(duì)隧道內(nèi)空氣溫度場(chǎng)進(jìn)行了求解。防凍設(shè)計(jì)一直是寒區(qū)隧道備受關(guān)注的焦點(diǎn)之一[11]，圍繞寒區(qū)隧道凍害產(chǎn)生的溫度條件、通風(fēng)條件、水文條件、地質(zhì)圍巖條件采取的主動(dòng)和被動(dòng)防凍技術(shù)方案、防凍設(shè)計(jì)和施工等方面研究成果豐富。作為主動(dòng)保溫措施，直接給隧道圍巖和風(fēng)流加熱的供熱法起源于國(guó)外，且在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。寒區(qū)隧道主要對(duì)水溝、圍巖等進(jìn)行加溫，可使用電力、地?zé)崴⒄魵庾鳛闊嵩垂┡?；在通風(fēng)及通風(fēng)溫升的理論和應(yīng)用研究方面，Starfield等[12?13]對(duì)礦道通風(fēng)溫升的計(jì)算方法、熱流在地下風(fēng)道中的熱傳遞規(guī)律進(jìn)行了理論和數(shù)值分析。李自強(qiáng)等[14]計(jì)算確定了特長(zhǎng)公路隧道施工中的通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)及需風(fēng)量。譚賢君等[15]以西藏嘎隆拉隧道為工程依托，研究了通風(fēng)影響下隧道進(jìn)出口段圍巖負(fù)溫度區(qū)間以及保溫范圍。劉小剛[16]針對(duì)風(fēng)火山隧道設(shè)計(jì)了高原嚴(yán)寒環(huán)境下寒季施工通風(fēng)與洞內(nèi)溫度控制體系，研制了通風(fēng)?空調(diào)一體化機(jī)組。本文川藏公路北線雀兒山隧道為工程依托，設(shè)計(jì)了施工期通風(fēng)升溫系統(tǒng)，并利用流固傳熱理論，考慮洞口端洞周和掌子面熱流交換，對(duì)通風(fēng)加熱后對(duì)洞壁面的升溫需風(fēng)量和通風(fēng)加熱模塊的升溫系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，通過(guò)特征斷面風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)通風(fēng)加熱管模塊設(shè)置后的效果進(jìn)行分析。該研究對(duì)解決寒區(qū)特長(zhǎng)隧道超長(zhǎng)施工期通風(fēng)設(shè)計(jì)、防凍具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

川藏公路北線(國(guó)道317線)雀兒山隧道是目前我國(guó)在建海拔最高，里程最長(zhǎng)的公路隧道。其位于四川省甘孜州北部德格縣境內(nèi)，雀兒山主峰海拔6 168 m，雀兒山隧道進(jìn)口高程4 378.72 m，隧道出口高程4 239.50 m，隧道長(zhǎng)7 079 m，該隧道主洞為單洞雙向行車隧道。作為川藏經(jīng)濟(jì)走廊中“四路一隧”的重要工程，其新建具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

雀兒山隧道隧址區(qū)屬典型的高原越嶺高寒氣候，隧道出口地區(qū)歷年平均氣溫?0.3 ℃，月平均氣溫在?9.0 ℃～8.6 ℃之間，最冷月(3月)平均氣溫為?9.0 ℃，最熱月平均氣溫為8.6 ℃。年極端最高氣溫為23.5 ℃，年極端最低氣溫?34.7 ℃；各月平均氣壓在600.4～610.9 hPa之間；0～320 cm厚年平均地溫1.8～4.0 ℃，各月平均地溫在?11.6～12.6℃之間；最大凍土深度1. 38 m，最大積雪厚度55 cm。

施工期，雀兒山隧道進(jìn)口、出口工區(qū)分別設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，通過(guò)設(shè)置在隧道頂部的通風(fēng)管進(jìn)行壓入式通風(fēng)。后期由于現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)效果需要，采用增加接力風(fēng)機(jī)、延長(zhǎng)通風(fēng)時(shí)間，在正洞每間隔500 m增設(shè)一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)向洞外排放污風(fēng)的長(zhǎng)壓短抽混合通風(fēng)等措施。

2 施工期通風(fēng)升溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 通風(fēng)升溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寒區(qū)隧道在施工期的通風(fēng)方式會(huì)對(duì)隧道的防凍措施選擇產(chǎn)生影響?？紤]高海拔地區(qū)資源環(huán)境的限制、防凍措施實(shí)施維護(hù)的成本和效益，在施工期和運(yùn)營(yíng)期統(tǒng)一可行、直接可靠的措施是提高洞內(nèi)氣溫；實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最直接的途徑是利用供熱法對(duì)進(jìn)入隧道的空氣流進(jìn)行加熱，為此，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)采用了一種新的通風(fēng)升溫系統(tǒng)[17]，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)組裝如圖1所示。

(a) 隧道通風(fēng)升溫系統(tǒng)示意圖；(b) 通風(fēng)加熱管模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；(c) 現(xiàn)場(chǎng)安裝布設(shè)示意圖

2.2 通風(fēng)升溫系統(tǒng)布設(shè)及特點(diǎn)

設(shè)計(jì)采用的通風(fēng)升溫系統(tǒng)是根據(jù)隧道壓入式通風(fēng)技術(shù)及電熱升溫物理原理設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用過(guò)程中，通過(guò)軸流式通風(fēng)機(jī)供入冷風(fēng)，冷風(fēng)經(jīng)通風(fēng)加熱管模塊進(jìn)行加熱后得到有效的升溫，達(dá)到供風(fēng)升溫提高洞內(nèi)環(huán)境溫度的效果。與現(xiàn)有的其他加熱方式相比較，該通風(fēng)加熱系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1) 圖1(a)表示的通風(fēng)升溫系統(tǒng)由軸流式通風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和通風(fēng)加熱模塊組成，風(fēng)管位于軸流式通風(fēng)機(jī)前側(cè)，加熱管模塊安裝在風(fēng)管上，且與風(fēng)管連接成一體。

2) 圖1(b)是通風(fēng)加熱管模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，包括了圓形加熱管以及分別安裝在圓形加熱管前后端的出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口。圓形加熱管包括內(nèi)外鋼管，內(nèi)外鋼管之間的保溫隔熱層，內(nèi)側(cè)鋼管內(nèi)部設(shè)置通風(fēng)加熱裝置，內(nèi)部的過(guò)風(fēng)面積與隧道通風(fēng)風(fēng)管相同。

3) 圖1(c)為隧道主洞和平導(dǎo)洞口端安裝的2組通風(fēng)升溫系統(tǒng)，為了保證通風(fēng)加熱后的熱空氣不與洞外進(jìn)行熱對(duì)流，需要設(shè)置臨時(shí)風(fēng)門兩道，同時(shí)，為了加大對(duì)施工污風(fēng)的抽排，可利用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)壓短抽式混合通風(fēng)。

通風(fēng)升溫系統(tǒng)主要在施工期洞口段二襯未施作、或未施作保溫層條件下使用，可為混凝土噴射施工和混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)提供良好的溫度環(huán)境，進(jìn)而滿足高海拔高寒地區(qū)隧道的施工需求；同時(shí)，能確保洞內(nèi)掌子面及洞周裸露圍巖、初支結(jié)構(gòu)的溫度，避免因低溫造成地下水結(jié)冰使襯砌結(jié)構(gòu)凍脹、造成襯砌結(jié)構(gòu)變形開裂等安全隱患。該通風(fēng)升溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工制作，成本較低；通風(fēng)加熱管模塊體積小、重量輕且吊裝移動(dòng)簡(jiǎn)便，安裝位置調(diào)整方便，可以按設(shè)計(jì)要求，安裝在風(fēng)管的前端，中部或末端，且可以多組串并聯(lián)安裝，最終與風(fēng)管組成通風(fēng)管道使用，滿足不同掘進(jìn)位置的通風(fēng)升溫需求。采用通風(fēng)加熱裝置對(duì)洞內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)電熱升溫，熱能供應(yīng)穩(wěn)定，后期，可根據(jù)需要切換成地源熱泵、空氣源熱泵等進(jìn)行供熱。

3 隧道施工通風(fēng)加熱及理論計(jì)算

3.1 隧道通風(fēng)加熱對(duì)流換熱模型

研究低溫隧道通風(fēng)升溫問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是研究通風(fēng)升溫過(guò)程中熱量的傳遞問(wèn)題，根據(jù)通風(fēng)加熱過(guò)程中不同階段不同位置風(fēng)的溫度情況，繪制出的通風(fēng)加熱及在隧道內(nèi)與低溫襯砌?圍巖壁面對(duì)流換熱模型如圖2所示。

圖2 通風(fēng)加熱及隧道內(nèi)對(duì)流換熱模型

風(fēng)機(jī)出口溫度風(fēng)流經(jīng)風(fēng)機(jī)入口吹到風(fēng)機(jī)出口的過(guò)程相對(duì)密閉，在風(fēng)機(jī)內(nèi)部，空氣無(wú)含濕量變化，此過(guò)程可視為等濕升溫的過(guò)程[18]，則風(fēng)機(jī)出口溫度(風(fēng)管入口風(fēng)溫)T2可按以下計(jì)算公式計(jì)算：

式中：T1為風(fēng)機(jī)出口溫度，℃；T2為風(fēng)機(jī)入口溫度，℃；N為風(fēng)機(jī)的有效功率，kW；為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s;c為空氣比熱容，kJ/(m3?℃)；為風(fēng)機(jī)內(nèi)通風(fēng)加熱模塊的升溫系數(shù)，該指標(biāo)是加熱模塊選型的關(guān)鍵。

假設(shè)風(fēng)管絕熱，即風(fēng)管內(nèi)風(fēng)流在風(fēng)管內(nèi)不與隧洞內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，T2=T3。根據(jù)圖2所示，經(jīng)過(guò)升溫系統(tǒng)升溫的具有較高溫度的風(fēng)流在與低溫圍巖發(fā)生熱交換時(shí)將冷卻風(fēng)流，基于風(fēng)流與圍巖之間的氣-固換熱理論，采用牛頓冷卻公式進(jìn)行計(jì)算，流體經(jīng)對(duì)流換熱被冷卻時(shí)的計(jì)算公式如下：

式中：為需熱量，W；為傳熱面積，m2；K為氣?固換熱不穩(wěn)定對(duì)流換熱系數(shù)，W/( m2?℃)。

寒區(qū)隧道洞內(nèi)開挖和初支施作施工過(guò)程中，溫度場(chǎng)影響因素眾多，由于作業(yè)人員、炮碴、機(jī)械設(shè)備本身會(huì)釋熱，其釋熱量對(duì)寒區(qū)隧道負(fù)溫區(qū)段的溫度場(chǎng)影響更加復(fù)雜，因此，以隧道洞周壁面和掌子面兩部分為加熱目標(biāo)，假定隧道開挖和初支施作工作段內(nèi)僅加熱上述2個(gè)部分，據(jù)此，對(duì)其升溫需風(fēng)量分別進(jìn)行計(jì)算：

3.1.1 隧道出口端洞周壁面升溫需風(fēng)量1

隧道通風(fēng)升溫的換熱面積為隧道斷面周長(zhǎng)在長(zhǎng)度內(nèi)的展開面積，則式(2)隧道軸向洞周巖壁吸熱量1可以寫成：

設(shè)在沿隧道軸向長(zhǎng)度范圍內(nèi)T5為變量，在長(zhǎng)度d內(nèi)隧道洞壁散熱量使風(fēng)流溫度升高d，則：

式(4)進(jìn)行變量分離：

式(5)兩邊積分、整理，可得隧道開挖作業(yè)段軸向洞周圍巖加熱需風(fēng)量計(jì)算式如下：

式中：T3一般小于風(fēng)管出口風(fēng)溫1～3 ℃。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，隧道進(jìn)洞300 m處受平導(dǎo)通風(fēng)影響隧洞壁面為負(fù)溫且二襯未及時(shí)跟進(jìn)，通風(fēng)加熱計(jì)算長(zhǎng)度=300 m。

3.1.2 掌子面加熱需風(fēng)量2

假設(shè)掌子面的開挖面積2(m2)即是傳熱面積，則

風(fēng)流與圍巖之間的氣?固換熱計(jì)算中，不穩(wěn)定對(duì)流換熱系數(shù)K根據(jù)文獻(xiàn)[19]確定，取15×10?3kW/(m2?℃)。

表1 隧道通風(fēng)升溫相關(guān)計(jì)算參數(shù)表

表1為設(shè)計(jì)文件提供以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得的相關(guān)計(jì)算參數(shù)，根據(jù)表1和式(6)，式(7)可計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)將隧道洞內(nèi)壁面加熱到目標(biāo)溫度所需風(fēng)量：

3.2 通風(fēng)機(jī)需求計(jì)算

施工期風(fēng)機(jī)設(shè)置位置及相應(yīng)的型號(hào)如表3所示。根據(jù)設(shè)計(jì)文件和表3，風(fēng)機(jī)各項(xiàng)額定指標(biāo)為：額定風(fēng)量30.9 m3/s、全壓4 180 Pa，功率270 kW。上述1組2臺(tái)風(fēng)機(jī)送至出口的額定風(fēng)量可按公式8計(jì)算：

式中：為百米漏風(fēng)率，取=1%；1=300 m；1為風(fēng)機(jī)高原折減系數(shù)，取0.8，代入計(jì)算參數(shù)，分別需要風(fēng)機(jī)數(shù)量計(jì)算如下：

則計(jì)算出隧道主洞需要風(fēng)機(jī)數(shù)量為：

當(dāng)加熱模塊放置于風(fēng)機(jī)末端，根據(jù)式(1)和表1中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出風(fēng)機(jī)選定后，為滿足隧道加熱需求，通風(fēng)加熱模塊的升溫系數(shù)=5.5。

根據(jù)以上計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)對(duì)洞口300m低溫圍巖從?6 ℃升高到5 ℃的升溫效果，當(dāng)加熱模塊放置于風(fēng)機(jī)末端時(shí)，需要在洞內(nèi)布置2條風(fēng)道可滿足需風(fēng)量要求。

表2 雀兒山隧道不同施工段風(fēng)機(jī)選型及參數(shù)

4 施工期通風(fēng)升溫效果的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.1 通風(fēng)升溫現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

當(dāng)通風(fēng)加熱管模塊前后移動(dòng)時(shí)，隧道掌子面附近風(fēng)流?襯砌換熱示意圖如圖3所示。針對(duì)無(wú)通風(fēng)加熱和使用通風(fēng)加熱2種工況，現(xiàn)場(chǎng)選取K347+610監(jiān)測(cè)斷面(斷面離掌子面20 m)，采用大量程水銀溫度計(jì)配合MS6520B型紅外測(cè)溫儀對(duì)拱頂、拱腰和邊墻的壁面溫度進(jìn)行測(cè)試；同時(shí)，采用德圖Testo 417 精密型風(fēng)速儀對(duì)觀測(cè)斷面凈空風(fēng)速、風(fēng)管出口風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試。溫度和風(fēng)速的測(cè)量范圍分別為：?50～+50 ℃和0~60 m/s，分辨率為0.1 ℃和 0. 1 m/s，分別采用算術(shù)平均法，滑動(dòng)平均法進(jìn)行計(jì)算。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖4，其中，測(cè)試斷面上風(fēng)速測(cè)點(diǎn)選擇在平均風(fēng)速點(diǎn)處，位置距離隧道中心線及路面均為2 m。

圖3 通風(fēng)升溫系統(tǒng)加熱模塊布設(shè)模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位圖

4.2 通風(fēng)升溫現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

圖4是有無(wú)通風(fēng)加熱模塊時(shí)觀測(cè)斷面風(fēng)速?隧道壁面溫度日變化曲線，從圖中可以看出：

1) 加熱模塊對(duì)掌子面附近的洞壁溫度影響非常大，圖5(a)中洞外溫度與洞內(nèi)溫度變化曲線較一致，位于掌子面附近的監(jiān)測(cè)斷面一天中大部分時(shí)間為負(fù)溫，而圖5(b)中加熱模塊起到了加熱掌子面風(fēng)溫的作用，最終使得洞壁溫度保持在較高水平。

2) 掌子面風(fēng)管出風(fēng)口風(fēng)速測(cè)試結(jié)果可見，除圖4(a)2:00和5:00測(cè)試時(shí)間風(fēng)機(jī)未開，掌子面風(fēng)速為“0”外，其他測(cè)試時(shí)間所得風(fēng)速相差不大，掌子面受洞口風(fēng)速影響較小，洞口段300 m內(nèi)，洞內(nèi)環(huán)境風(fēng)速與掌子面前方風(fēng)管風(fēng)速差大約為2 ~3 m/s。

3) 就加熱模塊不同布設(shè)方式下的通風(fēng)加熱效果而言，洞口段300 m需加熱范圍經(jīng)熱流交換后，掌子面巖面溫度約在6 ℃。

4) 分析認(rèn)為，氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的熱量傳遞方式通常會(huì)隨著通風(fēng)時(shí)風(fēng)速、溫差等變化而變化,軸流風(fēng)機(jī)流量較大，風(fēng)壓比較小，加熱后的新風(fēng)在風(fēng)機(jī)內(nèi)部形成順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由于風(fēng)管與隧道存在熱交換，熱風(fēng)在風(fēng)管長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中熱能散失較多，不能有效攜帶更多的熱量到達(dá)掌子面附近，因此，后期可針對(duì)加熱模塊位置，對(duì)其前置于風(fēng)管口及在風(fēng)管口的中部設(shè)置時(shí)的加熱效果進(jìn)行進(jìn)一步分析。

(a) 無(wú)加熱模塊；(b) 有加熱模塊

4.3 通風(fēng)升溫現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)輔助保溫措施

為防止洞口段冰磧地層凍土圍巖低溫凍脹損傷和熱融失穩(wěn)，施工中還采取了以下措施進(jìn)行臨時(shí)保溫。

1) 洞口混凝土澆筑選在夏季白天天晴時(shí)施做；

2) 在隧道洞門口增設(shè)防風(fēng)保溫簾遮擋；

3) 在模板附近加設(shè)保溫措施，增加臺(tái)車表面溫度，防止熱量散失。

施工單位于2012?09?15正式進(jìn)洞，2012? 11?10進(jìn)入冬休。施工期間，加強(qiáng)環(huán)境溫度和開挖時(shí)圍巖溫度的觀測(cè)，并做好詳細(xì)記錄。冬休期間，雀兒山隧道出口環(huán)境晝夜平均溫度?12.6 ℃，為防止洞內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)和背后圍巖凍害發(fā)生，在停工期間于洞口外設(shè)置保溫簾，洞內(nèi)采用電加熱提高洞內(nèi)溫度，保證洞內(nèi)二襯表面溫度在5 ℃以上。2013? 03?20復(fù)工，期間經(jīng)監(jiān)控量測(cè)，各項(xiàng)變形位移值和應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求，從而最終保證洞口段冰磧地層圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)免受凍害。

(a) 防風(fēng)保溫簾；(b)洞內(nèi)加熱設(shè)施

5 結(jié)論

1) 對(duì)于高海拔寒區(qū)特長(zhǎng)隧道，利用供熱法對(duì)進(jìn)入隧道的空氣流進(jìn)行加熱是特長(zhǎng)隧道較長(zhǎng)建設(shè)期洞口段最直接的防凍途徑。

2) 理論計(jì)算表明，為實(shí)現(xiàn)對(duì)主洞洞口端300m低溫圍巖從?6 ℃升高到5 ℃的升溫效果，理論計(jì)算所得的通風(fēng)需風(fēng)量為96.31 m3/s，需要在洞內(nèi)布置2條風(fēng)道。

3) 設(shè)計(jì)了施工期通風(fēng)升溫系統(tǒng)，利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)隧道通風(fēng)升溫的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：加熱模塊對(duì)掌子面附近的洞壁溫度影響非常大，洞口段300 m需加熱范圍在熱流交換后，掌子面巖面溫度約在6 ℃。

4) 為防止施工期洞口段冰磧地層季凍土圍巖?結(jié)構(gòu)低溫凍脹損傷，施工中需要采取防寒門、洞內(nèi)加熱設(shè)施等臨時(shí)輔助保溫措施。

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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

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0802201)；中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017G006-B)；高鐵聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1734205)

嚴(yán)健(1979?)，男，四川西昌人，講師，博士，從事高海拔隧道工程方面的研究；E?mail：sharefuture33@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)