HebeiTrafficEducation文章编号：JiL1100161（圆园18）03原园园30原园5寒区隧道施工阶段温度场分布规律研究吕鹏磊1袁金秀1张艳敏2王海蛟3范永慧4王斌柘5王绍旭3（1.河北交通职业技术学院土木工程系石家庄石家庄050001；4.中交远洲交通科技集团有限公司050091；2.邢台市交通局邢台054000；3.中建路桥集团有限公司石家庄050000）石家庄050051；5.石家庄市轨道交通建设办公室摘要以季冻区某隧道为依托，基于流体力学理论，考虑不同隧道长度、不同风速条件，建立了“围岩-初支-二衬-空气”耦合条件下的计算模型，对寒区隧道施工阶段温度场三维空间演化规律进行了分析。结果表明：隧道洞内送风速度与洞内温度升高速率呈正相关；隧道洞内送风速度宜设置在10m/s；隧道掘进长度不大于1000m，送风速度不小于5m/s，且通风4h后，隧道内部环境温度均可达到基本稳定；隧道岩壁0.5m范围内的环境温度，距岩壁越近温度越低；隧道内风管出口宜设置在距掌子面距离不大于50m处。关键词季冻区隧道施工温度场三维空间演化规律中图分类号U231文献标识码粤StudyonLawofTemperatureFieldDuringTunnelConstructioninColdAreaLvPenglei1YuanJinxiu1ZhangYanmin2WangHaijiao3（1.DepartmentofCivilEngineering，HebeiJiaotongVocationalandTechnicalCollege，Shijiazhuang050091；2.XingtaiTransportationBureau，Xingtai054000；3.ZhongjianRoadBridgeGroupCo.Ltd，Shijiazhuang050001；4.ChinaRoadsCommunicationsScience&TechnologyGroupCo.，Ltd.Shijiazhuang050051；5.ShijiazhuangUrbanRailTransitConstructionOffice，Shijiazhuang050000）FanYonghui4WangBinzhe5WangShaoxu3粤遭泽贼则葬糟贼：Relyingonatunnelintheseasonallyfrozenarea，basedonthetheoryoffluidme原chanics，consideringdifferenttunnellengthsanddifferentwindspeedconditions，thecalculationmodelof\"surroundingrock-firstsupport-secondlining-air\"couplingconditionisestablishedinthispaper.Thepaperanalyzesthethree-dimensionalspatialevolutionoftemperaturefieldduringtunnelconstructionincoldarea.Theanalyticalresultsshowthatthevelocityofairsupplyintunnelholeispositivelycorrelatedwiththetemperaturerisingrateinthehole；thevelocityofairtureofthetunnelcanreachthebasicstability；theambienttemperatureinthe0.5mrangeofshouldbesetonthedistanceofnomorethan50mfromtheworksurface.evolutionlawsupplyintunnelholeshouldbesetat10m/s；tunnelexcavationlengthnotexceeding1000m，airsupplyspeedisnotlessthan5m/s，andventilation4hours，theinternalambienttempera原thetunnelrockwall，thenearerthetemperature，thelower；Theoutletofthetunnelinnerduct运藻赠憎燥则凿泽：seasonalfrozenarea；tunnelconstruction；temperaturefield；three-dimensionalspace；收稿日期：2018-06-19基金项目：国家科技支撑计划，项目编号：2012BAG05B00。作者简介：吕鹏磊，1986~，男，硕士。主要从事隧道及地下工程教学和研究工作。0引言伴随着我国新一轮的基础设施建设步伐的推进，穿越西北、东北等高寒冻土地区的隧道工程越来越多。相关调查表明我国寒区隧道超过70%均存在不同程度的冻害，给隧道运营及行车安全带来重大隐患。为降低寒区隧道衬砌开裂、结冰等冻害的产生，国内外学者对隧道内温度场及防寒保温技术开展了一系列研究，并取得了较为丰富的成果。周小涵等对寒区隧道围岩和衬砌实测温度场及计算温度场进行了研究，结果表明隧道衬砌表面一定范围内的衬砌和围岩的温度变化曲线符合正弦曲线规律，并且随断面径深增大，衬砌和围岩的温度变化幅度不断变小。郑阳利用Fluent软件建立了隧道施工期洞内气体温度场模型，分析了隧道洞口进口处在送风速度、送风温度以及不同开挖长度下，隧道内气体速度场、风筒出口以及掌子面附近的气体温度分布规律。陈建勋等结合某寒区隧道工程资料，提出了寒区隧道防冻隔温层设计计算方法，并于应用中取得了良好效果。本文以某隧道工程为依托，通过在寒区隧道洞口布设，对寒区隧道施工阶段洞口温度、风速进行了为期两年的数据监测与分析，提出季节性寒区隧道合理的防寒保温设防长度，为寒区隧道工程防寒保温设防提供理论依据。1隧道洞口温度实测1.1工程概况研究依托隧道位于张家口市张北县，为分离式双洞双向四车道隧道，左线长度2992m，右线长度2964m。所在区域夏季短暂凉爽，冬季漫长而寒冷，年平均气温7和1月，平均气温分别为5.1益，年最热和最冷月份出现端最高及最低气温分别可达19.835.1益益和和-34.8-12.3益益。年。极平均风速约4.8m/s，年平均大风日数为63.3d，隧道内最大冻深为220cm。1.2洞口段温度监测结果分析利用WS-A1型温湿度表，对隧道洞口进口段每日14：00和02：00的气温进行监测，取两者平均值作为每日平均气温计算值。对2013-2015两年的温度监测数据进行回归，利用修正后的余弦函31数回归法，拟合得到了隧道洞口段温度变化函数：T（t）=5.2+15.9cos蓘仔6（t-7）蓡（1）式中：t为月份，T（t）—t月时的月平均温度，益。拟合洞口段气温与实测值变化对比，见图1。282013-2014232014-2015年每日平均气温温度拟合值年每日平均气温18138-23-12-7-17-22年/月图1洞口段温度监测与拟合温度对比由图1可知，隧道洞口段全年气温呈周期性三角函数变化。隧道洞口实测温度值与拟合函数所求温度值如表1所示。表1隧道洞口实测温度与拟合函数温度对比表名称实测值拟合函数值气温最高时间气温最高月份温度7月气温最低时间19.820.4益7月气温最低月份温度1月益年平均气温-12.35.1益益-11.41月5.2益益由表1可知，拟合函数中，隧道洞口全年平均气温为5.2益，月平均气温最高和最低值出现在7月和1月，分别为20.4益和-11.4益。隧道洞口气温与监测温度具有较好的一致性，拟合函数可为后续计算提供精确温度载荷。2计算模型与边界条件2.1计算模型的建立隧道开挖后，岩体结构原有的热力平衡被打破，隧道洞内围岩与洞壁温度以及洞内气体的温度与速度也会不断发生波动与变化。温度的不断变化会引起冻害病害的发生，为避免冬季施工时，衬砌开裂、结冰等冻害的产生，通常采用架设通风管的方法对隧道进行防护。建立“围岩-衬砌-保温层-空气”气固耦合计算模型。隧道开挖后，岩体调热圈范围一般为隧道32洞径的3~4倍，且在一段时间后，岩体调热圈范围逐渐稳定。因此，可将数值计算模型尺寸简化为：隧道上边界为洞内25m，并沿隧道进洞方向以2%坡度递增，下边界为洞内25m，左右边界对称，均为18m厚岩体。利用Gambit软件建立数值计算模型，并依据边界条件划分网格，适当加密洞壁周围网格，以提高计算的精确性和可靠性。模型及网格划分如图2。图2岩体-隧道-通风管三维网格化分2.2边界条件与参数选取对隧道岩体-隧道-通风管组成的三维模型的速度进口、自由出口、对称和壁面边界进行如下定义：淤速度进口边界：隧道入口处的通风管口。边界。于自由出口边界：隧道进口处设为自由出口边界。盂对称边界：定义隧道左右两侧岩体为对称面。设定对流换热系数为榆模型壁面边界：假设通风管壁面为光滑壁15W/m2·K。依据隧道所在地年平均气温和地质条件，设定模型初始岩温和下边界温度分别为3益、5益。冬季施工期间，洞内初始温度同洞外平均温度一致，为-6益，隧道内通风管送风温度取18益。2.3测点位置布设在隧道洞内、衬砌以及围岩分别布设温湿度传感器。具体为：在隧道断面径向1.00m、0.2m、0.5m40.5、m58m、、1.5m、3.0m岩体（编号依次为1、2、3、、、61.0）以及m、1.5掌m子、面3.0后m方岩体距离（为编号依次为0m、0.2m7、、分析岩体。取隧道拱底向上、9、10、11、12）布设传感器，作为围岩温度场4.7m处的隧道中线25对应编号m垂直于隧道中线的铅垂线13），以及通风管出口处（0编号分别为m、5m、1514m、、15析气体。隧道洞内温湿度传感器布设图如图、16、17）空气作为洞内空气温度场与速度场分3所示。围岩愚风机通风管淤于盂榆虞訛輲輥訛輳輥訛輴輥輥訛輵舆俞逾訛輯輥Y訛輱輥余訛輰輥围对称轴岩X图3测点布置图掌子面3数值计算与分析隧道洞内保温措施采用压入式通风管保温措施。通风要求空气浊度和温度满足施工条件，且保证围岩不产生冻害。采用fluent数值计算软件，模拟隧道洞内温度场及气体速度场相关数据变化，分析隧道岩体-隧道-通风管构成的气-固，固-固温度场、气体速度场的变化规律，以获取寒区隧道施工阶段合理防寒保温设防长度。模拟工况如下表2所示。表2不同模型计算工况风管出口掌子面隧道隧道开通风管送风距掌子面后方岩体长度挖长度长度速度编号距离/m厚度/m/m/m/m淄/（m/s）300280250105玉15域芋3020500480450105郁15吁遇1000980950105喻15峪御3.1基础送风时间与送风速度风管送风速度及送风时间的不同均会影响隧道内温度场的分布。因此，为深入开展隧道洞内-衬砌-围岩温度场分布规律研究，需确定基础送风时间与送风速度。由图4可知，隧道进深在270米范围内时，在隧道进深相同的条件下，洞内温度会随着通风速度的增加而升高。但是随着隧道进深的增加，通风速度的提高（由5m/s提升至10m/s，10m/s提升至（171651510m/s15m/sm/s14131211隧道进深/m图4不同送风速度4h后洞内温度变化15这表明送风速度提升至一定数值时，继续提高风速m/s）对于隧道洞内温度的提升作用逐渐降低。对洞内温度的提升意义不大。因此，取风速10m/s作为基础风速，开展后续数据分析与研究。15131115930760min6120min4min12min524hourhourhour-33-51隧道开挖长度/m图5风速v=10m/s时洞内温度场随时间变化由图5可知，在隧道开挖长度相同，通风速度相同的条件下，通风时长的提高会使洞内温度不断升高，并且通风时长的不同对洞内温度的提升幅度相差较大。通风时长超过4h后，继续提升通风时长对隧道洞内温度的提升效果不大。因而，确定43.2hour洞内温度场分布规律为基础通风时间。隧道洞内温度与风速、通风时长、隧道开挖长度以及风管出风口距离等条件相关。为分析隧道掘进深度和风管出口距离对洞内温度场的影响规律，使隧道洞内温度在基础通风速度10m/s和基础通风时间4h的条件下趋于稳定，然后进行相关分析。（1）工况一：隧道开挖长度相同，风管出风口距掌子面距离分别为30m、50m、70m，数值模拟计算结果见图6。由图6可知，隧道洞内空气温度随通风管出风口距掌子面距离的增加呈下降趋势。距掌子面为30出风口气温分布规律较为相似。在隧道进深m的通风管出风口温度同50m时相比，通风管274m与288.6m处分别出现最高温度15.8益与15.6益，两者温度相差非常小。当通风管出风口距掌子面距3316.015.515.014.514.013.53013.050mm12.570风管出口位置mm12.0185195205215225隧道进深235245/m255265275285图6风管出口离掌子面距离不同下洞内温度对比离为70m时，隧道洞内气体最高温度点出现在隧道进深288m处，为15益。比较三种条件下隧道洞内温度的变化，70m条件下洞内气体温度降幅最大；同时考虑工期以及造价等因素，风管出风口距掌子面的距离应设置在50m左右。风管出风口距掌子面距离为30m、50m、70m时，分析距离掌子面5m沿隧道中线铅锤高度上的温度变化，即图3测线17上取点，见图7。98730650m570mm432109101112温度13/益14151617图7距掌子面5m断面处隧道温度变化由图7可知，风管出风口距掌子面距离的增加会导致掌子面5m范围内洞内气体温度的逐下降。隧道高度超过8m后，同一通风管通风条件下，岩体环境温度逐渐降低。风管出风口距掌子面距离为30度大体一致。m与50m条件下，隧道铅锤中间部分的环境温（2）工况二：风管出口距离掌子面距离相同同为30m），隧道开挖深度不同。数值模拟计算洞内环境温度，分析洞内温度变化规律。在图3测线1316上提取测点。见图8。1514131230011500m101000mm9隧道进深/m图8隧道掘进不同长度时洞内温度分布（34由图8可知，随着送风距离的增加，隧道掌子面附近的空气温度变化幅度较小，在14.5益~15.5益之间，相差1益；但是，洞口处两者温差较大，1000m与300m条件下，温差超过3益。风管出风口距掌子面距离相同，隧道开挖距离立了考虑不同隧道长度、不同风速条件下“围岩-初支-二衬-空气”耦合下计算模型；对寒区隧道施工阶段温度场三维空间演化规律进行了分析，得到如下主要结论。（1）送风速度与洞内温度升高速率呈正相关；隧道洞内送风速度宜设置在10m/s。（2）隧道开挖长度小于1000m，且送风速度不低于5m/s，隧道洞内气体环境温度可在通风管送风4h后趋于稳定。300m500m1000m不同（300m、500m、1000m）的条件下，进行数值模拟计算，分析沿隧道铅锤高度方向并距掌子面5m处气体环境温度变化规律，即图3测线17上取点。见图9。10864201212.51313.51414.51515.51616.5温度/益（3）隧道岩壁0.5m范围内的环境温度，距岩壁越近温度越低；风管出风口宜设置在距掌子面不超过50m处。参考文献［1］郑阳，王道远，朱永全.寒区运营隧道温度场数值模拟［J］.公路工程，2014，（1）［2］张亚兴.嘎隆拉隧道抗防冻及排水技术的研究［D］.重庆：重庆交通大学硕士学位论文，2009［3］周小涵，曾艳华等.寒区隧道温度场的时空演化规律及温控措施研究［J］.中国铁道科学，2016，（3）［4］郑阳.寒区隧道温度场数值分析［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2014图9隧道不同进深时距掌子面5m断面隧道温度变化5m附近的断面气体温度呈下降趋势。分析原因主由图9可知，随隧道开挖长度的增加，掌子面要有以下两点：一是隧道的不断掘进致使通风管不断接长，导致风管管壁与洞内空气接触面积不断增加，对流换热量加大，热量损失较大，使得通风筒出口温度降低，进而导致5m掌子面处温度降低；二是工况条件要单位时间内保持相同的通风量，隧道进深的不断增加，需要不断提高通风量，进而导致温度下降。［5］陈建勋.寒冷地区隧道防冻隔温层设计计算方法及应用［J］.土术工程学报，2004，（11）［6］邓刚.高海拔寒区隧道防冻害设计问题［D］.成都：西南交通大学，2012［7］陈建勋，罗彦斌.寒冷地区隧道防冻隔温层厚度计算方法［J］.交通运输工程学报，2007，（2）［8］吴紫汪，赖远明，藏恩穆等.寒区隧道工程［M］.北京：海洋出版社，［9］TB10068-2010，铁路隧道运营通风设计规范［S］.20034结论以季冻区某隧道为依托，基于流体力学理论建（上接第29页）和环保效果。参考文献［1］施仲衡，张弥，王新杰，沈子钧.地下铁道设计与施工［M］.西安：陕西科学技术出版社，1997［2］GB50299-1999，地下铁道工程施工及验收规范（2003年版）［S］.［3］GB50157-2012，中华人民共和国国家标准：地铁设计规范（报批稿）［S］.［4］合肥市轨道交通工程渣土资源化利用研究与示范项目调研报告［R］.2013［5］章盛莉.钻洞修地铁，大量渣土哪去了.中国日报网［N］，2012-9-163结语地铁工程复杂而又具有很强的技术性，社会关注度高。所以，新建地铁工程总会遇到各种新的问题，需要不断研究解决，从而丰富和发展我国地铁建设的技术水平。本文介绍的南通地铁一号线一期工程07标段的几个工程问题是工程实际中遇到而必须要解决的。下一步应结合工程施工来开展具体的研究工作，为工程安全、顺利建成提供服务。