寒区隧道保温装置及其喷射风速和温度的计算方法

本发明属于隧道防寒保温技术领域，具体涉及一种寒区隧道保温装置及其喷射风速和温度的计算方法。

背景技术：

我国的寒区面积为417.4×104km²，占国土面积的43.5％，随着交通运输网的日益完善，铁路、公路建设逐渐向高海拔和高纬度的寒区扩展延伸。冬季时，隧道长期处于严寒环境中，衬砌易发生冻胀开裂、漏水挂冰、酥脆剥落等问题。若不及时治理，就会危及正常的行车安全，最终使整条隧道报废，造成巨大的资源浪费和经济损失。如：新疆的天山二号隧道，全场1007m，总投资5480万元，1988年8月底完工后发现部分区域存在漏水问题，秋冬季节时，由于路面结冰，洞口挂冰，导致隧道一直无法正常使用，经过多年冻融循环破坏，现在该隧道已不再通车运营，近乎报废；甘肃七道梁隧道在冬季产生冻胀破坏，造成衬砌混凝土开裂，隧道发生渗漏，进而使得路面结冰，严重影响行车安全，每年需投入大量人力物力进行隧道养护和冻害整治。因此，综上所述隧道的防寒保温措施将成为未来寒区工程建设应注重的问题之一。

产生隧道冻害的因素有3点：1.温度因素，只有到达一定的低温时，衬砌背后的水才会出现水冰相变；2.动力因素，外界自然风力将冷空气带入隧道内，使隧道冻结里程不断增加；3.时间因素，若低温持续时间仅有几小时或者几天，这种影响可忽略，因此只有足够长的冻结时间(几十天或数月)才能产生冻害。

目前工程中防治隧道冻害应用最多的方法为铺设保温层法，通过降低环境与隧道衬砌、围岩之间的传热系数来减小冻融的传播速度，较为被动。随着隧道运营年限的增长，保温层受自然环境以及衬砌渗水的侵蚀较为严重，防护寿命可能仅为5～6年。空气幕现在多用于高层建筑的防烟通风；地铁、车站、冷库屋内的保温隔热；以及在矿山、矿井中排出废气，隔绝粉尘。还未有应用于寒区隧道保温的报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种寒区隧道保温装置及其喷射风速和温度的计算方法。

一种寒区隧道保温装置，所述保温装置为空气幕；所述空气幕为贯流式空气幕或离心式空气幕。

所述贯流式空气幕的结构如下：活滤网1内设有风轮3和加热器4，所述风轮3与风机马达5相连；所述第一加热器4设置于风轮3下部；所述活滤网1的下部设有第一出风口2。

所述离心式空气幕的结构如下：离心式机6设置于上导流罩7内，上导流罩7的下部与加热器8相连，第二加热器8与下导流罩9相连，下导流罩9的下部设有第二出风口10。

所述离心式机6内含风轮和电机。

本发明空气幕喷射气流的风速和温度的理论计算方法，可用下述方法进行设定：

①计算模型的设定：

棚洞纵断面计算图如图1所示，设竖直方向为x轴，水平方向为y轴。外界自然风速为ω，m/s；空气幕喷口风速为ω0，m/s；喷射角度为α，°；喷口厚度分别为b0，m；隧道洞口的净高为h，m；

②空气幕喷射气流速度的计算方法：

单位宽度的自然风的流函数的计算式为：

单位宽度的空气幕喷射气流的流函数的计算式为：

式中a为空气的湍流系数。

因此，洞口气流的流函数即为自然风流函数和空气幕流函数叠加，即ψ＝ψ1+ψ2，此时ψ的计算式为：

当式(3)的边界条件为x＝0，y＝0时，洞口气流的流函数ψ0＝0；边界为x＝h，y＝0时，洞口气流的流函数ψh为：

根据流体力学原理，2条流函数的差值即为以2条流函数为边界的体积流量，所以隧道洞口段单位宽度的流量为：

q＝ψh-ψ0(5)

设变量则：

此时，隧道洞口段单位宽度的流量q是空气幕喷射的气流量q0和自然风流入的气流量q′之和，即：

q＝q0+q'(7)

若当外界自然风流入的气流量q′等于0时，说明空气幕可完全阻隔外界自然风流，因此有：

最终可得空气幕射流速度的计算式为：

③空气幕喷射气流温度的计算方法：

隧道没有安装空气幕时，洞口温度与外界环境温度相同；若隧道安装空气幕，空气幕喷射气流在阻隔自然风的同时，也会与冷空气产生热对流，此时进入隧洞的气流温度为空气幕气流与自然风混合之后的温度。

设t0为空气幕的射流温度，℃；t′为自然风流的温度，℃；t为经过冷热交换后，流入隧道内气流的混合温度，℃。根据热平衡原理得：

由式(10)可知，为防止隧道冻害现象发生，应使流入隧道内气流的混合温度t≥0。

本发明的有意效果：本发明在隧道前面搭建的混凝土棚洞，可以在风雪等不利的天气下，保证隧道内行车的安全。隧道衬砌背后的围岩中一般存在较多的地下水，在冬季长时间低温环境下极易发生冻胀，破坏隧道结构，采用空气幕保温措施，即使在最冷月月，也可以根据外界环境灵活设置空气幕的架设数量、喷口的风速和温度，保证隧道不发生冻害。且空气幕造价较为低廉，且后期修缮更换空气幕的成本相较于修缮冻害隧道的成本更小，节约大量的人力物力。当隧址处月平均气温高于0℃时，此时隧道内部地下水不会发生冻结，即可以停止使用空气幕。在我国大部分寒冷地区，月平均气温低于0℃的时间约为3～4个月，该措施也具有良好的经济性。

附图说明

图1为棚洞纵断面计算图；

图2为贯流式空气幕正视图；

图3为贯流式空气幕侧视图；

图4为贯流式空气幕的风轮与风机马达结构简图；

图5为离心式空气幕正视图；

图6为离心式空气幕侧视图；

图7为实施例3隧道断面尺寸图；

图8为实施例3棚洞断面图；

图9为实施例3棚洞与隧道主体结构示意图；

图10为有限元计算模型；

图11为温度云计算结果图；

图12为速度矢量计算结果图；

图13为多机串联模型示意图；

图14为l＝5时空气幕气流的速度矢量图；

图15为l＝10时空气幕气流的速度矢量图；

图16为l＝30时空气幕气流的速度矢量图；

图17为l＝30时的温度云图；

图中；1-活滤网、2-第一出风口、3-风轮、4-加热器、5-风机马达、6-离心式机、7-上导流罩、8-第二加热器、9-下导流罩、10-第二出风口。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

实施例1

一种寒区隧道保温装置，所述保温装置为贯流式空气幕，其结构如图2-4所示：活滤网1内设有风轮3和加热器4，所述风轮3与风机马达5相连；所述第一加热器4设置于风轮3下部；所述活滤网1的下部设有第一出风口2。

实施例2

一种寒区隧道保温装置，所述保温装置为离心式空气幕，其结构如图5-6所示：离心式机6设置于上导流罩7内，上导流罩7的下部与加热器8相连，第二加热器8与下导流罩9相连，下导流罩9的下部设有第二出风口10。所述离心式机6内含风轮和电机。

实施例3

本实施例以京张高铁的正盘台隧道为例进行解释说明。该隧道位于河北省张家口市，是2022年北京冬奥会崇礼赛场交通配套工程、京张高铁第一长隧道。

首先根据隧道洞门的净宽和净高搭建合适尺寸的棚洞。棚洞的宽和高最小应等于隧道断面的净宽和净高，平面图如图7-8所示。

根据实际使用情况设置棚洞的洞长，空气幕搭建在棚洞洞口。为使寒冷的自然风与空气幕喷射出的热风温度均匀混合，棚洞不宜太短，取50m较好，如图9所示。

根据隧址气象站提供的资料，得出冬季最冷月的平均气温与平均风速。如根据张家口气象站的资料显示，冬季平均风速为2m/s，最冷月平均最低气温约为-10℃左右。因此取隧道高h＝8m，洞口自然风速ω＝2m/s，外界环境温度t′＝-10℃，湍流系数k＝0.2，空气幕喷口宽度取标准尺寸b0＝0.2m，喷射角度α一般取30～40°，本次选用30°。将上述参数代入式(9)和式(10)计算。

空气幕的射流速度为：

空气幕射流速度的计算结果为ω0＝22.7m/s。

空气幕的射流温度为：

空气幕射流温度的计算结果为t0＝35.24℃。

为验证该计算方法的准确性，采用有限元软件icem建立隧道棚洞模型，如图10所示；fluent进行计算，计算结果如图11-12所示。

图11的温度云图显示了当外界自然风温度为-10℃，空气幕射流的计算温度为35.24℃时，隧道内温度的分布规律。可以看到，空气幕喷出的气流形成一道幕墙，阻隔了外界自然风，射流外边界不断与自然风交汇混合形成了外混合区，冷热气流产生热交换；射流核心区较为稳定，最终流入隧道内。随着隧道进深的增加，洞内混合气体温度已达到0℃左右，与计算结果相符合。从图12的速度矢量图可以看到，自然风在洞口被阻隔后，向下弯曲射向地面，证明空气幕对于自然风有较好的阻隔作用。

若隧址处最冷月温度较低，单台空气幕无法满足防寒要求，假如其他条件不变。但是最冷月气温为极端条件-30℃时，根据前面的计算得出单台空气幕喷射气流的温度应为116.3℃。《空气幕设计》规范中要求，若热媒为蒸汽时，空气加热后的温度不应大于70℃；热媒为热水时，空气加热后的温度不应大于60℃；电热工业空气幕，加热温度最高在50～60℃之间。若采用两台空气幕串联的形式，则每台空气幕喷射温度为58.15℃，符合规范要求。可见单独一个空气幕无法满足极端气候下隧道的防寒需要，则可以考虑多台空气幕串联方式，如图13所示，此时，每道空气幕之间的间隔距离l应成为重点考虑的问题。

l为5m和10m时，如图14-15所示，可以看出第一台空气幕运行正常，第二台空气幕的喷射气流无法到达隧道底部。间隔5m时，图14的速度矢量图显示，第二台空气幕的喷射气流被第一台空气幕所产生的气流阻隔，导致第二台空气幕喷射气流的加热效果不能覆盖整个隧道断面，无法满足隧道整体的防寒需求，造成资源浪费。

间隔10m时，图15的速度矢量图显示，第二台空气幕的喷口位于洞内回旋气流回流区域附近，喷射气流受其影响，气流直接向隧道洞口方向运动，所以第二台空气幕加热效果仅仅作用于隧洞顶部，同样无法满足隧道整体的防寒需求，造成了资源浪费。因此可知，两台空气幕应保持一定的间隔，才能充分发挥作用。

l为30m时，如图16-17所示，第二台空气幕喷口位置避开了隧道内的回旋气流区域。此时隧道内的速度数量图如图16所示，两台空气幕均运行正常；隧道内温度云图如图17所示，在自然风温度-30℃，两台空气幕喷口温度为58.15℃的情况下，经过第一道空气幕后，洞内的还有部分区域存有负温区，经过第二道空气幕后，隧道内混合温度达到0℃左右，满足隧道的防寒抗冻需求。因此在串联空气幕时，在确定喷射气流大小的前提下，后面一台空气幕应避开前一台空气幕产生的回旋气流区域，才能达到最佳的防寒保温效果，使资源得到合理的利用。

可见，处在极端寒冷环境下的隧道，使用两台空气幕也可以满足最基本的防寒需要，经济性最好。同理，为使隧道内的温度进一步提升，也可选择串联更多台空气幕。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。