详情

原文传递隧道掌子面施工空间温度分析及数值模拟研究

论文题名：	隧道掌子面施工空间温度分析及数值模拟研究
关键词：	隧道施工;掌子面空间;温度变化;送风方式
摘要：	随着隧道施工逐渐朝着长大、深埋方向发展，施工过程中由于围岩、设备、人员等因素导致的高温问题愈发严重，且隧道内热环境与隧道内安全施工、设备正常运转、人员安全作业等息息相关。因此为了应对隧道高温问题，需要了解隧道施工过程中的空气温度变化规律，特别是隧道掌子面施工空间的温度规律。本文基于理论分析建立隧道内空气微团的温度数学模型，结合研究区域内热量情况得到隧道施工近掌子面空间的温度计算模型，同时利用数值模拟软件对不同送风方式下的隧道空间内温度变化规律进行研究，其结果可以为通风方案的设计与优化提供参考。主要研究结论和成果如下：　　（1）通过对隧道施工情况及相关文献进行分析，考虑施工过程中重力、浮力、旋流等因素的影响，采用重整化模型进行隧道施工通风模拟，并进行网格无关性分析和方法验证，在网格数量达到983170时，符合精度要求。实例模拟结果与文献中现场数据进行比较，平均相对误差为3.19%，且温度变化规律一致。认为该数值模拟方法可用于后续相关内容模拟研究。k?? 　　（2）通过对空气微团热量变化过程进行研究，建立了单位体积空气温度数学模型。确定了计算区域及该区域内热量计算方法；结合建立的空气温度数学模型，得出了稳定状态下隧道掌子面施工空间温度计算模型。按照隧道施工相关规范要求，计算得到模拟隧道施工需风量为34.46 m3/s，并确定了数值模拟工况。　　（3）通过对不同工况下隧道掌子面施工空间平均空气温度进行研究。隧道掌子面施工空间平均空气温度满足规范要求的送风量为30 m3/s-35 m3/s之间，与理论建立的温度计算模型结果一致。送风量增加会导致空间内平均空气温度下降，但温度降低幅度逐渐缩小。围岩温度的增加导致空间内平均空气温度上升，但不同送风方式下空气温度增幅基本一致。通风距离增加会使低温射流降温效果减弱，当通风距离分别超33.6 m、46.5m，射流终止产生回流。　　（4）通过改变送风量、围岩温度、通风距离，研究了不同送风方式下隧道掌子面施工空间温度变化规律，得出如下结论：1）在竖直高度上，平均空气温度先下降再上升。侧送风时下降速率大于上升速率，顶送风时下降速率小于上升速率。2）在典型截面上，不同送风量下侧送风时对风筒轴线高度温度影响最小，顶送风时对风筒轴线高度温度影响最大。不同围岩温度下不同截面空气温度影响程度排序一致，均为：2m以下作业呼吸高度＞2m以上作业呼吸高度＞风筒轴线高度。不同通风距离下，侧送风与顶送风对不同截面的影响程度存在很大差异。3）头足温差方面，不同送风量下，2 m以下作业时采用侧送风人员舒适性较好，2 m以上作业时采用顶送风人员舒适性较好；不同围岩温度下，顶送风方式人员舒适性较好；不同通风距离下人员作业舒适度有很大不同。　　（5）对比隧道掌子面施工空间平均空气温度计算值与模拟值，不同送风方式下平均相对误差分别为5.16%、3.06%。空气温度计算模型仍存在一定误差，需要对模型进行修正。因此，在原计算模型中增加附加项，经非线性曲线数据拟合，得到精度更高的计算式，平均相对误差分别降为2.56%、2.17%。
作者：	夏卫东
专业：	安全工程
导师：	刘何清;彭小兰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南科技大学
学位年度：	2022