一种基于风流温度平衡的高温隧道冷量缺口的计算方法技术

本发明专利技术提供了一种基于风流温度平衡的高温隧道冷量缺口计算方法，包括通风稳态条件下隧道洞内风流平衡温度计算、隧道常规热源量化计算以及隧道降温措施冷量计算。所述的风流温度平衡计算利用现场可测的温度、湿度等指标，通过求解三阶段风流换热和能量平衡方程，获得洞内相应位置的环境温度；所述的隧道常规热源包括高温热水、高温围岩、炸药爆破、水泥水化、内燃机械和施工人员散热；所述的隧道降温措施包括冰块、冷水融合、通风和机械制冷降温。本发明专利技术提出的计算方法解决了以往隧道降温措施降温效果难以评估、冷量缺口不明等工程问题，有助于提前选择和布局合适的降温措施，使洞内环境达到作业要求，保障高温隧道安全、经济和快速施工。速施工。速施工。

【技术实现步骤摘要】
一种基于风流温度平衡的高温隧道冷量缺口的计算方法


[0001]本专利技术属于隧道工程
，具体涉及一种基于风流温度平衡的高温隧道冷量缺口计算方法。

技术介绍

[0002]随着国内铁路、公路、水利等基础设施行业掀起新一轮建设热潮，隧道工程逐渐向超深、超长、超大断面方向发展，工程热害问题给隧道建设带来了诸多障碍和挑战。《铁路隧道设计规范》中规定隧道施工环境温度不得超过28℃，因为高温环境会恶化施工环境、危害衬砌结构性能、威胁作业人员健康从而影响着隧道工程勘察、设计、施工和运营维护各个阶段。高地温影响因素众多，其中地质构造、地震特征、水化学特征、地热储特征等因素都有可能导致高地(水)温热害。
[0003]从国内外高地温隧道工程建设情况来看，当原始岩温达到35℃、湿度达到80％时，隧道的高地温热害问题已非常严重。国内外学者在隧道降温技术和降温效果方面已经作了大量研究，并形成了丰硕的成果，但当隧道中存在多种热源，包括围岩散热、热水散热、爆破散热、水泥水化散热、内燃机车散热和施工人员散热时，选择何种降温措施能够将环境温度降到目标温度仍旧依赖于工程经验，并且降温效果量化分析鲜有研究，尤其当隧道内出现高温涌水情况时，合理的降温措施一方面可以有效降低环境温度，另一方面也可以最大限度控制降温成本。
[0004]施工阶段，选择合理的降温措施关键是明确隧道当前存在的热量以及各种降温措施所能提供的最大冷量，经过对比判断隧道未开挖部分活中隧道后期是否存在冷量缺口，有助于指导施工单位提前做好降温准备，而当前的研究对于冷量缺口理论计算尚为不足，难以支撑施工现场降温选择。

技术实现思路

[0005]为科学评估高岩温、高水温隧道当前或者后期存在的冷量缺口，本专利技术提供了一种基于风流温度平衡的高温隧道冷量缺口计算方法，该计算方法解决了以往隧道降温措施降温效果难以评估、冷量缺口不明等工程问题，一方面有助于提前选择和布局合适的降温措施，使洞内环境达到作业要求，保障高(岩)水温隧道安全、经济和快速施工，另一方面也为类似的高地(水)温隧道段落降温措施的动态化设计提供参考。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于风流温度平衡的高温隧道冷量缺口计算方法，首先进行隧道常规热源量化计算以及隧道降温措施冷量计算，然后通风稳态条件下隧道洞内风流平衡温度计算，通过得到的通风稳态条件下隧道洞内风流平衡温度计算高温隧道冷量缺口，具体包括以下步骤：
[0008]第一步：实测现场掌子面近区围岩温度T
rj
，风流与围岩换热面积T
r
‑
a
，高温热水温度T
w
，热水换热面积A
w
‑
a
，爆破炸药量G
b
，喷射混凝土方量V，内燃机车功率P和施工人员数量
N，涉及到传热系数查询工具书可获得。
[0009]第二步：实测现场通风管参数，包括风机风量、漏风率、风管出口空气相对湿度，隧道掌子面空气相对湿度，隧道口空气相对湿度，查询风管的导热系数。
[0010]第三步：如果现场采用了冰块降温措施，测量冰块的换热面积，如果没有，此步可忽略。
[0011]第四步：如果现场采用了冷水融合，测量冷水的温度℃，融合的水量m3/h以及冷水的输送的距离，如果没有，此步可忽略。
[0012]第五步：将实测的参数分别代入公式1～公式3，用计算机程序Python或Matlab求解，获得T2，T3和T4；
[0013]第六步：获得温度T3即风流换热后的温度后，再利用公式12计算冷量；
[0014]公式12是：Q
qk
＝M
b
C
pa
(T3‑
T
goal
)；
[0015]第七步：获得Q
qk
后，如果Q
qk
<0，则证明隧道风流换热后的温度小于目标降温温度T
goal
，当前的降温措施满足要求；如果Q
qk
≥0，则证明隧道风流换热后的温度大于目标降温温度T
goal
，当前的降温措施不满足要求。
[0016]所述公式1是：C
pa
(M
a
+M
b
)(T2‑
T1)/2＝0.5
·
h
t
S
t
(T3+T4‑
T1‑
T2)/2，
[0017]在公式1中，M
a
和M
b
分别为风管入口和风管出口的质量流量kg/s，T1,T2,T3和T4分别为风管入口风温、风管出口风温、掌子面回风风温和隧道入口风温℃，C
pa
为空气的恒压热容kJ/(kg
·
℃)；h
t
是风流与风管间的不稳定换热系数W/(m2·
℃)，S
t
是风管的换热面积m2。
[0018]公式2是：M
b
[C
pa
(T3‑
T2)+γ(d3‑
d2)]＝Q
at
‑
Q
1c
‑
Q
2c
‑
Q
3c
[0019]在公式2中，γ为水的汽化潜热kJ/kg，d2风管出口的空气含湿量kg/kg，d3掌子面的空气含湿量kg/kg，Q
at
为降温区域热源总和kW，Q
1c
为冰块降温冷量kW，Q
2c
为冷水融合冷量，Q
3c
为机械制冷冷量。
[0020]上述公式2中的全部热源Q
at
为隧道降温区域(掌子面近区)热源的总和即为隧道常规热源量化计算，包括围岩散热Q1、热水散热Q2、爆破散热Q3、水泥水化散热Q4、内燃机车散热Q5和施工人员散热Q6，计算公式分别采用公式4～公式9；
[0021]公式4是：Q1＝h
r
‑
a
A
r
‑
a
(T
rj
‑
0.5
·
(T2+T3))；
[0022]在公式4中，Q1为掌子面附近围岩散热量kW，h
r
‑
a
是掌子面近区围岩与空气不稳定换热系数kW/(m2·
℃)，A
r
‑
a
为围岩换热面积，T
rj
为掌子面近区围岩温度℃，T2为风管出口风流温度，T3为掌子面回风温度；
[0023]公式5是：Q2＝h
w
‑
a
A
w
‑
a
(T
w
‑
0.5(T2+T3))+r
w
M
w
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于风流温度平衡的高温隧道冷量缺口计算方法，其特征在于：首先进行隧道常规热源量化计算以及隧道降温措施冷量计算，然后通风稳态条件下隧道洞内风流平衡温度计算，通过得到的通风稳态条件下隧道洞内风流平衡温度计算高温隧道冷量缺口。2.如权利要求1所述的一种基于风流温度平衡的高温隧道冷量缺口计算方法，其特征在于，所述通风稳态条件下隧道洞内风流平衡温度计算分为三个过程，分别是T1‑
T2等湿加热过程，T2‑
T3加热加湿过程和T3‑
T4加热加湿过程；所述的T1‑
T2等湿加热过程为风流在通风管内向掌子面降温区域流动，风管与隧道内的风流发生热交换，风流温升吸热量与风管内外风流温差导致的对流换热量相等，平衡方程如公式1所示；公式1是：C
pa
(M
a
+M
b
)(T2‑
T1)/2＝0.5
·
h
t
S
t
(T3+T4‑
T1‑
T2)/2，在公式1中，M
a
和M
b
分别为风管入口和风管出口的质量流量kg/s，T1,T2,T3和T4分别为风管入口风温、风管出口风温、掌子面回风风温和隧道入口风温℃，C
pa
为空气的恒压热容kJ/(kg
·
℃)；h
t
是风流与风管间的不稳定换热系数W/(m2·
℃)，S
t
是风管的换热面积m2；所述的T2‑
T3加热加湿过程为风流与掌子面区域进行换热，隧道风流温度升高与湿度增加导致的吸热量等于隧道围岩、水、人员及机械所放出的热量总和，平衡方程如公式2所示；公式2是：M
b
[C
pa
(T3‑
T2)+γ(d3‑
d2)]＝Q
at
‑
Q
1c
‑
Q
2c
‑
Q
3c
在公式2中，γ为水的汽化潜热kJ/kg，d2风管出口的空气含湿量kg/kg，d3掌子面的空气含湿量kg/kg，Q
at
为降温区域热源总和kW，Q
1c
为冰块降温冷量kW，Q
2c
为冷水融合冷量，Q
3c
为机械制冷冷量；所述的T3‑
T4加热加湿过程为风流回风过程中与围岩或衬砌继续进行换湿换热，风流温度与湿度变化传递的热量等于隧道围岩放热量减去隧道风流传出到风管风流的热量，平衡方程如公式3所示：公式3是：[C
pa
(T4‑
T3)+γ(d4‑
d3)]＝h
cy
S
cy
(T
cy
‑
0.5
·
(T4+T3))
‑
C
pa
M
a
(T2‑
T1)在公式3中，d4隧道口的空气含湿量kg/kg，h
cy
为风流与掌子面远区围岩或衬砌的不稳定换热系数W/(m2·
℃)，S
cy
为换热面积m2，T
cy
为掌子面远区围岩或者衬砌的温度℃。3.如权利要求1或2所述的一种基于风流温度平衡的高温隧道冷量缺口计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：第一步：实测现场掌子面近区围岩温度T
rj
，风流与围岩换热面积T
r
‑
a
，高温热水温度T
w
，热水换热面积A
w
‑
a
，爆破炸药量G
b
，喷射混凝土方量V，内燃机车功率P和施工人员数量N，涉及到传热系数查询工具书可获得；第二步：实测现场通风管参数，包括风机风量、漏风率、风管出口空气相对湿度，隧道掌子面空气相对湿度，隧道口空气相对湿度，查询风管的导热系数；第三步：如果现场采用了冰块降温措施，测量冰块的换热面积，如果没有，这一块冷量可忽略；第四步：如果现场采用了冷水融合，测量冷水的温度℃，融合的水量m3/h以及冷水的输送的距离；第五步：将实测的参数分别代入式(1)～式(3)，用计算机程序Python或Matlab求解，获得T2，T3和T4；
第六步：获得温度T3即风流换热后的温度后，再利用公式12计算冷量；公式12是：Q
qk
＝M
b
C
pa
...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁占锋，李国良，朵生君，李宁，王新东，王煦霖，刘国庆，向亮，
申请(专利权)人：中铁第一勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：