高地温隧道长距离施工降温供风量计算方法及降温设计研究

Research on Calculation Method and Cooling Design for Cooling Air Supply Volume in Long-Distance Construction of High Geothermal Tunnels

摘要

针对目前高地温隧道施工降温供风量计算时并未考虑风管与空气之间的热交换，从而导致计算结果偏小的不足，先根据有限差分理论和传热学原理，在考虑隧道外气温、进尺、隧道等效半径、漏风率的基础上提出高地温隧道降温供风量计算方法，再综合多种措施提出具体降温设计原则及方案。结果表明：所提方法的计算结果与现场监测数据间的误差为3.78%，验证了方法的准确性；围岩温度和进尺会严重影响风管出口的风流温度，降低围岩散热量或增大风量均可有效降低隧道内的环境温度；隧道外气温在超过15 ℃后对降温供风量的影响非常大，且围岩温度越高、进尺越长对降温供风量的影响越大；仅采用风机通风很难达到较好的降温效果，进尺超过1 000 m后3 cm厚保温风管便能有效减小降温供风量；进尺超过2 000 m或围岩温度超过60 ℃时可优先采用保温风管，进尺超过3 000 m或围岩温度超过80 ℃时可优先采用壁贴式保温层；降温设计方案通用性强，且既能节约降温成本又能有效减少所需降温供风量。

Abstract

At present, the heat exchange between the duct and the air is not considered during the current calculations of cooling air supply volume for high geothermal tunnel construction, which leads to the shortage of smaller calculation results. First, a method for calculating the cooling air supply volume for high geothermal tunnels is proposed based on finite difference theory and heat transfer principles, taking into account factors such as external ambient temperature of the tunnel, footage, tunnel equivalent radius, and air leakage rate. Then, specific cooling design principles and schemes are established by integrating multiple measures. The results indicate that the error between the calculated results and the on-site monitoring data is 3.78%, verifying the accuracy of the method. The surrounding rock temperature and footage will significantly affect the airflow temperature at the duct outlet, so reducing the heat dissipation of surrounding rock or increasing the airflow volume can both effectively lower the internal ambient temperature of the tunnel. The external ambient temperature of the tunnel has a significant impact on the cooling air supply volume when it exceeds 15 ℃, and the higher the surrounding rock temperature and the longer the footage, the greater the impact on the cooling air supply volume. It is difficult to achieve good cooling effects only by fan ventilation, and a 3 cm thick insulated air duct can effectively reduce the cooling air supply volume after the footage exceeds 1 000 m. When the footage exceeds 2 000 m or the surrounding rock temperature exceeds 60 ℃, the priority should be given to the use of insulated air ducts; while when the footage exceeds 3 000 m or the surrounding rock temperature exceeds 80 ℃, the priority should be given to the use of wall-mounted insulation layers. The proposed cooling design scheme has strong versatility, and can both reduce cooling costs and effectively reduce the required cooling air supply volume.

Graphical abstract

关键词

高地温隧道 / 有限差分理论 / 降温供风量 / 降温设计

Key words

High geothermal tunnels / Finite difference theory / Cooling air supply volume / Cooling design

在高地温隧道施工过程中，环境温度可能超过规范控制值，隧道内的工人可能中暑，机械效率也会下降。采取有效的降温措施是确保高地温隧道顺利贯通的关键^［1-6］。

对于高地温隧道，长距离施工环境下的温度同时受围岩温度、洞外环境温度、进尺、风量等因素影响，所以将高地温隧道环境温度控制在规范要求内十分困难。大多学者采用理论分析或现场测试等方法研究高地温隧道围岩温度场及环境温度的变化规律^［7-10］。周小涵等^［11］基于三维有限差分理论，提出了不同埋深隧道环境温度的表达式。胡政等^［12］利用监测数据，拟合得到了围岩温度和环境温度的关系式。王峰等^［13-14］利用理论分析和现场测试方法，研究了围岩温度、风量和风管出口风温对隧道环境温度的影响。Chen等^［15］利用理论方法，研究了高地温隧道中风速与风管对流换热系数之间的关系，给出了高地温隧道环境温度随进尺的表达式。杨德源等^［16］提出保温风管对流换热系数计算方法以及高地温隧道降温供风量计算方法。Chen等^［17］利用有限差分理论结合COMSOL软件，模拟了长距离高地温隧道风管与环境之间的热交换，在此基础上提出高地温隧道环境温度预测方法，并给出风管保温层厚度对环境温度的影响规律。张耀等^［18］和夏才初等^［19-21］分别采用理论方法研究壁贴式保温层对寒区隧道温度场的影响规律。以上研究表明，加强通风能有效地降低环境温度和围岩温度，但很难将环境温度降至28 ℃以下，主要原因是风管与隧道内的高温空气进行热交换，进尺越长，风管出口处的空气温度就越高，隧道内的环境温度也就越高，然而大多数学者研究降温供风量时并未考虑进尺的影响，导致计算结果偏小。

本文采用二维隐式差分理论计算高地温隧道的环境温度，并考虑风管与隧道环境温度之间的热交换、隧道外气温、进尺、隧道面积、围岩温度和漏风率等因素，研究降温供风量的变化规律；在此基础上，综合考虑各类措施的降温效果，提出适用于不同进尺和不同围岩的通风降温设计原则。

1 计算方法

1.1　基本假设

对高地温隧道降温时，通常采用加强通风的措施，但是沿隧道进尺方向，风管会与隧道内热空气进行热交换，从而导致风管内空气温度升高。受通风的影响，高地温隧道的壁面温度会逐渐降低，隧道内散热量会逐渐减小，从而影响降温供风量。为精确获得隧道壁面温度，采用隐式差分法计算围岩内部热传导和围岩与风流之间的对流换热，并对高地温隧道温度场进行假设。

（1）围岩内部温度仅考虑热传导作用，忽略热辐射影响；围岩与空气边界仅考虑强制对流，忽略自然对流和热辐射。

（2）围岩与初期支护、隔热层和二衬之间的界面是连续且无缝的。

（3）轴向边界条件为绝热边界，即无热量传递。

（4）环境温度控制值为28 ℃。

（5）不考虑隧道壁的粗糙度影响。

（6）将风流视为非黏性不可压缩的稳定流体。

1.2　计算流程

计算高地温隧道降温供风量的流程如图1所示。图中：C为空气增量，取值为1 m³ · s^-1；T_AF和T_AF1分别为环境温度的控制值和计算值；V和V₁分别为降温供风量及其计算过程量。

根据图1，计算流程的具体步骤如下。

（1）确定高地温隧道的地质参数、隧道外的温度、施工参数和通风参数。

（2）计算风管出口的风流温度。

（3）计算高地温隧道的真实环境温度。

（4）确定环境温度控制值T_AF与环境温度计算值T_AF1之差是否小于10^-4。如果是，则停止计算并输出风管温度和降温供风量；否则将V赋值给V₁并返回步骤（2）重新计算，直到满足要求后停止计算，输出风管温度和降温供风量。

1.3　理论推导

为了分析隧道施工通风对温度场的影响，首先设置围岩温度场边界温度。由于热量从围岩边界向衬砌边界传递并通过热传导作用影响衬砌温度，同时衬砌与风流之间持续发生对流换热，因此可按照计算流程迭代计算围岩温度和风流温度^［16］，先计算内部节点围岩温度，再计算相邻材料界面的传热，然后计算围岩对流边界节点温度，最后计算隧道内纵向风流温度。

高地温隧道中径向传热示意图和节点划分如图2所示。图中：P为围岩内部任意节点；E，W，N，S为位于节点P东、西、北、南不同方位的节点；Δr和Δx分别为隧道径向和纵向步距，m。

隧道纵向瞬态温度场风流部分的控制方程^{［6-7，11，17］}为

{\rho }_{\mathrm{a}}A{c}_{\mathrm{a}}\left(\frac{\partial T_{\mathrm{f}}}{\partial \tau }+v\frac{\partial T_{\mathrm{f}}}{\partial x}\right)=hU(T_{\mathrm{B}}-T_{\mathrm{f}})+q_{\mathrm{s}}（1）

式中：ρ_a为空气密度，kg · m^-3；A为隧道净空面积，m²；c_a为空气比热容，J · （kg · K）^-1；T_f和T_B分别为隧道环境和隧道壁的温度，℃；τ为时间，s；v为风速，m · s^-1；x为纵向步距，m；h为隧道壁的对流换热系数，W · （m² · K）^-1；U为隧道周长，m；q_s为其他热源的产热量，kW · m^-1。

围岩调温圈的边界条件为

T_{\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{R}}=T(r,x,\tau )（2）

式中：r为围岩内任意位置的半径。

隧道与空气的对流换热边界条件为

-\lambda \frac{\partial t}{\partial r}=h(T_{\mathrm{B}}-T_{\mathrm{f}})（3）

式中：T_ISR为围岩调温圈边界的温度；λ为围岩的导热系数，W · （m · K）^-1。

1）内部节点围岩温度计算^［7］

对图2中的控制体积P在时间间隔［t，t+Δt］内进行积分，假设控制体积界面上的热流密度是均匀的，则采用全隐式格式的表达式为

a_P^{(t)}{T}_P^{(t)}=a_i^{(t)}{T}_i^{(t)}+b=a_E^{(t)}{T}_E^{(t)}+a_W^{(t)}{T}_W^{(t)}+a_N^{(t)}{T}_N^{(t)}+a_S^{(t)}{T}_S^{(t)}+b（4）

a_P^{(t)}=a_E^{(t)}+a_W^{(t)}+a_N^{(t)}+a_S^{(t)}-S_P\mathrm{\Delta }V（5）

其中，

\left\{\begin{array}{l}{a}_i=\frac{r_P\mathrm{\Delta }r}{{\left(\mathrm{\delta }x\right)}_i/{\lambda }_i}\\ a_P^{\mathrm{0}}=\frac{{(c\rho )}_P\mathrm{\Delta }V}{\mathrm{\Delta }t}\end{array}\right.（6）

b=a_P^{(t-\mathrm{1})}{T}_P^{(t-\mathrm{1})}+S_{\mathrm{C}}\mathrm{\Delta }V（7）

\mathrm{\Delta }V=\mathrm{0.5}(r_N+r_S)\mathrm{\Delta }r\mathrm{\Delta }x（8）

式中：t为任意时间；i为节点E，W，N和S；a_i 为节点E，W，N和S与中心点P间导热电阻的倒数；b为源项；S_P 为系数；ΔV为单位体积；r_S，r_P 和r_N 分别为节点S，P和N的等效半径，m；（δx） _i 为节点E，W，N和S与中心点P之间的距离，m；λ_i 为节点E，W，N和S的导热系数，W · （m · K）^-1。

2）相邻材料界面的传热计算

围岩、初期支护、隔热层和二次衬砌的导热系数不同。根据界面热流密度连续的原理，采用调和平均法计算接触边界的导热系数q_N 为

q_N=\frac{T_N-T_P}{{(\mathrm{\delta }x)}_{N^{-}}/{\lambda }_P+{(\mathrm{\delta }x)}_{N^{+}}/{\lambda }_N}（9）

另一方面，根据界面等效热导率可知

q_N=\frac{T_N-T_P}{{(\mathrm{\delta }x)}_N/{\lambda }_N}（10）

由式（9）和式（10），得出2种不同介质界面处的导热系数存在如下关系

\frac{{(\mathrm{\delta }x)}_N}{{\lambda }_N}=\frac{{(\mathrm{\delta }x)}_{N^{-}}}{{\lambda }_P}+\frac{{(\mathrm{\delta }x)}_{N^{+}}}{{\lambda }_N}（11）

式（11）即是确定界面等效热导率的调和平均方程，可以看作是串联过程热阻迭代原理的体现。

3）围岩对流边界节点温度计算

初支内侧受风流影响，风流的热流密度q_B为

q_{\mathrm{B}}=h(T_{\mathrm{f}}-T_{\mathrm{B}})（12）

隧道边界节点，围岩与风流之间的对流换热及节点划分如图3所示。

此外，根据傅里叶定律还可得到q_B的另一个表达式，即

\begin{array}{l}{q}_{\mathrm{B}}=\frac{T_{\mathrm{f}}-T_{\mathrm{B},W}}{\mathrm{1}/h}=\frac{T_{\mathrm{B},W}-T_{\mathrm{B},P}}{{(\mathrm{\delta }x)}_W/{\lambda }_{\mathrm{B}}}\\ =\frac{T_{\mathrm{f}}-T_{\mathrm{B},P}}{\mathrm{1}/h+{(\mathrm{\delta }x)}_W/{\lambda }_{\mathrm{B}}}=\frac{{\lambda }_{\mathrm{B}}\left(T_{\mathrm{B},W}-T_{\mathrm{B},P}\right)}{{(\mathrm{\delta }x)}_W}\end{array}（13）

式中：T_B,W 为壁面温度；T_B,P 为节点P的温度。

整理项，得到t时刻节点W的隧道壁面温度为

T_{\mathrm{B},W}^{(t)}=T_{\mathrm{f},W}^{(t)}-\frac{\left(T_{\mathrm{f},W}^{(t)}-T_{\mathrm{B},P}^{(t)}\right)h}{\mathrm{1}/h+\mathrm{\Delta }r/\lambda }（14）

式中：T{}_{\mathrm{B},W}^{(t)}为t时刻的壁面温度；T{}_{\mathrm{B},W}^{(t)}为t时刻与壁面接触的风流温度；T{}_{\mathrm{f},P}^{(t)}为t时刻节点P的温度。

4）隧道内纵向风流温度计算

来自风管的风流与周围岩石进行对流热交换，沿纵向风流温度不断升高，则风温为

T_{\mathrm{f},P}^{(t)}=\frac{\left(\frac{A{\rho }_{\mathrm{a}}{c}_{\mathrm{a}}}{\mathrm{\Delta }t}-hU\right)T_{\mathrm{f},P}^{(t-\mathrm{1})}+hU{T}_{\mathrm{B},P}^{(t-\mathrm{1})}+\frac{A{\rho }_{\mathrm{a}}{c}_{\mathrm{a}}v}{\mathrm{\Delta }x}{T}_{\mathrm{f},W}^{(t)}}{\frac{A{\rho }_{\mathrm{a}}{c}_{\mathrm{a}}}{\mathrm{\Delta }t}+\frac{A{\rho }_{\mathrm{a}}{c}_{\mathrm{a}}v}{\mathrm{\Delta }x}}（15）

式中：T{}_{\mathrm{f},P}^{(t)}和T{}_{\mathrm{f},P}^{(t-\mathrm{1})}分别为t时刻、t-1时刻通过节点P的风流温度；T{}_{\mathrm{f},W}^{(t-\mathrm{1})}为t-1时刻通过节点W的风流温度。

5）风管内空气温度的计算

隧道内的环境温度直接影响风管内的风流温度，风管风流温度需要联立方程式（16）—式（22）求解。

T_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\frac{\mathrm{2}{N}_{\mathrm{t}}\overline{T_{\mathrm{f},P}^t}+(\mathrm{1}-N_{\mathrm{D}})T_{\mathrm{i}\mathrm{n}}}{\mathrm{1}+N_{\mathrm{D}}}（16）

N_{\mathrm{D}}=\frac{\mathrm{2}\mathrm{\pi }{R}_{\mathrm{D}}{L}_{\mathrm{D}}{K}_{\mathrm{D}}}{\left(p_{\mathrm{c}}+\mathrm{1}\right)M_{\mathrm{b}\mathrm{1}}{c}_{\mathrm{p}}}（17）

K_{\mathrm{D}}=\left\{\begin{array}{l}{\left(\frac{\mathrm{1}}{{\alpha }_{\mathrm{1}}}+\frac{\mathrm{1}}{{\alpha }_{\mathrm{2}}}\right)}^{-\mathrm{1}}\mathrm{单层}\mathrm{风管}\\ {\left(\frac{\mathrm{1}}{{\alpha }_{\mathrm{2}}}+\frac{\mathrm{1}}{{\alpha }_{\mathrm{1}}}\frac{D_{\mathrm{2}}}{D_{\mathrm{1}}}+\frac{D_{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}{\lambda }_{{}_{\mathrm{D}}}}\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{D_{\mathrm{1}}}{D_{\mathrm{2}}}\right)\right)}^{-\mathrm{1}}\mathrm{保温}\mathrm{风管}\end{array}\right.（18）

{\alpha }_{\mathrm{1}}=\mathrm{0.006}\left(\mathrm{1}+\mathrm{1.471}\sqrt[]{\mathrm{0.661}\mathrm{5}{v}_{\mathrm{b}}^{\mathrm{1.6}}+D_{\mathrm{1}}^{\mathrm{0.5}}}\right)（19）

{\alpha }_{\mathrm{2}}=\mathrm{0.007}\mathrm{12}{D}_{\mathrm{2}}^{-\mathrm{0.25}}{v}_{\mathrm{m}}^{\mathrm{0.75}}（20）

v_{\mathrm{b}}=\frac{\mathrm{0.416}\mathrm{7}{Q}_{\mathrm{f}}{\rho }_{\mathrm{a}}\left(\mathrm{1}+{(\mathrm{1}-\beta )}^{\frac{L_{\mathrm{D}}}{\mathrm{100}}}\right)}{S}（21）

v_{\mathrm{m}}=\frac{\mathrm{0.530}\mathrm{8}{Q}_{\mathrm{f}}{\rho }_{\mathrm{a}}\left(\mathrm{1}+{\left(\mathrm{1}-\beta \right)}^{\frac{L_{\mathrm{D}}}{\mathrm{100}}}\right)}{D_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}}（22）

式中：T_in为隧道外空气温度，℃；T_OUT为风管出口处的空气温度，℃；\overline{T_{\mathrm{f},P}^t}为风管外的平均空气温度，℃；N_D为风管系数；K_D为风管的传热系数，W · （m² · K）^-1；L_D和R_D分别为风管的长度和半径，m；α₁和α₂分别为风管外、风管内的对流传热系数，W · （m² · K）^-1；D₁和D₂分别为保温风管的外径和内径，m；λ_D为保温层的导热系数，W · （m · K）^-1；v_b和v_m分别为隧道内、风管内的平均风速，m · s^-1；Q_f 为风机的送风量，m³ · s^-1；β为风管漏风率；S为隧道净空面积，m²。

2 方法验证

某隧道长约15 km，横断面为马蹄形，净空面积为53.5 m²；该隧道穿过高地温地层，地层最高温度达60 ℃。为依托该高地温隧道验证所提计算方法的准确性，在隧道的围岩和初支中埋设温度传感器共22个，测点布置如图4所示。图中：红点表示测点位置。

对围岩内部温度进行测试，并将实测结果与所提方法计算得到的结果进行对比，如图5所示，图中数据点为实测结果，曲线为所提方法计算结果。由图5可知：在通风50 d的情况下，距离围岩1.2 m处的监测温度为42.09 ℃，计算温度为43.67 ℃，最大误差为3.78%；测点得到的围岩温度与所提方法计算得到的温度大致相同，验证了所提计算方法的准确性。造成实测与计算结果误差的原因可能是隧道外的空气温度并不恒定，风机提供的空气流量也非绝对恒定。

文献［6-7，11］采用了不同方法直接计算高地温隧道壁面温度。将所提计算方法与其他文献所提方法的计算结果进行对比，如图6所示。由图6可知：围岩温度越高，各计算方法间的差异越大，温度最大值的误差超过20%。主要原因是文献［6-7］的理论基础是二维有限差分，将风流温度和风量视为定值，导致壁面温度计算误差较大；文献［11］未设置风管，因此未考虑风管与空气间热交换和漏风率的影响，导致计算结果偏小。由此可知所提方法虽有计算误差，但总体上是合理的。

3 隧道内环境温度和降温供风量变化规律

根据所提方法，研究隧道外气温、进尺、漏风率、围岩温度、隧道等效半径等因素影响下风管出口温度、隧道环境温度及降温供风量的变化规律。

3.1　风管出口温度和隧道环境温度变化规律

影响高地温隧道环境温度的因素主要为降温供风量、围岩温度和进尺等，计算参数见表1。按照所提方法，计算不同围岩温度、不同进尺下的环境温度和风管出口温度规律，结果如图7所示。

由图7（a）可知：围岩温度和进尺会严重影响风管出口的风流温度，从而导致隧道环境温度随进尺的增大呈现非线性增长。由图7（b）可知：当降温供风量为90 m³ · s^-1，洞外环境温度15 ℃、围岩温度60 ℃、进尺1 450 m时环境温度超过规范控制值28 ℃；当围岩温度50 ℃、进尺2 350 m时环境温度超过规范控制值。因此降低环境温度可采取适当措施降低围岩散热量或增大风机供风量。

3.2　降温供风量变化规律

根据所提出的计算方法研究围岩温度、进尺、隧道面积、隧道外气温和漏风率对降温供风量的影响。调研可知目前高地温隧道的进尺普遍小于2 000 m，因此重点针对1 000，2 000和3 000 m这3种进尺进行研究。按照所提方法，分别计算不同影响因素下的降温供风量，结果如图8—图10所示。

由图8—图10可得到如下结论。

（1）围岩温度和进尺相同的情况下，隧道的等效半径对降温供风量影响相对较小，隧道等效半径每增加1 m，降温供风量平均增大4.95 m³ · s^-1。

（2）隧道外气温超过15 ℃后，洞外气温对降温供风量影响非常大，且围岩温度越高、进尺越长，降温供风量的增长速率越快。当进尺2 000 m、围岩温度60 ℃、隧道外气温20 ℃时，降温供风量为206 m³ · s^-1，比隧道外气温15 ℃时增加了59.68%。

（3）风管漏风率在超过规范控制值1%后对降温供风量影响较大，并且围岩温度越高、进尺越长，漏风率对降温供风量的影响越大；围岩温度80 ℃、进尺3 000 m、漏风率3%的降温供风量为409 m³ · s^-1，比进尺2 000 m时增加了46.07%。

（4）不同围岩温度、不同漏风率、不同进尺情况下的降温供风量都可能超过400 m³ · s^-1，这意味着如果仅采用通风降温措施，则很难达到较好的降温效果。

4 高地温隧道通风降温设计

高地温隧道所需的降温供风量可能超过400 m³ · s^-1，但目前2×355 kW风机的最大供风量约为130 m³ · s^-1，而半径4 m的隧道通常只能布置3台大功率风机和风管，即单个隧道的最大降温供风量将小于400 m³ · s^-1。为此，需研究保温风管、壁贴式保温层等其他有助于减小降温供风量的措施，并设计合理的通风降温方案。

4.1　保温风管对降温供风量的影响

保温风管能有效减小风管与环境温度的热交换，降低风管出口风流温度。因此，先研究保温风管厚度对降温供风量的变化规律，确定最优的保温风管厚度；再研究采用保温风管后隧道外气温对降温供风量的影响。

通过所提方法，计算得到保温风管厚度分别取0，1，3和5 cm时，3种进尺下保温风管对降温供风量的影响，结果如图11所示。由图11可知：保温风管厚度为1 cm的隔热效果较差，保温风管厚度为3和5 cm的隔热效果较好；当进尺3 000 m、围岩温度80 ℃时，保温层厚度为1，3和5 cm的降温供风量比未使用保温风管（厚度为0 cm）时的分别小12.1%，34.4%和40.6%；保温风管的隔热效果非常好，风管保温层厚度为3和5 cm时降温供风量相差2~17 m³ · s^-1，差距并不大。

因此，针对不同工况下保温风管厚度为3 cm时的降温效果展开进一步研究，结果如图12所示。由图12可知：进尺3 000 m、保温风管厚度3 cm、围岩温度80 ℃、洞外气温20 ℃时，降温供风量为327 m³ · s^-1，比未使用保温风管时的小28.44%，可见当隧道外气温高于15 ℃后，保温风管降温效果将大打折扣，使用保温风管时还需综合考虑其他降温措施。

4.2　壁贴式保温层对降温供风量的影响

壁贴式保温层的工作原理是阻隔热量向空气中传递，同时保温层的对流换热系数极小，通风过程中能有效降低散热量，从而降低隧道内的空气温度。通过所提方法，得到壁贴式保温层对降温供风量的影响如图13所示。

由图13可知：壁贴式保温层厚度为1 cm的隔热效果较差，厚度为3和5 cm时隔热效果较好；围岩温度80 ℃、进尺1 000 m时，壁贴式保温层厚度为1，3和5 cm的降温供风量分别比未使用保温风管时的小27.14%，42.14%和43.57%，即厚度为3和5 cm时两者的降温效果相差并不大。

进一步地，针对不同工况下壁贴式保温层厚度为3 cm时的降温效果进行研究，结果如图14所示。

由图14可知：高地温隧道采用壁贴式保温层后降温供风量将大幅降低；洞外气温20 ℃、进尺3 000 m时，设置3 cm的壁贴式保温层的降温供风量为90 m³ · s^-1，相比通风降温和保温风管2种措施，降温供风量分别降低407.7%和263.3%；当进尺3 000 m时，采用壁贴式保温层后降温供风量比进尺1 000 m时的增加61.1%，但降温供风量仍然小于100 m³ · s^-1，由此可知壁贴式保温层对降低降温供风量非常有效。

综合图13和图14可知，当围岩温度超过80 ℃或隧道外年平均气温超过20 ℃，采用壁贴式保温层降温效果更好，此时在人员密集区可配合洒水和冰块进行局部降温。

4.3　降温设计方法

各种降温措施各有优势及其局限性。仅采用通风降温，需要多台大功率风机，购买成本和运营成本都很高；仅采用保温风管，当洞外气温超过20 ℃后，仍需要较大的降温供风量；相比之下壁贴式保温层降温效果更好。综合风机、保温风管提出可适用于不同进尺、不同围岩温度隧道降温设计原则如下。

（1）尽可能降低风机数量和功率。

（2）尽可能设置风管保温层和壁贴式保温层。

（3）当隧道外年平均气温超过20 ℃且未采用壁贴式保温层时，可采取喷雾或冰块进行局部降温。

（4）考虑到风管漏风率在超过1%后对降温供风量的影响较大，必须将其控制在1%内。

所提高地温隧道通风降温设计原则，既能将环境温度降至28 ℃以下，又能节约降温成本，值得推广应用。

基于所提降温设计原则，综合多种降温措施对不同进尺和不同围岩温度高地温隧道进行降温方案设计，结果见表2。由表2可知：当进尺超过2 000 m或围岩温度超过60 ℃时优先采用保温风管，当进尺超过3 000 m或围岩温度超过80 ℃时优先采用壁贴式保温层；所提降温方案通用性强，并且能节约降温成本。

5 结论

（1）将所提方法的计算结果与现场监测数据进行对比，发现两者的误差为3.78%，验证了计算方法的准确性。

（2）在隧道进尺长、且隧道外气温较高的情况下，若仅采用风机降温法，则需要多台大功率风机，此时降温成本偏高，可采用设置风管保温层和壁贴式保温层等方法来减小供风量；当进尺超过1 000 m时，采用3 cm保温风管便能有效减小降温供风量，当围岩温度超过80 ℃或隧道外年平均气温超过20 ℃，采用壁贴式保温层降温效果更好。

（3）当隧道洞外年平均气温超过20 ℃且不采用壁贴式保温层时，可采取喷雾或冰块局部降温；风管漏风率在超过1%后对降温供风量的影响较大，必须将其控制在1%以内。

（4）提出适用于不同进尺不同围岩的高地温隧道降温设计方案，既能将环境温度降至28 ℃以下，又能有效降低降温成本。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(51878567)

国家自然科学基金资助项目(51878568)