高地溫隧道綜合施工技術(shù)研究報(bào)告(編輯修改稿)
2025-09-25 15:00 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 型及公式 圍巖與風(fēng)流間傳熱量及通風(fēng)流量的一般計(jì)算公式 隧道 圍巖與風(fēng)流間的傳熱是 一個(gè)復(fù)雜的不穩(wěn)定傳熱過(guò)程。隧道開(kāi)掘后，隨著時(shí)間的推移，圍巖被冷卻的范圍逐漸擴(kuò)大，其所向風(fēng)流傳遞的熱量逐漸減少；為簡(jiǎn)化研究，目前常將這些復(fù)雜的影響因素都?xì)w結(jié)到傳熱系數(shù)中去討論。因此，隧道圍巖與風(fēng)流間的傳熱量可依據(jù)由牛頓冷卻公式得來(lái)的壁面與流體間的對(duì)流換熱量公式進(jìn)行研究，該公式為： tΔFQ ?? （ 1） 式中： Q─對(duì)流換熱量，等于風(fēng)流升溫?zé)崃浚?V 、pmc （ t2t1）； α─對(duì)流換熱系數(shù)， W/(m2℃ )； F─流體接觸的壁面面積； Δ t─壁面溫度與邊界層外流體溫度的差值。 用圍巖與風(fēng)流間的不穩(wěn)定換熱系數(shù) Kτ 替換公式（ 1）中的α，用 UL替換F，用 (trmt)替換Δ t，可得出隧道圍巖與風(fēng)流間的傳熱量為： ? ?ttULKQ r ?? ? ， KW （ 2） 式中： Q─井巷圍巖傳熱量（ KW） ,與對(duì)流換熱量意義相同； Kτ ─圍巖與風(fēng)流間的不穩(wěn)定換熱系數(shù)， KW/(m2℃ )； U─斷面 周長(zhǎng)（隧道）， m； L─隧道距開(kāi)挖面長(zhǎng)度， m； tr─圍巖溫度，℃； t－距工作面 L處的平均風(fēng)溫，℃。 設(shè)在長(zhǎng)度 L范圍內(nèi) t為變量，長(zhǎng)度 dl 隧道壁散熱量使風(fēng)流溫度升 dt。當(dāng)長(zhǎng)度 L=0時(shí)， t=t0，則 dtVcdlttUKQ pmr 、??? )(? （ 3） 分離變量 tt dtdlVcUK rpm ??、? 兩邊積分、整理，得通風(fēng)量計(jì)算公式： ? ?t)ln ( t)tln ( t r0r ???? 、pmc ULKV ? （ 4） 式中 :V— 通風(fēng)流量， m3/s； t0— 初始風(fēng)溫，大于風(fēng)管出口風(fēng)溫 1～ 3℃，℃； 、pmc — 空氣的平均定壓比熱， 、pmc =／ m3.℃； 公式 4 沒(méi)有考慮巖溫隨開(kāi)挖長(zhǎng)度的變化因素，實(shí)際上開(kāi)挖后圍巖的溫度隨暴露時(shí)間的增加不斷被風(fēng)流冷卻，也就是隨開(kāi)挖長(zhǎng)度的增加逐漸降低，圍巖與風(fēng)流間傳熱如圖 4 所示。假定在開(kāi)挖后的一段時(shí)間內(nèi)，巖溫在短距離內(nèi)變化為 : kLtt rr ?? 0 （ 5） 式中： tr0－開(kāi)挖面圍巖原始溫度，℃； k－圍巖溫度變化系數(shù)。 將（ 5）代入（ 3），即得： ? ? dtVcdltkltUK pmr 、???0? （ 6） 整理得： kLVc UKtVc UKtVc UKdldt pmrpmpm 、 ??? ??? 0 （ 7） 微分方程（ 7）的通解為： LVc UKpmrdlVc UKpmpmrdlVcUKpmpmpm ceUKk V ckLtcdleLVc UkKVc UKtet 、、?????? ?? ???????????? ?????????? ??? ? 00 （ 8） 根據(jù)邊界條件： t=t0時(shí) ,L=0，即得 L 處平均風(fēng)溫計(jì)算公式： LVc UKpmrpmr pmeUKk V cttUKk V ckLtt 、 ???????????? ?????? 000 （ 9） 當(dāng)巖溫變化系數(shù)為零時(shí)，公式（ 9）就可變換為公式（ 4），可以認(rèn)為公式（ 4）是公式（ 9）的簡(jiǎn)化式。公式（ 4）使用簡(jiǎn)捷、方便，實(shí)際使用時(shí)，可以按公式（ 4）計(jì)算通風(fēng)流量，再按公式（ 9）驗(yàn)證或修正。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，物體內(nèi)的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)作用不斷地從高溫點(diǎn)向低溫點(diǎn)流動(dòng) ，使物體內(nèi)溫度逐步均一化。所以，公式（ 9）中的巖溫變化系數(shù) k 隨著時(shí)間的增加、圍巖內(nèi)溫度逐步均一化而衰減并趨于零，公式（ 9）的計(jì)算結(jié)果適用于圍巖開(kāi)挖暴露后至圍巖明顯冷卻這一時(shí)段。 圍巖與風(fēng)流間的不穩(wěn)定傳熱系數(shù) Kτ 是指隧道圍巖深部未被冷卻的巖體與空氣間溫差為 1℃時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從每 m2 隧道壁面上向空氣放出 (或吸收 )的熱量。它是圍巖的熱物理性質(zhì)、隧道形狀尺寸、通風(fēng)強(qiáng)度及通風(fēng)時(shí)間等的函數(shù)。由于不穩(wěn)定傳熱系數(shù)的解析解相當(dāng) 復(fù)雜，沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法，一般參照礦井空調(diào)設(shè)計(jì)中的簡(jiǎn)化公式或統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算。掘進(jìn)頭近區(qū)圍巖不穩(wěn)地內(nèi)換熱系數(shù)可按吳超主編的《礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)》書(shū)中給定的公式確定： FRK ?? ?? ， KW/m2℃ （ 10） 其中 ： F??? ； 20303 RlRR ?? ； SR ? ；20303 RaF ??。 式中 :λ─巖石的導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)測(cè)或按表 2選取， KW/m℃ ； a─巖石的導(dǎo)溫系數(shù)，實(shí)測(cè)或按表 2選取， m2/h； τ 3─掘進(jìn)頭通風(fēng)時(shí)間， h； 3l ─掘進(jìn)頭近區(qū)長(zhǎng)度， m。 表 1 常見(jiàn)巖石的熱學(xué)性質(zhì)指標(biāo) 巖 石 密 度 (g/cm3) 比熱度 導(dǎo)熱系數(shù) λ 導(dǎo)溫系數(shù) a 溫度(℃ ) J/(kg?k) 溫度(℃ ) W/(m?k) 溫度(℃ ) 103cm2/s 玄武巖 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 輝綠巖 50 25 20 閃長(zhǎng)巖 25 20 花崗巖 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 花崗閃長(zhǎng)巖 ~ 20 837.～ 20 ～ 20 ～ 片麻巖 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 大理巖 25 石英巖 50 50 50 硬石膏 ~ 50 ～ 50 ～ 粘土泥灰?guī)r ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 白云巖 ~ 50 921.～ 50 ～ 50 ～ 灰 巖 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 鈣質(zhì)泥灰?guī)r ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 致密灰?guī)r ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 泥灰?guī)r ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 粘土板巖 ~ 50 50
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