高地温隧道综合施工技术研究报告(编辑修改稿)

高地温隧道综合施工技术研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

型及公式 围岩与风流间传热量及通风流量的一般计算公式 隧道 围岩与风流间的传热是 一个复杂的不稳定传热过程。 隧道开掘后，随着时间的推移，围岩被冷却的范围逐渐扩大，其所向风流传递的热量逐渐减少；为简化研究，目前常将这些复杂的影响因素都归结到传热系数中去讨论。 因此，隧道围岩与风流间的传热量可依据由牛顿冷却公式得来的壁面与流体间的对流换热量公式进行研究，该公式为： tΔFQ  （ 1） 式中： Q─对流换热量，等于风流升温热量： V 、pmc （ t2t1）； α─对流换热系数， W/(m2℃ )； F─流体接触的壁面面积； Δ t─壁面温度与边界层外流体温度的差值。 用围岩与风流间的不稳定换热系数 Kτ 替换公式（ 1）中的α，用 UL替换F，用 (trmt)替换Δ t，可得出隧道围岩与风流间的传热量为：  ttULKQ r   ， KW （ 2） 式中： Q─井巷围岩传热量（ KW） ,与对流换热量意义相同； Kτ ─围岩与风流间的不稳定换热系数， KW/(m2℃ )； U─断面 周长（隧道）， m； L─隧道距开挖面长度， m； tr─围岩温度，℃； t－距工作面 L处的平均风温，℃。 设在长度 L范围内 t为变量，长度 dl 隧道壁散热量使风流温度升 dt。 当长度 L=0时， t=t0，则 dtVcdlttUKQ pmr 、 )( （ 3） 分离变量 tt dtdlVcUK rpm 、 两边积分、整理，得通风量计算公式：  t)ln ( t)tln ( t r0r  、pmc ULKV  （ 4） 式中 :V— 通风流量， m3/s； t0— 初始风温，大于风管出口风温 1～ 3℃，℃； 、pmc — 空气的平均定压比热， 、pmc =／ m3.℃； 公式 4 没有考虑岩温随开挖长度的变化因素，实际上开挖后围岩的温度随暴露时间的增加不断被风流冷却，也就是随开挖长度的增加逐渐降低，围岩与风流间传热如图 4 所示。 假定在开挖后的一段时间内，岩温在短距离内变化为 : kLtt rr  0 （ 5） 式中： tr0－开挖面围岩原始温度，℃； k－围岩温度变化系数。 将（ 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）的通解为： LVc UKpmrdlVc UKpmpmrdlVcUKpmpmpm ceUKk V ckLtcdleLVc UkKVc UKtet 、、      00 （ 8） 根据边界条件： t=t0时 ,L=0，即得 L 处平均风温计算公式： LVc UKpmrpmr pmeUKk V cttUKk V ckLtt 、   000 （ 9） 当岩温变化系数为零时，公式（ 9）就可变换为公式（ 4），可以认为公式（ 4）是公式（ 9）的简化式。 公式（ 4）使用简捷、方便，实际使用时，可以按公式（ 4）计算通风流量，再按公式（ 9）验证或修正。 根据热力学第二定律，物体内的热量通过热传导作用不断地从高温点向低温点流动 ，使物体内温度逐步均一化。 所以，公式（ 9）中的岩温变化系数 k 随着时间的增加、围岩内温度逐步均一化而衰减并趋于零，公式（ 9）的计算结果适用于围岩开挖暴露后至围岩明显冷却这一时段。 围岩与风流间的不稳定传热系数 Kτ 是指隧道围岩深部未被冷却的岩体与空气间温差为 1℃时，单位时间内从每 m2 隧道壁面上向空气放出 (或吸收 )的热量。 它是围岩的热物理性质、隧道形状尺寸、通风强度及通风时间等的函数。 由于不稳定传热系数的解析解相当 复杂，没有统一的计算方法，一般参照矿井空调设计中的简化公式或统计公式计算。 掘进头近区围岩不稳地内换热系数可按吴超主编的《矿井通风与空气调节》书中给定的公式确定： FRK   ， KW/m2℃ （ 10） 其中 ： F ； 20303 RlRR  ； SR  ；20303 RaF 。 式中 :λ─岩石的导热系数，实测或按表 2选取， KW/m℃ ； a─岩石的导温系数，实测或按表 2选取， m2/h； τ 3─掘进头通风时间， h； 3l ─掘进头近区长度， m。 表 1 常见岩石的热学性质指标 岩 石 密 度 (g/cm3) 比热度 导热系数 λ 导温系数 a 温度(℃ ) J/(kg•k) 温度(℃ ) W/(m•k) 温度(℃ ) 103cm2/s 玄武岩 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 辉绿岩 50 25 20 闪长岩 25 20 花岗岩 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 花岗闪长岩 ~ 20 837.～ 20 ～ 20 ～ 片麻岩 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 大理岩 25 石英岩 50 50 50 硬石膏 ~ 50 ～ 50 ～ 粘土泥灰岩 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 白云岩 ~ 50 921.～ 50 ～ 50 ～ 灰 岩 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 钙质泥灰岩 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 致密灰岩 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 泥灰岩 ~ 50 ～ 50 ～ 50 ～ 粘土板岩 ~ 50 50。