天津海河隧道泡沫-水喷雾系统保温措施升级及改造

隋洪瑞， 周金忠， 贺维国

(1. 天津市滨海新区建投集团隧道养管有限公司， 天津 300456； 2. 中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300133)

0 引言

天津中央大道海河隧道(简称海河隧道)工程起自新港3号路，终至海河南津沽公路立交，隧道全长3.38 km，双向6车道，为我国北方寒冷地区首座采用泡沫-水喷雾系统的水下交通隧道。气象资料显示，滨海新区冬季最冷月月平均温度-2～-5 ℃，历史最低温度-17.8 ℃。隧道原设计对水喷雾系统采取电伴热保温，管道系统保温效果较好，但雨淋阀组保温效果较差，以致雨淋阀组在冬季运行不畅，进而影响泡沫-水喷雾系统的正常工作。

国内外诸多学者对隧道消防系统的电保温都有研究。国外的研究起步较早，20世纪80年代Henry[1]就对电伴热的操作原理、优点和缺点进行了分析，这是电伴热应用于管道保温的早期研究，但是否可用于水下隧道管道保温，尚不明确。

国内类似的研究起步较晚，目前仍以应用为主。袁有位等[2]以国道318线川藏公路项目为依托，对设置在隧道内，采用聚氨酯发泡材料包裹的保温材料(保温层厚50 mm)进行计算，发现当地隧道内采用聚氨酯进行包裹保温即可满足要求，无需设置电伴热。张玉伟等[3]针对寒冷地区公路隧道消防管道放空现象，根据传热学原理，采用多工况对比分析，通过数值模拟结果验证了消防支管放空的具体数值，可为寒区隧道消防管道保温设计提供依据。潘勇等[4]对寒冷地区公路隧道的几种消防管道保温防冻方案进行了分析对比，从防冻原理、操作的难易程度、系统造价及实际使用效果等方面分析，得出应根据隧道实际情况采取合适的保温措施的结论。其他专家学者主要从管道保温层厚度[5]、保温系统控制、保温方式模拟计算[6]、设备保温层厚度[7]等方面进行研究。

以上研究结果对管道保温的设计有一定的指导意义，但对隧道内的泡沫-水喷雾系统，尤其是核心组件雨淋阀组的保温并未涉及。主要原因是目前国内设置泡沫-水喷雾系统的隧道大部分位于南方，而南方冬季气温较高，基本不会出现结冰现象；北方天气寒冷，但设计泡沫-水喷雾系统的隧道较少，因此目前国内这一领域的研究成果较少，基本属于空白。针对此技术难题，通过实测温度、查阅规范[8-13]、著作[14-15]，对雨淋阀组的保温区域和保温措施提出相应的解决方案，确保雨淋阀组在冬季正常运行。

1 泡沫-水喷雾系统防冻设计及分析

1.1 泡沫-水喷雾系统防冻设计现状及存在的问题

泡沫-水喷雾系统防冻设计现状为： 离两端隧道口200 m范围内的泡沫-水喷雾供水管道设计了电伴热保温，雨淋阀组内部为异形不规则结构，因此电伴热保温施工时仅对箱内管径较大的管道做缠绕保温，其余小管径及异形阀门组件未考虑保温。

该隧道从2015年1月开通运行至2019年4年多时间里，隧道内每年冬季均有一段时间的温度低于0 ℃，第1年最低温度达-8 ℃(3 d左右)，第2、3年最低温度均为-3 ℃(25 d左右)，第4年最低温度达-8 ℃(3 d左右)。

运营第1年，冬季泡沫-水喷雾系统供水管不结冻，但是，部分泡沫-水喷雾系统雨淋阀组在低温时发生管道结冻现象，为此，只好每年冬季将泡沫-水喷雾系统的消防水管放空，待开春后再冲水启用。

1.2 系统存在的问题及分析

通过对上述问题进行调研，对“系统供水管不结冻”原因分析如下： 首先，泡沫喷雾系统供水管布置在隧道中间管廊内，管道和室外相对独立，温度相对偏高(管廊相对隧道平均高3～5 ℃)；其次，在离隧道口200 m范围内的供水管段均设置管道保温及电伴热，保证了管廊段内两端温度较低的管道温度适当加高；最后，供水管的管径比较大(DN150)，不容易结冻。

对于“部分雨淋阀组管道结冻”原因分析如下： 首先，雨淋阀组设计在主隧道墙上，此处温度明显比管廊里低；其次，雨淋阀箱体内部件构造复杂，且形状不规则，需要经常检修，无法同普通管道一样设置电伴热保温，加上雨淋阀组的部分管道管径小，因此更容易结冻。

原设计图上所有泡沫-水喷雾雨淋阀均设计了管道保温及电伴热，从理论上讲，是可以解决保温问题的。但是，运营时发现，雨淋阀组是一个复杂的异形体，并且连接的附属管道管径较小，在频繁的维修中，经常要打开保温层，从而影响电伴热效果，导致雨淋阀组在冬季无法正常工作。

根据水喷雾系统原理可知，泡沫-水喷雾系统为开式自动灭火系统，雨淋阀前必须维持一定压力的水，确保火灾时快速启动。因此，严格意义上讲，雨淋阀组之前的管道在正常情况下不应泄空，否则无法实现自动灭火系统的基本功能。也就是说，即便在冬季严寒天气下，也必须维持水喷雾系统供水管道及雨淋阀组温度，保证不结冻。

综上可知，很有必要设计一种适合北方地区雨淋阀组的保温措施。

2 隧道温度实测及分析

2.1 测温点布置

沿隧道从北向南设置9个测温点，测量温度时间为每天早上6:00左右，此时车流量较少，可避免汽车行驶影响隧道真实温度，测量结果能更真实地反映隧道内温度纵向分布规律，测温点沿隧道分布见图1。测温点距洞口距离指该点与最近的隧道洞口距离，见表1。

图1 测温点沿隧道分布图

2.2 试验结果及数据分析

首先，从2017年11月—2018年3月的温度记录中，每个月选取有代表性的4 d进行分析，整理结果见表2。

表1 测温点距隧道洞口距离

表2 温度测量结果(2017年11月—2018年3月)

对上述测量结果进行数据拟合，形成曲线，见图2。

由测量结果可知： 1)隧道内最低温度出现在1月至2月； 2)隧道温度整体呈现中间高、两端低的走势，即距离隧道洞口越远，温度越高； 3)隧道两端的敞口段，北侧入口的温度明显低于南侧入口，因此隧道保温应重点对北侧入口进行保护； 4)隧道最低温度出现在1月23日，当日隧道入口B71的温度为-8 ℃，B52的温度为0 ℃，B52距离北侧隧道洞口697.7 m，此范围内的管道及雨淋阀组均有结冰的可能。

其次，为验证最低温度的持续时间，对2018年1月底至2月初连续低温条件下的温度进行分析，结果见表3。对测量结果进行数据拟合，形成曲线，见图3。

连续低温条件下，从2018年1月21日至2月14日25 d的测量时间里，测量点B71有24 d在0 ℃或以下；测量点B61有22 d在0 ℃或以下；测量点N12有6 d在0 ℃以下；测量点E2及测量点B1均只有2 d在0 ℃以下。

最后，对2018年12月和2019年1月数据进行验证，结果见表4。对测量结果进行数据拟合，形成曲线，见图4。

(a) 2017年11月

(b) 2017年12月

(c) 2018年1月

(d) 2018年2月

(e) 2018年3月

图2隧道纵剖面温度分布图

Fig. 2 Temperature distribution in longitudinal profile of tunnel

表3 连续低温条件下的隧道纵向温度典型变化情况

图3 连续低温条件下的隧道纵向温度变化情况

Fig. 3 Temperature variation along longitudinal tunnel direction under low temperature condition

与2017年冬季相比，2018年12月有记录的日期中温度0 ℃以下的达到22 d，而且出现的时间较2017年更早。

2.3 试验结论

从以上测量的最冷月份数据可知： 1)B61(距北隧道口416.5 m)温度持续低于0 ℃概率较高； 2)B52(距北隧道口697.7 m)，温度基本大于0 ℃； 3)B11(距南隧道口978 m)，温度基本在-1 ℃以上； 4)B23(距南隧道口1 278 m)，温度基本大于1 ℃。

根据上述资料推断： 1)在北隧道口500 m范围内，最低温度到-8 ℃，该范围的雨淋阀箱应加强保温； 2)距北隧道口500～700 m，最低温度达-5 ℃，但持续低于0 ℃概率较低，时间较短，该范围的雨淋阀箱应进行重点保温； 3)距北隧道口700 m到距南隧道口1 200 m，温度一般大于0 ℃，该范围的雨淋阀箱应进行普通保温； 4)距南隧道口1 200 m范围内，温度可能小于0 ℃左右，应进行重点保温。

表4 温度测量结果(2018年12月和2019年1月)

(a) 2018年12月

(b) 2019年1月

3 雨淋阀箱保温能耗计算

3.1 能耗计算的前提

根据现场提供的资料，泡沫喷雾系统雨淋阀箱体净尺寸为930 mm×320 mm×1 280 mm，箱体采用2 mm厚铝合金材质。实际安装中，隧道离壁墙距箱体有80 mm的空气间隙，本测试将这种状态定义为箱体不保温状态，其他部分均与隧道结构侧墙紧密贴合。为了节能起见，采用80 mm软泡沫塑料填充箱体六面，本试验将这种状态定义为箱体保温状态。这时雨淋阀箱体实际尺寸为930 mm×400 mm×1 280 mm，箱体除门外侧部分直接与隧道内空气相接外，其他部分均直接与隧道结构侧墙紧密贴合。

在计算过程中，假定箱体内热空气为自然对流，隧道内纵向风速为5 m/s，与箱体壁之间为强对流换热，隧道内最低温度为tw=-10 ℃，箱体内需要保证温度不低于tn=10 ℃。

根据热量由内及外的传递模型研究可知，箱体内热量损失形式主要为对流传热、热传导等，可分为4个过程： 1)箱体内热空气与箱体内壁之间的自然对流换热； 2)箱体内壁至箱体外表面的热传导传热； 3)箱体外表面至外部空气的强对流换热； 4)箱体外壁与隧道钢筋混凝土结构墙之间的热传递过程。

3.2 原始状态下热量传递计算

3.2.1 计算模型

原始状态下，箱体未设保温措施，热量由箱内至箱外的传递过程可以简化为如图5所示的模型。

(a) 箱门处

(b) 其他部位

Fig. 5 Schematic diagram of heat transfer inside and outside non-insulated box

箱体电加热器能耗计算传热方程为

Φ=Ak(tn-tw)。

(1)

式中：Φ为雨淋阀箱热量损失，W；A为箱体外表面积， m2；k为传热系数，W/(m2·K)；tn为雨淋阀箱内温度， ℃；tw为雨淋阀箱外温度， ℃。

其中，每个过程中的传热系数与箱体材料、箱体内外温差等因素有关，由此可知传热系数

(2)

式中：hn为箱体内侧空气至箱体内壁之前的热交换系数；hw为箱体外壁至外侧空气之前的热交换系数；δ1为箱体壁厚度，δ1=2×10-3m；λ1为箱体壁材料热传导系数，λ1=158 W/(m·K)。

1.3.1 CU检测 采用CU检测右心房舒张末期面积(RAA)、右心室舒张末期前后径(RVDd)、下腔静脉塌陷率(ΔIVC)指标，探头型号为M5S，频率(3.0±1.5)MHz，仪器型号Vivid E9，美国GE公司。

对图5所示的热传递模型，要计算箱体热量损失，需要分别计算每部分的热传导系数，再分别计算箱内至箱外4个传递过程的热传导系数及热量损失。

3.2.2 热量传递计算

3.2.2.1 箱门从内至外的热量损失

1)箱体内空气与内壁的自然对流热交换系数。

①计算箱体内格拉晓夫数

(3)

计算得Grn=2.07×108，即1.43×104

②计算箱体内的努赛尔特数

Nun=C(Grn×Pr)n。

(4)

根据Grn查表得系数C=0.59，指数n=1/4，0 ℃的空气普朗特数Pr=0.707，热传导系数λ=0.024 4 (W/m·K)，计算得Nun=64.92。

③计算箱内空气与箱壁之间的热交换系数

(5)

2) 箱体外壁与隧道内空气的强对流热交换系数。

假定隧道内纵向风速为u=5 m/s，隧道内最低温度为tw=-10 ℃，则空气外掠箱体表面的努赛尔特数Nuw=0.664Re1/2Pr1/3。式中：Pr为普朗特数，0 ℃空气Pr=0.707；Re为箱体外掠空气流动的雷诺数。

(6)

式中l为接触过程中空气的运行长度。

计算得Nuw=349.95。

箱体外壁与外部空气热交换系数

(7)

3) 确定箱门从内至外的热量损失。在箱体内不做保温层的情况下，箱门部分热传导系数

(8)

由上述计算过程可知，若箱体外侧为强对流换热，隧道内温度在0 ℃以下，箱体与隧道内冷空气的强对流换热系数受隧道内温度的影响不大，但受隧道内空气流速影响较大。

最后，由箱门从内至外的热量损失

Φ1=Ak(tn-tw)=1.28×0.93×2.77×20=65.9 W。

(9)

3.2.2.2 箱体侧壁与隧道结构墙之间热量损失

1) 箱体侧壁与隧道结构墙之间的热传导系数。除箱门以外，其他部分的箱体侧壁均与隧道结构墙紧密贴合。假设隧道结构侧墙足够厚，则由箱体至结构侧墙的热传导过程可近似为一维稳态导热过程。计算时，假设离箱体壁δ=0.5 m厚处的结构墙温度与隧道内的空气温度相同，即tw=-10 ℃； 箱体内壁的温度与箱体内空气温度相同，即tn=10 ℃； 混凝土板的导热系数为λ3=0.79 W/(m·K)。该导热过程的热流密度

(10)

2) 确定箱体四周与结构墙接触部分热量损失。箱体四周与结构墙接触部分的热传导功率

Φ2=qA=22.59×(1.28×0.93+2×1.28×0.4+2×0.93×0.4)=

66.83 W。

(11)

3.2.3 计算结果

在箱体内未做保温层的情况下，在隧道内温度为tw=-10 ℃时，要保证箱体内温度不低于10 ℃，则箱体内须增加的电辅热功率约为

Φ=Φ1+Φ2=132.73 W。

(12)

3.3 保温措施下热量传递计算

3.3.1 计算模型

增设保温措施后，热量由箱内至箱外的传递过程可以简化为如图6所示的模型。箱体由内至外的热量损失形式主要为箱内自然对流，箱体内保温层、箱体壁及隧道结构墙之间的热传导，箱门外侧与隧道内空气的强自然对流换热等。

(a) 箱门处热传递示意图

(b) 其他部位热传递示意图

Fig. 6 Schematic diagram of heat transfer inside and outside box with insulation layer inside

3.3.2 热量传递计算

3.3.2.1 箱门从内至外的热量损失

1)箱体内空气与内壁的自然对流热交换系数: ①计算箱体内格拉晓夫数Grn=1.83×108， 即1.43×104

Nun=0.59×(1.84×108×0.707)1/4=62.98。

(13)

根据自然对流层流状态下热交换系数计算公式可知，箱内空气与箱内保温层之间的热交换系数

(14)

2)箱体外壁与隧道内空气的强对流热交换系数。根据不保温箱体计算可知箱门外壁与隧道内冷空气之间的强对流热交换系数

(15)

3)箱门从内至外的热量损失。箱体壁材料热传导系数λ1=158 W/(m·K)，箱体内保温材料热传导系数λ2=0.041～0.048 W/(m·K)，计算时取λ2=0.045 W/(m·K)。因此，箱体内外热量传递的整个过程导热系数

1.21 W/(m2·K)。

(16)

因此，在箱内做保温层的情况下，箱内热量通过箱门由内至外的热量损失功率

Φ1=Ak(tn-tw)=1.28×0.93×1.21×20=28.8 W。

(17)

3.3.2.2 箱体侧壁与隧道结构墙之间热量损失

1)箱体侧壁与隧道结构墙之间的热传导系数。假设离箱体壁δ3=0.5 m厚处的结构墙温度与隧道内的空气温度相同，即tw=-10 ℃；箱体内壁的温度与箱体内空气温度相同，即tn=10 ℃。混凝土板的导热系数为λ3=0.79 W/(m·K)，箱体内保温材料导热系数为λ2=0.041～0.048 W/(m·K)，计算时取λ2=0.045 W/(m·K)，则该导热过程的热流密度

(18)

2)箱体与结构墙接触部分热量损失。箱内做保温层的情况下，箱体四周与结构墙接触部分的热传导功率

Φ2=qA=14.78×(1.28×0.93+2×1.28×0.4+2×0.93×

0.4)=43.73 W。

(19)

3.3.3 计算结果

若箱体内采用22 mm厚硬泡沫塑料板做保温层，隧道内温度为tw=-10 ℃，要保证箱体内温度不低于10 ℃，则箱体内须增加的电辅热功率约为Φ=Φ1+Φ2=72.53 W。

通过计算可知，箱体内做保温层比未做保温层减小约50%的热量损失。

3.3.4 影响因素分析

由上述计算可知，箱体内热量损失由内至外主要分为通过箱门传递和通过箱体其他侧壁传递2种。前者分为箱内空气与箱体内壁之间的自然对流过程、由箱内壁至箱外壁之间的热传导过程以及箱外壁与隧道内空气之间的强对流过程，其中，箱门外侧与隧道内空气之间的强对流过程与隧道内的风速有关。后者分为箱内空气与箱体内壁之间的自然对流过程和箱体内壁至隧道结构墙之间的热传导过程，箱体其他侧壁与隧道结构墙之间的换热与隧道的温度有关。

综上，箱体热量损失和隧道内风速、温度有关，根据隧道内不同风速(5、3、1、0 m/s)，分别计算不同隧道温度下对应的箱体热量损失。不同风速下雨淋阀箱体的热量损失与隧道内温度的关系如图7所示。

图7 箱体热量损失与隧道内温度的关系

Fig. 7 Relationship between heat loss of box and temperature in tunnel

由图7可知，箱体热量损失与隧道内温度呈线性关系。隧道内风速越低，同样的隧道温度下箱体热量损失越小；当隧道内风速为0时，同样的温度下箱体内热量损失最小，这是因为空气具有很好的绝热作用，通过箱门外表面的强对流热量损失基本为0。

由测量及计算结果可知，箱外温度对雨淋阀箱温度维持的影响最大。根据现场统计的隧道内温度与箱体内电加热器平均耗电功率，绘制散点分布图。考虑到测量的误差，作图时选择箱体内温度在8～12 ℃的数据作为重点研究对象，同时剔除平均耗电功率超高(不具备代表性)以及平均耗电功率为0的数据，线性拟合后如图8所示。

图8 隧道内温度与电加热器实际耗电功率分布

Fig. 8 Temperature in tunnel and distribution of actual power consumption of electric heater

从理论计算和现场实际测量数据拟合可以看出，箱体的热量损失(电加热器平均耗电功率)与隧道内温度成反比。由理论计算得出，当隧道内风速为5 m/s、隧道内温度为0 ℃时，箱体的热量损失功率为35.29 W；实际数据拟合显示，当隧道内温度为0 ℃时，电加热器耗电功率为43.38 W，两者相差并不是很大，这说明理论计算数据基本可靠。即当雨淋阀箱体内做内保温层时，在保证箱体内温度为10 ℃左右的状态下，所需电加热器平均耗电功率可近似采用公式

Φ=-3.713tw+35.29 W。

(20)

式中tw为隧道内环境温度。

4 雨淋阀组的保温设计

4.1 雨淋阀箱位置与能耗关系

根据隧道温度检测资料和雨淋阀箱保温能耗分析得： 在北隧道口500 m范围内，雨淋阀箱保温设施功率至少为65 W；距北隧道口500～700 m，功率至少为54 W；距北隧道口700 m到距南隧道口1 200 m，功率至少为30 W； 距南隧道口1 200 m范围内，功率至少为40 W。

4.2 雨淋阀箱保温设施选型

经整理得： 1)离隧道北口最近的10×2组雨淋阀箱应加强保温； 2)离隧道北口第2近的4×2组及离隧道南口最近的24×2组雨淋阀箱应进行重点保温； 3)其他的雨淋阀箱应进行普通保温。考虑到不同部位发生低温的概率及各种保温设施的实际应用情况，推荐加强保温和重点保温的雨淋阀箱采用电加热器，普通保温的雨淋阀箱采用管道保温和电伴热。

4.3 雨淋阀箱保温设施参数

加强保温、重点保温的雨淋阀箱，为了保证电加热器使用，箱内最低温度必须保证在8～12 ℃。为此，加强保温的保温设施功率必须保证在75 W以上，建议用100～150 W；重点保温的保温设施功率必须保证在54 W以上，建议用75～100 W；一般保护的雨淋阀箱，采用管道保温和电伴热，箱内只要保证最低温度大于5 ℃即可，功率至少为30 W，建议用50 W。考虑到特殊天气时，整条隧道温度均较低，为此，所有雨淋阀箱均采用保温箱体，即在箱体六面均采用80 mm软泡沫塑料填充。

5 结论与建议

1)实测资料显示，隧道纵向温度呈现一定规律，两头低，中间高，即南北洞口至隧道中心,温度呈升高趋势，与预测结果基本一致。

2)为保证冬季严寒天气下的正常运行，寒冷地区水下隧道设置泡沫-水喷雾系统时，除管道系统设置保温措施外，雨淋阀组应进行特殊保温设计。

3)雨淋阀组的保温措施应以保温模拟计算为前提。具体保温措施与其位置有关，洞口温度较低，雨淋阀箱内应设置电加热器，其余箱体应根据计算结果，设置电伴热或普通保温措施，但所有雨淋阀箱体都应有基础保温措施。

4)箱体的热量损失(电加热器平均耗电功率)与隧道内温度成反比。当雨淋阀箱体内做内保温层时，在保证箱体内温度为10 ℃左右，所需电加热器平均耗电功率可近似采用公式Φ=-3.713tw+35.29 W(此公式为数据拟合结论，目前仅适用于海河隧道)计算。

综上，寒冷地区水下交通隧道设置泡沫喷雾灭火系统时，应结合工程所处的气象环境，对雨淋阀箱进行特殊保温设计，如采用电加热器； 雨淋阀组的保温设计应因地制宜、量体裁衣，即根据雨淋阀的实际位置，采取有重点、有差异的保温措施。