中天山特長隧道TBM施工濕熱環(huán)境控制技術(shù)研究

王盡忠

(烏魯木齊鐵路局南疆吐庫二線鐵路建設(shè)指揮部，新疆 庫爾勒 841001)

0 引言

隨著我國鐵路隧道、公路隧道以及水利隧道工程的大量修建，采用機械化施工的需求日益增加。長大隧道工程應(yīng)用TBM隧道掘進機施工越來越廣泛，但在TBM長大隧道施工過程中，常常會遇到高溫高濕環(huán)境問題，致使現(xiàn)場作業(yè)人員及機械設(shè)備受其影響嚴(yán)重。目前，針對濕熱環(huán)境的控制技術(shù)研究主要集中在民用建筑施工和水利水電等工程中。李百戰(zhàn)等［1］從被動式改善、人工控制調(diào)節(jié)及建筑裝飾材料功能等方面出發(fā)，研究了濕熱環(huán)境對人體的影響;江億等［2］對室內(nèi)濕熱環(huán)境營造系統(tǒng)從理論上進行了熱學(xué)分析;劉曉華等［3］針對建筑濕熱環(huán)境營造，對主動式空調(diào)系統(tǒng)中存在的復(fù)雜傳遞過程進行了研究，分析了匹配特性在顯熱傳遞和濕熱傳遞過程中的影響;張華玲等［4］指出了多孔建筑材料濕熱傳遞和室內(nèi)濕熱環(huán)境研究的熱點和存在的問題。上述文獻(xiàn)均圍繞房屋建筑工程濕熱環(huán)境問題開展研究，主要解決室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、新鮮空氣等需求。由于建筑物室內(nèi)與室外空氣交換方便，可以從改良建筑材料、調(diào)整暖通空調(diào)系統(tǒng)等方面來改善室內(nèi)濕熱環(huán)境。對于特長隧道工程，受隧道內(nèi)空間狹小、新鮮空氣輸送相對困難等條件制約，無法借鑒參考上述方法來控制TBM施工濕熱環(huán)境。

本文以南疆鐵路中天山特長隧道為例，針對隧道內(nèi)長距離、狹小空間體系等特點，通過對TBM施工濕熱環(huán)境、除濕負(fù)荷等進行分析，研究了在隧道內(nèi)設(shè)置水媒熱泵系統(tǒng)來解決TBM施工濕熱環(huán)境問題;提出了通過加強通風(fēng)改善洞內(nèi)氣候條件、安裝制冷設(shè)備降低供風(fēng)風(fēng)流溫度等措施輔助改善TBM施工濕熱環(huán)境，并對現(xiàn)場具體實施提出建議，以期為今后類似工程改善隧道TBM施工濕熱環(huán)境提供參考和借鑒。

1 工程概況

南疆鐵路吐魯番至庫爾勒二線中天山特長鐵路隧道位于托克遜縣、和碩縣間中天山東段的嶺脊地域，穿越中天山北支博爾托烏山中山山地，平均海拔為1 100～2 950 m，最高海拔為2 951.6 m。山嶺南北兩側(cè)地形切割非常劇烈，坡陡山高，溝壑縱橫，基巖裸露，植被非常稀疏，地形非常復(fù)雜，相對高差為800～1 200 m。中天山隧道左線全長22 449 m，右線全長22 467 m，全隧道為單面連續(xù)上坡，除出口段308 m位于曲線上以外，其余區(qū)段均位于直線上，隧道線間距為36 m。

中天山隧道進口端采用2臺開敞式TBM施工，出口端采用鉆爆法施工。TBM開挖直徑為8.8 m，施工段約13 km，掘進3 km后，隧道內(nèi)溫度、相對濕度較未掘進時大幅上升，溫度最高為36℃，相對濕度最高為96%，洞內(nèi)濕熱環(huán)境控制困難，僅靠一般施工通風(fēng)難以解決問題。因此，需要對TBM施工濕熱環(huán)境控制技術(shù)進行研究。

2 TBM施工濕熱環(huán)境分析

2.1 溫濕度成因

隧道內(nèi)的溫度影響因素主要有地層地溫、TBM掘進散熱、隧道內(nèi)照明及機械設(shè)備散熱和作業(yè)人員散熱。其中，地溫與外界氣候條件、隧道埋深、圍巖自身特性和地層中地下水狀態(tài)等有關(guān)，機械設(shè)備散熱與設(shè)備功率和電能等有關(guān)。

隧道內(nèi)濕度的成因主要來自地下水以及隧道內(nèi)施工用水的散濕。

2.2 溫濕度對施工人員及設(shè)備的影響

2.2.1 對施工人員的影響

人在濕熱環(huán)境下會大量出汗，汗液附著體表或粘附衣內(nèi)，難以蒸發(fā)散熱，這種情況下使人感到悶熱和難受;且人體內(nèi)熱代謝緊張，嚴(yán)重時會出現(xiàn)中暑現(xiàn)象，本隧道施工過程中即有人員中暑現(xiàn)象發(fā)生。成年男子在濕熱與干熱環(huán)境下進行輕微體力勞動6 h過程中出汗的動態(tài)變化情況見表1。

表1 濕熱環(huán)境與干熱環(huán)境下人體內(nèi)出汗量的動態(tài)變化表Table 1 Sweating of labors in hot and humid environment and that in hot and dry environment g/min

由表1可得，在溫度為36℃、相對濕度為84%的濕熱環(huán)境下進行輕微體力勞動時，在風(fēng)速為1.7 m/s的條件下，體內(nèi)出汗率下降較明顯，以致時間達(dá)到5 h時無法繼續(xù)勞動，隨之引起的人體生理反應(yīng)比溫度為42℃、相對濕度為40%以下構(gòu)成的干熱環(huán)境所引起的生理反應(yīng)更為嚴(yán)重。

當(dāng)作業(yè)環(huán)境溫度超過30℃時，相對濕度每增加10%，對人體帶來的熱影響等同于作業(yè)環(huán)境溫度增加1～1.5℃ 。

由于體內(nèi)汗液蒸發(fā)效率受環(huán)境空氣溫度、相對濕度的影響，故高溫高濕環(huán)境對隧道內(nèi)作業(yè)人員的健康非常不利。當(dāng)溫度超過35℃時，相對濕度大于70%，會對作業(yè)人員造成生理傷害，影響施工作業(yè)效率［5－8］。

2.2.2 對設(shè)備的影響

高溫高濕環(huán)境對TBM設(shè)備的影響也較大，在這種環(huán)境下，設(shè)備電氣故障頻發(fā)，TBM主電機功能下降，設(shè)備效率不能發(fā)揮到最大，影響隧道施工進度。濕熱環(huán)境對TBM設(shè)備的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1)洞內(nèi)冷凝水附著在高壓電纜和照明線路上，導(dǎo)致電力線路短路跳閘停電，使設(shè)備電氣系統(tǒng)故障增加。

2)當(dāng)水氣過大時，灰塵吸水造成設(shè)備PLC模塊電子元件短路，從而燒毀部分電路。

3)造成TBM設(shè)備閥塊上的電纜短路，導(dǎo)致閥塊供油不平衡，造成額外的損壞。

3 TBM隧道除濕負(fù)荷分析

3.1 邊界條件設(shè)定

1)設(shè)定外界最惡劣環(huán)境溫度為36℃，相對濕度為96%。

2)設(shè)計要求溫度達(dá)到30℃，相對濕度達(dá)到80%。

3.2 除濕負(fù)荷計算

3.2.1 電動設(shè)備散熱量

電動設(shè)備散熱量QE源于電動機散熱量和由于工藝設(shè)備實際消耗的電能最終都轉(zhuǎn)化為熱能所散出的熱量前者是由電動機內(nèi)磁鐵的電阻抗和軸承的摩擦，使一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過電動機表面散入外界熱量;對于后者，若工藝設(shè)備的實際消耗功率為N實，電動機效率為η，則電動機的有效輸入功率N入=N實/η。

電動機散出的熱量

工藝設(shè)備的散熱量

則電動機設(shè)備的總散熱量

電動機效率η可從設(shè)計參數(shù)中獲得。首先，電動機設(shè)備銘牌通常只標(biāo)明電機額定功率N，無N入和N實的參數(shù)，而實際上則應(yīng)根據(jù)設(shè)備的最大實際消耗功率N實max來選擇電動機。在電機產(chǎn)品規(guī)格有限的情況下，考慮一定程度的安全系數(shù)，N＞N實max或N實max=n1N。

其次，工藝設(shè)備不一定始終都在最大功率下運轉(zhuǎn)，因此，工藝設(shè)備本身的平均使用功率N實mean要小于最大功率N實max，或N實mean=n1n2N。具有多臺工藝設(shè)備時，不一定同時使用，消耗實際功率N實=n1n2n3N。

最后，工藝設(shè)備的部分散熱量可能會被冷卻水或其他物體帶走，則實際散熱量

式中:n1為額定功率利用系數(shù)，一般情況下取0.7～0.9;n2為平均負(fù)荷達(dá)到最大負(fù)荷程度的負(fù)荷系數(shù)，一般情況下取0.5～0.8;n3為同時使用系數(shù)，一般情況下取0.5～1.0;n4為熱轉(zhuǎn)化系數(shù)，除塵風(fēng)機和空壓機等工作時取0.1;N為電機額定功率;η為電動機效率。各參數(shù)具體取值見表2［9］。

表2 特征系數(shù)表Table 2 Characteristic coefficients

3.2.2 人員集體熱負(fù)荷

人體散熱量

式中:q為在不同室溫和勞動強度情況下成年男子的散熱量，取0.2 W;n為工程內(nèi)部總?cè)藬?shù)，20人;n'為群集系數(shù)，取 1.0。

則:Q=1.0 ×20 ×0.2=4 W=0.004 kW。

3.2.3 圍巖散熱量

圍巖內(nèi)溫度測點距圍巖表面約1.5 m，測點布置如圖1所示。

圖1 圍巖內(nèi)溫度測點布置圖Fig.1 Layout of rock mass temperature measuring points

經(jīng)現(xiàn)場測量，圍巖內(nèi)測點1和測點2的溫度都為31℃。

由于圍巖內(nèi)地下水對溫度測試儀器的冷卻，導(dǎo)致實測溫度較低?；◢弾r導(dǎo)熱系數(shù) λ=2.68～3.35 W/(m·℃)，取3.0;距掌子面20 m范圍內(nèi)的圍巖表面積 S=3.14 ×19.36+3.14 ×8.8 ×20=613.43 m2;隧道內(nèi)空氣溫度降低至30℃，即Δ t=1℃。則:散熱量Q=λSΔt=3.0 ×613.43=1 840.29 W=1.84 kW。

3.3 照明設(shè)備散熱量［10］

照明設(shè)備所消耗的電能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能散入周圍環(huán)境，如果最大負(fù)荷出現(xiàn)的時間在白天，則只需計算白天所用照明功率的發(fā)熱量QL。

3.3.1 白熾燈

式中:N為隧道內(nèi)白熾燈的裝置功率，kW;n1為同時使用系數(shù)。

3.3.2 熒光燈

式中:N1為隧道內(nèi)熒光燈裝置功率，kW;N2為隧道內(nèi)的鎮(zhèn)流器消耗功率，一般為熒光燈功率的20%，kW;n1為同時使用系數(shù);n2為隧道內(nèi)燈具燈罩隔熱系數(shù)，當(dāng)熒光燈罩上有通風(fēng)孔時，取0.5～0.6，燈罩上無通風(fēng)孔時，取0.6 ～0.8。

3.4 所需除濕冷負(fù)荷的確定

由于人員的熱負(fù)荷、圍巖的散熱量相對于電動設(shè)備所散熱量要小得多，故可以忽略，因此，隧道內(nèi)所需的除濕冷負(fù)荷只需要根據(jù)電動設(shè)備的散熱量來計算。

基本冷負(fù)荷的電動設(shè)備功率N=4 500 kW，散熱量Q=1 036.8 kW。除濕總冷負(fù)荷按QL=1.15Q計算，則 QL=1 192.3 kW。

4 TBM隧道濕熱環(huán)境控制方案

4.1 熱泵模式選取

由于現(xiàn)場發(fā)熱量大，需要空氣媒熱泵空間較大，并且要求降溫溫差約為6℃，如果采用R22冷媒系統(tǒng)進行空氣調(diào)節(jié)，耗電量較大，設(shè)備投入大，不經(jīng)濟。因此，建議選用環(huán)保式水媒熱泵系統(tǒng)。利用水的汽化潛熱進行等焓空調(diào)降溫處理，并增大換氣次數(shù)。建議采用鋪設(shè)通風(fēng)管的方法進行循環(huán)供風(fēng)，并可通過安裝多臺單機空氣媒熱泵和采取噴射式送風(fēng)的方法進行降溫。

4.2 設(shè)備選型及計算分析

根據(jù)建立的TBM濕熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型，結(jié)合邊界條件對濕熱環(huán)境進行控制和計算。

外部空氣含水率 dw=36×96%=34.56 g/kg，內(nèi)部空氣含水率dn=30×80%=24 g/kg。則:空氣含水率差值 =10.56 g/kg。

根據(jù)供風(fēng)量可得出每臺水媒熱泵系統(tǒng)所產(chǎn)生的濕負(fù)荷

式中:r1為環(huán)境空氣密度，1.15 kg/m3;G為供風(fēng)量;Cp為水常溫汽化潛熱，590 kcal/kg。

綜上所述，由于隧道內(nèi)重點區(qū)域的水膜效率僅為75%，因此，計算得每臺水媒熱泵系統(tǒng)的濕負(fù)荷制冷量為150×0.75=112.5 kW。根據(jù)所得到的除濕總冷負(fù)荷QL=1 192.3 kW，故需水媒熱泵系統(tǒng)數(shù)量為1 192.3/112.5=11 臺。

5 其他TBM施工濕熱環(huán)境控制方法

1)加強通風(fēng)，改善洞內(nèi)氣候條件。包括改善通風(fēng)措施和優(yōu)化隧道內(nèi)冷卻系統(tǒng)，利用物理及化學(xué)方法在重點作業(yè)地段除濕。

2)降低供風(fēng)風(fēng)流溫度，治理隧道內(nèi)熱污染。包括利用進風(fēng)區(qū)段巖石自身的冷卻作用或在進風(fēng)口設(shè)置防熱輻射棚，在非常嚴(yán)重的情況下可采取人工措施進行降溫，如在進風(fēng)段隧道洞口安裝制冷設(shè)備等。

3)對地下熱水造成的隧道內(nèi)熱害進行治理。

4)利用具有強防水性的襯砌材料緩解襯砌滲漏水。

5)采用除濕機設(shè)備?？蛇x擇不同型號的除濕機分段擺放，進行隧道內(nèi)除濕。

6)可設(shè)置專用空調(diào)機組進行降溫除濕。

6 結(jié)論與建議

1)高溫高濕綜合環(huán)境會對隧道內(nèi)的施工作業(yè)人員造成不利影響。根據(jù)前期研究可知，當(dāng)溫度超過35℃、濕度超過70%時，會對隧道內(nèi)的施工作業(yè)人員造成嚴(yán)重的生理傷害，影響工作效率。

2)通過對中天山隧道TBM施工濕熱環(huán)境影響因素進行分析，可得人員熱負(fù)荷、圍巖散熱量遠(yuǎn)小于電動設(shè)備散熱量，中天山隧道內(nèi)除濕冷負(fù)荷的計算應(yīng)重點考慮電動設(shè)備的散熱量。

3)通過分析計算，得到中天山隧道TBM施工掌子面附近降溫除濕所需的冷負(fù)荷為1 192.3 kW，并制定了濕熱環(huán)境控制方案及設(shè)備選型。

本文的研究成果應(yīng)用于中天山特長隧道TBM施工濕熱環(huán)境控制中，取得了很好的效果，建議進一步加強對實施效果的測試與分析。

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