鐵路隧道熱濕環(huán)境研究綜述

袁艷平，何青青，曹曉玲，雷 波，馮 煉

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院建筑環(huán)境與設(shè)備工程系，成都 610031)

目前我國(guó)鐵路建設(shè)正處在高速發(fā)展中?！笆晃濉逼陂g規(guī)劃鐵路建設(shè)總投資12 500億元，建設(shè)新線17 000 km。2010年全國(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)里程達(dá)到9萬(wàn)km以上，復(fù)線、電氣化率均達(dá)到45%以上，快速客運(yùn)網(wǎng)總規(guī)模達(dá)到20 000 km以上［1］。鐵路隧道作為鐵路交通線路的重要工程結(jié)構(gòu)物，建設(shè)投資巨大，具有重大的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會(huì)效益。采用長(zhǎng)隧道來克服地形障礙，能使線路平直、長(zhǎng)度縮短，并避免不良地質(zhì)條件對(duì)線路的不利影響，有效地提高線路標(biāo)準(zhǔn)。

1 鐵路隧道熱濕環(huán)境的形成機(jī)理及其影響

鐵路隧道一般埋深大、穿越的不同地質(zhì)單元體多，從而將不可避免地遇到涌水、巖爆、坍塌及熱害等地質(zhì)災(zāi)害［2］。其中高地溫問題己是隧道工程、采礦工程及其它地下工程常見的地質(zhì)災(zāi)害問題。以大瑞線關(guān)鍵性控制工程——高黎貢山隧道為例，全長(zhǎng)約18.7 km，屬深埋特長(zhǎng)隧道。隧道穿越地區(qū)地表溫泉發(fā)育，巖土最高溫度達(dá)到50℃［3］。日本安房隧道的地溫值達(dá)到了73 ℃［4］。

施工期間隧道內(nèi)的熱量主要來源于圍巖散熱、施工作業(yè)中相關(guān)機(jī)械設(shè)備散熱、爆破產(chǎn)生的熱量等。運(yùn)營(yíng)期間隧道內(nèi)的溫度主要受地層的自然溫度、隧道中照明和輔助機(jī)械的散熱、行車散熱、受電弓電弧發(fā)熱的影響。隧道內(nèi)濕環(huán)境的成因主要來自地下水，地下水通過襯砌滲漏，并向工程內(nèi)部滲透。運(yùn)營(yíng)期間隧道內(nèi)濕氣主要來源于水溝表面水的自然蒸發(fā)、車內(nèi)乘客及作業(yè)人員散濕。

《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》規(guī)定，隧道內(nèi)氣溫不得超過28℃［5］。在高溫施工中，一般生產(chǎn)率均較低，有的相對(duì)勞動(dòng)效率僅為30% ～40%。大量試驗(yàn)證明［6］，當(dāng)環(huán)境溫度＞30℃，相對(duì)濕度每增加10%，對(duì)機(jī)體帶來的熱影響，相當(dāng)于環(huán)境溫度增加 1.0℃ ～1.5℃。在溫度高于 35℃時(shí)，若濕度超過70%，會(huì)影響工作效率并造成對(duì)作業(yè)人員的生理傷害。另外，相關(guān)研究表明:隧道中若出現(xiàn)高溫高濕情況(溫度35℃～50℃，濕度80%以上)，也會(huì)對(duì)列車運(yùn)行的安全性和可靠性造成危害，甚至引發(fā)火災(zāi)［7］，電氣設(shè)備的運(yùn)行性能也會(huì)因此急劇下降，絕緣容易破壞，導(dǎo)致短路。高溫高濕還影響到施工和建筑材料的選?。?］，產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力還可能引起襯砌開裂，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全及耐久性不利。隧道建成運(yùn)營(yíng)后，洞內(nèi)溫度過高將造成隧道養(yǎng)護(hù)維修困難，從而可能導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本大幅度提高。

2 鐵路隧道熱濕環(huán)境數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

施工通風(fēng)是保障施工期作業(yè)熱濕環(huán)境的重要工程措施。梁文灝等［9］比較了烏鞘嶺隧道不同施工階段長(zhǎng)管路獨(dú)頭壓入式不同通風(fēng)方案的優(yōu)劣。王莉平［10］利用試驗(yàn)獲得的不同通風(fēng)長(zhǎng)度漏風(fēng)系數(shù)，對(duì)烏鞘嶺特長(zhǎng)鐵路隧道通風(fēng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)算。Alvarez等［11］對(duì)于壓入式通風(fēng)系統(tǒng)建立了一套快速計(jì)算風(fēng)量的方法。空氣流動(dòng)按一維流動(dòng)處理，分段計(jì)算風(fēng)管中流動(dòng)和在隧道中返回的損失。李剛等［12］對(duì)隧道施工環(huán)境中有限空間附壁射流進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

隧道內(nèi)溫度特別是近作業(yè)面區(qū)域溫度，是施工期熱濕環(huán)境關(guān)心的重點(diǎn)。雷波等［13］提出了一個(gè)計(jì)算隧道內(nèi)空氣溫度的雙區(qū)模型，風(fēng)管出口到工作的區(qū)域內(nèi)使用均勻攪拌器模型，從進(jìn)口到風(fēng)管出口段使用一維湍流流動(dòng)換熱模型，并在此基礎(chǔ)上分析了隧道內(nèi)溫度的影響因素。張智等［14］基于隧道內(nèi)熱平衡建立了預(yù)測(cè)作業(yè)面溫度的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)壓入式通風(fēng)狀況下作業(yè)面溫度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。吳強(qiáng)等［15］根據(jù)掘進(jìn)工作面勻速推進(jìn)時(shí)工作面的壁面溫度、風(fēng)流溫度保持不變的特點(diǎn)，建立移動(dòng)坐標(biāo)，將描述掘進(jìn)工作面圍巖溫度場(chǎng)的二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程改進(jìn)為移動(dòng)坐標(biāo)下掘進(jìn)工作面二維不含時(shí)間變量的導(dǎo)熱微分方程求解。

運(yùn)營(yíng)期的熱濕環(huán)境直接影響到電氣設(shè)備及維護(hù)人員的安全，諸多學(xué)者對(duì)運(yùn)營(yíng)期熱濕環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。高建良等［16］建立了考慮壁面水分蒸發(fā)的巷道圍巖溫度分布及圍巖散熱的數(shù)學(xué)方程。采用濕系數(shù)法處理壁面水分蒸發(fā)，提出將飽和空氣含濕量與溫度的關(guān)系擬合為二次曲線。用變步長(zhǎng)有限差分法對(duì)巷道圍巖溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬求解。英國(guó)諾丁漢大學(xué)［17］(1976)年開發(fā)了商業(yè)軟件CLIMSIM用于模擬隧道的內(nèi)環(huán)境狀況，該模型基于質(zhì)量守恒和能量守恒的原理。Lowndes等［18］在以上模型的基礎(chǔ)上作了完善:考慮了圍巖的散熱、由于深度增加輸送空氣的壓縮、機(jī)器等熱源產(chǎn)生的顯熱、運(yùn)輸?shù)拿旱V所散發(fā)的顯熱和潛熱、掘進(jìn)端積水和潮濕壁面的影響，探討了在隧道掘進(jìn)過程中隨著深度的增加即圍巖原始溫度的增加對(duì)隧道內(nèi)部氣候的影響。Lowndes等［19］運(yùn)用上述模型模擬分析了巖土熱物性參數(shù)、送風(fēng)機(jī)效率、電器設(shè)備使用率等參數(shù)變化對(duì)于所預(yù)測(cè)的隧道氣候條件的影響。黃濤，楊立中［20］通過隧道裂隙圍巖體滲透性能與熱物理性能的等效連續(xù)化處理，將圍巖等效處理成具有相同滲透性能和熱傳導(dǎo)性能的連續(xù)體，進(jìn)而初步建立了圍巖體溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合作用數(shù)學(xué)模型。郭進(jìn)偉等［21］運(yùn)用有限元分析軟件，采用熱學(xué)理論模擬溫度場(chǎng)，并通過熱—結(jié)構(gòu)耦合方式研究高壁溫條件下結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

部分學(xué)者對(duì)寒冷地區(qū)隧道內(nèi)溫度和濕度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。賴遠(yuǎn)明等［22］導(dǎo)出了帶相變的溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)三場(chǎng)耦合問題的數(shù)學(xué)力學(xué)模型及其控制微分方程，運(yùn)用無量綱量和攝動(dòng)技術(shù)求解出了寒區(qū)圓形截面隧道溫度場(chǎng)的解析解。何春雄等［23］建立了嚴(yán)寒地區(qū)隧道內(nèi)的氣體在層流和湍流條件下與圍巖對(duì)流換熱和固體熱傳導(dǎo)耦合問題的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，張學(xué)富等［24］提出了寒區(qū)隧道空氣與圍巖對(duì)流換熱和圍巖熱傳導(dǎo)耦合問題的三維計(jì)算模型。

試驗(yàn)是研究隧道熱濕環(huán)境的重要手段之一。張先軍［25］對(duì)青藏鐵路昆侖山隧道圍巖地溫及隔熱層外溫度進(jìn)行了測(cè)試并分析了隧道洞內(nèi)氣溫、地溫和隔熱層內(nèi)外側(cè)溫度分布特征。賴遠(yuǎn)明等［26］用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法研究了青海大坂山隧道在有無保溫門和有無防雪棚條件下的隧道內(nèi)氣溫的變化規(guī)律。

3 鐵路隧道熱濕環(huán)境控制

3.1 鐵路隧道施工期熱濕環(huán)境控制

對(duì)于施工期的降溫降濕，工程上主要采用局部冷水噴霧、通風(fēng)等施工措施進(jìn)行處理。隧道施工期的通風(fēng)方式分為管道式通風(fēng)和巷道式通風(fēng)兩種。

管道式通風(fēng)考慮到漏風(fēng)和風(fēng)阻的影響，一般只適用于獨(dú)頭通風(fēng)的較短隧道，可供選擇的方式有三種，即壓入式、抽出式和混合式。特長(zhǎng)隧道施工過程中，在無軌運(yùn)輸階段一般采用壓入式通風(fēng)方式，將風(fēng)機(jī)置于有新鮮空氣的地方(一般離開洞口一定距離)，通過管道直接將新鮮空氣(冷空氣)壓送到工作面附近，從而達(dá)到除塵降溫的效果。防漏降阻是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通風(fēng)的技術(shù)關(guān)鍵。賴滌泉等［27］利用新型柔性風(fēng)管，解決了長(zhǎng)距離大斷面獨(dú)頭掘進(jìn)的施工通風(fēng)難題。鐘友江［28］對(duì)無軌運(yùn)輸條件下的施工通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行了研究。烏鞘嶺隧道［10］按不同的施工階段劃分為與之相應(yīng)的通風(fēng)階段，通風(fēng)方式采用長(zhǎng)管路獨(dú)頭壓入式，利用不作為供風(fēng)井的輔助坑道排出污風(fēng)。索朝軍等［29］對(duì)東秦嶺特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)進(jìn)行了階段性設(shè)計(jì)和研究，同時(shí)采取了水幕降塵、機(jī)械凈化等措施，成功地解決了長(zhǎng)大隧道在無軌運(yùn)輸條件下的施工通風(fēng)問題。羅汝洲［30］運(yùn)用隧道工程與通風(fēng)理論以及仿真技術(shù)，確定高尾氣污染特長(zhǎng)隧洞洞身段施工通風(fēng)方案及參數(shù)。

巷道式通風(fēng)主要是針對(duì)在長(zhǎng)大隧道施工中開設(shè)有各種輔助坑道的情況，如平行導(dǎo)坑(簡(jiǎn)稱平導(dǎo))、斜井、豎井和鉆孔等。

秦嶺隧道II線根據(jù)平導(dǎo)巖熱型熱害類型確定通風(fēng)降濕的措施:降溫重點(diǎn)以巖熱、機(jī)械設(shè)備放熱、爆破熱為主;齊頭打眼處以通風(fēng)為主，爆破后立即通風(fēng)，齊頭圍巖面經(jīng)常灑水，保持濕式作業(yè)。張智等［31］對(duì)人工制冷措施降除熱害進(jìn)行了深入的探討，提出了兩種人工制冷的降溫方案:建立隧道內(nèi)制冷站作為冷源或采用冰塊制冷作為冷源。我國(guó)黑白水三級(jí)電站的引水隧道在施工中遭遇高溫高壓熱水的影響［32］，通過在工作面加大通風(fēng)設(shè)備功率，通風(fēng)機(jī)在不間斷運(yùn)行的條件下，最后采取加強(qiáng)排水，加強(qiáng)通風(fēng)，增加冷水摻入量、局部冷水噴霧，洞內(nèi)工作面氣溫降到了35℃ ～38℃。這些工程措施，一是降溫降濕效果有限，二是沒有相關(guān)的理論研究作基礎(chǔ)，只屬于經(jīng)驗(yàn)措施。

對(duì)于極端高溫工況，僅靠通風(fēng)措施不足以解決熱濕問題，應(yīng)采用通風(fēng)和制冷相結(jié)合的方式。Von等［33］認(rèn)為通風(fēng)和制冷方式的不同組合有利于排出施工隧道內(nèi)熱負(fù)荷，兩者之間的比重搭配要綜合比較分析稀釋污染物所需的最小空氣量，可用于安置通風(fēng)管道的空間大小以及風(fēng)機(jī)、泵、制冷的能量花費(fèi)。采用制冷方式降溫時(shí)，將冷卻器放置于距離工作區(qū)較遠(yuǎn)處通過管道輸送至隧道內(nèi)的方式比冷卻器放置在TBM車上的方式更好，運(yùn)行費(fèi)用較低。

對(duì)于凍土區(qū)鐵路隧道，凍土圍巖靠裂隙冰的粘接連接成整體，維持穩(wěn)定。一旦洞內(nèi)溫度超過0℃，隨著融化圈的擴(kuò)大，融化圈內(nèi)的圍巖就會(huì)發(fā)生掉塊甚至坍塌，從而危及施工安全。因此在實(shí)際工程中，常將施工環(huán)境溫度控制在 －5℃ ～5℃之間［34］。

3.2 鐵路隧道運(yùn)營(yíng)期熱濕環(huán)境控制

對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)期熱濕環(huán)境控制最為廣泛的方法是通風(fēng)，早期修建的鐵路隧道單純采用自然通風(fēng)，但受季節(jié)和地區(qū)的制約其通風(fēng)效果不明顯且不穩(wěn)定。事實(shí)證明，單純的自然通風(fēng)并不能滿足隧道特別是長(zhǎng)隧道排除其內(nèi)部熱量和污染物的要求［12］。在這種情況下機(jī)械通風(fēng)被大量采用。Ampofo等［35］提出了控制隧道內(nèi)及車內(nèi)熱濕環(huán)境的幾種可能方法，并通過建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)溫度和相對(duì)濕度，同時(shí)結(jié)合PPD來評(píng)價(jià)這幾種方法的效果及適應(yīng)范圍。

在通風(fēng)方式方面，過去常采用的有無簾幕洞口風(fēng)道式、有簾幕洞口風(fēng)道式、洞口噴嘴式、豎(斜)井吸出(吹入)式和多豎井分段式［36］。但隨著射流風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前縱向式射流通風(fēng)方式己逐漸成為一種最為流行的鐵路隧道機(jī)械通風(fēng)方式。對(duì)于長(zhǎng)隧道而言，要達(dá)到降溫目的一般通過加大隧道內(nèi)通風(fēng)量的方法，采用大功率的射流風(fēng)加強(qiáng)隧道內(nèi)的通風(fēng)換氣，以達(dá)到排除熱量的目的。但是針對(duì)以控制溫度為目的的隧道，通過計(jì)算得到的需風(fēng)量，將很可能超過《鐵路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的通風(fēng)機(jī)供給的隧道內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)超過8 m/s的限值［37］。因此，很多學(xué)者就如何提高通風(fēng)效率作了大量研究。目前，在縱向式通風(fēng)系統(tǒng)中，射流風(fēng)機(jī)一般安裝在隧道頂部壁面附近，高速氣流會(huì)增大風(fēng)機(jī)出口與壁面間切應(yīng)力，降低通風(fēng)效率并增加能耗［38］。隨著我國(guó)鐵路機(jī)車逐漸向電氣化轉(zhuǎn)換，一些新型通風(fēng)方式也被學(xué)者提出來。曾滿元等［39］根據(jù)電氣化鐵路隧道的運(yùn)營(yíng)及環(huán)境特點(diǎn)，提出了移動(dòng)式運(yùn)營(yíng)通風(fēng)的概念。

從目前的研究來看，還有以下四種方法被用于控制隧道運(yùn)營(yíng)期熱濕環(huán)境。第一種方法是利用隧道襯砌及土壤的蓄熱(冷)性能。第二種方法是采用空調(diào)系統(tǒng)。世界上最長(zhǎng)的海底隧道——英吉利海峽海底隧道就是采用空調(diào)降溫，共配置8套制冷裝置，制冷能力共計(jì)約52 000 kW［40］。第三種方法是不定時(shí)地在隧道路面上灑水，在隧道路面上形成一層水膜，利用水膜的蒸發(fā)來達(dá)到降溫的效果。第四種是采用噴霧法。在隧道的某一部分噴水霧，利用水霧的汽化潛熱消除隧道內(nèi)熱量。王小芝［41］研究了城市公路隧道采用噴霧降溫的可行性，并提出噴霧降溫的方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)對(duì)于極端高溫高濕工況，僅靠通風(fēng)措施不足以解決熱濕問題，應(yīng)采用通風(fēng)和制冷相結(jié)合的方式。冷源形式可以采用固定的制冷站和移動(dòng)冷源等形式。在運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)合理運(yùn)用自然風(fēng)、活塞風(fēng)并充分利用行車天窗時(shí)期，選擇合理的風(fēng)速和最優(yōu)化的通風(fēng)方式。

2)隧道作業(yè)區(qū)熱濕環(huán)境是由隧道巖體溫度、水分滲流和蒸發(fā)量、作業(yè)區(qū)各種熱源類型和強(qiáng)度、通風(fēng)氣流等因素決定的，是含有水分蒸發(fā)過程的熱、濕和空氣流動(dòng)耦合作用的結(jié)果。特別是壁面熱濕傳遞過程，它受到熱傳導(dǎo)過程、蒸汽擴(kuò)散、液態(tài)擴(kuò)散、表面擴(kuò)散、Knudsen擴(kuò)散、毛細(xì)流、純水力流動(dòng)等多種因素的影響，在數(shù)學(xué)上都很難描述，求解就更困難了。對(duì)于這一類問題，還沒有成熟的解決方法。施工通風(fēng)計(jì)算大多采用一維模型，將流動(dòng)過程簡(jiǎn)化為無限長(zhǎng)一維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，不考慮隧道斷面形狀對(duì)流場(chǎng)的影響，也不考慮隧道壁面溫濕度對(duì)施工通風(fēng)的影響，在近作業(yè)面區(qū)域存在較大的誤差。

3)在隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)模擬計(jì)算時(shí)，大多把污染物濃度分布作為主要控制目標(biāo)，考慮溫度場(chǎng)的研究較少。在運(yùn)營(yíng)期隧道熱濕環(huán)境模擬計(jì)算的過程中，針對(duì)高溫地質(zhì)條件展開的研究很少，而且在為數(shù)不多的研究中，沒有計(jì)算圍巖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的傳濕，也沒有考慮傳濕過程對(duì)傳熱過程的影響。應(yīng)對(duì)通風(fēng)或間歇通風(fēng)狀態(tài)下非等溫高溫邊界條件下帶高速移動(dòng)內(nèi)熱源的三維不規(guī)則大長(zhǎng)寬比區(qū)域內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)熱濕耦合問題進(jìn)行建模和求解，重點(diǎn)解決多物理場(chǎng)的耦合、移動(dòng)熱源處理技術(shù)、隧道熱濕環(huán)境熱濕累積的中長(zhǎng)期效應(yīng)分析。

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