引漢濟渭隧洞TBM施工環(huán)境熱害擴散規(guī)律研究

劉國平

摘要：引漢濟渭工程是解決關(guān)中、陜北缺水的重要工程，其將穿越秦嶺主脊段，主要采用TBM法施工。理清TBM掘進段的施工環(huán)境熱害擴散規(guī)律，用以指導TBM掘進隧道內(nèi)的現(xiàn)場施工。以引漢濟渭隧洞工程為依托，主要采用數(shù)值計算方法對不同圍巖級別和不同通風條件下TBM掘進段的施工環(huán)境熱害擴散規(guī)律進行計算研究。研究結(jié)果表明：在Ⅳ級圍巖中施工時，掘進機段環(huán)境空氣溫度小于28 ℃，滿足規(guī)范要求。隨著圍巖級別提高，掘進面附近區(qū)域溫度和高溫區(qū)范圍逐漸擴大，最高溫度達到50 ℃，最大熱害擴散范圍達到165 m，最小的通風有效降溫距離僅為45 m；隨著風管出風口風速的增大和送風溫度的降低，熱害擴散范圍逐漸減小，但仍難以使掘進面附近環(huán)境溫度滿足規(guī)范要求，建議在掘進面附近區(qū)域采用局部降溫措施。

關(guān)鍵詞：引漢濟渭；TBM；施工環(huán)境熱害；數(shù)值模擬；擴散規(guī)律

中圖分類號：TV554 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05020006

Study on the thermal hazard of the TBM construction environment in tunnel of the HanjiangtoWeihe River Water Transfer Project

LIU Guoping

（

HanjiangtoWeihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.，Ltd.，Shaanxi Province，Xi′an 710100，China）

Abstract：

The HanjiangtoWeihe river water transfer project is an important project to solve water shortage in the central Shaanxi plain and northern Shaanxi.It will pass through the main ridge section of the Qinling Mountains and is mainly constructed by the TBM method.This paper intends to clarify the diffusion rule of thermal hazard in the construction environment of the TBM tunneling section to guide the construction of the TBM tunnel.This paper is based on the tunneling project of the HanjiangtoWeihe river water transfer project.Numerical calculation was used to calculate the thermal hazard diffusion rule in the construction environment of TBM tunneling sections under different surrounding rock grades and different ventilation conditions.Results showed that in the construction of class IV surrounding rock，the ambient air temperature of the TBM section was less than 28 ℃，which met the specification requirements.With the improvement of the surrounding rock grade， the temperature near the driving surface and the scope of hightemperature area would gradually increase.The maximum temperature reached 50 ℃ and the maximum diffusion range of thermal hazard reached 165 m.The minimum effective ventilation cooling distance was only 45 m.With the increase of wind speed at the outlet of the air duct and the decrease of the supply air temperature，the diffusion range of thermal hazard would gradually decrease；but the ambient temperature near the driving surface still could not meet the specification requirements.Therefore，this paper recommends using local cooling measures in the vicinity of the driving surface.

Key words：

the HanjiangtoWeihe river water transfer project；TBM；thermal hazard of the construction environment；numerical simulation；diffusion rule

引漢濟渭工程是解決關(guān)中、陜北缺水的戰(zhàn)略性水資源配置工程，調(diào)水工程主要由黃金峽水庫、三河口水庫、秦嶺輸水隧洞組成。秦嶺輸水隧洞全長983 km2，穿越秦嶺主脊段34 km2主要采用TBM法施工。TBM穿越洞段圍巖主要以Ⅲ、Ⅳ級為主。由于TBM機在掘進過程中產(chǎn)生大量的熱量，導致掘進面附近區(qū)域溫度較高，人員和設(shè)備的工作效率大大降低。因此，理清TBM掘進段的熱害擴散規(guī)律問題是引漢濟渭工程及其他類似工程順利實施的基本。

國內(nèi)不少學者對TBM隧道施工熱環(huán)境問題也做了相關(guān)研究。張建[1]通過理論分析的方法，闡明了TBM施工熱源，并編制了TBM施工通風程序，確定風量，風壓，風速等通風參數(shù)；陳紅超[2]以隧道全長為研究對象，利用CFD對長距離引水隧洞TBM施工通風進行模擬，合理優(yōu)化了施工通風參數(shù)；曹正卯等[3]利用FLUENT對敞開式TBM隧道段空氣溫度流場進行了進行模擬，將計算結(jié)果與現(xiàn)場溫度測試數(shù)據(jù)進行比較，分析TBM施工隧道空氣溫度分布規(guī)律；王盡忠等[4]針對TBM施工過程中遇到的高溫高濕環(huán)境問題，通過理論分析的方法，建立濕熱環(huán)境數(shù)學模型；郭春等[5]采用數(shù)值計算與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，主要針對特長TBM施工隧道環(huán)境安全控制進行了研究。此外，國內(nèi)其他科研人員結(jié)合實際隧洞工程情況，對TBM施工通風系統(tǒng)方案進行了大量的比選研究[623]。這些研究成果對了解TBM施工通風有重要的意義，但針對不同圍巖條件對TBM熱害機理的影響規(guī)律還未見相關(guān)的研究報道。

因此，本論文以引漢濟渭隧洞TBM施工過程為研究對象，主要采用三維數(shù)值計算軟件FLUENT，對不同圍巖級別下TBM掘進段的空氣溫度分布情況、不同通風條件下TBM掘進段熱害擴散規(guī)律進行計算和分析，為施工現(xiàn)場選擇降溫措施奠定研究基礎(chǔ)，保證引漢濟渭秦嶺隧洞順利施工并為今后相似工程提供科學依據(jù)。

1 TBM施工熱害環(huán)境計算方法

1.1 理論方法

由TBM施工引起的隧道熱害環(huán)境問題需通過通風方式加以改善。利用大型數(shù)值計算軟件FLUENT對TBM施工機械產(chǎn)熱下的空氣溫度場進行模擬，根據(jù)隧道施工工況，設(shè)置邊界條件，模擬通風條件下施工環(huán)境的熱害擴散規(guī)律。假定隧道內(nèi)空氣流動不可壓縮，隧道內(nèi)氣體流動遵循質(zhì)量守恒，動量守恒，能量守恒定理。采用雷諾標準[WTB1X]k[WTBX]ε雙方程模型，模擬隧道內(nèi)的空氣流動規(guī)律，并忽略洞口自然風的影響。最后采用SIMPLE算法，解算得出TBM施工通風條件下的隧道空氣溫度場。

1.2 幾何模型

根據(jù)引漢濟渭秦嶺隧洞TBM掘進段實際工程情況，建立1 km的隧道環(huán)境熱害擴散計算模型。模型幾何尺寸如下：隧道斷面直徑為8 m；通風風管直徑為22 m，居中放置，距隧道頂面05 m，通風管道出口位于TBM掘進機尾部；依據(jù)TBM機主要結(jié)構(gòu)，建立簡易的掘進機模型，模擬機身對空氣的散熱效果及對空氣流動的影響。幾何模型見圖1。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用適應(yīng)性較強的四面體網(wǎng)格，對已建好的三維數(shù)值計算模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長取05 m，局部網(wǎng)格劃分情況見圖2。

2.1 熱源的計算

2.1.1 電動機械設(shè)備散熱

TBM是大型的電力機械，一般認為，電動機散熱與工藝設(shè)備實際消耗的電能最終都轉(zhuǎn)化為熱能，由TBM機身表面?zhèn)鬟f到空氣中。TBM 機身單位時間實際散熱量Q1計算公式為：

Q1=Pn1n2n3n4η （1）

式中：Q1為機身散熱量（kW）；P為設(shè)備最大功率（kW）； n1為掘進機利用系數(shù)，一般等于掘進機利用率；n2為負荷系數(shù)，一般取08；n3為同時使用系數(shù)；n4為熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取05；η為機器效率，一般取08。

2.1.2 人員集體熱負荷

人員在TBM掘進機內(nèi)比較集中的工作時，人體散熱對工作區(qū)間內(nèi)的環(huán)境空氣溫度也有一定的影響。人體的代謝散熱量近似計算公式為：

Q2=qnn′ （2）

式中：Q2為人員散熱（kW）；q為在不同室溫和勞動強度情況下成年男子的散熱量，一般取 02×10-3 kW；n為TBM工作區(qū)域內(nèi)部總?cè)藬?shù)，一般取20 人；n′為群集系數(shù)，一般取 10。

2.1.3 照明設(shè)施散熱

照明設(shè)備所消耗的電能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能散 入空氣中。隧道內(nèi)白熾燈的散熱量大小計算公式為：

Q3=W·m （3）

式中：W為白熾燈的裝置總功率；m為同時使用系數(shù)。

2.2 圍巖級別對掘進段熱害的影響

引漢濟渭秦嶺隧洞施工開敞式硬巖掘進機（s795），設(shè)備額定總功率為3 736 kW。針對不同的圍巖條件，采用TBM進行隧洞施工時，需選取不同的掘進參數(shù)。根據(jù)TBM施工統(tǒng)計分析實例，TBM在不同圍巖等級下的掘進機利用率不同，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖中掘進機利用率分別為442%、 2917%和909%[24]。依據(jù)上述隧洞熱源產(chǎn)熱量計算，TBM機身在不同圍巖狀態(tài)下施工時，掘進機利用率不同，隧洞內(nèi)總產(chǎn)熱量差距較大。根據(jù)隧洞內(nèi)不同的總散熱量，并假定散熱量沿機身均勻分布，得出單位面積TBM機向空氣的散熱值，見表1。

根據(jù)工程現(xiàn)場及通風布置情況確定數(shù)值計算邊界條件如下：（1）風管進風口風速為15 m/s，進口風溫為15 ℃且與洞外相同；（2）隧道模型洞口相對壓強為0；（3）TBM掘進機段電機設(shè)備單位時間散熱率分別取411 W/m2、271 W/m2和84 W/m2；（4）計算30分鐘后，數(shù)值模擬計算完全收斂時，洞內(nèi)空氣溫度分布規(guī)律。

模擬計算收斂完成后，沿隧道延伸方向取豎向縱斷面，得三種散熱率下掌子面至電機段附近溫度分布云圖，見圖3。

依據(jù)圖3可知，圍巖等級越高，TBM機單位時間產(chǎn)熱量越高，隧洞內(nèi)空氣溫度越高，高溫環(huán)境分布范圍越廣。引漢濟渭秦嶺隧洞主要穿越Ⅲ、Ⅳ級圍巖，根據(jù)TBM實際施工時空氣溫度的實測數(shù)據(jù)，主控室周圍空氣溫度為34～38 ℃。數(shù)值計算結(jié)果顯示，Ⅲ、Ⅳ級圍巖條件下主控室附近溫度平均值約為37 ℃，則計算結(jié)果與實際溫度測量結(jié)果相符。進一步分析出風口處隧道內(nèi)溫度分布規(guī)律，選擇距洞頂25 m的人員呼吸區(qū)域，提取距離風管出風口不同距離的溫度計算值，以此得到通風降溫的長度范圍，見圖4。

由圖4可知，相同通風條件下，隧洞內(nèi)產(chǎn)熱量越大，熱害擴散距離越長。在15 m/s的風管送風條件下，TBM在Ⅱ級圍巖中的掘進空氣溫度較高，在距風管口約45 m處已超過規(guī)范限值[25]，距離風管口越遠溫度越高，最高可達50 ℃。在Ⅲ級圍巖中施工時，隧道環(huán)境溫度在距風管口約55 m處超過規(guī)范限值，通風降溫距離相對更長。在Ⅳ級圍巖中施工時，空氣溫度符合規(guī)范值，通風基本能滿足TBM機身段散熱要求。通風后，風管出口處的溫度有明顯的改善，但隨著距離風管出風口的距離越來越遠，隧洞內(nèi)的環(huán)境溫度逐漸升高。與此同時，在距出風口約50 m處空氣溫度產(chǎn)生了較大的變化，這個區(qū)域恰好位于TBM電機熱源區(qū)域，大量的熱量從電機表面釋放出來，因此，在該區(qū)域確實出現(xiàn)了溫度的突然升高。

2.3 通風風速對掘進段熱害的影響

依據(jù)上述，TBM機在較好圍巖條件下掘進時產(chǎn)熱量較高，隧洞內(nèi)空氣溫度較大，通風能對一定范圍內(nèi)的掘進機環(huán)境溫度起到改善作用。則依據(jù)獨頭壓入式通風實際情況，分析計算不同風速下施工環(huán)境熱害擴散范圍。

根據(jù)工程現(xiàn)場及通風布置情況確定數(shù)值計算邊界條件如下：（1）風管進風口分別設(shè)置為5 m/s 、15 m/s和25 m/s，進口風溫設(shè)為15 ℃且與洞外相同；（2）隧道模型洞口相對壓強為0，洞口氣溫為15 ℃；（3）TBM掘進機段電機設(shè)備單位時間散熱率為411 W/m2；（4）計算30分鐘后，數(shù)值模擬計算完全收斂時，洞內(nèi)空氣溫度分布規(guī)律。

模擬計算收斂完成后，沿隧道延伸方向取豎向縱斷面，得三種風速下掘進機掌子面至電機段溫度分布云圖，見圖5。

依據(jù)圖5可知，隧洞內(nèi)產(chǎn)熱量一定時，加大風速，隧洞內(nèi)的低溫環(huán)境分布范圍越廣，通風降溫效果越好。15 m/s的送風條件下主控室周圍的空氣溫度較5 m/s時明顯降低。進一步分析出風口處隧道內(nèi)溫度分布規(guī)律，選擇距洞頂25 m人員呼吸區(qū)域，提取距離風管出風口不同距離的溫度值進行研究，以此得到通風影響的長度范圍，如圖6所示。

由圖6可知，隧洞熱源產(chǎn)熱量一定時，風管出風口風速越大，熱害擴散距離越短。風管出口風速為5 m/s時，監(jiān)測點的溫度均超過規(guī)范要求；風管出口風速為15 m/s時，熱害擴散范圍約到達風管前端45 m；風管出口風速為25 m/s時，熱害擴散范圍約到達風管前端60 m，且此時TBM中前段空氣溫度較高。

分析其主要原因是由于風管送風速度的提高，在出風口處形成了較大的正壓，使得電機附近區(qū)域產(chǎn)生的熱量向掘進面方向擴散，致使TBM機身的中前段溫度較高；當風管送風速度降低時，這種擴散明顯減弱，熱量在電機附近區(qū)域就擴散，致使TBM機身的后段即出風口到電機區(qū)域的溫度較高。因此，建議在加大通風速度的同時，在TBM掘進面附近區(qū)域采用局部降溫措施。根據(jù)引漢濟渭隧洞施工現(xiàn)場措施和效果可知，在主控室附近放置一定量冰塊，可使溫度降低3～4 ℃。

2.4 出口風溫對掘進機段熱害的影響

不同的送風溫度及洞內(nèi)的初始環(huán)境溫度對TBM施工熱害擴散規(guī)律影響較大。依據(jù)四季及晝夜的洞外溫差變化，設(shè)置數(shù)值計算邊界條件如下：（1）風管進風口風速分別設(shè)置為15 m/s，進口風溫分別為5 ℃、15 ℃和25 ℃且與洞外相同；（2）隧道模型洞口相對壓強為0；（3）TBM掘進機段電機設(shè)備設(shè)為熱交換模型，由機械表面施放到空氣中的單位時間散熱率為411 W/m2；（4）計算30分鐘后，數(shù)值模擬計算完全收斂時，洞內(nèi)空氣溫度分布規(guī)律。

模擬計算收斂完成后，沿隧道延伸方向取豎向縱斷面，得三種風溫下掘進機掌子面至電機段的溫度分布云圖，如圖7所示。

依據(jù)圖7可知，隧洞內(nèi)產(chǎn)熱量及通風風速一定時，送風溫度越低，隧洞內(nèi)的低溫環(huán)境分布范圍越廣，通風降溫效果越好。進一步分析出風口處隧洞內(nèi)溫度分布規(guī)律，選擇距洞頂25 m人員呼吸區(qū)域，提取距離風管出風口不同距離的溫度值，如圖8所示。

圖8 不同風溫下空氣溫度沿風管口距離分布規(guī)律

Fig.8

Distribution of air temperature along the air duct at different wind temperatures

由圖8可知，隧洞熱源產(chǎn)熱量及風速一定時，送風風溫越小，熱害擴散范圍越短。風管送風風溫為5 ℃時，距風管出口55 m隧洞范圍內(nèi)，空氣溫度均滿足規(guī)范要求且相對較低；風管送風溫度為15 ℃時，熱害擴散范圍約到達風管前端45 m，45 m范圍以外空氣溫度升高明顯；風管送風溫度為25 ℃時，TBM掘進機全長范圍內(nèi)空氣溫度均超過規(guī)范限制，不利于人員和機械的正常工作。

3 結(jié)論

針對引漢濟渭秦嶺輸水隧道TBM施工中遇到的高溫環(huán)境問題，結(jié)合數(shù)值計算的方法，分析了TBM熱害影響因素，模擬計算了隧洞環(huán)境熱害的擴散規(guī)律，得出以下結(jié)論。

（1）敞開式TBM機施工洞段內(nèi)，電動機械，人員以及照明設(shè)備為主要熱源，散熱量傳遞給洞內(nèi)空氣，造成掘進機段高溫環(huán)境。

（2）通風參數(shù)一定時，TBM施工產(chǎn)熱量越大，通風影響范圍越小，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖施工產(chǎn)熱下，熱害擴散范圍分別到達風管前端45 m、55 m和掘進機全長。

（3）隧洞內(nèi)熱源產(chǎn)熱量一定時，風管出風口風速越大，熱害擴散范圍越小，5 m/s 、15 m/s、25 m/s通風條件下，熱害擴散范圍分別到達風管前端5 m、45 m、60 m，加大送風風速，掘進機段空氣溫度有一定的改善，還需輔助其他措施為局部工作區(qū)域降溫。

（4）隧洞內(nèi)熱源產(chǎn)熱量及風速一定時，送風風溫 越小，熱害擴散范圍越小，風溫為5 ℃，15 ℃，25 ℃時，熱害擴散范圍分別到達風管前端55 m、45 m、5 m。

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