中天山特長隧道TBM施工濕熱環境控制技術研究

王盡忠

(烏魯木齊鐵路局南疆吐庫二線鐵路建設指揮部，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境問題，致使現場作業人員及機械設備受其影響嚴重。目前，針對濕熱環境的控制技術研究主要集中在民用建筑施工和水利水電等工程中。李百戰等［1］從被動式改善、人工控制調節及建筑裝飾材料功能等方面出發，研究了濕熱環境對人體的影響;江億等［2］對室內濕熱環境營造系統從理論上進行了熱學分析;劉曉華等［3］針對建筑濕熱環境營造，對主動式空調系統中存在的復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濕熱環境研究的熱點和存在的問題。上述文獻均圍繞房屋建筑工程濕熱環境問題開展研究，主要解決室內環境的溫度、濕度、新鮮空氣等需求。由于建筑物室內與室外空氣交換方便，可以從改良建筑材料、調整暖通空調系統等方面來改善室內濕熱環境。對于特長隧道工程，受隧道內空間狹小、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施工濕熱環境。

本文以南疆鐵路中天山特長隧道為例，針對隧道內長距離、狹小空間體系等特點，通過對TBM施工濕熱環境、除濕負荷等進行分析，研究了在隧道內設置水媒熱泵系統來解決TBM施工濕熱環境問題;提出了通過加強通風改善洞內氣候條件、安裝制冷設備降低供風風流溫度等措施輔助改善TBM施工濕熱環境，并對現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，全隧道為單面連續上坡，除出口段308 m位于曲線上以外，其余區段均位于直線上，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%，洞內濕熱環境控制困難，僅靠一般施工通風難以解決問題。因此，需要對TBM施工濕熱環境控制技術進行研究。

2 TBM施工濕熱環境分析

2.1 溫濕度成因

隧道內的溫度影響因素主要有地層地溫、TBM掘進散熱、隧道內照明及機械設備散熱和作業人員散熱。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等有關，機械設備散熱與設備功率和電能等有關。

隧道內濕度的成因主要來自地下水以及隧道內施工用水的散濕。

2.2 溫濕度對施工人員及設備的影響

2.2.1 對施工人員的影響

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

表1 濕熱環境與干熱環境下人體內出汗量的動態變化表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%的濕熱環境下進行輕微體力勞動時，在風速為1.7 m/s的條件下，體內出汗率下降較明顯，以致時間達到5 h時無法繼續勞動，隨之引起的人體生理反應比溫度為42℃、相對濕度為40%以下構成的干熱環境所引起的生理反應更為嚴重。

當作業環境溫度超過30℃時，相對濕度每增加10%，對人體帶來的熱影響等同于作業環境溫度增加1～1.5℃ 。

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

2.2.2 對設備的影響

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

1)洞內冷凝水附著在高壓電纜和照明線路上，導致電力線路短路跳閘停電，使設備電氣系統故障增加。

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

3)造成TBM設備閥塊上的電纜短路，導致閥塊供油不平衡，造成額外的損壞。

3 TBM隧道除濕負荷分析

3.1 邊界條件設定

1)設定外界最惡劣環境溫度為36℃，相對濕度為96%。

2)設計要求溫度達到30℃，相對濕度達到80%。

3.2 除濕負荷計算

3.2.1 電動設備散熱量

電動設備散熱量QE源于電動機散熱量和由于工藝設備實際消耗的電能最終都轉化為熱能所散出的熱量前者是由電動機內磁鐵的電阻抗和軸承的摩擦，使一部分電能轉化為熱能，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

工藝設備的散熱量

則電動機設備的總散熱量

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

其次，工藝設備不一定始終都在最大功率下運轉，因此，工藝設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。具有多臺工藝設備時，不一定同時使用，消耗實際功率N實=n1n2n3N。

最后，工藝設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，一般情況下取0.7～0.9;n2為平均負荷達到最大負荷程度的負荷系數，一般情況下取0.5～0.8;n3為同時使用系數，一般情況下取0.5～1.0;n4為熱轉化系數，除塵風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。各參數具體取值見表2［9］。

表2 特征系數表Table 2 Characteristic coefficients

3.2.2 人員集體熱負荷

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為工程內部總人數，20人;n'為群集系數，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 圍巖內溫度測點布置圖Fig.1 Layout of rock mass temperature measuring points

經現場測量，圍巖內測點1和測點2的溫度都為31℃。

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

3.3 照明設備散熱量［10］

照明設備所消耗的電能幾乎全部轉化為熱能散入周圍環境，如果最大負荷出現的時間在白天，則只需計算白天所用照明功率的發熱量QL。

3.3.1 白熾燈

式中:N為隧道內白熾燈的裝置功率，kW;n1為同時使用系數。

3.3.2 熒光燈

式中:N1為隧道內熒光燈裝置功率，kW;N2為隧道內的鎮流器消耗功率，一般為熒光燈功率的20%，kW;n1為同時使用系數;n2為隧道內燈具燈罩隔熱系數，當熒光燈罩上有通風孔時，取0.5～0.6，燈罩上無通風孔時，取0.6 ～0.8。

3.4 所需除濕冷負荷的確定

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

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

4 TBM隧道濕熱環境控制方案

4.1 熱泵模式選取

由于現場發熱量大，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冷媒系統進行空氣調節，耗電量較大，設備投入大，不經濟。因此，建議選用環保式水媒熱泵系統。利用水的汽化潛熱進行等焓空調降溫處理，并增大換氣次數。建議采用鋪設通風管的方法進行循環供風，并可通過安裝多臺單機空氣媒熱泵和采取噴射式送風的方法進行降溫。

4.2 設備選型及計算分析

根據建立的TBM濕熱環境數學模型，結合邊界條件對濕熱環境進行控制和計算。

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

根據供風量可得出每臺水媒熱泵系統所產生的濕負荷

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

綜上所述，由于隧道內重點區域的水膜效率僅為75%，因此，計算得每臺水媒熱泵系統的濕負荷制冷量為150×0.75=112.5 kW。根據所得到的除濕總冷負荷QL=1 192.3 kW，故需水媒熱泵系統數量為1 192.3/112.5=11 臺。

5 其他TBM施工濕熱環境控制方法

1)加強通風，改善洞內氣候條件。包括改善通風措施和優化隧道內冷卻系統，利用物理及化學方法在重點作業地段除濕。

2)降低供風風流溫度，治理隧道內熱污染。包括利用進風區段巖石自身的冷卻作用或在進風口設置防熱輻射棚，在非常嚴重的情況下可采取人工措施進行降溫，如在進風段隧道洞口安裝制冷設備等。

3)對地下熱水造成的隧道內熱害進行治理。

4)利用具有強防水性的襯砌材料緩解襯砌滲漏水。

5)采用除濕機設備。可選擇不同型號的除濕機分段擺放，進行隧道內除濕。

6)可設置專用空調機組進行降溫除濕。

6 結論與建議

1)高溫高濕綜合環境會對隧道內的施工作業人員造成不利影響。根據前期研究可知，當溫度超過35℃、濕度超過70%時，會對隧道內的施工作業人員造成嚴重的生理傷害，影響工作效率。

2)通過對中天山隧道TBM施工濕熱環境影響因素進行分析，可得人員熱負荷、圍巖散熱量遠小于電動設備散熱量，中天山隧道內除濕冷負荷的計算應重點考慮電動設備的散熱量。

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荷為1 192.3 kW，并制定了濕熱環境控制方案及設備選型。

本文的研究成果應用于中天山特長隧道TBM施工濕熱環境控制中，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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