TBM施工引水隧洞降溫技術研究

于 麗， 王曉亮, *， 王明年， 魏軍政， 田 源

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031； 3. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043)

0 引言

隨著地下工程施工技術的迅速發展，交通隧道和引水隧洞工程及其他地下工程向著長距離、埋深大的方向發展。由于斜井、豎井在長大隧洞中設置較困難，因此，在長距離、埋深大硬巖隧洞中TBM的應用越來越廣泛。施工中，出口段多采用鉆爆法，在埋深大、設置斜井和豎井困難的位置，采用TBM掘進。

地溫一般隨著隧洞工程埋深的增加逐漸增高，且在TBM施工過程中會產生大量的熱量，隨著隧洞掘進距離的增加，隧洞內送至掘進面的風量減少，導致掘進面附近溫度較高，往往超過規范規定的限值。高溫會危害施工人員的生命，降低施工效率和機械設備的使用壽命，甚至會對隧洞結構造成一定的影響。TBM施工隧洞掘進面附近的溫度是影響TBM連續掘進長度的一個重要因素。因此，控制TBM掘進段的溫度，對延長連續掘進的長度、減少斜井的數量、降低工程投資、加快施工進度和保證施工人員的身體健康及工作效率具有重要的意義。為了確定TBM段的掘進溫度，需對隧洞內的溫度分布規律進行研究。目前，對于隧道(洞)內溫度分布規律的研究已有一些。雷波等[1]針對秦嶺特長隧道提出了均勻攪拌器加一維紊流攪拌器模型的雙區“0-1模型”；楊長順[2]針對祿勸鉛廠引水隧洞高地溫情況，研究了鉆爆法高地溫隧洞通風降溫的計算方法，提出了用于指導施工的通風降溫計算方法；吳一匡[3]通過求解熱傳導微分方程，計算出了洞徑與風速相關的隧道通風降溫計算公式；孫其清[4]推導了鉆爆法施工高地溫隧道通風降溫的計算公式，總結了高溫隧道的主要降溫措施；朱春等[5]針對盾構法施工的崇明越江特長公路隧道，實測分析了崇明隧道內的空氣參數，采用廣州地鐵2號線的施工經驗[6]，對隧道內的發熱量和散濕量進行了估算，針對得到的散熱量，對幾種降溫減濕方法進行了對比，最終確定采用空調機組的方式對隧道施工作業面進行降溫。宋新杰[7]針對戴云山隧道局部地溫偏高的現象，分析了高地溫對施工的影響，結合國內外已有的高地溫施工案例和工程實際，對戴云山隧道高地溫段施工的特點和難點進行了論述，并提出了多種方法聯合降溫(如分4階段的通風降溫和在工作面、隧道局部地熱異常段灑水等方法)。

目前的相關研究多集中在鉆爆法隧道(洞)內的風流溫度規律研究以及盾構法的經驗性施工降溫措施研究，對于在高地溫TBM施工隧道(洞)溫度規律基礎上的降溫措施未進行研究。本文以引漢濟渭嶺北TBM工區5#支洞段的隧洞為依托，對高地溫條件下隧洞內的風溫進行預測研究，并結合實測數據進行驗證，最后根據預測的溫度，提出了相應的降溫措施，研究結果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

引漢濟渭秦嶺引水隧洞嶺北工區采用1臺德國海瑞克生產的直徑8 040 mm的敞開式TBM進行掘進，采用壓入式通風，軟風管直徑為2.2 m，風機為法國柯吉馬生產的軸流風機，功率為3×200 kW，設置在5#斜井與主洞交匯處，風機處的里程樁號為K55+800。隧洞位于秦嶺嶺脊段，埋深大，最大埋深為2 012 m。引漢濟渭隧洞布置如圖1所示。

圖1引漢濟渭隧洞布置圖

Fig. 1 Layout of tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance project

2 隧洞內空氣溫度的確定

隧洞作為一個橫斷面尺寸遠小于縱向尺寸的管狀結構物，其內的溫度一般在橫斷面上變化較小，但在縱向上會隨著隧洞側壁的溫度以及洞內施工設備布置的不同而變化。

隧洞內的空氣溫度t是與隧洞壁溫tr、通風風溫t0、通風質量流量M、隧洞內TBM的發熱功率QTBM、隧洞周長U和通風長度L、風管側壁傳熱系數Kf和隧洞側壁的換熱系數Kτ等參數有關的函數，隧洞內溫度計算函數如式(1)所示。

t=f(tr，t0，QTBM，M，U，L，Kf，Kτ)。

(1)

式中：t為隧洞內目標點溫度，℃；tr為隧洞側壁溫度，℃；t0為隧洞通風風溫，℃；QTBM為TBM發熱功率，kW；M為隧洞通風質量流量， kg/s；U為隧洞周長，m；L為隧洞通風長度，m；Kf為風管側壁傳熱系數，kW/(m2·℃)；Kτ為隧洞側壁不均勻換熱系數，kW/(m2·℃)。

對于采用獨頭壓入式通風的TBM隧洞，設風機入口處位置為1，風機出口處為2，風管出口處為3，掘進面處為4，隧洞內風流回流某點為5。1處的風流，經風機吸入，從2處吹入風管內，在3處吹出風管末端，在4處到達掘進面并轉向回流，最終從掘進面4回流到隧洞內某點5處。隧洞內風流各點位置及風流流向如圖2所示。隧洞內風流熱量預測流程如圖3所示。

圖2 獨頭壓入式通風風流各點位置及風流流向示意圖

Fig. 2 Sketch of position and direction of air flow of dead-end forced ventilation

圖3 獨頭壓入式隧洞溫度預測流程

Fig. 3 Temperature prediction flowchart of dead-end forced ventilation tunnel

2.1 風機出口溫度

風流經風機入口吹到風機出口的過程相對密閉，在風機內部，空氣無含濕量變化，此過程可視為等濕升溫的過程。則風機出口溫度t2，即風管入口風溫計算公式為[8]

(2)

式中：t2為風機出口溫度，℃；t1為風機入口溫度，℃；k為風機的升溫系數，0.55～0.6；Ne為風機的有效功率，kW；V為風機風量，m3/s；cp為空氣比熱容，kJ/(m3·℃)。

當風機出口處溫度難以測量時，可將風機出口風溫在入口風溫的基礎上增加1～4 ℃。

2.2 風管出口溫度

風管內風流，在風管內與隧洞內空氣進行熱交換。風流在風管中的流動過程，可視為等濕升溫的過程。風管出口的風溫計算公式如式(3)所示[8]。

(3)

(4)

式(3)—(4)中：t4為掌子面溫度，℃；t5為隧洞風流回流5處的溫度，℃；Mg為通過風管的風流質量流量，kg/s；Kf為風管側壁傳熱系數，kW/(m2·℃)；Uf為風管周長，m；Lf為風管長度，m；cp為空氣比熱容，kJ/(m3·℃)。

考慮漏風率，則2點處的空氣質量流量和3點處的空氣質量流量平均值

式中：M2是2點即風管入口處的空氣質量流量，kg/s；M3是3點風管出口處的空氣質量流量，kg/s；

單層風筒傳熱系數

(5)

(6)

(7)

式中：a1為風筒外側風流放熱系數，kW/(m2·K)；a2為風筒內側風流放熱系數，kW/(m2·K)；D1為風筒外直徑，m；D2為風筒內直徑，m；v1為風筒外風速，m/s；v2為風筒內風速，m/s。

2.3 TBM掘進面溫度

隧洞內的巖石和TBM工作所釋放的熱量是導致TBM掘進面溫度升高的主要原因。出口風流質量流量等于回流風流質量流量，即M4=M3，此過程視為等溫加濕過程。但在實際工程中，TBM后配套的通風接力系統與壓入式風管末端之間一般開口較大，甚至有一小段距離，在掌子面末端的風溫計算時，可不考慮濕度的影響。掘進工作面的溫度t4可采用式(8)進行計算。

(8)

式中： ∑QTBM為TBM發熱功率之和；x3、x4分別為風流出口和掘進面風流空氣含濕量；M3為風管出口流量，M3=2KMm/(1+K)，K=M3/M2；r為水的汽化潛熱，0 ℃時為2 501 kJ/kg，r/cp=2.49；tgu為隧洞側壁溫度，℃；Kτ3為風管出口與掘進面段圍巖間的不穩定換熱系數，kW/(m2·℃)；F3為風管出口與掘進面段的散熱面積，m2，F3=U3L3(U3為風管出口與掘進面段的隧洞周長，m；L3為風管出口到掌子面的距離，m)。

變換整理式(8)，得到掘進工作面的溫度

(9)

R=1+2.49KBφ4n+M；

(10)

(11)

∏=2Mtgu+Z∑QTBM-2.49(KBφ4m-x1)。

(12)

式(10)—(12)中：m、n均為常系數；x1為風機入口空氣含濕量；φ4為4點的相對濕度；KB為氣壓修正系數，KB=101.325/B，B為測試點大氣壓強，kPa；Z=(1+K)/(2KMm)。

對于不考慮濕度影響的溫度預測公式為

(13)

TBM發熱功率

(14)

式中：ni為功率利用系數，如表1所示；N為電機額定功率，kW；η為電動機效率。

表1 TBM發熱折減系數

注： 根據實際情況，風機和水泵同時工作時，熱轉化系數n4取0.1。

2.4 隧洞內回風風流溫度

隧洞內的風流從掌子面向洞口方向回流，即從隧洞內4處向5處流動。隧洞內4—5段為增濕加熱過程，其熱量交換過程為

Mm[cp(t5-t4)+r(x5-x4)]=KτBFB[tgu-0.5(t4+t5)]+

∑QTBM-KfFf[t4-0.5(t2+t3)]。

(15)

式中：KτB為4處到5處圍巖間的不穩定換熱系數，kW/(m2·℃)；FB為計算點至掘進面的圍巖面積，m2，FB=U3LB(LB為計算點至掘進面的長度，即5點至掌子面的距離，m)；Ff為風管表面積；x5為風流計算點空氣含濕量。

則隧洞內5處的溫度預測公式為

(16)

N=KfFf/(2Mmcp)；

(17)

Aa=1+2.49KBφ5n+0.5E；

(18)

Ab=Etgu+2.49KBφ4n-2N-0.5E；

(19)

Ac=Etgu-2.49KBm(φ5-φ4)+(∑QTBM/Mmcp)；

(20)

E=KτBFB/(Mmcp)。

(21)

式(18)—(20)中：φ5為5點的相對濕度；m、n均為常系數。

風管出口與掘進面段圍巖間的不穩定熱交換系數[2]

(22)

2.5 引漢濟渭嶺北TBM熱量計算

以引漢濟渭秦嶺引水隧洞嶺北TBM工區5#斜井及主洞段的實測數據為依據，對以上公式進行驗證。

嶺北段敞開式TBM的總功率約為4 191.2 kW。TBM的后配套風管風速約為5 m/s。采用壓入式通風，單層軟風管，風管直徑為2.2 m，風管的初始風溫t1為27.5 ℃。風機采用3臺功率為200 kW的法國柯吉馬風機串聯，風機布置在5#斜井與正洞交點的位置，風機處的里程樁號為K55+800，掌子面附近地溫較高，隧洞側壁溫度為35.5 ℃。

TBM產生的熱量有一部分要被采掘下的石碴吸收帶走，冷卻刀頭的水也要吸收一部分熱量。根據文獻[6]的實測數據，確定TBM的主要驅動部件功率為4 191.2 kW，根據式(14)，n1、n2、n3分別取0.9、0.8、0.8，計算總發熱功率為193.13 kW。圍巖為變質砂巖，其不均勻換熱系數經計算為1.672×10-3kW/(m·K)，掘進面里程樁號為K48+923，TBM風管出口距離掘進面約為25 m。

引漢濟渭隧洞理論溫度值與實測溫度值對比如表2所示。

表2引漢濟渭隧洞理論溫度值與實測溫度值對比

Table 2 Comparison between theoretical temperatures and measured temperatures of Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance project

溫度點理論值/℃實測值/℃絕對誤差/℃相對誤差t127.5t334.9734.3-0.671.95%t438.2338.50.210.70%t532.2234.3-2.086.06%

注： 計算溫度t4時，未考慮濕度對溫度的影響。

通過表2發現，隧洞內的理論值與實測值最大相對誤差為6.06%，最大絕對誤差為2.08 ℃。其誤差產生的原因主要是： 1)計算公式中參數較多，不同的參數取值，會導致隧洞內溫度理論預測值有一定的差異； 2)隧洞內的實際情況復雜，理論計算公式中有一定的假設與簡化，導致隧洞內溫度實測值與理論預測值有一定的差異。通過對比表2可知，理論值預測值與實測值擬合較好。

3 降溫措施選取

國內各行業的地下工程施工規范中，對溫度的限值一般為28 ℃。當隧洞內的溫度高于規范限制時，則應采取降溫措施進行降溫。隧洞內大范圍的降溫多采用與隧洞施工通風相結合的方式；對于局部降溫，則在目標區域，采用相應的小型機械設備進行降溫。

3.1 隧洞內的降溫措施

隧洞內降溫的方法較多，總體上分為非人工制冷措施和人工制冷措施。非人工制冷措施包括： 加大通風量，灑水、噴淋，合理利用低溫水、冷空氣、冰雪等天然冷源。人工制冷措施是指采用人工制冷設備提供冷源，包括壓縮空氣制冷、集中式制冷水降溫系統、集中式制冰降溫系統、局部移動式降溫系統等方法。

3.2 TBM施工隧洞降溫措施的選取

3.2.1 隧洞內熱量組成

對隧洞進行降溫，必須對濕空氣的特性進行討論，其中最關鍵的是空氣的焓。焓是流體內能和流動功之和，是流體的狀態參數。在通風空調工程中，空氣的內能、壓力和比容構成空氣的焓值，即

(23)

式中：i為空氣的焓值，J/kg；φ為空氣的相對濕度，%；B為大氣壓強，kPa；t為溫度，℃；ci為與溫度相關的常數。

空氣中熱量表現為2種形式： 一是空氣溫度直接上升，即顯熱；二是水吸熱變為水蒸氣，使得空氣中的濕度增加，但空氣的溫度并未上升，此部分熱量稱為潛熱(空氣中水蒸氣的溫度上升所吸收的熱量很小，可忽略不計)。空氣飽和狀態下的含濕量隨著溫度的上升而增大。空氣中的含濕量與該溫度下飽和空氣的含濕量的比值，即為我們常用的相對濕度。對于相對濕度較高的空氣，降溫過程也是一個降濕的過程。

在隧洞通風和空調中，空氣的降溫、降濕均在常壓下進行，視為定壓。所以，隧洞內的空氣焓值等于干空氣的焓值與水蒸氣焓值之和，即顯熱和潛熱之和[9]。在空調工程中，空氣焓值多通過焓濕圖查表取得。

3.2.2 TBM施工隧洞降溫措施確定分析

對于隧洞內降溫，需結合工程實際情況，采取科學、合理的降溫措施。

對于常用的非人工制冷措施，主要包括加大通風量、噴淋、天然冷源等措施。1)目前常采用加大通風量的降溫方法。若僅采用加大通風量的方式進行降溫，由于空氣的比熱容較小，且風機的最大供風量受風機功率和風筒直徑的限制，采用通風進行傳輸的熱量較少，而且TBM掘進面附近設備多、功率大、機械發熱量高。因此，難以降低TBM掘進面附近的溫度。2)TBM掘進段，多位于深埋段，且斜井多，通風設備多置于主洞內。為了降溫除塵，TBM刀盤灑水掘進，隧洞內濕度均在90%以上，接近飽和。因此，采取灑水、噴淋等措施無法通過水蒸發吸熱降溫，需要通過增大空氣中的潛熱來吸收空氣中的濕熱。3)天然冷源制冷是因地制宜地利用天然冷源(如季節性低溫和冰山雪水等[10-11])降溫，其使用具有較大的局限性，且難以控制冷源溫度和冷量。因此，在TBM隧洞中，只有采取人工制冷措施，來降低隧洞內的溫度。

在TBM隧洞施工過程中，風流作為能量和物質的載體，在隧洞降溫過程中，多采用在風管末端設置空冷器的方式降低風管出口風溫[4]。熱量從出口處空氣傳遞至空冷器內，經過冷媒將熱量傳遞至冷源處。

對于人工冷源制冷，有人工制冰降溫技術、空氣壓縮式制冷技術、人工制冷水降溫技術和局部移動式降溫系統等方法。

1)人工制冰降溫多以冰水混合物作為制冷劑和冷源進行降溫。若設立專門制冰站進行制冷，成本較高，僅在南非金礦以及孫村煤礦中采用過，為降低成本可從市場購買冰塊。在實際工程應用中，對冰制冷存在一定誤區。例如，在風管口放置冰塊或單純在施工處堆砌冰塊的實際制冷效果不佳。冰制冷難以推廣的因素主要包括： ①需持續保證合適冰塊(如體積為φ32 mm×45 mm的柱狀冰、體積為3 mm×20 mm×20 mm的片狀冰)的供應； ②利用風力或水力加壓輸冰，其自壓縮損失較大； ③在隧洞內長距離輸送冰是非常困難的； ④快速熔化大量的冰在技術上也是非常困難的[12]。

2)壓縮空氣制冷，是使用壓縮空氣制造冷空氣和熱空氣的制冷技術，多采用渦流器等設備，該類降溫設備功率小，能耗高，可作為局部降溫的手段之一，不適于大規模的隧洞降溫[12]。

3)人工制冷水降溫技術已經較為成熟，是地下工程長距離施工降溫的主流技術，多采用制冷機組和配套的散熱設備將目標處熱量排出，其關鍵設備為制冷機組，與家用空調制冷設備相類似，采用外加裝置(壓縮機)改變密閉環路內制冷劑的物理狀態，從而實現熱量的轉移。

3.3 其他輔助降溫措施

除了上述大規模的制冷措施外，亦可采取全新風風管送風式空調[6]進行局部制冷。對于零星人員作業處，可定制崗位空調。崗位空調可以從主機處分出多個長度幾m至20 m左右的軟管，對局部進行降溫。德國將小型人工制冷機組與類似宇航服的防護服結合，以保證工人處于舒適的施工環境[13]。

3.4 風管出口處制冷負荷的確定

(24)

在計算所得冷負荷的基礎上，根據選配的管道及水泵等設施，計算供冷管道的冷量損失和冷水泵等配套設備的損失，最終確定制冷功率。

3.5 引漢濟渭嶺北TBM隧洞降溫方案

引漢濟渭嶺北工區5#隧洞采用TBM獨頭掘進，通風井布置在主洞與支洞交界處，隧洞內濕度高、通風距離長，采用非人工制冷的措施難以降低掌子面處的溫度。經過實測，降溫前隧洞內風管末端溫度為38.5 ℃，相對濕度為84%，焓值為113.5 kJ/kg。

若將TBM段內的溫度降至28 ℃，則風管風量為18.55 m3/s時，需將風管末端的空氣溫度降至20 ℃，設相對濕度為99.75%，經計算隧洞內的制冷功率約為1 337.71 kW。考慮到長距離冷水運輸的熱量損失，配置1臺WAT公司生產的KM2000螺桿式冷水制冷機，制冷功率為2 040 kW。洞外設置1臺冷卻塔將熱量排至洞外，同時設置相應的補水池、高低壓換熱器等設備設施。風管末端設置2臺450 kW的風冷器。

空冷器內的低溫水吸收風管出口處空氣中的熱量，從而降低風管出口處的風溫，風管輸送低溫(焓值亦低)空氣，進而降低掘進面的溫度。低溫水的溫度升高變為高溫水。高溫水通過管路循環至制冷機組，制冷機組將高溫水中的熱量轉移，空冷器從而得到持續的低溫水供應。

從風管出口轉移至制冷機組的熱量也需要排出，由于水的比熱容遠大于空氣比熱容，因此，采用水冷散熱效率更高。

通過制冷機組排出的熱量被斜井循環管路的水吸收后，水溫升高，通過水泵輸送至洞外的冷卻塔。冷卻塔內部為噴淋設備，通過噴淋加快蒸發，將高溫水中的熱量釋放到空氣中，從而降低水的溫度。經冷卻塔降溫的水循環回到制冷機組。

隧洞內的制冷配置示意圖如圖4所示。采取此降溫措施后，經數值模擬可知，TBM段隧洞內的溫度降至28 ℃。

圖4 隧洞內制冷配置示意圖

4 結論與建議

通過對TBM施工隧洞內的溫度分布規律及降溫措施進行分析研究，可以得出以下結論和建議：

1)通過理論推導可知，隧洞內的空氣溫度與隧洞壁溫、通風風溫、通風風量、隧洞內TBM的發熱功率、隧洞周長、通風長度、風管側壁傳熱系數、隧洞側壁的換熱系數等參數有關。

2)針對引漢濟渭嶺北工區5#隧洞工程，根據降溫前的空氣焓值與降溫后的空氣焓值之差，并結合通風量確定的制冷功率，最終確定采用人工制冷水的措施進行降溫。

3)采用崗位空調等局部制冷措施進行局部制冷，采用TBM配套的降溫空調以及發熱量較大的變壓器等設備，設置一定的液體熱對流環境進行散熱，以提高散熱效率和制冷成本，也是TBM在機械設備設計時需要考慮的問題。

4)隧洞內風流溫度的影響因素很多，因此，隧洞內的溫度預測情況需要進一步的深入研究。