于 麗， 王曉亮, *， 王明年， 魏軍政， 田 源

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031； 3. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043)

0 引言

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

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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，隨著隧洞掘進(jìn)距離的增加，隧洞內(nèi)送至掘進(jìn)面的風(fēng)量減少，導(dǎo)致掘進(jìn)面附近溫度較高，往往超過(guò)規(guī)范規(guī)定的限值。高溫會(huì)危害施工人員的生命，降低施工效率和機(jī)械設(shè)備的使用壽命，甚至?xí)?duì)隧洞結(jié)構(gòu)造成一定的影響。TBM施工隧洞掘進(jìn)面附近的溫度是影響TBM連續(xù)掘進(jìn)長(zhǎng)度的一個(gè)重要因素。因此，控制TBM掘進(jìn)段的溫度，對(duì)延長(zhǎng)連續(xù)掘進(jìn)的長(zhǎng)度、減少斜井的數(shù)量、降低工程投資、加快施工進(jìn)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(jìn)溫度，需對(duì)隧洞內(nèi)的溫度分布規(guī)律進(jìn)行研究。目前，對(duì)于隧道(洞)內(nèi)溫度分布規(guī)律的研究已有一些。雷波等[1]針對(duì)秦嶺特長(zhǎng)隧道提出了均勻攪拌器加一維紊流攪拌器模型的雙區(qū)“0-1模型”；楊長(zhǎng)順[2]針對(duì)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(fēng)降溫的計(jì)算方法，提出了用于指導(dǎo)施工的通風(fēng)降溫計(jì)算方法；吳一匡[3]通過(guò)求解熱傳導(dǎo)微分方程，計(jì)算出了洞徑與風(fēng)速相關(guān)的隧道通風(fēng)降溫計(jì)算公式；孫其清[4]推導(dǎo)了鉆爆法施工高地溫隧道通風(fēng)降溫的計(jì)算公式，總結(jié)了高溫隧道的主要降溫措施；朱春等[5]針對(duì)盾構(gòu)法施工的崇明越江特長(zhǎng)公路隧道，實(shí)測(cè)分析了崇明隧道內(nèi)的空氣參數(shù)，采用廣州地鐵2號(hào)線的施工經(jīng)驗(yàn)[6]，對(duì)隧道內(nèi)的發(fā)熱量和散濕量進(jìn)行了估算，針對(duì)得到的散熱量，對(duì)幾種降溫減濕方法進(jìn)行了對(duì)比，最終確定采用空調(diào)機(jī)組的方式對(duì)隧道施工作業(yè)面進(jìn)行降溫。宋新杰[7]針對(duì)戴云山隧道局部地溫偏高的現(xiàn)象，分析了高地溫對(duì)施工的影響，結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有的高地溫施工案例和工程實(shí)際，對(duì)戴云山隧道高地溫段施工的特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了論述，并提出了多種方法聯(lián)合降溫(如分4階段的通風(fēng)降溫和在工作面、隧道局部地?zé)岙惓６螢⑺确椒?。

目前的相關(guān)研究多集中在鉆爆法隧道(洞)內(nèi)的風(fēng)流溫度規(guī)律研究以及盾構(gòu)法的經(jīng)驗(yàn)性施工降溫措施研究，對(duì)于在高地溫TBM施工隧道(洞)溫度規(guī)律基礎(chǔ)上的降溫措施未進(jìn)行研究。本文以引漢濟(jì)渭嶺北TBM工區(qū)5#支洞段的隧洞為依托，對(duì)高地溫條件下隧洞內(nèi)的風(fēng)溫進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，最后根據(jù)預(yù)測(cè)的溫度，提出了相應(yīng)的降溫措施，研究結(jié)果可為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭秦嶺引水隧洞嶺北工區(qū)采用1臺(tái)德國(guó)海瑞克生產(chǎn)的直徑8 040 mm的敞開(kāi)式TBM進(jìn)行掘進(jìn)，采用壓入式通風(fēng)，軟風(fēng)管直徑為2.2 m，風(fēng)機(jī)為法國(guó)柯吉馬生產(chǎn)的軸流風(fēng)機(jī)，功率為3×200 kW，設(shè)置在5#斜井與主洞交匯處，風(fēng)機(jī)處的里程樁號(hào)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(jì)渭隧洞布置如圖1所示。

圖1引漢濟(jì)渭隧洞布置圖

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

2 隧洞內(nèi)空氣溫度的確定

隧洞作為一個(gè)橫斷面尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸的管狀結(jié)構(gòu)物，其內(nèi)的溫度一般在橫斷面上變化較小，但在縱向上會(huì)隨著隧洞側(cè)壁的溫度以及洞內(nèi)施工設(shè)備布置的不同而變化。

隧洞內(nèi)的空氣溫度t是與隧洞壁溫tr、通風(fēng)風(fēng)溫t0、通風(fēng)質(zhì)量流量M、隧洞內(nèi)TBM的發(fā)熱功率QTBM、隧洞周長(zhǎng)U和通風(fēng)長(zhǎng)度L、風(fēng)管側(cè)壁傳熱系數(shù)Kf和隧洞側(cè)壁的換熱系數(shù)Kτ等參數(shù)有關(guān)的函數(shù)，隧洞內(nèi)溫度計(jì)算函數(shù)如式(1)所示。

t=f(tr，t0，QTBM，M，U，L，Kf，Kτ)。

(1)

式中：t為隧洞內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)溫度，℃；tr為隧洞側(cè)壁溫度，℃；t0為隧洞通風(fēng)風(fēng)溫，℃；QTBM為T(mén)BM發(fā)熱功率，kW；M為隧洞通風(fēng)質(zhì)量流量， kg/s；U為隧洞周長(zhǎng)，m；L為隧洞通風(fēng)長(zhǎng)度，m；Kf為風(fēng)管側(cè)壁傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；Kτ為隧洞側(cè)壁不均勻換熱系數(shù)，kW/(m2·℃)。

對(duì)于采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)的TBM隧洞，設(shè)風(fēng)機(jī)入口處位置為1，風(fēng)機(jī)出口處為2，風(fēng)管出口處為3，掘進(jìn)面處為4，隧洞內(nèi)風(fēng)流回流某點(diǎn)為5。1處的風(fēng)流，經(jīng)風(fēng)機(jī)吸入，從2處吹入風(fēng)管內(nèi)，在3處吹出風(fēng)管末端，在4處到達(dá)掘進(jìn)面并轉(zhuǎn)向回流，最終從掘進(jìn)面4回流到隧洞內(nèi)某點(diǎn)5處。隧洞內(nèi)風(fēng)流各點(diǎn)位置及風(fēng)流流向如圖2所示。隧洞內(nèi)風(fēng)流熱量預(yù)測(cè)流程如圖3所示。

圖2 獨(dú)頭壓入式通風(fēng)風(fēng)流各點(diǎn)位置及風(fēng)流流向示意圖

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

圖3 獨(dú)頭壓入式隧洞溫度預(yù)測(cè)流程

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

2.1 風(fēng)機(jī)出口溫度

風(fēng)流經(jīng)風(fēng)機(jī)入口吹到風(fēng)機(jī)出口的過(guò)程相對(duì)密閉，在風(fēng)機(jī)內(nèi)部，空氣無(wú)含濕量變化，此過(guò)程可視為等濕升溫的過(guò)程。則風(fēng)機(jī)出口溫度t2，即風(fēng)管入口風(fēng)溫計(jì)算公式為[8]

(2)

式中：t2為風(fēng)機(jī)出口溫度，℃；t1為風(fēng)機(jī)入口溫度，℃；k為風(fēng)機(jī)的升溫系數(shù)，0.55～0.6；Ne為風(fēng)機(jī)的有效功率，kW；V為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；cp為空氣比熱容，kJ/(m3·℃)。

當(dāng)風(fēng)機(jī)出口處溫度難以測(cè)量時(shí)，可將風(fēng)機(jī)出口風(fēng)溫在入口風(fēng)溫的基礎(chǔ)上增加1～4 ℃。

2.2 風(fēng)管出口溫度

風(fēng)管內(nèi)風(fēng)流，在風(fēng)管內(nèi)與隧洞內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換。風(fēng)流在風(fēng)管中的流動(dòng)過(guò)程，可視為等濕升溫的過(guò)程。風(fēng)管出口的風(fēng)溫計(jì)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(fēng)流回流5處的溫度，℃；Mg為通過(guò)風(fēng)管的風(fēng)流質(zhì)量流量，kg/s；Kf為風(fēng)管側(cè)壁傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；Uf為風(fēng)管周長(zhǎng)，m；Lf為風(fēng)管長(zhǎng)度，m；cp為空氣比熱容，kJ/(m3·℃)。

考慮漏風(fēng)率，則2點(diǎn)處的空氣質(zhì)量流量和3點(diǎn)處的空氣質(zhì)量流量平均值

式中：M2是2點(diǎn)即風(fēng)管入口處的空氣質(zhì)量流量，kg/s；M3是3點(diǎn)風(fēng)管出口處的空氣質(zhì)量流量，kg/s；

單層風(fēng)筒傳熱系數(shù)

(5)

(6)

(7)

式中：a1為風(fēng)筒外側(cè)風(fēng)流放熱系數(shù)，kW/(m2·K)；a2為風(fēng)筒內(nèi)側(cè)風(fēng)流放熱系數(shù)，kW/(m2·K)；D1為風(fēng)筒外直徑，m；D2為風(fēng)筒內(nèi)直徑，m；v1為風(fēng)筒外風(fēng)速，m/s；v2為風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速，m/s。

2.3 TBM掘進(jìn)面溫度

隧洞內(nèi)的巖石和TBM工作所釋放的熱量是導(dǎo)致TBM掘進(jìn)面溫度升高的主要原因。出口風(fēng)流質(zhì)量流量等于回流風(fēng)流質(zhì)量流量，即M4=M3，此過(guò)程視為等溫加濕過(guò)程。但在實(shí)際工程中，TBM后配套的通風(fēng)接力系統(tǒng)與壓入式風(fēng)管末端之間一般開(kāi)口較大，甚至有一小段距離，在掌子面末端的風(fēng)溫計(jì)算時(shí)，可不考慮濕度的影響。掘進(jìn)工作面的溫度t4可采用式(8)進(jìn)行計(jì)算。

(8)

式中： ∑QTBM為T(mén)BM發(fā)熱功率之和；x3、x4分別為風(fēng)流出口和掘進(jìn)面風(fēng)流空氣含濕量；M3為風(fēng)管出口流量，M3=2KMm/(1+K)，K=M3/M2；r為水的汽化潛熱，0 ℃時(shí)為2 501 kJ/kg，r/cp=2.49；tgu為隧洞側(cè)壁溫度，℃；Kτ3為風(fēng)管出口與掘進(jìn)面段圍巖間的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；F3為風(fēng)管出口與掘進(jìn)面段的散熱面積，m2，F(xiàn)3=U3L3(U3為風(fēng)管出口與掘進(jìn)面段的隧洞周長(zhǎng)，m；L3為風(fēng)管出口到掌子面的距離，m)。

變換整理式(8)，得到掘進(jìn)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(shù)；x1為風(fēng)機(jī)入口空氣含濕量；φ4為4點(diǎn)的相對(duì)濕度；KB為氣壓修正系數(shù)，KB=101.325/B，B為測(cè)試點(diǎn)大氣壓強(qiáng)，kPa；Z=(1+K)/(2KMm)。

對(duì)于不考慮濕度影響的溫度預(yù)測(cè)公式為

(13)

TBM發(fā)熱功率

(14)

式中：ni為功率利用系數(shù)，如表1所示；N為電機(jī)額定功率，kW；η為電動(dòng)機(jī)效率。

表1 TBM發(fā)熱折減系數(shù)

注： 根據(jù)實(shí)際情況，風(fēng)機(jī)和水泵同時(shí)工作時(shí)，熱轉(zhuǎn)化系數(shù)n4取0.1。

2.4 隧洞內(nèi)回風(fēng)風(fēng)流溫度

隧洞內(nèi)的風(fēng)流從掌子面向洞口方向回流，即從隧洞內(nèi)4處向5處流動(dòng)。隧洞內(nèi)4—5段為增濕加熱過(guò)程，其熱量交換過(guò)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(wěn)定換熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；FB為計(jì)算點(diǎn)至掘進(jìn)面的圍巖面積，m2，F(xiàn)B=U3LB(LB為計(jì)算點(diǎn)至掘進(jìn)面的長(zhǎng)度，即5點(diǎn)至掌子面的距離，m)；Ff為風(fēng)管表面積；x5為風(fēng)流計(jì)算點(diǎn)空氣含濕量。

則隧洞內(nèi)5處的溫度預(yù)測(cè)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(diǎn)的相對(duì)濕度；m、n均為常系數(shù)。

風(fēng)管出口與掘進(jìn)面段圍巖間的不穩(wěn)定熱交換系數(shù)[2]

(22)

2.5 引漢濟(jì)渭嶺北TBM熱量計(jì)算

以引漢濟(jì)渭秦嶺引水隧洞嶺北TBM工區(qū)5#斜井及主洞段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)以上公式進(jìn)行驗(yàn)證。

嶺北段敞開(kāi)式TBM的總功率約為4 191.2 kW。TBM的后配套風(fēng)管風(fēng)速約為5 m/s。采用壓入式通風(fēng)，單層軟風(fēng)管，風(fēng)管直徑為2.2 m，風(fēng)管的初始風(fēng)溫t1為27.5 ℃。風(fēng)機(jī)采用3臺(tái)功率為200 kW的法國(guó)柯吉馬風(fēng)機(jī)串聯(lián)，風(fēng)機(jī)布置在5#斜井與正洞交點(diǎn)的位置，風(fēng)機(jī)處的里程樁號(hào)為K55+800，掌子面附近地溫較高，隧洞側(cè)壁溫度為35.5 ℃。

TBM產(chǎn)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(jù)文獻(xiàn)[6]的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定TBM的主要驅(qū)動(dòng)部件功率為4 191.2 kW，根據(jù)式(14)，n1、n2、n3分別取0.9、0.8、0.8，計(jì)算總發(fā)熱功率為193.13 kW。圍巖為變質(zhì)砂巖，其不均勻換熱系數(shù)經(jīng)計(jì)算為1.672×10-3kW/(m·K)，掘進(jìn)面里程樁號(hào)為K48+923，TBM風(fēng)管出口距離掘進(jìn)面約為25 m。

引漢濟(jì)渭隧洞理論溫度值與實(shí)測(cè)溫度值對(duì)比如表2所示。

表2引漢濟(jì)渭隧洞理論溫度值與實(shí)測(cè)溫度值對(duì)比

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

溫度點(diǎn)理論值/℃實(shí)測(cè)值/℃絕對(duì)誤差/℃相對(duì)誤差t127.5t334.9734.3-0.671.95%t438.2338.50.210.70%t532.2234.3-2.086.06%

注： 計(jì)算溫度t4時(shí)，未考慮濕度對(duì)溫度的影響。

通過(guò)表2發(fā)現(xiàn)，隧洞內(nèi)的理論值與實(shí)測(cè)值最大相對(duì)誤差為6.06%，最大絕對(duì)誤差為2.08 ℃。其誤差產(chǎn)生的原因主要是： 1)計(jì)算公式中參數(shù)較多，不同的參數(shù)取值，會(huì)導(dǎo)致隧洞內(nèi)溫度理論預(yù)測(cè)值有一定的差異； 2)隧洞內(nèi)的實(shí)際情況復(fù)雜，理論計(jì)算公式中有一定的假設(shè)與簡(jiǎn)化，導(dǎo)致隧洞內(nèi)溫度實(shí)測(cè)值與理論預(yù)測(cè)值有一定的差異。通過(guò)對(duì)比表2可知，理論值預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值擬合較好。

3 降溫措施選取

國(guó)內(nèi)各行業(yè)的地下工程施工規(guī)范中，對(duì)溫度的限值一般為28 ℃。當(dāng)隧洞內(nèi)的溫度高于規(guī)范限制時(shí)，則應(yīng)采取降溫措施進(jìn)行降溫。隧洞內(nèi)大范圍的降溫多采用與隧洞施工通風(fēng)相結(jié)合的方式；對(duì)于局部降溫，則在目標(biāo)區(qū)域，采用相應(yīng)的小型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行降溫。

3.1 隧洞內(nèi)的降溫措施

隧洞內(nèi)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(fēng)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(shè)備提供冷源，包括壓縮空氣制冷、集中式制冷水降溫系統(tǒng)、集中式制冰降溫系統(tǒng)、局部移動(dòng)式降溫系統(tǒng)等方法。

3.2 TBM施工隧洞降溫措施的選取

3.2.1 隧洞內(nèi)熱量組成

對(duì)隧洞進(jìn)行降溫，必須對(duì)濕空氣的特性進(jìn)行討論，其中最關(guān)鍵的是空氣的焓。焓是流體內(nèi)能和流動(dòng)功之和，是流體的狀態(tài)參數(shù)。在通風(fēng)空調(diào)工程中，空氣的內(nèi)能、壓力和比容構(gòu)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(duì)濕度，%；B為大氣壓強(qiáng)，kPa；t為溫度，℃；ci為與溫度相關(guān)的常數(shù)。

空氣中熱量表現(xiàn)為2種形式： 一是空氣溫度直接上升，即顯熱；二是水吸熱變?yōu)樗魵?，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(chēng)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(jì))。空氣飽和狀態(tài)下的含濕量隨著溫度的上升而增大?？諝庵械暮瑵窳颗c該溫度下飽和空氣的含濕量的比值，即為我們常用的相對(duì)濕度。對(duì)于相對(duì)濕度較高的空氣，降溫過(guò)程也是一個(gè)降濕的過(guò)程。

在隧洞通風(fēng)和空調(diào)中，空氣的降溫、降濕均在常壓下進(jìn)行，視為定壓。所以，隧洞內(nèi)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(diào)工程中，空氣焓值多通過(guò)焓濕圖查表取得。

3.2.2 TBM施工隧洞降溫措施確定分析

對(duì)于隧洞內(nèi)降溫，需結(jié)合工程實(shí)際情況，采取科學(xué)、合理的降溫措施。

對(duì)于常用的非人工制冷措施，主要包括加大通風(fēng)量、噴淋、天然冷源等措施。1)目前常采用加大通風(fēng)量的降溫方法。若僅采用加大通風(fēng)量的方式進(jìn)行降溫，由于空氣的比熱容較小，且風(fēng)機(jī)的最大供風(fēng)量受風(fēng)機(jī)功率和風(fēng)筒直徑的限制，采用通風(fēng)進(jìn)行傳輸?shù)臒崃枯^少，而且TBM掘進(jìn)面附近設(shè)備多、功率大、機(jī)械發(fā)熱量高。因此，難以降低TBM掘進(jìn)面附近的溫度。2)TBM掘進(jìn)段，多位于深埋段，且斜井多，通風(fēng)設(shè)備多置于主洞內(nèi)。為了降溫除塵，TBM刀盤(pán)灑水掘進(jìn)，隧洞內(nèi)濕度均在90%以上，接近飽和。因此，采取灑水、噴淋等措施無(wú)法通過(guò)水蒸發(fā)吸熱降溫，需要通過(guò)增大空氣中的潛熱來(lái)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(jié)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(lái)降低隧洞內(nèi)的溫度。

在TBM隧洞施工過(guò)程中，風(fēng)流作為能量和物質(zhì)的載體，在隧洞降溫過(guò)程中，多采用在風(fēng)管末端設(shè)置空冷器的方式降低風(fēng)管出口風(fēng)溫[4]。熱量從出口處空氣傳遞至空冷器內(nèi)，經(jīng)過(guò)冷媒將熱量傳遞至冷源處。

對(duì)于人工冷源制冷，有人工制冰降溫技術(shù)、空氣壓縮式制冷技術(shù)、人工制冷水降溫技術(shù)和局部移動(dòng)式降溫系統(tǒng)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(jìn)行降溫。若設(shè)立專(zhuān)門(mén)制冰站進(jìn)行制冷，成本較高，僅在南非金礦以及孫村煤礦中采用過(guò)，為降低成本可從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)冰塊。在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)冰制冷存在一定誤區(qū)。例如，在風(fēng)管口放置冰塊或單純?cè)谑┕ぬ幎哑霰鶋K的實(shí)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(xù)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(yīng)； ②利用風(fēng)力或水力加壓輸冰，其自壓縮損失較大； ③在隧洞內(nèi)長(zhǎng)距離輸送冰是非常困難的； ④快速熔化大量的冰在技術(shù)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(shù)，多采用渦流器等設(shè)備，該類(lèi)降溫設(shè)備功率小，能耗高，可作為局部降溫的手段之一，不適于大規(guī)模的隧洞降溫[12]。

3)人工制冷水降溫技術(shù)已經(jīng)較為成熟，是地下工程長(zhǎng)距離施工降溫的主流技術(shù)，多采用制冷機(jī)組和配套的散熱設(shè)備將目標(biāo)處熱量排出，其關(guān)鍵設(shè)備為制冷機(jī)組，與家用空調(diào)制冷設(shè)備相類(lèi)似，采用外加裝置(壓縮機(jī))改變密閉環(huán)路內(nèi)制冷劑的物理狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。

3.3 其他輔助降溫措施

除了上述大規(guī)模的制冷措施外，亦可采取全新風(fēng)風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)[6]進(jìn)行局部制冷。對(duì)于零星人員作業(yè)處，可定制崗位空調(diào)。崗位空調(diào)可以從主機(jī)處分出多個(gè)長(zhǎng)度幾m至20 m左右的軟管，對(duì)局部進(jìn)行降溫。德國(guó)將小型人工制冷機(jī)組與類(lèi)似宇航服的防護(hù)服結(jié)合，以保證工人處于舒適的施工環(huán)境[13]。

3.4 風(fēng)管出口處制冷負(fù)荷的確定

(24)

在計(jì)算所得冷負(fù)荷的基礎(chǔ)上，根據(jù)選配的管道及水泵等設(shè)施，計(jì)算供冷管道的冷量損失和冷水泵等配套設(shè)備的損失，最終確定制冷功率。

3.5 引漢濟(jì)渭嶺北TBM隧洞降溫方案

引漢濟(jì)渭嶺北工區(qū)5#隧洞采用TBM獨(dú)頭掘進(jìn)，通風(fēng)井布置在主洞與支洞交界處，隧洞內(nèi)濕度高、通風(fēng)距離長(zhǎng)，采用非人工制冷的措施難以降低掌子面處的溫度。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，降溫前隧洞內(nèi)風(fēng)管末端溫度為38.5 ℃，相對(duì)濕度為84%，焓值為113.5 kJ/kg。

若將TBM段內(nèi)的溫度降至28 ℃，則風(fēng)管風(fēng)量為18.55 m3/s時(shí)，需將風(fēng)管末端的空氣溫度降至20 ℃，設(shè)相對(duì)濕度為99.75%，經(jīng)計(jì)算隧洞內(nèi)的制冷功率約為1 337.71 kW?？紤]到長(zhǎng)距離冷水運(yùn)輸?shù)臒崃繐p失，配置1臺(tái)WAT公司生產(chǎn)的KM2000螺桿式冷水制冷機(jī)，制冷功率為2 040 kW。洞外設(shè)置1臺(tái)冷卻塔將熱量排至洞外，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的補(bǔ)水池、高低壓換熱器等設(shè)備設(shè)施。風(fēng)管末端設(shè)置2臺(tái)450 kW的風(fēng)冷器。

空冷器內(nèi)的低溫水吸收風(fēng)管出口處空氣中的熱量，從而降低風(fēng)管出口處的風(fēng)溫，風(fēng)管輸送低溫(焓值亦低)空氣，進(jìn)而降低掘進(jìn)面的溫度。低溫水的溫度升高變?yōu)楦邷厮?。高溫水通過(guò)管路循環(huán)至制冷機(jī)組，制冷機(jī)組將高溫水中的熱量轉(zhuǎn)移，空冷器從而得到持續(xù)的低溫水供應(yīng)。

從風(fēng)管出口轉(zhuǎn)移至制冷機(jī)組的熱量也需要排出，由于水的比熱容遠(yuǎn)大于空氣比熱容，因此，采用水冷散熱效率更高。

通過(guò)制冷機(jī)組排出的熱量被斜井循環(huán)管路的水吸收后，水溫升高，通過(guò)水泵輸送至洞外的冷卻塔。冷卻塔內(nèi)部為噴淋設(shè)備，通過(guò)噴淋加快蒸發(fā)，將高溫水中的熱量釋放到空氣中，從而降低水的溫度。經(jīng)冷卻塔降溫的水循環(huán)回到制冷機(jī)組。

隧洞內(nèi)的制冷配置示意圖如圖4所示。采取此降溫措施后，經(jīng)數(shù)值模擬可知，TBM段隧洞內(nèi)的溫度降至28 ℃。

圖4 隧洞內(nèi)制冷配置示意圖

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)TBM施工隧洞內(nèi)的溫度分布規(guī)律及降溫措施進(jìn)行分析研究，可以得出以下結(jié)論和建議：

1)通過(guò)理論推導(dǎo)可知，隧洞內(nèi)的空氣溫度與隧洞壁溫、通風(fēng)風(fēng)溫、通風(fēng)風(fēng)量、隧洞內(nèi)TBM的發(fā)熱功率、隧洞周長(zhǎng)、通風(fēng)長(zhǎng)度、風(fēng)管側(cè)壁傳熱系數(shù)、隧洞側(cè)壁的換熱系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。

2)針對(duì)引漢濟(jì)渭嶺北工區(qū)5#隧洞工程，根據(jù)降溫前的空氣焓值與降溫后的空氣焓值之差，并結(jié)合通風(fēng)量確定的制冷功率，最終確定采用人工制冷水的措施進(jìn)行降溫。

3)采用崗位空調(diào)等局部制冷措施進(jìn)行局部制冷，采用TBM配套的降溫空調(diào)以及發(fā)熱量較大的變壓器等設(shè)備，設(shè)置一定的液體熱對(duì)流環(huán)境進(jìn)行散熱，以提高散熱效率和制冷成本，也是TBM在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

4)隧洞內(nèi)風(fēng)流溫度的影響因素很多，因此，隧洞內(nèi)的溫度預(yù)測(cè)情況需要進(jìn)一步的深入研究。