王 峰，羅飛宇，徐 海，王 宇

(1.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； 2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031； 3.中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400700)

隨著我國(guó)隧道施工技術(shù)的發(fā)展，在長(zhǎng)大隧道的修建過(guò)程中，采用隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)進(jìn)行快速掘進(jìn)已成發(fā)展趨勢(shì)。但TBM的設(shè)備龐大繁雜，在掘進(jìn)過(guò)程中，眾多大功率機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生較多的熱量，容易使隧道狹小的工作空間內(nèi)變成高溫環(huán)境。根據(jù)前期對(duì)部分工程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，若不采取防護(hù)措施，TBM掘進(jìn)段空氣溫度達(dá)到甚至超過(guò)40 ℃，對(duì)施工作業(yè)人員的健康帶來(lái)了極大的安全隱患，施工效率也顯著降低。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)施工隧道的溫度場(chǎng)分布及通風(fēng)控制問(wèn)題進(jìn)行了部分研究[1-5]。朱齊平等[6]以大伙房輸水隧洞TBM施工通風(fēng)為對(duì)象，對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化匹配和合理布置。張健[7]分析了TBM施工中的主要熱源，利用FORTRAN語(yǔ)句解算施工中的降溫問(wèn)題。曹正卯等[8]利用FLUENT軟件模擬敞開(kāi)式TBM工作環(huán)境流場(chǎng)，得到隧道內(nèi)空氣溫度分布規(guī)律。王盡忠[9]建立起中天山隧道TBM施工濕熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型，給出熱泵選型等關(guān)鍵參數(shù)。F.H von Glehn等[10]分析了高溫條件下通風(fēng)對(duì)TBM設(shè)備的冷卻作用，提出了控制隧道內(nèi)氣溫的最佳通風(fēng)方案。Hargreaves D.M.等[11]對(duì)TBM施工隧道內(nèi)的通風(fēng)和熱環(huán)境開(kāi)展了數(shù)值研究，通過(guò)編制計(jì)算機(jī)程序解算出施工中通風(fēng)和散熱問(wèn)題。

這些研究成果對(duì)于提高我們對(duì)隧道熱害問(wèn)題的認(rèn)識(shí)具有非常重要的價(jià)值。但針對(duì)敞開(kāi)式TBM施工隧道熱害機(jī)理及影響因素研究還較為缺乏。因此，本文主要以敞開(kāi)式TBM施工隧道為研究對(duì)象，根據(jù)熱力學(xué)原理給出隧道掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度計(jì)算公式，通過(guò)編制計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)公式的求解，以此研究敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)段熱害問(wèn)題，提出隧道掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度計(jì)算方法。

1 敞開(kāi)式TBM施工隧道掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度計(jì)算模型

敞開(kāi)式TBM主要由鑿巖刀盤(pán)、主控室、電氣機(jī)組、拖車(chē)和出渣皮帶等組成。在敞開(kāi)式TBM施工隧道掘進(jìn)過(guò)程中，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)鑿巖，然后通過(guò)皮帶將巖渣運(yùn)出洞外。影響隧道掘進(jìn)段空氣溫度的因素多且較復(fù)雜，主要包括：①電機(jī)產(chǎn)生的熱量；②刀盤(pán)鑿巖產(chǎn)生的熱量；③施工作業(yè)人員產(chǎn)生的熱量；④裂隙水和TBM工作用水等可能在隧道內(nèi)形成一定量的地下水，該地下水將不斷吸收空氣中的熱量進(jìn)行蒸發(fā)而產(chǎn)生一定的汽化潛熱；⑤隧道圍巖與空氣間存在顯著的熱交換；⑥由施工通風(fēng)帶入的新風(fēng)量也將與隧道內(nèi)空氣進(jìn)行熱量交換。

隧道內(nèi)空氣熱交換本質(zhì)上是一個(gè)非常復(fù)雜的三維耦合傳熱問(wèn)題，因此，需要首先做如下假設(shè)和簡(jiǎn)化。

(1)只考慮掘進(jìn)段內(nèi)的熱量交換并計(jì)算該段內(nèi)的平均空氣溫度，不考慮局部空氣溫差。

(2)認(rèn)為地下水的蒸發(fā)量和汽化潛熱為穩(wěn)定狀態(tài)，不考慮圍巖等級(jí)和TBM掘進(jìn)機(jī)利用率對(duì)地下水蒸發(fā)量與水的汽化潛熱的影響；

(3)當(dāng)空氣溫度超過(guò)人體正常溫度38 ℃時(shí)，不考慮人員的熱負(fù)荷；

(4)敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)機(jī)為連續(xù)工作狀態(tài)，不考慮卡機(jī)等異常狀態(tài)；

(5)不考慮巖渣帶走的熱量。

根據(jù)熱力學(xué)原理，建立敞開(kāi)式TBM施工時(shí)隧道掘進(jìn)段內(nèi)空氣交換熱平衡方程為

(1)

式中：T空為掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度， ℃；c為空氣定壓比熱容，kJ·(kg·℃)-1，一般取1.005 kJ·(kg·℃)-1；ρ為空氣密度，kg·m-3，一般取1.225 kg·m-3；V為掘進(jìn)段內(nèi)空氣體積，m3；t為時(shí)間，s；Q1為敞開(kāi)式TBM機(jī)身產(chǎn)熱量，kW；Q2為刀盤(pán)鑿巖產(chǎn)熱量，kW；Q3為人員集體熱負(fù)荷，kW；Q4為空氣與圍巖的換熱量，kW；Q5為地下水汽化潛熱量，kW；Q6為通風(fēng)換熱量，kW。

依據(jù)式(1)可得掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度的計(jì)算公式見(jiàn)式(2)，并編制計(jì)算程序?qū)角蠼狻?/p>

(2)

1.1 敞開(kāi)式TBM機(jī)身產(chǎn)熱量Q1

敞開(kāi)式TBM機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，大部分機(jī)械功都將轉(zhuǎn)化為熱量，該熱量與額定功率、機(jī)器效率、掘進(jìn)機(jī)利用率和同時(shí)使用系數(shù)有關(guān)[7]。該熱量的計(jì)算公式為

Q1=Pn1n2(1-η)

(3)

式中：P為設(shè)備額定功率，kW；n1為機(jī)器負(fù)荷系數(shù)，取掘進(jìn)機(jī)利用率；n2為同時(shí)使用系數(shù)，一般取0.9；η為機(jī)器效率，一般取0.8。

1.2 刀盤(pán)鑿巖產(chǎn)熱量Q2

敞開(kāi)式TBM利用機(jī)械的強(qiáng)大推力和剪切力破碎工作面的巖體，刀盤(pán)與巖石間強(qiáng)烈的摩擦產(chǎn)生大量熱量，該熱量的70%通過(guò)熱交換傳遞給空氣[7]。該熱量的計(jì)算公式為

Q2=0.7Wn1

(4)

式中：W為刀盤(pán)鑿巖額定功率，kW。

1.3 人員集體熱負(fù)荷Q3

人員在敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)機(jī)所在空間集中工作時(shí)，人體散熱對(duì)工作區(qū)間內(nèi)的空氣溫度也有一定的影響[9]。該熱量的計(jì)算公式為

Q3=qnn′

(5)

式中：q為在不同室溫和勞動(dòng)強(qiáng)度情況下成年男子的散熱量，一般取0.2×10-3kW；n為敞開(kāi)式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1.0。

1.4 空氣與圍巖的換熱值Q4

敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)段空氣會(huì)與巖石壁面產(chǎn)生一定的熱交換，當(dāng)圍巖溫度高于空氣溫度時(shí)，圍巖向空氣放熱，低于空氣溫度時(shí)，圍巖向空氣吸熱[9]。該熱量的計(jì)算公式為

Q4=hUL(Tr-T空)

(6)

式中：h為圍巖換熱系數(shù)，kW·(m2·℃)-1；U為隧道斷面周長(zhǎng)，m；L為掘進(jìn)段長(zhǎng)度，m；Tr為圍巖溫度(巖溫)， ℃。

1.5 地下水汽化潛熱值Q5

敞開(kāi)式TBM施工隧洞中的圍巖裂隙水和施工用水構(gòu)成了掘進(jìn)段地下水，其將不斷吸收空氣中的熱量蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣[12]。該熱量的計(jì)算公式為

Q5=LvΔmL

(7)

式中：Lv為水的汽化潛熱，kJ·kg-1；Δm為地下水單位長(zhǎng)度單位時(shí)間的蒸發(fā)量，kg·(m·s)-1。

1.6 通風(fēng)換熱值Q6

通風(fēng)是地下洞室降溫的最基礎(chǔ)方法，空氣定壓狀態(tài)下，風(fēng)管將洞外空氣送入，對(duì)應(yīng)從掘進(jìn)段內(nèi)排出相同體積的熱空氣，送入的冷空氣與排出的熱空氣的熱含量差值即為通風(fēng)帶走的空氣熱量[12]。該熱量的計(jì)算公式為

Q6=cρVs(T空-T0)

(8)

式中：Vs為隧道通風(fēng)量，m3·s-1；T0為洞外空氣溫度， ℃。

2 計(jì)算模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算模型中式(2)—式(8)的合理性，對(duì)引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞敞開(kāi)式TBM施工掘進(jìn)段空氣溫度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。溫度測(cè)點(diǎn)由掌子面沿縱向布置，其中對(duì)重點(diǎn)產(chǎn)熱部位進(jìn)行了加密。具體如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：m)

該隧道采用海瑞克s-795型敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工，直徑D=8 m，掘進(jìn)段長(zhǎng)度L=220 m，刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)額定功率W=3 500 kW，TBM電器總功率P=3 736 kW。巖溫Tr=32 ℃，巖性為變質(zhì)砂巖，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，掘進(jìn)機(jī)利用率n1=29.17%。地下水以裂隙水為主，水量較豐富，正常涌水量為12 871 m3·d-1。取掘進(jìn)時(shí)間t=30 min，地下水單位長(zhǎng)度單位時(shí)間蒸發(fā)量Δm=1.396×10-4kg·(m·s)-1，水的汽化潛熱Lv=597.3 kJ·kg-1[13]，圍巖換熱系數(shù)h=20×10-3kW[14]。測(cè)試段距離斜井洞口11 km，隧道外空氣溫度T0=25 ℃，通風(fēng)量Vs=20 m3·s-1。

采用式(1)—式(8)計(jì)算得到掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度T空=36.2 ℃。掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值對(duì)比

由圖2可知：理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值較為吻合；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值在34～38.2 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)。證明本文提出的計(jì)算方法是有效的、合理的，可以用于敞開(kāi)式TBM施工掘進(jìn)段空氣溫度的計(jì)算。

3 計(jì)算模型應(yīng)用

以南疆鐵路吐庫(kù)二線中天山特長(zhǎng)鐵路隧道TBM施工為工程案例，應(yīng)用本文提出的計(jì)算模型分別計(jì)算無(wú)通風(fēng)、有通風(fēng)2種條件下掘進(jìn)段空氣溫度。

中天山鐵路隧洞施工用敞開(kāi)式TBM機(jī)(TB880E)直徑D=8.8 m，電器總功率P=3 676 kW[6]，刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)額定功率W=3 440 kW，掘進(jìn)段長(zhǎng)度L=220 m。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[13—15]：在Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ級(jí)圍巖中掘進(jìn)機(jī)利用率n1=44.2%，29.17%，9.09%；取水的汽化潛熱Lv=597.3 kJ·kg-1；取地下水單位長(zhǎng)度單位時(shí)間蒸發(fā)量Δm=1.396×10-4kg·(m·s)-1。圍巖換熱系數(shù)h=10×10-3kW。

3.1 無(wú)通風(fēng)條件下的空氣溫度計(jì)算

對(duì)于特長(zhǎng)TBM施工隧道而言，現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)量由于風(fēng)管漏風(fēng)等因素影響，到達(dá)掘進(jìn)機(jī)附近風(fēng)量往往很小。因此，本文首先對(duì)無(wú)通風(fēng)極端條件工況進(jìn)行分析。

3.1.1 無(wú)通風(fēng)不同圍巖級(jí)別下空氣溫度計(jì)算

設(shè)隧道通風(fēng)量Vs=0 m3·s-1，巖溫Tr=18 ℃，采用式(3)—式(8)，計(jì)算3種掘進(jìn)機(jī)利用率下掘進(jìn)段各熱害影響因素的換熱量，結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)《開(kāi)敞式TBM的應(yīng)用》[15]建議，敞開(kāi)式TBM一般1次掘進(jìn)最大距離為1.8 m，根據(jù)部分TBM隧道工程，連續(xù)掘進(jìn)的理想工作狀態(tài)下，1次掘進(jìn)時(shí)間約為30 min；然后，TBM需完成停機(jī)、換步、調(diào)向、再啟動(dòng)等整備作業(yè)，整備作業(yè)時(shí)間約為30 min；因此1次作業(yè)循環(huán)時(shí)間t=60 min。圖3給出了TBM在1次作業(yè)循環(huán)中3種圍巖等級(jí)時(shí)的掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度隨施工時(shí)間的變化曲線。

表1 無(wú)通風(fēng)不同圍巖級(jí)別下的熱源換熱量

圖3 不同圍巖級(jí)別下掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度隨施工時(shí)間的變化曲線

由圖3可知：自掘進(jìn)開(kāi)始，掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度迅速升高，在掘進(jìn)20 min時(shí)基本升至最大值并基本穩(wěn)定，TBM停機(jī)后空氣溫度迅速下降；在Ⅱ和Ⅲ級(jí)圍巖中，短時(shí)間內(nèi)最高空氣溫度分別達(dá)到39.9和32.4 ℃，均超過(guò)了規(guī)范空氣溫度上限28 ℃[16]，這是由于敞開(kāi)式TBM在Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖中施工時(shí)掘進(jìn)機(jī)利用率較大，產(chǎn)熱量較大，此時(shí)應(yīng)采用冰塊、空調(diào)等防范降溫措施，否則將嚴(yán)重危害工作人員的健康；刀盤(pán)停止工作后，掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度逐漸下降，在停機(jī)20 min后基本降到初始值。

3.1.2 無(wú)通風(fēng)不同巖溫環(huán)境下空氣溫度計(jì)算

當(dāng)巖溫超過(guò)30 ℃時(shí)將其稱(chēng)為高巖溫[12]。高溫巖石會(huì)向空氣釋放大量的熱，成為敞開(kāi)式TBM施工中的一大熱源。選取Tr=40，50和60 ℃的巖溫環(huán)境，Ⅱ級(jí)圍巖，掘進(jìn)機(jī)利用率n1=44.2%，其余參數(shù)不變，計(jì)算不同巖溫時(shí)的掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同巖溫下掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度隨施工時(shí)間的變化曲線

由圖4可知：巖溫越高，掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度越高，在60 ℃巖溫條件下，掘進(jìn)段內(nèi)最高空氣溫度達(dá)到81.9 ℃，若不采取防范措施，將嚴(yán)重影響隧道內(nèi)人員及機(jī)器的正常運(yùn)行；30 min后掘進(jìn)結(jié)束，掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度逐漸降低，最后趨于巖溫。

3.2 通風(fēng)條件下掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度計(jì)算

隧道施工通風(fēng)是解決敞開(kāi)式TBM工作熱害的主要措施，因此，進(jìn)一步對(duì)不同通風(fēng)量條件下掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度進(jìn)行計(jì)算分析，為確定施工通風(fēng)量提供參考依據(jù)。

3.2.1 不同通風(fēng)量下掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度計(jì)算

為保障作業(yè)人員健康，在敞開(kāi)式TBM施工時(shí)，通過(guò)通風(fēng)送入溫度較低的空氣與隧道內(nèi)的熱空氣產(chǎn)生能量交換。選取通風(fēng)量Vs=20，40和60 m3·s-1，未考慮不同地區(qū)、不同季節(jié)以及不同時(shí)間下洞外溫度變化對(duì)洞內(nèi)空氣溫度的影響。選取隧道洞口送風(fēng)溫度T0=18 ℃，掘進(jìn)段巖溫Tr=18 ℃，Ⅱ級(jí)圍巖，計(jì)算不同通風(fēng)量時(shí)的掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同通風(fēng)量下掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度隨施工時(shí)間的變化曲線

由圖5可知：加大通風(fēng)量可以有效降低掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度；采用60 m3·s-1的通風(fēng)量，掘進(jìn)段最高空氣溫度為27.9 ℃，當(dāng)通風(fēng)量降低至40和20 m3·s-1，掘進(jìn)段內(nèi)最高溫度分別為30.2和33.6 ℃，均顯著高于28 ℃，若不采取防范措施，將嚴(yán)重影響施工作業(yè)人員的工作效率。

3.2.2 有通風(fēng)不同圍巖級(jí)別下掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度計(jì)算

依據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，取通風(fēng)量Vs=60 m3·s-1，掘進(jìn)段巖溫Tr=18 ℃，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)圍巖，計(jì)算不同圍巖級(jí)別時(shí)的掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：在60 m3·s-1通風(fēng)條件下，隨著圍巖級(jí)別的降低，掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度顯著降低，在Ⅳ級(jí)圍巖中，掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度僅為19.9 ℃，而在Ⅱ級(jí)圍巖中，掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度也僅達(dá)27.9 ℃，這是因?yàn)樵冖艏?jí)圍巖中掘進(jìn)機(jī)利用率和產(chǎn)熱量降低較多。根據(jù)該計(jì)算結(jié)果可知，在圍巖級(jí)別較低時(shí)，可適當(dāng)減小通風(fēng)量。

圖6 60 m3·s-1通風(fēng)條件不同圍巖級(jí)別時(shí)掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度隨施工時(shí)間的變化曲線

3.2.3 有通風(fēng)不同巖溫環(huán)境下掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度計(jì)算

同理，以送風(fēng)量Vs=60 m3·s-1和Ⅱ級(jí)圍巖為例，取40，50，60 ℃巖溫，計(jì)算不同巖溫時(shí)的掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度，結(jié)果如圖7所示。

圖7 60 m3·s-1通風(fēng)條件不同巖溫掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度隨施工時(shí)間的變化曲線

比較圖4和由圖7可知：在60 m3·s-1通風(fēng)條件下，巖溫分別取60，50和40 ℃時(shí)，掘進(jìn)段內(nèi)最高空氣溫度分別為46.9，42.4和37.8 ℃，雖然比無(wú)通風(fēng)條件下的81.9，71.9和61.9 ℃顯著降低，但仍然顯著高于28 ℃；當(dāng)巖溫從40 ℃升高至60 ℃時(shí)，在60 m3·s-1通風(fēng)和無(wú)通風(fēng)條件下，掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度分別升高了9.1和20 ℃。由此可見(jiàn)，巖溫對(duì)掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度影響較大，因此，針對(duì)敞開(kāi)式TBM施工隧道，當(dāng)巖溫較高時(shí)，建議在采用正常施工通風(fēng)基礎(chǔ)上增加洞內(nèi)局部降溫措施。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)熱力學(xué)原理，給出了敞開(kāi)式TBM隧道掘進(jìn)段空氣溫度計(jì)算公式，并編制計(jì)算程序?qū)角蠼狻⒗碚撚?jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了本計(jì)算方法的合理性和有效性。

(2)自掘進(jìn)開(kāi)始，掘進(jìn)段內(nèi)空氣溫度迅速升高，在掘進(jìn)20 min時(shí)升高至接近最大值并保持基本穩(wěn)定，TBM停機(jī)后空氣溫度迅速下降。

(3)通風(fēng)對(duì)掘進(jìn)段內(nèi)空氣有明顯的降溫效果，且通風(fēng)量越大降溫效果越明顯。

(4)巖溫一定，圍巖級(jí)別越高，掘進(jìn)段空氣溫度越高。巖溫為18 ℃，Ⅱ級(jí)和Ⅳ級(jí)圍巖無(wú)通風(fēng)時(shí)掘進(jìn)段空氣溫度分別為39.9和22.2 ℃，通風(fēng)量為60 m3·s-1時(shí)下降至27.9和19.9 ℃，可見(jiàn)，當(dāng)巖溫較低時(shí)，只有對(duì)于級(jí)別較高的圍巖才需要通風(fēng)，使其空氣溫度低于28 ℃規(guī)范限值。

(5)圍巖級(jí)別一定，巖溫越高，掘進(jìn)段空氣溫度越高。圍巖級(jí)別Ⅱ級(jí)，60和40 ℃巖溫?zé)o通風(fēng)時(shí)掘進(jìn)段空氣溫度分別為81.9和61.9 ℃，通風(fēng)量為60 m3·s-1時(shí)下降至46.9和37.8 ℃，可見(jiàn)，當(dāng)巖溫較高時(shí)，通風(fēng)可使掘進(jìn)段內(nèi)空氣有明顯的降溫，但空氣溫度仍然高于28 ℃規(guī)范限值，建議在采用正常施工通風(fēng)基礎(chǔ)上增加洞內(nèi)局部降溫措施。