铁路隧道热湿环境研究综述

袁艳平，何青青，曹晓玲，雷 波，冯 炼

(西南交通大学 机械工程学院建筑环境与设备工程系，成都 610031)

目前我国铁路建设正处在高速发展中。“十一五”期间规划铁路建设总投资12 500亿元，建设新线17 000 km。2010年全国铁路营运里程达到9万km以上，复线、电气化率均达到45%以上，快速客运网总规模达到20 000 km以上［1］。铁路隧道作为铁路交通线路的重要工程结构物，建设投资巨大，具有重大的经济、技术和社会效益。采用长隧道来克服地形障碍，能使线路平直、长度缩短，并避免不良地质条件对线路的不利影响，有效地提高线路标准。

1 铁路隧道热湿环境的形成机理及其影响

铁路隧道一般埋深大、穿越的不同地质单元体多，从而将不可避免地遇到涌水、岩爆、坍塌及热害等地质灾害［2］。其中高地温问题己是隧道工程、采矿工程及其它地下工程常见的地质灾害问题。以大瑞线关键性控制工程——高黎贡山隧道为例，全长约18.7 km，属深埋特长隧道。隧道穿越地区地表温泉发育，岩土最高温度达到50℃［3］。日本安房隧道的地温值达到了73 ℃［4］。

施工期间隧道内的热量主要来源于围岩散热、施工作业中相关机械设备散热、爆破产生的热量等。运营期间隧道内的温度主要受地层的自然温度、隧道中照明和辅助机械的散热、行车散热、受电弓电弧发热的影响。隧道内湿环境的成因主要来自地下水，地下水通过衬砌渗漏，并向工程内部渗透。运营期间隧道内湿气主要来源于水沟表面水的自然蒸发、车内乘客及作业人员散湿。

《铁路隧道工程施工技术指南》规定，隧道内气温不得超过28℃［5］。在高温施工中，一般生产率均较低，有的相对劳动效率仅为30% ～40%。大量试验证明［6］，当环境温度＞30℃，相对湿度每增加10%，对机体带来的热影响，相当于环境温度增加 1.0℃ ～1.5℃。在温度高于 35℃时，若湿度超过70%，会影响工作效率并造成对作业人员的生理伤害。另外，相关研究表明:隧道中若出现高温高湿情况(温度35℃～50℃，湿度80%以上)，也会对列车运行的安全性和可靠性造成危害，甚至引发火灾［7］，电气设备的运行性能也会因此急剧下降，绝缘容易破坏，导致短路。高温高湿还影响到施工和建筑材料的选取［8］，产生的附加温度应力还可能引起衬砌开裂，对衬砌结构的安全及耐久性不利。隧道建成运营后，洞内温度过高将造成隧道养护维修困难，从而可能导致运营成本大幅度提高。

2 铁路隧道热湿环境数值模拟与试验研究

施工通风是保障施工期作业热湿环境的重要工程措施。梁文灏等［9］比较了乌鞘岭隧道不同施工阶段长管路独头压入式不同通风方案的优劣。王莉平［10］利用试验获得的不同通风长度漏风系数，对乌鞘岭特长铁路隧道通风进行了简化计算。Alvarez等［11］对于压入式通风系统建立了一套快速计算风量的方法。空气流动按一维流动处理，分段计算风管中流动和在隧道中返回的损失。李刚等［12］对隧道施工环境中有限空间附壁射流进行了模型试验。

隧道内温度特别是近作业面区域温度，是施工期热湿环境关心的重点。雷波等［13］提出了一个计算隧道内空气温度的双区模型，风管出口到工作的区域内使用均匀搅拌器模型，从进口到风管出口段使用一维湍流流动换热模型，并在此基础上分析了隧道内温度的影响因素。张智等［14］基于隧道内热平衡建立了预测作业面温度的数学模型，并对压入式通风状况下作业面温度进行了数值计算。吴强等［15］根据掘进工作面匀速推进时工作面的壁面温度、风流温度保持不变的特点，建立移动坐标，将描述掘进工作面围岩温度场的二维非稳态导热微分方程改进为移动坐标下掘进工作面二维不含时间变量的导热微分方程求解。

运营期的热湿环境直接影响到电气设备及维护人员的安全，诸多学者对运营期热湿环境进行了数值计算。高建良等［16］建立了考虑壁面水分蒸发的巷道围岩温度分布及围岩散热的数学方程。采用湿系数法处理壁面水分蒸发，提出将饱和空气含湿量与温度的关系拟合为二次曲线。用变步长有限差分法对巷道围岩温度场进行数值模拟求解。英国诺丁汉大学［17］(1976)年开发了商业软件CLIMSIM用于模拟隧道的内环境状况，该模型基于质量守恒和能量守恒的原理。Lowndes等［18］在以上模型的基础上作了完善:考虑了围岩的散热、由于深度增加输送空气的压缩、机器等热源产生的显热、运输的煤矿所散发的显热和潜热、掘进端积水和潮湿壁面的影响，探讨了在隧道掘进过程中随着深度的增加即围岩原始温度的增加对隧道内部气候的影响。Lowndes等［19］运用上述模型模拟分析了岩土热物性参数、送风机效率、电器设备使用率等参数变化对于所预测的隧道气候条件的影响。黄涛，杨立中［20］通过隧道裂隙围岩体渗透性能与热物理性能的等效连续化处理，将围岩等效处理成具有相同渗透性能和热传导性能的连续体，进而初步建立了围岩体温度场与渗流场耦合作用数学模型。郭进伟等［21］运用有限元分析软件，采用热学理论模拟温度场，并通过热—结构耦合方式研究高壁温条件下结构应力。

部分学者对寒冷地区隧道内温度和湿度进行了数值计算。赖远明等［22］导出了带相变的温度场、渗流场和应力场三场耦合问题的数学力学模型及其控制微分方程，运用无量纲量和摄动技术求解出了寒区圆形截面隧道温度场的解析解。何春雄等［23］建立了严寒地区隧道内的气体在层流和湍流条件下与围岩对流换热和固体热传导耦合问题的数学模型，在此基础上，张学富等［24］提出了寒区隧道空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合问题的三维计算模型。

试验是研究隧道热湿环境的重要手段之一。张先军［25］对青藏铁路昆仑山隧道围岩地温及隔热层外温度进行了测试并分析了隧道洞内气温、地温和隔热层内外侧温度分布特征。赖远明等［26］用现场测量的方法研究了青海大坂山隧道在有无保温门和有无防雪棚条件下的隧道内气温的变化规律。

3 铁路隧道热湿环境控制

3.1 铁路隧道施工期热湿环境控制

对于施工期的降温降湿，工程上主要采用局部冷水喷雾、通风等施工措施进行处理。隧道施工期的通风方式分为管道式通风和巷道式通风两种。

管道式通风考虑到漏风和风阻的影响，一般只适用于独头通风的较短隧道，可供选择的方式有三种，即压入式、抽出式和混合式。特长隧道施工过程中，在无轨运输阶段一般采用压入式通风方式，将风机置于有新鲜空气的地方(一般离开洞口一定距离)，通过管道直接将新鲜空气(冷空气)压送到工作面附近，从而达到除尘降温的效果。防漏降阻是实现长距离通风的技术关键。赖涤泉等［27］利用新型柔性风管，解决了长距离大断面独头掘进的施工通风难题。钟友江［28］对无轨运输条件下的施工通风技术进行了研究。乌鞘岭隧道［10］按不同的施工阶段划分为与之相应的通风阶段，通风方式采用长管路独头压入式，利用不作为供风井的辅助坑道排出污风。索朝军等［29］对东秦岭特长隧道施工通风进行了阶段性设计和研究，同时采取了水幕降尘、机械净化等措施，成功地解决了长大隧道在无轨运输条件下的施工通风问题。罗汝洲［30］运用隧道工程与通风理论以及仿真技术，确定高尾气污染特长隧洞洞身段施工通风方案及参数。

巷道式通风主要是针对在长大隧道施工中开设有各种辅助坑道的情况，如平行导坑(简称平导)、斜井、竖井和钻孔等。

秦岭隧道II线根据平导岩热型热害类型确定通风降湿的措施:降温重点以岩热、机械设备放热、爆破热为主;齐头打眼处以通风为主，爆破后立即通风，齐头围岩面经常洒水，保持湿式作业。张智等［31］对人工制冷措施降除热害进行了深入的探讨，提出了两种人工制冷的降温方案:建立隧道内制冷站作为冷源或采用冰块制冷作为冷源。我国黑白水三级电站的引水隧道在施工中遭遇高温高压热水的影响［32］，通过在工作面加大通风设备功率，通风机在不间断运行的条件下，最后采取加强排水，加强通风，增加冷水掺入量、局部冷水喷雾，洞内工作面气温降到了35℃ ～38℃。这些工程措施，一是降温降湿效果有限，二是没有相关的理论研究作基础，只属于经验措施。

对于极端高温工况，仅靠通风措施不足以解决热湿问题，应采用通风和制冷相结合的方式。Von等［33］认为通风和制冷方式的不同组合有利于排出施工隧道内热负荷，两者之间的比重搭配要综合比较分析稀释污染物所需的最小空气量，可用于安置通风管道的空间大小以及风机、泵、制冷的能量花费。采用制冷方式降温时，将冷却器放置于距离工作区较远处通过管道输送至隧道内的方式比冷却器放置在TBM车上的方式更好，运行费用较低。

对于冻土区铁路隧道，冻土围岩靠裂隙冰的粘接连接成整体，维持稳定。一旦洞内温度超过0℃，随着融化圈的扩大，融化圈内的围岩就会发生掉块甚至坍塌，从而危及施工安全。因此在实际工程中，常将施工环境温度控制在 －5℃ ～5℃之间［34］。

3.2 铁路隧道运营期热湿环境控制

对隧道运营期热湿环境控制最为广泛的方法是通风，早期修建的铁路隧道单纯采用自然通风，但受季节和地区的制约其通风效果不明显且不稳定。事实证明，单纯的自然通风并不能满足隧道特别是长隧道排除其内部热量和污染物的要求［12］。在这种情况下机械通风被大量采用。Ampofo等［35］提出了控制隧道内及车内热湿环境的几种可能方法，并通过建立数学模型预测温度和相对湿度，同时结合PPD来评价这几种方法的效果及适应范围。

在通风方式方面，过去常采用的有无帘幕洞口风道式、有帘幕洞口风道式、洞口喷嘴式、竖(斜)井吸出(吹入)式和多竖井分段式［36］。但随着射流风机技术的发展，目前纵向式射流通风方式己逐渐成为一种最为流行的铁路隧道机械通风方式。对于长隧道而言，要达到降温目的一般通过加大隧道内通风量的方法，采用大功率的射流风加强隧道内的通风换气，以达到排除热量的目的。但是针对以控制温度为目的的隧道，通过计算得到的需风量，将很可能超过《铁路隧道运营通风设计规范》要求的通风机供给的隧道内风速不应超过8 m/s的限值［37］。因此，很多学者就如何提高通风效率作了大量研究。目前，在纵向式通风系统中，射流风机一般安装在隧道顶部壁面附近，高速气流会增大风机出口与壁面间切应力，降低通风效率并增加能耗［38］。随着我国铁路机车逐渐向电气化转换，一些新型通风方式也被学者提出来。曾满元等［39］根据电气化铁路隧道的运营及环境特点，提出了移动式运营通风的概念。

从目前的研究来看，还有以下四种方法被用于控制隧道运营期热湿环境。第一种方法是利用隧道衬砌及土壤的蓄热(冷)性能。第二种方法是采用空调系统。世界上最长的海底隧道——英吉利海峡海底隧道就是采用空调降温，共配置8套制冷装置，制冷能力共计约52 000 kW［40］。第三种方法是不定时地在隧道路面上洒水，在隧道路面上形成一层水膜，利用水膜的蒸发来达到降温的效果。第四种是采用喷雾法。在隧道的某一部分喷水雾，利用水雾的汽化潜热消除隧道内热量。王小芝［41］研究了城市公路隧道采用喷雾降温的可行性，并提出喷雾降温的方案。

4 结束语

1)对于极端高温高湿工况，仅靠通风措施不足以解决热湿问题，应采用通风和制冷相结合的方式。冷源形式可以采用固定的制冷站和移动冷源等形式。在运营期间应合理运用自然风、活塞风并充分利用行车天窗时期，选择合理的风速和最优化的通风方式。

2)隧道作业区热湿环境是由隧道岩体温度、水分渗流和蒸发量、作业区各种热源类型和强度、通风气流等因素决定的，是含有水分蒸发过程的热、湿和空气流动耦合作用的结果。特别是壁面热湿传递过程，它受到热传导过程、蒸汽扩散、液态扩散、表面扩散、Knudsen扩散、毛细流、纯水力流动等多种因素的影响，在数学上都很难描述，求解就更困难了。对于这一类问题，还没有成熟的解决方法。施工通风计算大多采用一维模型，将流动过程简化为无限长一维非稳态流动，不考虑隧道断面形状对流场的影响，也不考虑隧道壁面温湿度对施工通风的影响，在近作业面区域存在较大的误差。

3)在隧道运营通风模拟计算时，大多把污染物浓度分布作为主要控制目标，考虑温度场的研究较少。在运营期隧道热湿环境模拟计算的过程中，针对高温地质条件展开的研究很少，而且在为数不多的研究中，没有计算围岩和围护结构中的传湿，也没有考虑传湿过程对传热过程的影响。应对通风或间歇通风状态下非等温高温边界条件下带高速移动内热源的三维不规则大长宽比区域内的非稳态热湿耦合问题进行建模和求解，重点解决多物理场的耦合、移动热源处理技术、隧道热湿环境热湿累积的中长期效应分析。

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