中天山特长隧道TBM施工湿热环境控制技术研究

王尽忠

(乌鲁木齐铁路局南疆吐库二线铁路建设指挥部，新疆 库尔勒 841001)

0 引言

随着我国铁路隧道、公路隧道以及水利隧道工程的大量修建，采用机械化施工的需求日益增加。长大隧道工程应用TBM隧道掘进机施工越来越广泛，但在TBM长大隧道施工过程中，常常会遇到高温高湿环境问题，致使现场作业人员及机械设备受其影响严重。目前，针对湿热环境的控制技术研究主要集中在民用建筑施工和水利水电等工程中。李百战等［1］从被动式改善、人工控制调节及建筑装饰材料功能等方面出发，研究了湿热环境对人体的影响;江亿等［2］对室内湿热环境营造系统从理论上进行了热学分析;刘晓华等［3］针对建筑湿热环境营造，对主动式空调系统中存在的复杂传递过程进行了研究，分析了匹配特性在显热传递和湿热传递过程中的影响;张华玲等［4］指出了多孔建筑材料湿热传递和室内湿热环境研究的热点和存在的问题。上述文献均围绕房屋建筑工程湿热环境问题开展研究，主要解决室内环境的温度、湿度、新鲜空气等需求。由于建筑物室内与室外空气交换方便，可以从改良建筑材料、调整暖通空调系统等方面来改善室内湿热环境。对于特长隧道工程，受隧道内空间狭小、新鲜空气输送相对困难等条件制约，无法借鉴参考上述方法来控制TBM施工湿热环境。

本文以南疆铁路中天山特长隧道为例，针对隧道内长距离、狭小空间体系等特点，通过对TBM施工湿热环境、除湿负荷等进行分析，研究了在隧道内设置水媒热泵系统来解决TBM施工湿热环境问题;提出了通过加强通风改善洞内气候条件、安装制冷设备降低供风风流温度等措施辅助改善TBM施工湿热环境，并对现场具体实施提出建议，以期为今后类似工程改善隧道TBM施工湿热环境提供参考和借鉴。

1 工程概况

南疆铁路吐鲁番至库尔勒二线中天山特长铁路隧道位于托克逊县、和硕县间中天山东段的岭脊地域，穿越中天山北支博尔托乌山中山山地，平均海拔为1 100～2 950 m，最高海拔为2 951.6 m。山岭南北两侧地形切割非常剧烈，坡陡山高，沟壑纵横，基岩裸露，植被非常稀疏，地形非常复杂，相对高差为800～1 200 m。中天山隧道左线全长22 449 m，右线全长22 467 m，全隧道为单面连续上坡，除出口段308 m位于曲线上以外，其余区段均位于直线上，隧道线间距为36 m。

中天山隧道进口端采用2台开敞式TBM施工，出口端采用钻爆法施工。TBM开挖直径为8.8 m，施工段约13 km，掘进3 km后，隧道内温度、相对湿度较未掘进时大幅上升，温度最高为36℃，相对湿度最高为96%，洞内湿热环境控制困难，仅靠一般施工通风难以解决问题。因此，需要对TBM施工湿热环境控制技术进行研究。

2 TBM施工湿热环境分析

2.1 温湿度成因

隧道内的温度影响因素主要有地层地温、TBM掘进散热、隧道内照明及机械设备散热和作业人员散热。其中，地温与外界气候条件、隧道埋深、围岩自身特性和地层中地下水状态等有关，机械设备散热与设备功率和电能等有关。

隧道内湿度的成因主要来自地下水以及隧道内施工用水的散湿。

2.2 温湿度对施工人员及设备的影响

2.2.1 对施工人员的影响

人在湿热环境下会大量出汗，汗液附着体表或粘附衣内，难以蒸发散热，这种情况下使人感到闷热和难受;且人体内热代谢紧张，严重时会出现中暑现象，本隧道施工过程中即有人员中暑现象发生。成年男子在湿热与干热环境下进行轻微体力劳动6 h过程中出汗的动态变化情况见表1。

表1 湿热环境与干热环境下人体内出汗量的动态变化表Table 1 Sweating of labors in hot and humid environment and that in hot and dry environment g/min

由表1可得，在温度为36℃、相对湿度为84%的湿热环境下进行轻微体力劳动时，在风速为1.7 m/s的条件下，体内出汗率下降较明显，以致时间达到5 h时无法继续劳动，随之引起的人体生理反应比温度为42℃、相对湿度为40%以下构成的干热环境所引起的生理反应更为严重。

当作业环境温度超过30℃时，相对湿度每增加10%，对人体带来的热影响等同于作业环境温度增加1～1.5℃ 。

由于体内汗液蒸发效率受环境空气温度、相对湿度的影响，故高温高湿环境对隧道内作业人员的健康非常不利。当温度超过35℃时，相对湿度大于70%，会对作业人员造成生理伤害，影响施工作业效率［5－8］。

2.2.2 对设备的影响

高温高湿环境对TBM设备的影响也较大，在这种环境下，设备电气故障频发，TBM主电机功能下降，设备效率不能发挥到最大，影响隧道施工进度。湿热环境对TBM设备的影响主要体现在以下几方面。

1)洞内冷凝水附着在高压电缆和照明线路上，导致电力线路短路跳闸停电，使设备电气系统故障增加。

2)当水气过大时，灰尘吸水造成设备PLC模块电子元件短路，从而烧毁部分电路。

3)造成TBM设备阀块上的电缆短路，导致阀块供油不平衡，造成额外的损坏。

3 TBM隧道除湿负荷分析

3.1 边界条件设定

1)设定外界最恶劣环境温度为36℃，相对湿度为96%。

2)设计要求温度达到30℃，相对湿度达到80%。

3.2 除湿负荷计算

3.2.1 电动设备散热量

电动设备散热量QE源于电动机散热量和由于工艺设备实际消耗的电能最终都转化为热能所散出的热量前者是由电动机内磁铁的电阻抗和轴承的摩擦，使一部分电能转化为热能，通过电动机表面散入外界热量;对于后者，若工艺设备的实际消耗功率为N实，电动机效率为η，则电动机的有效输入功率N入=N实/η。

电动机散出的热量

工艺设备的散热量

则电动机设备的总散热量

电动机效率η可从设计参数中获得。首先，电动机设备铭牌通常只标明电机额定功率N，无N入和N实的参数，而实际上则应根据设备的最大实际消耗功率N实max来选择电动机。在电机产品规格有限的情况下，考虑一定程度的安全系数，N＞N实max或N实max=n1N。

其次，工艺设备不一定始终都在最大功率下运转，因此，工艺设备本身的平均使用功率N实mean要小于最大功率N实max，或N实mean=n1n2N。具有多台工艺设备时，不一定同时使用，消耗实际功率N实=n1n2n3N。

最后，工艺设备的部分散热量可能会被冷却水或其他物体带走，则实际散热量

式中:n1为额定功率利用系数，一般情况下取0.7～0.9;n2为平均负荷达到最大负荷程度的负荷系数，一般情况下取0.5～0.8;n3为同时使用系数，一般情况下取0.5～1.0;n4为热转化系数，除尘风机和空压机等工作时取0.1;N为电机额定功率;η为电动机效率。各参数具体取值见表2［9］。

表2 特征系数表Table 2 Characteristic coefficients

3.2.2 人员集体热负荷

人体散热量

式中:q为在不同室温和劳动强度情况下成年男子的散热量，取0.2 W;n为工程内部总人数，20人;n'为群集系数，取 1.0。

则:Q=1.0 ×20 ×0.2=4 W=0.004 kW。

3.2.3 围岩散热量

围岩内温度测点距围岩表面约1.5 m，测点布置如图1所示。

图1 围岩内温度测点布置图Fig.1 Layout of rock mass temperature measuring points

经现场测量，围岩内测点1和测点2的温度都为31℃。

由于围岩内地下水对温度测试仪器的冷却，导致实测温度较低。花岗岩导热系数 λ=2.68～3.35 W/(m·℃)，取3.0;距掌子面20 m范围内的围岩表面积 S=3.14 ×19.36+3.14 ×8.8 ×20=613.43 m2;隧道内空气温度降低至30℃，即Δ t=1℃。则:散热量Q=λSΔt=3.0 ×613.43=1 840.29 W=1.84 kW。

3.3 照明设备散热量［10］

照明设备所消耗的电能几乎全部转化为热能散入周围环境，如果最大负荷出现的时间在白天，则只需计算白天所用照明功率的发热量QL。

3.3.1 白炽灯

式中:N为隧道内白炽灯的装置功率，kW;n1为同时使用系数。

3.3.2 荧光灯

式中:N1为隧道内荧光灯装置功率，kW;N2为隧道内的镇流器消耗功率，一般为荧光灯功率的20%，kW;n1为同时使用系数;n2为隧道内灯具灯罩隔热系数，当荧光灯罩上有通风孔时，取0.5～0.6，灯罩上无通风孔时，取0.6 ～0.8。

3.4 所需除湿冷负荷的确定

由于人员的热负荷、围岩的散热量相对于电动设备所散热量要小得多，故可以忽略，因此，隧道内所需的除湿冷负荷只需要根据电动设备的散热量来计算。

基本冷负荷的电动设备功率N=4 500 kW，散热量Q=1 036.8 kW。除湿总冷负荷按QL=1.15Q计算，则 QL=1 192.3 kW。

4 TBM隧道湿热环境控制方案

4.1 热泵模式选取

由于现场发热量大，需要空气媒热泵空间较大，并且要求降温温差约为6℃，如果采用R22冷媒系统进行空气调节，耗电量较大，设备投入大，不经济。因此，建议选用环保式水媒热泵系统。利用水的汽化潜热进行等焓空调降温处理，并增大换气次数。建议采用铺设通风管的方法进行循环供风，并可通过安装多台单机空气媒热泵和采取喷射式送风的方法进行降温。

4.2 设备选型及计算分析

根据建立的TBM湿热环境数学模型，结合边界条件对湿热环境进行控制和计算。

外部空气含水率 dw=36×96%=34.56 g/kg，内部空气含水率dn=30×80%=24 g/kg。则:空气含水率差值 =10.56 g/kg。

根据供风量可得出每台水媒热泵系统所产生的湿负荷

式中:r1为环境空气密度，1.15 kg/m3;G为供风量;Cp为水常温汽化潜热，590 kcal/kg。

综上所述，由于隧道内重点区域的水膜效率仅为75%，因此，计算得每台水媒热泵系统的湿负荷制冷量为150×0.75=112.5 kW。根据所得到的除湿总冷负荷QL=1 192.3 kW，故需水媒热泵系统数量为1 192.3/112.5=11 台。

5 其他TBM施工湿热环境控制方法

1)加强通风，改善洞内气候条件。包括改善通风措施和优化隧道内冷却系统，利用物理及化学方法在重点作业地段除湿。

2)降低供风风流温度，治理隧道内热污染。包括利用进风区段岩石自身的冷却作用或在进风口设置防热辐射棚，在非常严重的情况下可采取人工措施进行降温，如在进风段隧道洞口安装制冷设备等。

3)对地下热水造成的隧道内热害进行治理。

4)利用具有强防水性的衬砌材料缓解衬砌渗漏水。

5)采用除湿机设备。可选择不同型号的除湿机分段摆放，进行隧道内除湿。

6)可设置专用空调机组进行降温除湿。

6 结论与建议

1)高温高湿综合环境会对隧道内的施工作业人员造成不利影响。根据前期研究可知，当温度超过35℃、湿度超过70%时，会对隧道内的施工作业人员造成严重的生理伤害，影响工作效率。

2)通过对中天山隧道TBM施工湿热环境影响因素进行分析，可得人员热负荷、围岩散热量远小于电动设备散热量，中天山隧道内除湿冷负荷的计算应重点考虑电动设备的散热量。

3)通过分析计算，得到中天山隧道TBM施工掌子面附近降温除湿所需的冷负荷为1 192.3 kW，并制定了湿热环境控制方案及设备选型。

本文的研究成果应用于中天山特长隧道TBM施工湿热环境控制中，取得了很好的效果，建议进一步加强对实施效果的测试与分析。

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