敞开式TBM施工隧道掘进段空气温度计算方法

王 峰，罗飞宇，徐 海，王 宇

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031； 2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031； 3.中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

随着我国隧道施工技术的发展，在长大隧道的修建过程中，采用隧道掘进机(TBM)进行快速掘进已成发展趋势。但TBM的设备庞大繁杂，在掘进过程中，众多大功率机械设备产生较多的热量，容易使隧道狭小的工作空间内变成高温环境。根据前期对部分工程的调研发现，若不采取防护措施，TBM掘进段空气温度达到甚至超过40 ℃，对施工作业人员的健康带来了极大的安全隐患，施工效率也显著降低。

目前，国内学者对施工隧道的温度场分布及通风控制问题进行了部分研究[1-5]。朱齐平等[6]以大伙房输水隧洞TBM施工通风为对象，对通风设备进行了优化匹配和合理布置。张健[7]分析了TBM施工中的主要热源，利用FORTRAN语句解算施工中的降温问题。曹正卯等[8]利用FLUENT软件模拟敞开式TBM工作环境流场，得到隧道内空气温度分布规律。王尽忠[9]建立起中天山隧道TBM施工湿热环境数学模型，给出热泵选型等关键参数。F.H von Glehn等[10]分析了高温条件下通风对TBM设备的冷却作用，提出了控制隧道内气温的最佳通风方案。Hargreaves D.M.等[11]对TBM施工隧道内的通风和热环境开展了数值研究，通过编制计算机程序解算出施工中通风和散热问题。

这些研究成果对于提高我们对隧道热害问题的认识具有非常重要的价值。但针对敞开式TBM施工隧道热害机理及影响因素研究还较为缺乏。因此，本文主要以敞开式TBM施工隧道为研究对象，根据热力学原理给出隧道掘进段内空气温度计算公式，通过编制计算程序实现公式的求解，以此研究敞开式TBM掘进段热害问题，提出隧道掘进段内空气温度计算方法。

1 敞开式TBM施工隧道掘进段内空气温度计算模型

敞开式TBM主要由凿岩刀盘、主控室、电气机组、拖车和出渣皮带等组成。在敞开式TBM施工隧道掘进过程中，由电机驱动带动刀盘旋转凿岩，然后通过皮带将岩渣运出洞外。影响隧道掘进段空气温度的因素多且较复杂，主要包括：①电机产生的热量；②刀盘凿岩产生的热量；③施工作业人员产生的热量；④裂隙水和TBM工作用水等可能在隧道内形成一定量的地下水，该地下水将不断吸收空气中的热量进行蒸发而产生一定的汽化潜热；⑤隧道围岩与空气间存在显著的热交换；⑥由施工通风带入的新风量也将与隧道内空气进行热量交换。

隧道内空气热交换本质上是一个非常复杂的三维耦合传热问题，因此，需要首先做如下假设和简化。

(1)只考虑掘进段内的热量交换并计算该段内的平均空气温度，不考虑局部空气温差。

(2)认为地下水的蒸发量和汽化潜热为稳定状态，不考虑围岩等级和TBM掘进机利用率对地下水蒸发量与水的汽化潜热的影响；

(3)当空气温度超过人体正常温度38 ℃时，不考虑人员的热负荷；

(4)敞开式TBM掘进机为连续工作状态，不考虑卡机等异常状态；

(5)不考虑岩渣带走的热量。

根据热力学原理，建立敞开式TBM施工时隧道掘进段内空气交换热平衡方程为

(1)

式中：T空为掘进段内空气温度， ℃；c为空气定压比热容，kJ·(kg·℃)-1，一般取1.005 kJ·(kg·℃)-1；ρ为空气密度，kg·m-3，一般取1.225 kg·m-3；V为掘进段内空气体积，m3；t为时间，s；Q1为敞开式TBM机身产热量，kW；Q2为刀盘凿岩产热量，kW；Q3为人员集体热负荷，kW；Q4为空气与围岩的换热量，kW；Q5为地下水汽化潜热量，kW；Q6为通风换热量，kW。

依据式(1)可得掘进段内空气温度的计算公式见式(2)，并编制计算程序对公式求解。

(2)

1.1 敞开式TBM机身产热量Q1

敞开式TBM机在正常运行时，大部分机械功都将转化为热量，该热量与额定功率、机器效率、掘进机利用率和同时使用系数有关[7]。该热量的计算公式为

Q1=Pn1n2(1-η)

(3)

式中：P为设备额定功率，kW；n1为机器负荷系数，取掘进机利用率；n2为同时使用系数，一般取0.9；η为机器效率，一般取0.8。

1.2 刀盘凿岩产热量Q2

敞开式TBM利用机械的强大推力和剪切力破碎工作面的岩体，刀盘与岩石间强烈的摩擦产生大量热量，该热量的70%通过热交换传递给空气[7]。该热量的计算公式为

Q2=0.7Wn1

(4)

式中：W为刀盘凿岩额定功率，kW。

1.3 人员集体热负荷Q3

人员在敞开式TBM掘进机所在空间集中工作时，人体散热对工作区间内的空气温度也有一定的影响[9]。该热量的计算公式为

Q3=qnn′

(5)

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，一般取0.2×10-3kW；n为敞开式TBM工作区域内部总人数，一般取20人；n′为群集系数，一般取1.0。

1.4 空气与围岩的换热值Q4

敞开式TBM掘进段空气会与岩石壁面产生一定的热交换，当围岩温度高于空气温度时，围岩向空气放热，低于空气温度时，围岩向空气吸热[9]。该热量的计算公式为

Q4=hUL(Tr-T空)

(6)

式中：h为围岩换热系数，kW·(m2·℃)-1；U为隧道断面周长，m；L为掘进段长度，m；Tr为围岩温度(岩温)， ℃。

1.5 地下水汽化潜热值Q5

敞开式TBM施工隧洞中的围岩裂隙水和施工用水构成了掘进段地下水，其将不断吸收空气中的热量蒸发产生水蒸气[12]。该热量的计算公式为

Q5=LvΔmL

(7)

式中：Lv为水的汽化潜热，kJ·kg-1；Δm为地下水单位长度单位时间的蒸发量，kg·(m·s)-1。

1.6 通风换热值Q6

通风是地下洞室降温的最基础方法，空气定压状态下，风管将洞外空气送入，对应从掘进段内排出相同体积的热空气，送入的冷空气与排出的热空气的热含量差值即为通风带走的空气热量[12]。该热量的计算公式为

Q6=cρVs(T空-T0)

(8)

式中：Vs为隧道通风量，m3·s-1；T0为洞外空气温度， ℃。

2 计算模型验证

为验证计算模型中式(2)—式(8)的合理性，对引汉济渭秦岭输水隧洞敞开式TBM施工掘进段空气温度进行了现场测试。温度测点由掌子面沿纵向布置，其中对重点产热部位进行了加密。具体如图1所示。

图1 测点布置图(单位：m)

该隧道采用海瑞克s-795型敞开式硬岩掘进机施工，直径D=8 m，掘进段长度L=220 m，刀盘驱动额定功率W=3 500 kW，TBM电器总功率P=3 736 kW。岩温Tr=32 ℃，岩性为变质砂岩，围岩级别为Ⅲ级，掘进机利用率n1=29.17%。地下水以裂隙水为主，水量较丰富，正常涌水量为12 871 m3·d-1。取掘进时间t=30 min，地下水单位长度单位时间蒸发量Δm=1.396×10-4kg·(m·s)-1，水的汽化潜热Lv=597.3 kJ·kg-1[13]，围岩换热系数h=20×10-3kW[14]。测试段距离斜井洞口11 km，隧道外空气温度T0=25 ℃，通风量Vs=20 m3·s-1。

采用式(1)—式(8)计算得到掘进段内空气温度T空=36.2 ℃。掘进段内空气温度的现场实测值与理论计算值对比如图2所示。

图2 掘进段内空气温度的现场实测值与模型计算值对比

由图2可知：理论计算值与现场实测值较为吻合；现场实测值在34～38.2 ℃范围内波动。证明本文提出的计算方法是有效的、合理的，可以用于敞开式TBM施工掘进段空气温度的计算。

3 计算模型应用

以南疆铁路吐库二线中天山特长铁路隧道TBM施工为工程案例，应用本文提出的计算模型分别计算无通风、有通风2种条件下掘进段空气温度。

中天山铁路隧洞施工用敞开式TBM机(TB880E)直径D=8.8 m，电器总功率P=3 676 kW[6]，刀盘主驱动额定功率W=3 440 kW，掘进段长度L=220 m。

根据参考文献[13—15]：在Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ级围岩中掘进机利用率n1=44.2%，29.17%，9.09%；取水的汽化潜热Lv=597.3 kJ·kg-1；取地下水单位长度单位时间蒸发量Δm=1.396×10-4kg·(m·s)-1。围岩换热系数h=10×10-3kW。

3.1 无通风条件下的空气温度计算

对于特长TBM施工隧道而言，现场通风量由于风管漏风等因素影响，到达掘进机附近风量往往很小。因此，本文首先对无通风极端条件工况进行分析。

3.1.1 无通风不同围岩级别下空气温度计算

设隧道通风量Vs=0 m3·s-1，岩温Tr=18 ℃，采用式(3)—式(8)，计算3种掘进机利用率下掘进段各热害影响因素的换热量，结果见表1。

根据《开敞式TBM的应用》[15]建议，敞开式TBM一般1次掘进最大距离为1.8 m，根据部分TBM隧道工程，连续掘进的理想工作状态下，1次掘进时间约为30 min；然后，TBM需完成停机、换步、调向、再启动等整备作业，整备作业时间约为30 min；因此1次作业循环时间t=60 min。图3给出了TBM在1次作业循环中3种围岩等级时的掘进段内空气温度随施工时间的变化曲线。

表1 无通风不同围岩级别下的热源换热量

图3 不同围岩级别下掘进段内空气温度随施工时间的变化曲线

由图3可知：自掘进开始，掘进段内空气温度迅速升高，在掘进20 min时基本升至最大值并基本稳定，TBM停机后空气温度迅速下降；在Ⅱ和Ⅲ级围岩中，短时间内最高空气温度分别达到39.9和32.4 ℃，均超过了规范空气温度上限28 ℃[16]，这是由于敞开式TBM在Ⅱ、Ⅲ级围岩中施工时掘进机利用率较大，产热量较大，此时应采用冰块、空调等防范降温措施，否则将严重危害工作人员的健康；刀盘停止工作后，掘进段内空气温度逐渐下降，在停机20 min后基本降到初始值。

3.1.2 无通风不同岩温环境下空气温度计算

当岩温超过30 ℃时将其称为高岩温[12]。高温岩石会向空气释放大量的热，成为敞开式TBM施工中的一大热源。选取Tr=40，50和60 ℃的岩温环境，Ⅱ级围岩，掘进机利用率n1=44.2%，其余参数不变，计算不同岩温时的掘进段内空气温度，结果如图4所示。

图4 不同岩温下掘进段内空气温度随施工时间的变化曲线

由图4可知：岩温越高，掘进段内空气温度越高，在60 ℃岩温条件下，掘进段内最高空气温度达到81.9 ℃，若不采取防范措施，将严重影响隧道内人员及机器的正常运行；30 min后掘进结束，掘进段内空气温度逐渐降低，最后趋于岩温。

3.2 通风条件下掘进段内空气温度计算

隧道施工通风是解决敞开式TBM工作热害的主要措施，因此，进一步对不同通风量条件下掘进段内空气温度进行计算分析，为确定施工通风量提供参考依据。

3.2.1 不同通风量下掘进段内空气温度计算

为保障作业人员健康，在敞开式TBM施工时，通过通风送入温度较低的空气与隧道内的热空气产生能量交换。选取通风量Vs=20，40和60 m3·s-1，未考虑不同地区、不同季节以及不同时间下洞外温度变化对洞内空气温度的影响。选取隧道洞口送风温度T0=18 ℃，掘进段岩温Tr=18 ℃，Ⅱ级围岩，计算不同通风量时的掘进段内空气温度，结果如图5所示。

图5 不同通风量下掘进段内空气温度随施工时间的变化曲线

由图5可知：加大通风量可以有效降低掘进段内空气温度；采用60 m3·s-1的通风量，掘进段最高空气温度为27.9 ℃，当通风量降低至40和20 m3·s-1，掘进段内最高温度分别为30.2和33.6 ℃，均显著高于28 ℃，若不采取防范措施，将严重影响施工作业人员的工作效率。

3.2.2 有通风不同围岩级别下掘进段内空气温度计算

依据以上计算结果，取通风量Vs=60 m3·s-1，掘进段岩温Tr=18 ℃，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ级围岩，计算不同围岩级别时的掘进段内空气温度，结果如图6所示。

由图6可知：在60 m3·s-1通风条件下，随着围岩级别的降低，掘进段内空气温度显著降低，在Ⅳ级围岩中，掘进段内空气温度仅为19.9 ℃，而在Ⅱ级围岩中，掘进段内空气温度也仅达27.9 ℃，这是因为在Ⅳ级围岩中掘进机利用率和产热量降低较多。根据该计算结果可知，在围岩级别较低时，可适当减小通风量。

图6 60 m3·s-1通风条件不同围岩级别时掘进段内空气温度随施工时间的变化曲线

3.2.3 有通风不同岩温环境下掘进段内空气温度计算

同理，以送风量Vs=60 m3·s-1和Ⅱ级围岩为例，取40，50，60 ℃岩温，计算不同岩温时的掘进段内空气温度，结果如图7所示。

图7 60 m3·s-1通风条件不同岩温掘进段内空气温度随施工时间的变化曲线

比较图4和由图7可知：在60 m3·s-1通风条件下，岩温分别取60，50和40 ℃时，掘进段内最高空气温度分别为46.9，42.4和37.8 ℃，虽然比无通风条件下的81.9，71.9和61.9 ℃显著降低，但仍然显著高于28 ℃；当岩温从40 ℃升高至60 ℃时，在60 m3·s-1通风和无通风条件下，掘进段内空气温度分别升高了9.1和20 ℃。由此可见，岩温对掘进段内空气温度影响较大，因此，针对敞开式TBM施工隧道，当岩温较高时，建议在采用正常施工通风基础上增加洞内局部降温措施。

4 结 论

(1)根据热力学原理，给出了敞开式TBM隧道掘进段空气温度计算公式，并编制计算程序对公式求解。将理论计算值与现场测试值进行对比分析，验证了本计算方法的合理性和有效性。

(2)自掘进开始，掘进段内空气温度迅速升高，在掘进20 min时升高至接近最大值并保持基本稳定，TBM停机后空气温度迅速下降。

(3)通风对掘进段内空气有明显的降温效果，且通风量越大降温效果越明显。

(4)岩温一定，围岩级别越高，掘进段空气温度越高。岩温为18 ℃，Ⅱ级和Ⅳ级围岩无通风时掘进段空气温度分别为39.9和22.2 ℃，通风量为60 m3·s-1时下降至27.9和19.9 ℃，可见，当岩温较低时，只有对于级别较高的围岩才需要通风，使其空气温度低于28 ℃规范限值。

(5)围岩级别一定，岩温越高，掘进段空气温度越高。围岩级别Ⅱ级，60和40 ℃岩温无通风时掘进段空气温度分别为81.9和61.9 ℃，通风量为60 m3·s-1时下降至46.9和37.8 ℃，可见，当岩温较高时，通风可使掘进段内空气有明显的降温，但空气温度仍然高于28 ℃规范限值，建议在采用正常施工通风基础上增加洞内局部降温措施。