TBM施工引水隧洞降温技术研究

2018-12-05王晓亮王明年魏军政

隧道建设(中英文) 2018年11期

于丽，王晓亮, *，王明年，魏军政，田源

(1. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031； 2. 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； 3. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

0 引言

随着地下工程施工技术的迅速发展，交通隧道和引水隧洞工程及其他地下工程向着长距离、埋深大的方向发展。由于斜井、竖井在长大隧洞中设置较困难，因此，在长距离、埋深大硬岩隧洞中TBM的应用越来越广泛。施工中，出口段多采用钻爆法，在埋深大、设置斜井和竖井困难的位置，采用TBM掘进。

地温一般随着隧洞工程埋深的增加逐渐增高，且在TBM施工过程中会产生大量的热量，随着隧洞掘进距离的增加，隧洞内送至掘进面的风量减少，导致掘进面附近温度较高，往往超过规范规定的限值。高温会危害施工人员的生命，降低施工效率和机械设备的使用寿命，甚至会对隧洞结构造成一定的影响。TBM施工隧洞掘进面附近的温度是影响TBM连续掘进长度的一个重要因素。因此，控制TBM掘进段的温度，对延长连续掘进的长度、减少斜井的数量、降低工程投资、加快施工进度和保证施工人员的身体健康及工作效率具有重要的意义。为了确定TBM段的掘进温度，需对隧洞内的温度分布规律进行研究。目前，对于隧道(洞)内温度分布规律的研究已有一些。雷波等[1]针对秦岭特长隧道提出了均匀搅拌器加一维紊流搅拌器模型的双区“0-1模型”；杨长顺[2]针对禄劝铅厂引水隧洞高地温情况，研究了钻爆法高地温隧洞通风降温的计算方法，提出了用于指导施工的通风降温计算方法；吴一匡[3]通过求解热传导微分方程，计算出了洞径与风速相关的隧道通风降温计算公式；孙其清[4]推导了钻爆法施工高地温隧道通风降温的计算公式，总结了高温隧道的主要降温措施；朱春等[5]针对盾构法施工的崇明越江特长公路隧道，实测分析了崇明隧道内的空气参数，采用广州地铁2号线的施工经验[6]，对隧道内的发热量和散湿量进行了估算，针对得到的散热量，对几种降温减湿方法进行了对比，最终确定采用空调机组的方式对隧道施工作业面进行降温。宋新杰[7]针对戴云山隧道局部地温偏高的现象，分析了高地温对施工的影响，结合国内外已有的高地温施工案例和工程实际，对戴云山隧道高地温段施工的特点和难点进行了论述，并提出了多种方法联合降温(如分4阶段的通风降温和在工作面、隧道局部地热异常段洒水等方法)。

目前的相关研究多集中在钻爆法隧道(洞)内的风流温度规律研究以及盾构法的经验性施工降温措施研究，对于在高地温TBM施工隧道(洞)温度规律基础上的降温措施未进行研究。本文以引汉济渭岭北TBM工区5#支洞段的隧洞为依托，对高地温条件下隧洞内的风温进行预测研究，并结合实测数据进行验证，最后根据预测的温度，提出了相应的降温措施，研究结果可为类似工程提供参考。

1 工程概况

引汉济渭秦岭引水隧洞岭北工区采用1台德国海瑞克生产的直径8 040 mm的敞开式TBM进行掘进，采用压入式通风，软风管直径为2.2 m，风机为法国柯吉马生产的轴流风机，功率为3×200 kW，设置在5#斜井与主洞交汇处，风机处的里程桩号为K55+800。隧洞位于秦岭岭脊段，埋深大，最大埋深为2 012 m。引汉济渭隧洞布置如图1所示。

图1引汉济渭隧洞布置图

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

2 隧洞内空气温度的确定

隧洞作为一个横断面尺寸远小于纵向尺寸的管状结构物，其内的温度一般在横断面上变化较小，但在纵向上会随着隧洞侧壁的温度以及洞内施工设备布置的不同而变化。

隧洞内的空气温度t是与隧洞壁温tr、通风风温t0、通风质量流量M、隧洞内TBM的发热功率QTBM、隧洞周长U和通风长度L、风管侧壁传热系数Kf和隧洞侧壁的换热系数Kτ等参数有关的函数，隧洞内温度计算函数如式(1)所示。

t=f(tr，t0，QTBM，M，U，L，Kf，Kτ)。

(1)

式中：t为隧洞内目标点温度，℃；tr为隧洞侧壁温度，℃；t0为隧洞通风风温，℃；QTBM为TBM发热功率，kW；M为隧洞通风质量流量， kg/s；U为隧洞周长，m；L为隧洞通风长度，m；Kf为风管侧壁传热系数，kW/(m2·℃)；Kτ为隧洞侧壁不均匀换热系数，kW/(m2·℃)。

对于采用独头压入式通风的TBM隧洞，设风机入口处位置为1，风机出口处为2，风管出口处为3，掘进面处为4，隧洞内风流回流某点为5。1处的风流，经风机吸入，从2处吹入风管内，在3处吹出风管末端，在4处到达掘进面并转向回流，最终从掘进面4回流到隧洞内某点5处。隧洞内风流各点位置及风流流向如图2所示。隧洞内风流热量预测流程如图3所示。

图2 独头压入式通风风流各点位置及风流流向示意图

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

图3 独头压入式隧洞温度预测流程

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

2.1 风机出口温度

风流经风机入口吹到风机出口的过程相对密闭，在风机内部，空气无含湿量变化，此过程可视为等湿升温的过程。则风机出口温度t2，即风管入口风温计算公式为[8]

(2)

式中：t2为风机出口温度，℃；t1为风机入口温度，℃；k为风机的升温系数，0.55～0.6；Ne为风机的有效功率，kW；V为风机风量，m3/s；cp为空气比热容，kJ/(m3·℃)。

当风机出口处温度难以测量时，可将风机出口风温在入口风温的基础上增加1～4 ℃。

2.2 风管出口温度

风管内风流，在风管内与隧洞内空气进行热交换。风流在风管中的流动过程，可视为等湿升温的过程。风管出口的风温计算公式如式(3)所示[8]。

(3)

(4)

式(3)—(4)中：t4为掌子面温度，℃；t5为隧洞风流回流5处的温度，℃；Mg为通过风管的风流质量流量，kg/s；Kf为风管侧壁传热系数，kW/(m2·℃)；Uf为风管周长，m；Lf为风管长度，m；cp为空气比热容，kJ/(m3·℃)。

考虑漏风率，则2点处的空气质量流量和3点处的空气质量流量平均值

式中：M2是2点即风管入口处的空气质量流量，kg/s；M3是3点风管出口处的空气质量流量，kg/s；

单层风筒传热系数

(5)

(6)

(7)

式中：a1为风筒外侧风流放热系数，kW/(m2·K)；a2为风筒内侧风流放热系数，kW/(m2·K)；D1为风筒外直径，m；D2为风筒内直径，m；v1为风筒外风速，m/s；v2为风筒内风速，m/s。

2.3 TBM掘进面温度

隧洞内的岩石和TBM工作所释放的热量是导致TBM掘进面温度升高的主要原因。出口风流质量流量等于回流风流质量流量，即M4=M3，此过程视为等温加湿过程。但在实际工程中，TBM后配套的通风接力系统与压入式风管末端之间一般开口较大，甚至有一小段距离，在掌子面末端的风温计算时，可不考虑湿度的影响。掘进工作面的温度t4可采用式(8)进行计算。

(8)

式中： ∑QTBM为TBM发热功率之和；x3、x4分别为风流出口和掘进面风流空气含湿量；M3为风管出口流量，M3=2KMm/(1+K)，K=M3/M2；r为水的汽化潜热，0 ℃时为2 501 kJ/kg，r/cp=2.49；tgu为隧洞侧壁温度，℃；Kτ3为风管出口与掘进面段围岩间的不稳定换热系数，kW/(m2·℃)；F3为风管出口与掘进面段的散热面积，m2，F3=U3L3(U3为风管出口与掘进面段的隧洞周长，m；L3为风管出口到掌子面的距离，m)。

变换整理式(8)，得到掘进工作面的温度

(9)

R=1+2.49KBφ4n+M；

(10)

(11)

∏=2Mtgu+Z∑QTBM-2.49(KBφ4m-x1)。

(12)

式(10)—(12)中：m、n均为常系数；x1为风机入口空气含湿量；φ4为4点的相对湿度；KB为气压修正系数，KB=101.325/B，B为测试点大气压强，kPa；Z=(1+K)/(2KMm)。

对于不考虑湿度影响的温度预测公式为

(13)

TBM发热功率

(14)

式中：ni为功率利用系数，如表1所示；N为电机额定功率，kW；η为电动机效率。

表1 TBM发热折减系数

注：根据实际情况，风机和水泵同时工作时，热转化系数n4取0.1。

2.4 隧洞内回风风流温度

隧洞内的风流从掌子面向洞口方向回流，即从隧洞内4处向5处流动。隧洞内4—5段为增湿加热过程，其热量交换过程为

Mm[cp(t5-t4)+r(x5-x4)]=KτBFB[tgu-0.5(t4+t5)]+

∑QTBM-KfFf[t4-0.5(t2+t3)]。

(15)

式中：KτB为4处到5处围岩间的不稳定换热系数，kW/(m2·℃)；FB为计算点至掘进面的围岩面积，m2，FB=U3LB(LB为计算点至掘进面的长度，即5点至掌子面的距离，m)；Ff为风管表面积；x5为风流计算点空气含湿量。

则隧洞内5处的温度预测公式为

(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为5点的相对湿度；m、n均为常系数。

风管出口与掘进面段围岩间的不稳定热交换系数[2]

(22)

2.5 引汉济渭岭北TBM热量计算

以引汉济渭秦岭引水隧洞岭北TBM工区5#斜井及主洞段的实测数据为依据，对以上公式进行验证。

岭北段敞开式TBM的总功率约为4 191.2 kW。TBM的后配套风管风速约为5 m/s。采用压入式通风，单层软风管，风管直径为2.2 m，风管的初始风温t1为27.5 ℃。风机采用3台功率为200 kW的法国柯吉马风机串联，风机布置在5#斜井与正洞交点的位置，风机处的里程桩号为K55+800，掌子面附近地温较高，隧洞侧壁温度为35.5 ℃。

TBM产生的热量有一部分要被采掘下的石碴吸收带走，冷却刀头的水也要吸收一部分热量。根据文献[6]的实测数据，确定TBM的主要驱动部件功率为4 191.2 kW，根据式(14)，n1、n2、n3分别取0.9、0.8、0.8，计算总发热功率为193.13 kW。围岩为变质砂岩，其不均匀换热系数经计算为1.672×10-3kW/(m·K)，掘进面里程桩号为K48+923，TBM风管出口距离掘进面约为25 m。

引汉济渭隧洞理论温度值与实测温度值对比如表2所示。

表2引汉济渭隧洞理论温度值与实测温度值对比

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

温度点理论值/℃实测值/℃绝对误差/℃相对误差t127.5t334.9734.3-0.671.95%t438.2338.50.210.70%t532.2234.3-2.086.06%

注：计算温度t4时，未考虑湿度对温度的影响。

通过表2发现，隧洞内的理论值与实测值最大相对误差为6.06%，最大绝对误差为2.08 ℃。其误差产生的原因主要是： 1)计算公式中参数较多，不同的参数取值，会导致隧洞内温度理论预测值有一定的差异； 2)隧洞内的实际情况复杂，理论计算公式中有一定的假设与简化，导致隧洞内温度实测值与理论预测值有一定的差异。通过对比表2可知，理论值预测值与实测值拟合较好。

3 降温措施选取

国内各行业的地下工程施工规范中，对温度的限值一般为28 ℃。当隧洞内的温度高于规范限制时，则应采取降温措施进行降温。隧洞内大范围的降温多采用与隧洞施工通风相结合的方式；对于局部降温，则在目标区域，采用相应的小型机械设备进行降温。

3.1 隧洞内的降温措施

隧洞内降温的方法较多，总体上分为非人工制冷措施和人工制冷措施。非人工制冷措施包括：加大通风量，洒水、喷淋，合理利用低温水、冷空气、冰雪等天然冷源。人工制冷措施是指采用人工制冷设备提供冷源，包括压缩空气制冷、集中式制冷水降温系统、集中式制冰降温系统、局部移动式降温系统等方法。

3.2 TBM施工隧洞降温措施的选取

3.2.1 隧洞内热量组成

对隧洞进行降温，必须对湿空气的特性进行讨论，其中最关键的是空气的焓。焓是流体内能和流动功之和，是流体的状态参数。在通风空调工程中，空气的内能、压力和比容构成空气的焓值，即

(23)

式中：i为空气的焓值，J/kg；φ为空气的相对湿度，%；B为大气压强，kPa；t为温度，℃；ci为与温度相关的常数。

空气中热量表现为2种形式：一是空气温度直接上升，即显热；二是水吸热变为水蒸气，使得空气中的湿度增加，但空气的温度并未上升，此部分热量称为潜热(空气中水蒸气的温度上升所吸收的热量很小，可忽略不计)。空气饱和状态下的含湿量随着温度的上升而增大。空气中的含湿量与该温度下饱和空气的含湿量的比值，即为我们常用的相对湿度。对于相对湿度较高的空气，降温过程也是一个降湿的过程。

在隧洞通风和空调中，空气的降温、降湿均在常压下进行，视为定压。所以，隧洞内的空气焓值等于干空气的焓值与水蒸气焓值之和，即显热和潜热之和[9]。在空调工程中，空气焓值多通过焓湿图查表取得。

3.2.2 TBM施工隧洞降温措施确定分析

对于隧洞内降温，需结合工程实际情况，采取科学、合理的降温措施。

对于常用的非人工制冷措施，主要包括加大通风量、喷淋、天然冷源等措施。1)目前常采用加大通风量的降温方法。若仅采用加大通风量的方式进行降温，由于空气的比热容较小，且风机的最大供风量受风机功率和风筒直径的限制，采用通风进行传输的热量较少，而且TBM掘进面附近设备多、功率大、机械发热量高。因此，难以降低TBM掘进面附近的温度。2)TBM掘进段，多位于深埋段，且斜井多，通风设备多置于主洞内。为了降温除尘，TBM刀盘洒水掘进，隧洞内湿度均在90%以上，接近饱和。因此，采取洒水、喷淋等措施无法通过水蒸发吸热降温，需要通过增大空气中的潜热来吸收空气中的湿热。3)天然冷源制冷是因地制宜地利用天然冷源(如季节性低温和冰山雪水等[10-11])降温，其使用具有较大的局限性，且难以控制冷源温度和冷量。因此，在TBM隧洞中，只有采取人工制冷措施，来降低隧洞内的温度。

在TBM隧洞施工过程中，风流作为能量和物质的载体，在隧洞降温过程中，多采用在风管末端设置空冷器的方式降低风管出口风温[4]。热量从出口处空气传递至空冷器内，经过冷媒将热量传递至冷源处。

对于人工冷源制冷，有人工制冰降温技术、空气压缩式制冷技术、人工制冷水降温技术和局部移动式降温系统等方法。

1)人工制冰降温多以冰水混合物作为制冷剂和冷源进行降温。若设立专门制冰站进行制冷，成本较高，仅在南非金矿以及孙村煤矿中采用过，为降低成本可从市场购买冰块。在实际工程应用中，对冰制冷存在一定误区。例如，在风管口放置冰块或单纯在施工处堆砌冰块的实际制冷效果不佳。冰制冷难以推广的因素主要包括： ①需持续保证合适冰块(如体积为φ32 mm×45 mm的柱状冰、体积为3 mm×20 mm×20 mm的片状冰)的供应； ②利用风力或水力加压输冰，其自压缩损失较大； ③在隧洞内长距离输送冰是非常困难的； ④快速熔化大量的冰在技术上也是非常困难的[12]。

2)压缩空气制冷，是使用压缩空气制造冷空气和热空气的制冷技术，多采用涡流器等设备，该类降温设备功率小，能耗高，可作为局部降温的手段之一，不适于大规模的隧洞降温[12]。

3)人工制冷水降温技术已经较为成熟，是地下工程长距离施工降温的主流技术，多采用制冷机组和配套的散热设备将目标处热量排出，其关键设备为制冷机组，与家用空调制冷设备相类似，采用外加装置(压缩机)改变密闭环路内制冷剂的物理状态，从而实现热量的转移。

3.3 其他辅助降温措施

除了上述大规模的制冷措施外，亦可采取全新风风管送风式空调[6]进行局部制冷。对于零星人员作业处，可定制岗位空调。岗位空调可以从主机处分出多个长度几m至20 m左右的软管，对局部进行降温。德国将小型人工制冷机组与类似宇航服的防护服结合，以保证工人处于舒适的施工环境[13]。

3.4 风管出口处制冷负荷的确定

(24)

在计算所得冷负荷的基础上，根据选配的管道及水泵等设施，计算供冷管道的冷量损失和冷水泵等配套设备的损失，最终确定制冷功率。

3.5 引汉济渭岭北TBM隧洞降温方案

引汉济渭岭北工区5#隧洞采用TBM独头掘进，通风井布置在主洞与支洞交界处，隧洞内湿度高、通风距离长，采用非人工制冷的措施难以降低掌子面处的温度。经过实测，降温前隧洞内风管末端温度为38.5 ℃，相对湿度为84%，焓值为113.5 kJ/kg。

若将TBM段内的温度降至28 ℃，则风管风量为18.55 m3/s时，需将风管末端的空气温度降至20 ℃，设相对湿度为99.75%，经计算隧洞内的制冷功率约为1 337.71 kW。考虑到长距离冷水运输的热量损失，配置1台WAT公司生产的KM2000螺杆式冷水制冷机，制冷功率为2 040 kW。洞外设置1台冷却塔将热量排至洞外，同时设置相应的补水池、高低压换热器等设备设施。风管末端设置2台450 kW的风冷器。

空冷器内的低温水吸收风管出口处空气中的热量，从而降低风管出口处的风温，风管输送低温(焓值亦低)空气，进而降低掘进面的温度。低温水的温度升高变为高温水。高温水通过管路循环至制冷机组，制冷机组将高温水中的热量转移，空冷器从而得到持续的低温水供应。

从风管出口转移至制冷机组的热量也需要排出，由于水的比热容远大于空气比热容，因此，采用水冷散热效率更高。

通过制冷机组排出的热量被斜井循环管路的水吸收后，水温升高，通过水泵输送至洞外的冷却塔。冷却塔内部为喷淋设备，通过喷淋加快蒸发，将高温水中的热量释放到空气中，从而降低水的温度。经冷却塔降温的水循环回到制冷机组。

隧洞内的制冷配置示意图如图4所示。采取此降温措施后，经数值模拟可知，TBM段隧洞内的温度降至28 ℃。