引汉济渭隧洞TBM施工环境热害扩散规律研究

刘国平

摘要：引漢济渭工程是解决关中、陕北缺水的重要工程，其将穿越秦岭主脊段，主要采用TBM法施工。理清TBM掘进段的施工环境热害扩散规律，用以指导TBM掘进隧道内的现场施工。以引汉济渭隧洞工程为依托，主要采用数值计算方法对不同围岩级别和不同通风条件下TBM掘进段的施工环境热害扩散规律进行计算研究。研究结果表明：在Ⅳ级围岩中施工时，掘进机段环境空气温度小于28 ℃，满足规范要求。随着围岩级别提高，掘进面附近区域温度和高温区范围逐渐扩大，最高温度达到50 ℃，最大热害扩散范围达到165 m，最小的通风有效降温距离仅为45 m；随着风管出风口风速的增大和送风温度的降低，热害扩散范围逐渐减小，但仍难以使掘进面附近环境温度满足规范要求，建议在掘进面附近区域采用局部降温措施。

关键词：引汉济渭；TBM；施工环境热害；数值模拟；扩散规律

中图分类号：TV554 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2018）05020006

Study on the thermal hazard of the TBM construction environment in tunnel of the HanjiangtoWeihe River Water Transfer Project

LIU Guoping

（

HanjiangtoWeihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.，Ltd.，Shaanxi Province，Xi′an 710100，China）

Abstract：

The HanjiangtoWeihe river water transfer project is an important project to solve water shortage in the central Shaanxi plain and northern Shaanxi.It will pass through the main ridge section of the Qinling Mountains and is mainly constructed by the TBM method.This paper intends to clarify the diffusion rule of thermal hazard in the construction environment of the TBM tunneling section to guide the construction of the TBM tunnel.This paper is based on the tunneling project of the HanjiangtoWeihe river water transfer project.Numerical calculation was used to calculate the thermal hazard diffusion rule in the construction environment of TBM tunneling sections under different surrounding rock grades and different ventilation conditions.Results showed that in the construction of class IV surrounding rock，the ambient air temperature of the TBM section was less than 28 ℃，which met the specification requirements.With the improvement of the surrounding rock grade， the temperature near the driving surface and the scope of hightemperature area would gradually increase.The maximum temperature reached 50 ℃ and the maximum diffusion range of thermal hazard reached 165 m.The minimum effective ventilation cooling distance was only 45 m.With the increase of wind speed at the outlet of the air duct and the decrease of the supply air temperature，the diffusion range of thermal hazard would gradually decrease；but the ambient temperature near the driving surface still could not meet the specification requirements.Therefore，this paper recommends using local cooling measures in the vicinity of the driving surface.

Key words：

the HanjiangtoWeihe river water transfer project；TBM；thermal hazard of the construction environment；numerical simulation；diffusion rule

引汉济渭工程是解决关中、陕北缺水的战略性水资源配置工程，调水工程主要由黄金峡水库、三河口水库、秦岭输水隧洞组成。秦岭输水隧洞全长983 km2，穿越秦岭主脊段34 km2主要采用TBM法施工。TBM穿越洞段围岩主要以Ⅲ、Ⅳ级为主。由于TBM机在掘进过程中产生大量的热量，导致掘进面附近区域温度较高，人员和设备的工作效率大大降低。因此，理清TBM掘进段的热害扩散规律问题是引汉济渭工程及其他类似工程顺利实施的基本。

国内不少学者对TBM隧道施工热环境问题也做了相关研究。张建[1]通过理论分析的方法，阐明了TBM施工热源，并编制了TBM施工通风程序，确定风量，风压，风速等通风参数；陈红超[2]以隧道全长为研究对象，利用CFD对长距离引水隧洞TBM施工通风进行模拟，合理优化了施工通风参数；曹正卯等[3]利用FLUENT对敞开式TBM隧道段空气温度流场进行了进行模拟，将计算结果与现场温度测试数据进行比较，分析TBM施工隧道空气温度分布规律；王尽忠等[4]针对TBM施工过程中遇到的高温高湿环境问题，通过理论分析的方法，建立湿热环境数学模型；郭春等[5]采用数值计算与现场测试相结合的方法，主要针对特长TBM施工隧道环境安全控制进行了研究。此外，国内其他科研人员结合实际隧洞工程情况，对TBM施工通风系统方案进行了大量的比选研究[623]。这些研究成果对了解TBM施工通风有重要的意义，但针对不同围岩条件对TBM热害机理的影响规律还未见相关的研究报道。

因此，本论文以引汉济渭隧洞TBM施工过程为研究对象，主要采用三维数值计算软件FLUENT，对不同围岩级别下TBM掘进段的空气温度分布情况、不同通风条件下TBM掘进段热害扩散规律进行计算和分析，为施工现场选择降温措施奠定研究基础，保证引汉济渭秦岭隧洞顺利施工并为今后相似工程提供科学依据。

1 TBM施工热害环境计算方法

1.1 理论方法

由TBM施工引起的隧道热害环境问题需通过通风方式加以改善。利用大型数值计算软件FLUENT对TBM施工机械产热下的空气温度场进行模拟，根据隧道施工工况，设置边界条件，模拟通风条件下施工环境的热害扩散规律。假定隧道内空气流动不可压缩，隧道内气体流动遵循质量守恒，动量守恒，能量守恒定理。采用雷诺标准[WTB1X]k[WTBX]ε双方程模型，模拟隧道内的空气流动规律，并忽略洞口自然风的影响。最后采用SIMPLE算法，解算得出TBM施工通风条件下的隧道空气温度场。

1.2 几何模型

根据引汉济渭秦岭隧洞TBM掘进段实际工程情况，建立1 km的隧道环境热害扩散计算模型。模型几何尺寸如下：隧道断面直径为8 m；通风风管直径为22 m，居中放置，距隧道顶面05 m，通风管道出口位于TBM掘进机尾部；依据TBM机主要结构，建立简易的掘进机模型，模拟机身对空气的散热效果及对空气流动的影响。几何模型见图1。

1.3 网格划分及边界条件

采用適应性较强的四面体网格，对已建好的三维数值计算模型进行网格划分，网格边长取05 m，局部网格划分情况见图2。

2.1 热源的计算

2.1.1 电动机械设备散热

TBM是大型的电力机械，一般认为，电动机散热与工艺设备实际消耗的电能最终都转化为热能，由TBM机身表面传递到空气中。TBM 机身单位时间实际散热量Q1计算公式为：

Q1=Pn1n2n3n4η （1）

式中：Q1为机身散热量（kW）；P为设备最大功率（kW）； n1为掘进机利用系数，一般等于掘进机利用率；n2为负荷系数，一般取08；n3为同时使用系数；n4为热转换系数，一般取05；η为机器效率，一般取08。

2.1.2 人员集体热负荷

人员在TBM掘进机内比较集中的工作时，人体散热对工作区间内的环境空气温度也有一定的影响。人体的代谢散热量近似计算公式为：

Q2=qnn′ （2）

式中：Q2为人员散热（kW）；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 02×10-3 kW；n为TBM工作区域内部总人数，一般取20 人；n′为群集系数，一般取 10。

2.1.3 照明设施散热

照明设备所消耗的电能几乎全部转化为热能散 入空气中。隧道内白炽灯的散热量大小计算公式为：

Q3=W·m （3）

式中：W为白炽灯的装置总功率；m为同时使用系数。

2.2 围岩级别对掘进段热害的影响

引汉济渭秦岭隧洞施工开敞式硬岩掘进机（s795），设备额定总功率为3 736 kW。针对不同的围岩条件，采用TBM进行隧洞施工时，需选取不同的掘进参数。根据TBM施工统计分析实例，TBM在不同围岩等级下的掘进机利用率不同，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩中掘进机利用率分别为442%、 2917%和909%[24]。依据上述隧洞热源产热量计算，TBM机身在不同围岩状态下施工时，掘进机利用率不同，隧洞内总产热量差距较大。根据隧洞内不同的总散热量，并假定散热量沿机身均匀分布，得出单位面积TBM机向空气的散热值，见表1。

根据工程现场及通风布置情况确定数值计算边界条件如下：（1）风管进风口风速为15 m/s，进口风温为15 ℃且与洞外相同；（2）隧道模型洞口相对压强为0；（3）TBM掘进机段电机设备单位时间散热率分别取411 W/m2、271 W/m2和84 W/m2；（4）计算30分钟后，数值模拟计算完全收敛时，洞内空气温度分布规律。

模拟计算收敛完成后，沿隧道延伸方向取竖向纵断面，得三种散热率下掌子面至电机段附近温度分布云图，见图3。

依据图3可知，围岩等级越高，TBM机单位时间产热量越高，隧洞内空气温度越高，高温环境分布范围越广。引汉济渭秦岭隧洞主要穿越Ⅲ、Ⅳ级围岩，根据TBM实际施工时空气温度的实测数据，主控室周围空气温度为34～38 ℃。数值计算结果显示，Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下主控室附近温度平均值约为37 ℃，则计算结果与实际温度测量结果相符。进一步分析出风口处隧道内温度分布规律，选择距洞顶25 m的人员呼吸区域，提取距离风管出风口不同距离的温度计算值，以此得到通风降温的长度范围，见图4。

由图4可知，相同通风条件下，隧洞内产热量越大，热害扩散距离越长。在15 m/s的风管送风条件下，TBM在Ⅱ级围岩中的掘进空气温度较高，在距风管口约45 m处已超过规范限值[25]，距离风管口越远温度越高，最高可达50 ℃。在Ⅲ级围岩中施工时，隧道环境温度在距风管口约55 m处超过规范限值，通风降温距离相对更长。在Ⅳ级围岩中施工时，空气温度符合规范值，通风基本能满足TBM机身段散热要求。通风后，风管出口处的温度有明显的改善，但随着距离风管出风口的距离越来越远，隧洞内的环境温度逐渐升高。与此同时，在距出风口约50 m处空气温度产生了较大的变化，这个区域恰好位于TBM电机热源区域，大量的热量从电机表面释放出来，因此，在该区域确实出现了温度的突然升高。

2.3 通风风速对掘进段热害的影响

依据上述，TBM机在较好围岩条件下掘进时产热量较高，隧洞内空气温度较大，通风能对一定范围内的掘进机环境温度起到改善作用。则依据独头压入式通风实际情况，分析计算不同风速下施工环境热害扩散范围。

根据工程现场及通风布置情况确定数值计算边界条件如下：（1）风管进风口分别设置为5 m/s 、15 m/s和25 m/s，进口风温设为15 ℃且与洞外相同；（2）隧道模型洞口相对压强为0，洞口气温为15 ℃；（3）TBM掘进机段电机设备单位时间散热率为411 W/m2；（4）计算30分钟后，数值模拟计算完全收敛时，洞内空气温度分布规律。

模拟计算收敛完成后，沿隧道延伸方向取竖向纵断面，得三种风速下掘进机掌子面至电机段温度分布云图，见图5。

依据图5可知，隧洞内产热量一定时，加大风速，隧洞内的低温环境分布范围越广，通风降温效果越好。15 m/s的送风条件下主控室周围的空气温度较5 m/s时明显降低。进一步分析出风口处隧道内温度分布规律，选择距洞顶25 m人员呼吸区域，提取距离风管出风口不同距离的温度值进行研究，以此得到通风影响的长度范围，如图6所示。

由图6可知，隧洞热源产热量一定时，风管出风口风速越大，热害扩散距离越短。风管出口风速为5 m/s时，监测点的温度均超过规范要求；风管出口风速为15 m/s时，热害扩散范围约到达风管前端45 m；风管出口风速为25 m/s时，热害扩散范围约到达风管前端60 m，且此时TBM中前段空气温度较高。

分析其主要原因是由于风管送风速度的提高，在出风口处形成了较大的正压，使得电机附近区域产生的热量向掘进面方向扩散，致使TBM机身的中前段温度较高；当风管送风速度降低时，这种扩散明显减弱，热量在电机附近区域就扩散，致使TBM机身的后段即出风口到电机区域的温度较高。因此，建议在加大通风速度的同时，在TBM掘进面附近区域采用局部降温措施。根据引汉济渭隧洞施工现场措施和效果可知，在主控室附近放置一定量冰块，可使温度降低3～4 ℃。

2.4 出口风温对掘进機段热害的影响

不同的送风温度及洞内的初始环境温度对TBM施工热害扩散规律影响较大。依据四季及昼夜的洞外温差变化，设置数值计算边界条件如下：（1）风管进风口风速分别设置为15 m/s，进口风温分别为5 ℃、15 ℃和25 ℃且与洞外相同；（2）隧道模型洞口相对压强为0；（3）TBM掘进机段电机设备设为热交换模型，由机械表面施放到空气中的单位时间散热率为411 W/m2；（4）计算30分钟后，数值模拟计算完全收敛时，洞内空气温度分布规律。

模拟计算收敛完成后，沿隧道延伸方向取竖向纵断面，得三种风温下掘进机掌子面至电机段的温度分布云图，如图7所示。

依据图7可知，隧洞内产热量及通风风速一定时，送风温度越低，隧洞内的低温环境分布范围越广，通风降温效果越好。进一步分析出风口处隧洞内温度分布规律，选择距洞顶25 m人员呼吸区域，提取距离风管出风口不同距离的温度值，如图8所示。

图8 不同风温下空气温度沿风管口距离分布规律

Fig.8

Distribution of air temperature along the air duct at different wind temperatures

由图8可知，隧洞热源产热量及风速一定时，送风风温越小，热害扩散范围越短。风管送风风温为5 ℃时，距风管出口55 m隧洞范围内，空气温度均满足规范要求且相对较低；风管送风温度为15 ℃时，热害扩散范围约到达风管前端45 m，45 m范围以外空气温度升高明显；风管送风温度为25 ℃时，TBM掘进机全长范围内空气温度均超过规范限制，不利于人员和机械的正常工作。

3 结论

针对引汉济渭秦岭输水隧道TBM施工中遇到的高温环境问题，结合数值计算的方法，分析了TBM热害影响因素，模拟计算了隧洞环境热害的扩散规律，得出以下结论。

（1）敞开式TBM机施工洞段内，电动机械，人员以及照明设备为主要热源，散热量传递给洞内空气，造成掘进机段高温环境。

（2）通风参数一定时，TBM施工产热量越大，通风影响范围越小，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩施工产热下，热害扩散范围分别到达风管前端45 m、55 m和掘进机全长。

（3）隧洞内热源产热量一定时，风管出风口风速越大，热害扩散范围越小，5 m/s 、15 m/s、25 m/s通风条件下，热害扩散范围分别到达风管前端5 m、45 m、60 m，加大送风风速，掘进机段空气温度有一定的改善，还需辅助其他措施为局部工作区域降温。

（4）隧洞内热源产热量及风速一定时，送风风温 越小，热害扩散范围越小，风温为5 ℃，15 ℃，25 ℃时，热害扩散范围分别到达风管前端55 m、45 m、5 m。

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