袁艷平，何青青，曹曉玲，雷 波，馮 煉

(西南交通大學 機械工程學院建筑環(huán)境與設備工程系，成都 610031)

目前我國鐵路建設正處在高速發(fā)展中?！笆晃濉逼陂g規(guī)劃鐵路建設總投資12 500億元，建設新線17 000 km。2010年全國鐵路營運里程達到9萬km以上，復線、電氣化率均達到45%以上，快速客運網總規(guī)模達到20 000 km以上［1］。鐵路隧道作為鐵路交通線路的重要工程結構物，建設投資巨大，具有重大的經濟、技術和社會效益。采用長隧道來克服地形障礙，能使線路平直、長度縮短，并避免不良地質條件對線路的不利影響，有效地提高線路標準。

1 鐵路隧道熱濕環(huán)境的形成機理及其影響

鐵路隧道一般埋深大、穿越的不同地質單元體多，從而將不可避免地遇到涌水、巖爆、坍塌及熱害等地質災害［2］。其中高地溫問題己是隧道工程、采礦工程及其它地下工程常見的地質災害問題。以大瑞線關鍵性控制工程——高黎貢山隧道為例，全長約18.7 km，屬深埋特長隧道。隧道穿越地區(qū)地表溫泉發(fā)育，巖土最高溫度達到50℃［3］。日本安房隧道的地溫值達到了73 ℃［4］。

施工期間隧道內的熱量主要來源于圍巖散熱、施工作業(yè)中相關機械設備散熱、爆破產生的熱量等。運營期間隧道內的溫度主要受地層的自然溫度、隧道中照明和輔助機械的散熱、行車散熱、受電弓電弧發(fā)熱的影響。隧道內濕環(huán)境的成因主要來自地下水，地下水通過襯砌滲漏，并向工程內部滲透。運營期間隧道內濕氣主要來源于水溝表面水的自然蒸發(fā)、車內乘客及作業(yè)人員散濕。

《鐵路隧道工程施工技術指南》規(guī)定，隧道內氣溫不得超過28℃［5］。在高溫施工中，一般生產率均較低，有的相對勞動效率僅為30% ～40%。大量試驗證明［6］，當環(huán)境溫度＞30℃，相對濕度每增加10%，對機體帶來的熱影響，相當于環(huán)境溫度增加 1.0℃ ～1.5℃。在溫度高于 35℃時，若濕度超過70%，會影響工作效率并造成對作業(yè)人員的生理傷害。另外，相關研究表明:隧道中若出現高溫高濕情況(溫度35℃～50℃，濕度80%以上)，也會對列車運行的安全性和可靠性造成危害，甚至引發(fā)火災［7］，電氣設備的運行性能也會因此急劇下降，絕緣容易破壞，導致短路。高溫高濕還影響到施工和建筑材料的選取［8］，產生的附加溫度應力還可能引起襯砌開裂，對襯砌結構的安全及耐久性不利。隧道建成運營后，洞內溫度過高將造成隧道養(yǎng)護維修困難，從而可能導致運營成本大幅度提高。

2 鐵路隧道熱濕環(huán)境數值模擬與試驗研究

施工通風是保障施工期作業(yè)熱濕環(huán)境的重要工程措施。梁文灝等［9］比較了烏鞘嶺隧道不同施工階段長管路獨頭壓入式不同通風方案的優(yōu)劣。王莉平［10］利用試驗獲得的不同通風長度漏風系數，對烏鞘嶺特長鐵路隧道通風進行了簡化計算。Alvarez等［11］對于壓入式通風系統建立了一套快速計算風量的方法?？諝饬鲃影匆痪S流動處理，分段計算風管中流動和在隧道中返回的損失。李剛等［12］對隧道施工環(huán)境中有限空間附壁射流進行了模型試驗。

隧道內溫度特別是近作業(yè)面區(qū)域溫度，是施工期熱濕環(huán)境關心的重點。雷波等［13］提出了一個計算隧道內空氣溫度的雙區(qū)模型，風管出口到工作的區(qū)域內使用均勻攪拌器模型，從進口到風管出口段使用一維湍流流動換熱模型，并在此基礎上分析了隧道內溫度的影響因素。張智等［14］基于隧道內熱平衡建立了預測作業(yè)面溫度的數學模型，并對壓入式通風狀況下作業(yè)面溫度進行了數值計算。吳強等［15］根據掘進工作面勻速推進時工作面的壁面溫度、風流溫度保持不變的特點，建立移動坐標，將描述掘進工作面圍巖溫度場的二維非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程改進為移動坐標下掘進工作面二維不含時間變量的導熱微分方程求解。

運營期的熱濕環(huán)境直接影響到電氣設備及維護人員的安全，諸多學者對運營期熱濕環(huán)境進行了數值計算。高建良等［16］建立了考慮壁面水分蒸發(fā)的巷道圍巖溫度分布及圍巖散熱的數學方程。采用濕系數法處理壁面水分蒸發(fā)，提出將飽和空氣含濕量與溫度的關系擬合為二次曲線。用變步長有限差分法對巷道圍巖溫度場進行數值模擬求解。英國諾丁漢大學［17］(1976)年開發(fā)了商業(yè)軟件CLIMSIM用于模擬隧道的內環(huán)境狀況，該模型基于質量守恒和能量守恒的原理。Lowndes等［18］在以上模型的基礎上作了完善:考慮了圍巖的散熱、由于深度增加輸送空氣的壓縮、機器等熱源產生的顯熱、運輸的煤礦所散發(fā)的顯熱和潛熱、掘進端積水和潮濕壁面的影響，探討了在隧道掘進過程中隨著深度的增加即圍巖原始溫度的增加對隧道內部氣候的影響。Lowndes等［19］運用上述模型模擬分析了巖土熱物性參數、送風機效率、電器設備使用率等參數變化對于所預測的隧道氣候條件的影響。黃濤，楊立中［20］通過隧道裂隙圍巖體滲透性能與熱物理性能的等效連續(xù)化處理，將圍巖等效處理成具有相同滲透性能和熱傳導性能的連續(xù)體，進而初步建立了圍巖體溫度場與滲流場耦合作用數學模型。郭進偉等［21］運用有限元分析軟件，采用熱學理論模擬溫度場，并通過熱—結構耦合方式研究高壁溫條件下結構應力。

部分學者對寒冷地區(qū)隧道內溫度和濕度進行了數值計算。賴遠明等［22］導出了帶相變的溫度場、滲流場和應力場三場耦合問題的數學力學模型及其控制微分方程，運用無量綱量和攝動技術求解出了寒區(qū)圓形截面隧道溫度場的解析解。何春雄等［23］建立了嚴寒地區(qū)隧道內的氣體在層流和湍流條件下與圍巖對流換熱和固體熱傳導耦合問題的數學模型，在此基礎上，張學富等［24］提出了寒區(qū)隧道空氣與圍巖對流換熱和圍巖熱傳導耦合問題的三維計算模型。

試驗是研究隧道熱濕環(huán)境的重要手段之一。張先軍［25］對青藏鐵路昆侖山隧道圍巖地溫及隔熱層外溫度進行了測試并分析了隧道洞內氣溫、地溫和隔熱層內外側溫度分布特征。賴遠明等［26］用現場測量的方法研究了青海大坂山隧道在有無保溫門和有無防雪棚條件下的隧道內氣溫的變化規(guī)律。

3 鐵路隧道熱濕環(huán)境控制

3.1 鐵路隧道施工期熱濕環(huán)境控制

對于施工期的降溫降濕，工程上主要采用局部冷水噴霧、通風等施工措施進行處理。隧道施工期的通風方式分為管道式通風和巷道式通風兩種。

管道式通風考慮到漏風和風阻的影響，一般只適用于獨頭通風的較短隧道，可供選擇的方式有三種，即壓入式、抽出式和混合式。特長隧道施工過程中，在無軌運輸階段一般采用壓入式通風方式，將風機置于有新鮮空氣的地方(一般離開洞口一定距離)，通過管道直接將新鮮空氣(冷空氣)壓送到工作面附近，從而達到除塵降溫的效果。防漏降阻是實現長距離通風的技術關鍵。賴滌泉等［27］利用新型柔性風管，解決了長距離大斷面獨頭掘進的施工通風難題。鐘友江［28］對無軌運輸條件下的施工通風技術進行了研究。烏鞘嶺隧道［10］按不同的施工階段劃分為與之相應的通風階段，通風方式采用長管路獨頭壓入式，利用不作為供風井的輔助坑道排出污風。索朝軍等［29］對東秦嶺特長隧道施工通風進行了階段性設計和研究，同時采取了水幕降塵、機械凈化等措施，成功地解決了長大隧道在無軌運輸條件下的施工通風問題。羅汝洲［30］運用隧道工程與通風理論以及仿真技術，確定高尾氣污染特長隧洞洞身段施工通風方案及參數。

巷道式通風主要是針對在長大隧道施工中開設有各種輔助坑道的情況，如平行導坑(簡稱平導)、斜井、豎井和鉆孔等。

秦嶺隧道II線根據平導巖熱型熱害類型確定通風降濕的措施:降溫重點以巖熱、機械設備放熱、爆破熱為主;齊頭打眼處以通風為主，爆破后立即通風，齊頭圍巖面經常灑水，保持濕式作業(yè)。張智等［31］對人工制冷措施降除熱害進行了深入的探討，提出了兩種人工制冷的降溫方案:建立隧道內制冷站作為冷源或采用冰塊制冷作為冷源。我國黑白水三級電站的引水隧道在施工中遭遇高溫高壓熱水的影響［32］，通過在工作面加大通風設備功率，通風機在不間斷運行的條件下，最后采取加強排水，加強通風，增加冷水摻入量、局部冷水噴霧，洞內工作面氣溫降到了35℃ ～38℃。這些工程措施，一是降溫降濕效果有限，二是沒有相關的理論研究作基礎，只屬于經驗措施。

對于極端高溫工況，僅靠通風措施不足以解決熱濕問題，應采用通風和制冷相結合的方式。Von等［33］認為通風和制冷方式的不同組合有利于排出施工隧道內熱負荷，兩者之間的比重搭配要綜合比較分析稀釋污染物所需的最小空氣量，可用于安置通風管道的空間大小以及風機、泵、制冷的能量花費。采用制冷方式降溫時，將冷卻器放置于距離工作區(qū)較遠處通過管道輸送至隧道內的方式比冷卻器放置在TBM車上的方式更好，運行費用較低。

對于凍土區(qū)鐵路隧道，凍土圍巖靠裂隙冰的粘接連接成整體，維持穩(wěn)定。一旦洞內溫度超過0℃，隨著融化圈的擴大，融化圈內的圍巖就會發(fā)生掉塊甚至坍塌，從而危及施工安全。因此在實際工程中，常將施工環(huán)境溫度控制在 －5℃ ～5℃之間［34］。

3.2 鐵路隧道運營期熱濕環(huán)境控制

對隧道運營期熱濕環(huán)境控制最為廣泛的方法是通風，早期修建的鐵路隧道單純采用自然通風，但受季節(jié)和地區(qū)的制約其通風效果不明顯且不穩(wěn)定。事實證明，單純的自然通風并不能滿足隧道特別是長隧道排除其內部熱量和污染物的要求［12］。在這種情況下機械通風被大量采用。Ampofo等［35］提出了控制隧道內及車內熱濕環(huán)境的幾種可能方法，并通過建立數學模型預測溫度和相對濕度，同時結合PPD來評價這幾種方法的效果及適應范圍。

在通風方式方面，過去常采用的有無簾幕洞口風道式、有簾幕洞口風道式、洞口噴嘴式、豎(斜)井吸出(吹入)式和多豎井分段式［36］。但隨著射流風機技術的發(fā)展，目前縱向式射流通風方式己逐漸成為一種最為流行的鐵路隧道機械通風方式。對于長隧道而言，要達到降溫目的一般通過加大隧道內通風量的方法，采用大功率的射流風加強隧道內的通風換氣，以達到排除熱量的目的。但是針對以控制溫度為目的的隧道，通過計算得到的需風量，將很可能超過《鐵路隧道運營通風設計規(guī)范》要求的通風機供給的隧道內風速不應超過8 m/s的限值［37］。因此，很多學者就如何提高通風效率作了大量研究。目前，在縱向式通風系統中，射流風機一般安裝在隧道頂部壁面附近，高速氣流會增大風機出口與壁面間切應力，降低通風效率并增加能耗［38］。隨著我國鐵路機車逐漸向電氣化轉換，一些新型通風方式也被學者提出來。曾滿元等［39］根據電氣化鐵路隧道的運營及環(huán)境特點，提出了移動式運營通風的概念。

從目前的研究來看，還有以下四種方法被用于控制隧道運營期熱濕環(huán)境。第一種方法是利用隧道襯砌及土壤的蓄熱(冷)性能。第二種方法是采用空調系統。世界上最長的海底隧道——英吉利海峽海底隧道就是采用空調降溫，共配置8套制冷裝置，制冷能力共計約52 000 kW［40］。第三種方法是不定時地在隧道路面上灑水，在隧道路面上形成一層水膜，利用水膜的蒸發(fā)來達到降溫的效果。第四種是采用噴霧法。在隧道的某一部分噴水霧，利用水霧的汽化潛熱消除隧道內熱量。王小芝［41］研究了城市公路隧道采用噴霧降溫的可行性，并提出噴霧降溫的方案。

4 結束語

1)對于極端高溫高濕工況，僅靠通風措施不足以解決熱濕問題，應采用通風和制冷相結合的方式。冷源形式可以采用固定的制冷站和移動冷源等形式。在運營期間應合理運用自然風、活塞風并充分利用行車天窗時期，選擇合理的風速和最優(yōu)化的通風方式。

2)隧道作業(yè)區(qū)熱濕環(huán)境是由隧道巖體溫度、水分滲流和蒸發(fā)量、作業(yè)區(qū)各種熱源類型和強度、通風氣流等因素決定的，是含有水分蒸發(fā)過程的熱、濕和空氣流動耦合作用的結果。特別是壁面熱濕傳遞過程，它受到熱傳導過程、蒸汽擴散、液態(tài)擴散、表面擴散、Knudsen擴散、毛細流、純水力流動等多種因素的影響，在數學上都很難描述，求解就更困難了。對于這一類問題，還沒有成熟的解決方法。施工通風計算大多采用一維模型，將流動過程簡化為無限長一維非穩(wěn)態(tài)流動，不考慮隧道斷面形狀對流場的影響，也不考慮隧道壁面溫濕度對施工通風的影響，在近作業(yè)面區(qū)域存在較大的誤差。

3)在隧道運營通風模擬計算時，大多把污染物濃度分布作為主要控制目標，考慮溫度場的研究較少。在運營期隧道熱濕環(huán)境模擬計算的過程中，針對高溫地質條件展開的研究很少，而且在為數不多的研究中，沒有計算圍巖和圍護結構中的傳濕，也沒有考慮傳濕過程對傳熱過程的影響。應對通風或間歇通風狀態(tài)下非等溫高溫邊界條件下帶高速移動內熱源的三維不規(guī)則大長寬比區(qū)域內的非穩(wěn)態(tài)熱濕耦合問題進行建模和求解，重點解決多物理場的耦合、移動熱源處理技術、隧道熱濕環(huán)境熱濕累積的中長期效應分析。

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