高温隧道热害等级划分方法综述.pdf

Value Engineering0 引言近年来，随着西部铁路建设的快速开展，长大深埋隧道为铁路提供了更快速、更安全的运行基础，但也由于高温围岩、地下热水、设备散热和人员放热等原因形成了高温隧道或高温湿热隧道。高温（湿热）隧道中的高辐射热环境不仅会伤害施工人员的身体健康，增加施工设备的故障发生率，影响隧道工程的施工进度，同时还会对隧道本身的结构产生影响。因此，针对隧道热害的湿热环境等级评估和相应的治理方法，也逐渐成为地下隧道施工急需解决的难题之一。一些学者从高温高湿环境下影响人体热舒适度的因素、判定热害等级的原则方法以及降温措施等方面对于高地温热害问题进行了研究与分析。目前，国内外学者大多采用地温场数值模拟的方法，旨在绘制地温场温度等值线图、分析地温场异常分布的特征1-4，少数学者通过分析温度、相对湿度和海拔等参数划分热害等级5，还有部分学者通过现场实际数据调查，拟通过熵值法或者层次分析法确定诸多影响因素的相对权重，从而进行热害等级划分6-9。因此，在充分了解隧道湿热环境的基础上，建立合理、专业的高温隧道热害等级划分方法是保障高地温隧道施工人员生理健康的重要前提和保障。1 热环境评价指标的建立国内外众多学者对于热环境评价指标的组成因素有较为统一的认识，认为大多数的指标有以下 6 个因素构成：空气温度、空气湿度、风速、辐射热、人体代谢率（或者称为劳动强度和劳动时间）、服装和生理指标（心率、血压等）。常见的热环境评价指标，主要分为以下 4 类9-12：1.1 生理学指数生理学指数：是评价人体核心温度、皮肤温度、心率、质量损失等生理指标对人体影响的方法。其中人体核心温度，也就是人体的体温，它包括身体很多部位的温度，例如，食道温度、直肠温度、口腔温度等9-11。该指数虽然在理论上能够通过人体的某个生理指标直观地反映出热环境的强度，但是在现实的应用有一定的局限性。例如，极端热环境下人体的心率也会在热紧张情况下有所变化10，人体的心率测量不能做到按时且规范，而且人体在劳动过程中出汗量也是难以测得的11，因此不能仅仅依靠它来作为评价热害问题的标准。1.2 直接指数直接指数是指能够反映冷暖程度的最简单直接的指标，通常包括干球温度和湿球温度。该指数可以通过单一的空气干球温度指数来反应作业场所的气象条件，但是这类指数的适用条件仅仅局限于在一定的相对湿度范围内（40%耀60%），由于在高温高湿极端热环境中空气湿度的影响极大，仅仅依靠温度湿度作为湿热评价指标将变得不再适用11。1.3 推导指数1.3.1 TEQ 指数TEQ 指数是人体在气温、平均辐射温度和风速的综合要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要作者简介院丁雅鑫（1996-），女，山东潍坊人，成都理工大学在读硕士，研究方向为矿物学、岩石学、矿床学。高温隧道热害等级划分方法综述Summary of Classification Methods for Thermal Damage Levels in High Temperature Tunnel丁雅鑫 DING Ya-xin曰陈越 CHEN Yue曰曹锐 CAO Rui曰闫一铭 YAN Yi-ming曰张焕铎 ZHANG Huan-duo（成都理工大学地球科学学院，成都610059）（School of Earth Sciences，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）摘要院长大深埋隧道内的高温隧道热害问题一直是隧道建筑施工过程中必不可少的问题，它不仅能够对施工人员的健康状况产生一定的影响，而且会增加施工设备的故障率，因此，越来越多的湿热环境评估方法和热害解决方案相继被提出来，但仍然存在诸多局限性。文章通过文献综述的方式对隧道高温热害问题的等级划分方法进行分析总结，从简单因子分级法和多级因子分级法两个维度总结了热害评估研究现状和实际应用案例，指出现存方法的不足之处。Abstract:The heat damage problem of high-temperature tunnels in long and deep buried tunnels has always been an essential issue inthe construction process of tunnels.It can not only have a certain impact on the health status of construction personnel,but also increase thefailure rate of construction equipment.Therefore,more and more evaluation methods of humid and hot environment and thermal damagesolutions have been proposed,but there are still many limitations.The article analyzes and summarizes the classification methods for high-temperature thermal damage problems in tunnels through literature review.It summarizes the current research status and practicalapplication cases of thermal damage assessment from two dimensions:simple factor classification method and multi-level factor classificationmethod,and points out the shortcomings of existing methods.关键词院高温隧道热害；湿热环境评估方法；简单因子分级法；多级因子分级法Key words:the heat damage problem of high-temperature tunnels；evaluation methods of humid and hot environment；simple factorclassification method；Multi-level factor classification method中图分类号院U458.1文献标识码院A文章编号院1006-4311（2023）23-165-04doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.23.051价值工程作用下产生的热感觉指标。该指数的适用条件是人体在连续暴露于极端热环境中 3h 以上的时间内，但是由于短时间的暴露影响热应力值的大小将不再适用。且它只有在空气温度、平均辐射温度等多个参数处于一定范围内（比如，空气温度范围为 5耀55益，平均辐射温度 25耀160益）才能为评价热环境发挥作用10。1.3.2 P4S砸 指数P4S砸 指数是根据身着单衣的男性青年在不同气象条件和劳动强度下所引起出汗量变化的实验为基础而提出的一种方法，是以预测 4h 出汗率作为指标进行评价11，12。1.3.3 热强度指数 HISHIS 是综合考虑空气温度、湿度、辐射热、风速和劳动强度，并以人体机能所产生的生理反应作为计算依据的评价指标。HIS 经过不断地完善，再结合人体机能的新陈代谢、出汗等生理反应，逐渐发展为有效热强度 指数 EHSI9，11。1.3.4 Sreq 指数Sreq 指数是通过计算和分析人体所必须的出汗率来评价其所在的热环境强度。它的主要考虑因素为人体的生理指标，由保持人体热平衡所需的蒸发量和人体达到出汗率时的蒸发效率得出。但该指数对于热环境中身着劳动保护服装或者其他特殊服装的作业人员，或者人体在极端热环境中因暴露时间过短导致人体出汗量减少的情况下，那么需要出汗率指数将不再适用9-11。上述推导指数是由具有专业人士通过大量的理论推导出来的，一般以人体热平衡为基础，理论性较强，但是实用性不强。比如，人体的出汗量难以在劳动过程中测得。1.4 经验指数经验指数是指主要基于大量试验研究、根据不同的研究对象而得出的经验方法。1.4.1 有效温度（ET 指数）ET 指数是综合考虑空气温度、相对湿度和风速 3 个影响因素的人体热感觉指标。热舒适基本要求处于 23益到 26益之间，超出这个范围都将引起人体耗氧量的变化。而修正有效温度（CET 指数）是在有效温度指数的基础上，又考虑了辐射热的影响，即主要考虑因素为空气温度、湿度、风速和辐射热。但是由于低估空气流动的影响和试验条件的限制而不适用9-11。1.4.2 湿球黑球温度指数（又称 WBGT 指数）WBGT 指数是表示人体接触热环境强度的一个经验指数。它综合考虑了空气温度、湿度、风速和辐射热 4 个影响因素，采用自然湿球温度（tnw）、直径为 150mm 的黑球温度（ts，该指标反映辐射热）和干球温度（ta）三种参数，并由公式计算获得。综上，WBGT 指数运用极为简便，实用性强，被广泛用于热环境评价，但是这个指标对于高温高湿热环境下的隧道施工人员或者其他热环境的工作人员受高温热服装辐射热试验条件限制的影响，具有一定的局限性10，11。2 高温隧道热害等级划分方法现状分析上述不同的热环境评价指标有不同方面的优势，但也有其各自的局限性。因此，针对于高温高湿热环境下产生的热害现象，越来越多的学者考虑综合应用不同的评价指标来进行高温隧道热害等级划分，现有方法如下：2.1 简单因子分级法为了研究隧道地温场中热害等级划分的原则与方法，学者们从分析简单影响因素开始考虑，并参考国内外在铁路、公路、隧道等方面的现行规范中对于高温热害问题中温度上限值的统一认识，首先将温度列为最基础的热害影响因素。常见的地温场热害评估方法主要分为以下几种：地温梯度法、地温场数值模拟法、水文地球化学与同位素特征法、钻孔测温法、热红外遥感技术、地球化学温标法等，以上方法综合利用为诸多学者在研究高温隧道热害的问题上提供了更行之有效的方法。例如，对于川康地区新构造运动频繁引起的川藏铁路雅康段隧道水热害危害的问题，考虑采用“热水地温梯度反算法”和“隧底平面等温线拟合法”，反算隧底热水温度和地温梯度，再利用傅里叶热传导公式找出热源边界，由此绘制出的温度等值线图为根据温度的差异划分热害等级提供了依据1。“水文地球化学与同位素特征法”、“地球化学温标法”、“地温场数值模拟法”与计算机软件相结合也取得了相应的进展和应用。为了研究拉月隧道区域内出露的多个温泉造成的热害问题，首先分析其主要的受控断裂带，然后通过水样采集检测和氢氧同位素进一步确定地热异常区和地下水的补给来源与运移演化特征，分别采用地球化学温标法和地温梯度法估算泉点的热储温度和循环深度，最后结合 ANSYS 有限元软件进行地温场数值模拟绘制云图显示出热害集中区域，推断区内热害来源可能受控于雅鲁藏布江缝合带2。另外，“热红外遥感技术解译法”与计算机软件的结合也为判断热害异常区域和确定隧道内温泉出露的影响因素和演化特征提供一定的思路。例如，拉月隧道地处多条断裂构造发育、温泉出露明显的复杂地形、岩性和水文地质条件下，前人利用热红外遥感技术反演分析热害研究区7 月和 11 月地表温度和区内温度范围，发现该区地热异常特征非常明显，并且结合现场钻孔测温数据采用克里格插值法建立温度等值线图判定了地热异常的分布区。根据适宜人体的工作温度范围提出了等级划分原则与标准，最后利用 ANSYS 软件对隧道地温场的进行数值模拟来确定边界温度，从而在不同的隧道里程阶段对于不同程度的热害以相应的降温防治措施3。其次，利用 CFD 计算机软件建立模型也为隧道地温场数值模拟有一定的贡献。为了确定吉沃希嘎隧道高地温温度场的分布规律，首先分析该区水文地质条件，利用测温孔的实测数据确定地温梯度，根据原始围岩温度隧道热害进行分级。最终通过实测数据建立数字模型，运用 CFD计算机软件对隧道地温场进行数值模拟，得出该区地温场Value Engineering的分布规律，并结合现场施工具体条件，提出降温通风、人工制冷等具体热害处理措施4。部分学者除了考虑温度作为影响高温热害的基本分级因子之外，还把相对湿度因子考虑在内，使热害评估体系具有相对合理性。例如，对于吉沃希嘎隧道的高温热害问题，以考虑干球温度和相对湿度作为热害划分依据为基础，而且分别从勘察设计和施工两个阶段来进行热害等级的划分。其中，勘察设计阶段的热害分级根据原始岩温（干球温度）划分为 4 个等级；而施工阶段的热害问题综合考虑到干球温度和相对湿度（臆75%和跃75%）2 个因素，并且再结合不同相对湿度条件下作业人员对高温环境的适应状态，也将热害分级划分为 4 个等级5。该分级方法在考虑温度影响因素的基础上，添加了隧道相对湿度值的影响，且对于人员自身的热适应状况进行了综合考虑，这使得影响因素的考虑相对全面化。2.2 多重因子分级法对于越来越复杂的因素耦合影响的热害问题的研究与分析，诸多学者认为高温热害问题并不是由某种单一因素单独作用而引起，而是多种因素耦合、相互叠加综合作用的结果。因此，如何在直观分析客观分级因子的基础上，科学地选择影响高温热害的多重因素，并确定不同因素之间的重要性次序和相对权重大小，从而提出一种相对全面且合理的高温热害等级划分方法，对于降温措施的合理提出和隔热材料的选择具有十分重要的指导意义，见表 1。2.2.1 熵值法熵值法，是一种以“熵值越小，离散程度越大”和“离散程度越大，影响程度越大”为基本原理的数学方法，以此来判断某指标的离散程度，这对判断影响热害的多重因素的相对权重大小和综合排序具有重要的指导意义。例如，为了研究清楚高温隧道热害的特征与影响因素，主要提出围岩性质、环境地质条件、隧道施工设计 3 个高温隧道热害的影响因素。例如，围岩导热系数、围岩孔隙率过大和隧道内围岩温度过高使得隧道内部产生过多的热量，从而导致隧道内温度的升高。采用熵值法来定量分析 3 个一级分级指标、8 个二级分级因子对隧道热害问题影响的相对权重大小，利用客观赋值来准确计算各个因素的熵值，得出熵值与权重成反比例关系，清晰直观地反映出各个影响因素对于热害等级划分的重要程度6。2.2.2 层次分析法最近几年来，层次分析法（AHP）的应用对于隧道高温热害和矿井高温的研究逐渐广泛化、专业化。这一方法的应用分析，关键问题在于综合影响因素的选择、判断矩阵的合理构建以及各个影响因素相对权重大小的准确计算。针对矿井热害环境中施工人员身体健康和施工设备安全高效生产的要求，研究认为矿井热害的主要影响因素主要归结于以下 4 个方面：生产能力、井田环境、矿井通风和地质条件，并且下属包括 20 个二级分级因子，以此来构建矿井二级热害评价指标体系。为了减少层次分析法主观评价的模糊性和极端性，IOWA 算子层次分析法利用正态表1现有多重因子分级法对比表6-9现有多级因子分级法作者及来源隧道热害影响因素等级划分基本原理熵值法袁可高温隧道热害现象典型特点及影响因素权重分析（1）围岩性质（2）环境地质条件（3）隧道施工设计（1）构建判断矩阵（2）计算数据无量纲化结果（3）计算各指标的信息熵、差异性系数及指标权重，得出环境和地质条件因素占比最大层次分析法陈奇等高温隧道热害等级划分方法（1）WBGT指数（2）围岩温度（3）洞壁温度（4）连续作业时间（5）作业强度（6）服装热阻（7）人体热适应能力（1）构建判断矩阵得出最大特征值和一致性检验（2）确定各个分级指标的相对权重（3）建立热害分级层次分析模型（4）最终热害等级划分为4个等级层次分析法+专家打分法侯新伟大瑞铁路高黎贡山隧道热害评估（1）岩性（2）断层（3）地温（4）主要蓄水构造（5）主要河流（1）采用层次分析法（AHP）和专家打分法确定权重和等级标准（2）通过GIS守间分析实现热害危险性等级区划IOWA算子层次分析法张胜利等基于云模型的矿井热害评价体系研究（1）生产能力（2）井田条件（3）矿井通风（4）地质条件（1）构建矿井热害评价层次结构（2）采用算子改进的层次分析法利用正态分布密度函数计算各级指标的权重（3）将矿井热害等级按采掘工作面风温分为4级价值工程分布密度函数使得各个分级因子相对权重的计算更加准确，并且将其成功应用于河南金渠金矿矿井热害的治理和防治中，最终经过综合评价将热害等级划分为 4 个等级7。在大瑞铁路高黎贡山隧道的高温热害问题的研究中，层次分析法应用其中，实现了利用少量的定量数据信息和定性相结合，使得复杂的问题简单化和数字化。研究发现，该区水热活动主要与岩浆长期侵入和变质岩性有关，南北向为主的断裂带为热水储存提供了充足的空间，再结合出露泉点的水温绘制而成的地温场、与主要储水盆地的距离以及与主要河流的距离均作为热害影响因子。首先利用专家打分法给各个影响因子赋值打分并分为四个分值区间，再应用层次分析法确定影响因子的相对权重大小实现从单一元素的指标赋值到多重因素合并叠加分析，最后通过GIS 空间分析形成新的图层实现对于高地温隧道热害危险评估和划分，为热害发生段的判别和隧道选线提供了一定的思路8。同样地，针对于梅州市丰顺隧道高温高湿热害等级问题的划分，不仅考虑了 WBGT 指数、围岩温度、洞壁温度 3个客观评价指标，而且结合施工人员的连续作业时间、作业强度以及服装热阻、人体热适应能力 4 个主观评价因子。综上分析，每个评价因子均分为四个等级，由此得出一套综合评价热害指数的分级原则和方法，然后利用层次分析法建立判断矩阵得出最大特征值和一致性检验，确定各个分级指标的相对权重数值，最终建立热害分级指标层次分析模型，得到综合因素评价等级9。值得注意的是，采用层次分析法的过程中判断矩阵的建立要尽量避免主观臆断，保证各个指标两两相比较时赋值的合理性，从而实现相对权重大小的科学性。如果遇到分级指标较多的情况下，判断矩阵的建立更依赖于专家的工作经验和主观比较得出两两指标的比较值。因此，IOWA算子与层次分析法相结合的方法更加具有可说服性，提倡应用于热害等级评估的研究分析中。3 高地温隧道降温措施针对高地温隧道热害问题的研究越来越广泛，利用地温场数值模拟法、地温梯度法分析温度场的分布规律，或者采用层次分析法、熵值法等方法确定隧道热害的等级评估。而部分学者对于热害影响区域的选线思路、降温措施和防治技术也进行了探讨性的研究。结合隧道内自然环境条件和地下热水的特征，不仅通过通风来加大降温或者局部调节风速13，洒水冰块降温14，增加人工制冷机设备15，研发新型耐高温建筑材料，而且注浆堵水，根据不同热害等级制定相应的降温措施16，17，利用计算机有限元软件数值模拟，对隧道在不同隔热材料、不同地温边界条件下的隔热效果和所需的制冷功率进行试算，计算得出相应的制冷剂用量18。4 总结前人关于高地温热害等级划分的研究和分析，主要总结为以下几点：淤从简单因子分析到多重因素综合考虑，定量分析不同影响因素对热害的影响机理和相对权重大小，提出不同热害等级程度下的降温措施，解决了施工过程中人员和机械设备的恶劣的工作条件问题，提高了受热害带来的生产效率；于从有限数值模拟法到熵值法，再到层次分析法，提高了分级因子耦合状态下的相互关联性，改进了分级因子过于单一的问题，提高了分级结果的准确性和科学性；盂层次分析法在构建判断矩阵时，依然存在计算工程量较大且无法做到完全客观的问题，这是因为构建判断矩阵两两比较时必须依赖于专家赋权和求样本平均值，这一过程最终数据来源是专家的经验和主观判断。因此，对于高温隧道热害问题的研究分析依然任重而道远。参考文献院1冯涛，蒋良文，张广泽，等.川藏铁路雅康段隧道水热害评估方法探讨J.铁道工程学报，2016，33（05）：11-17.2彭琪.拉月隧道温泉成因机制及地温场数值模拟研究D.成都理工大学，2020.3张杰.拉月隧道地热场分布特征及热害防治措施研究D.西南交通大学，2021.4杨平平.高地温隧道温度场分布规律研究D.石家庄铁道大学，2014.5谢君泰，余云燕.高海拔隧道工程热害等级划分J.铁道工程学报，2013，30（12）：69-73.6袁可.高温隧道热害现象典型特点及影响因素权重分析J.铁道建筑技术，2022（08）：43-47.7张胜利，卢晓通，袁东升.基于云模型的矿井热害评价体系研究J.黄金，2022，43（05）：87-92.8侯新伟，李向全，蒋良文，等.大瑞铁路高黎贡山隧道热害评估J.铁道工程学报，2011，28（05）：60-65.9陈奇，陈寿根.高温隧道热害等级划分方法J.四川建筑，2019，39（02）：157-160.10吕石磊，朱能，孙丽婧.极端热环境热应力研究指标及评价J.制冷学报，2006（04）：45-49.11任智刚，刘功智，何川，等.井下高温作业场所热害评价分级指标研究J.中国安全生产科学技术，2009，5（03）：41-46.12王昭俊，王刚，廉乐明.室内热环境研究历史与现状J.哈尔滨建筑大学学报，2000（06）：97-101.13范磊.高地温深埋特长隧道热害综合防治关键技术研究J.现代隧道技术，2019，56（06）：1-10.14童军.多因素耦合作用下地热影响区域的选线思路以川藏铁路拉月隧道为例C/中国铁道学会工程分会第七届线路专业委员会.复杂艰险山区铁路勘察设计创新与应用中国铁道学会工程分会第七届线路专业委员会第四次会议论文集（下册）.出版者不详，2020：229-236.15黄湘勇.高温隧道热害防治措施研究J.建设机械技术与管理，2021，34（02）：64-67.16高鹏兴，段晓彬，何佳银，等.艰险山区高地温长大隧道热害处治措施研究J.价值工程，2023，42（04）：23-25.17蒲松，汪辉武，李梦可，等.高地温TBM铁路隧道施工应对措施研究J.铁道标准设计，2023，67（04）：116-121，129.18白国权，仇文革，张俊儒.高地温隧道隔热技术研究J.铁道标准设计，2013（02）：77-80，84.