隧道施工環境舒適性研究

李永生，楊立新，茍紅松

(中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

隨著我國隧道與地下工程修建技術的發展，隧道工程數量不斷增加，隧道內施工作業環境控制問題顯得越來越重要，因為這不僅關系到隧道內作業人員的安全和健康，還關系到作業人員的勞動效率和舒適性。目前我國現行的與隧道施工相關的規范較多，如《鐵路隧道施工規范》［1］、《公路隧道通風照明設計規范》［2］、《煤礦安全規程》［3］和《冶金地下礦山安全規程》［4］等，這些規范均在溫度和風速方面對地下施工作業環境提出了具體要求。國外如美國的《煤炭礦井通風法規》、國際隧協相關規范和英國的《建筑工業中隧道開挖作業安全實用規程》等也在溫度和風速方面對地下施工作業環境提出了具體要求。可以看到，國內外相關規范基本上都是從職業健康的角度對隧道施工作業環境進行限值界定，而舒適性方面尚無明確的評價標準體系。在隧道施工作業環境的檢測與評價方面，楊立新等［5］編著的《現代隧道施工通風技術》、趙以蕙［6］編著的《礦井通風與空氣調節》和張國樞［7］編著的《通風安全學》等著作中均有相關介紹，但是對隧道施工作業環境來說針對性不強，技術指導作用不突出。在隧道施工作業環境調節與控制方面可參考借鑒的文獻較少，多數文獻都是針對室內人員工作環境舒適性開展的研究。葉歆等［8］編著的《建筑熱環境》從人體與周圍環境的換熱狀態方面對舒適性展開了研究;徐小林等［9］編寫的《室內熱濕環境對人體舒適性的影響分析》主要從空氣溫度對人員工作效率的影響方面進行了研究;田元媛等［10］編寫的《熱濕環境下人體熱反應的實驗研究》中提出了人員的濕度敏感界限。室內工作環境舒適性調節與控制的研究成果對隧道工程只具有參考價值，并不能起到對隧道施工作業環境調節與控制進行技術指導的作用。所以，隧道施工作業環境舒適性檢測、評價、調節與控制不能簡單地依據現有規范和相關文獻操作，還需要對其進行有針對性地探討，提出一套切實、可行、有效的方法，鑒于此，本文對其進行了初步研究。

1 隧道氣候

1.1 定義

隧道施工作業環境下的小氣候稱之為隧道氣候［5］。隧道氣候的主要參量有隧道內空氣的溫度、濕度和風速，這就是隧道氣候的三要素，其不同的組合形式構成了隧道不同的氣候條件。隧道氣候的好壞直接影響到隧道內作業人員的身心健康、安全、勞動效率和舒適性。

1.2 相關規范分析

1.2.1 隧道施工規范

鐵路隧道施工目前執行的是鐵道部2002年3月頒布的 TB 10204—2002《鐵路隧道施工規范》［1］，其中對隧道施工環境中溫度和風速應達到的標準進行了規定，要求在隧道施工過程中:1)隧道內氣溫不得大于28℃;2)風速在全斷面開挖時不小于0.15 m/s，坑道內不小于0.25 m/s，但均應不大于6 m/s。

公路隧道施工目前執行的是交通運輸部2009年9月頒布的JTGF 60—2009《公路隧道通風照明設計規范》［2］，其中對溫度和風速的規定與《鐵路隧道施工規范》相同，但是二者均未對濕度提出具體要求。

1.2.2 煤礦與地下礦山規范

《煤礦安全規程》［3］規定:掘進中的煤巷允許最低風速為0.25 m/s，掘進中的巖巷允許最低風速為0.15 m/s。

冶金工業部、中國有色金屬工業總公司、勞動部于1990年4月頒布的《冶金地下礦山安全規程》［4］規定:采掘工作面的空氣溫度不得超過27℃，熱水型礦井和高硫礦井的空氣溫度不得超過27.5℃。該規程未對濕度提出具體要求，對溫度和風速的要求與《鐵路隧道施工規范》大致相同。

1.2.3 國外規范

國外相關規范對溫度的規定與國內大致相同，但未對濕度進行具體要求，對風速的規定如下。

1)美國的《煤炭礦井通風法規》要求平均風速為0.30 m/s。這個速度是基于全斷面來說的，而不考慮設備擠占空間，并且0.30 m/s是最低限度。從控制粉塵方面要求風速為0.61 m/s，因為研究證明這一風速能很好地控制粉塵。

2)國際隧協(Guidelines for Good Occupational Health and Safety Practice in Tunnel Construction)要求空氣的供給量或從作業面的排出量為:在任何時候全斷面隧道或豎井的最小平均風速應在0.3～2 m/s。

3)英國 BS 6164—2001“Code for Practice of Safety in Tunneling in the Construction Industry”(《建筑工業中隧道開挖作業安全實用規程》)認為:當風速小于0.5 m/s時，粉塵會逆風擴散。因此，該規程把這一風速作為最低標準。

1.2.4 分析結論

相關規范對隧道氣候規定情況總結如下:

1)國內外相關規范對溫度的要求大致相同(最高不超過28℃)，都是從職業健康角度提出的要求。

2)國內外相關規范均未對濕度提出具體要求。

3)國內外相關規范對風速的要求也大致相同，國外比國內要求嚴格一些，但多數是從排除粉塵角度提出的要求。

相關規范對隧道氣候舒適性標準未提出明確要求，因此，有必要對其進行分析研究，提出合理建議。

2 舒適性分析

2.1 人體通常舒適性條件分析

2.1.1 溫度影響

2.1.1.1 施工環境溫度影響

1)低溫影響［5］。對人員的工作效率有不利影響的低溫通常是在10℃以下。在低溫環境中，當人體中心體溫低于35℃時，即處于過冷狀態。低溫對人體的影響表現為:1)引起局部凍傷，與人在低溫環境中暴露的時間有關。2)產生全身性影響。人體在低溫環境中暴露時間不長時，能依靠自身的溫度調節系統使人體深部溫度保持穩定;但暴露時間較長時，中心體溫逐漸降低，就會出現呼吸和心率加快、顫抖、頭痛等一系列低溫癥狀。當中心體溫降到30～33℃時，肌肉由顫抖變為僵直，失去產熱的作用，將會導致死亡。長期在低溫高濕條件下勞動(如冷凍庫工人)易引起肌痛、肌炎、神經痛、神經炎、腰痛和風濕性疾患等。

2)高溫影響［5］。在高溫環境中，皮膚溫度會隨周圍環境溫度的升高而迅速升高，機體只能通過蒸發散熱，大量出汗會導致失水，出汗過多也會導致水鹽代謝障礙。高溫環境還會使心臟輸出量增大，使外周血管擴張，血流從內臟轉移到皮膚和肌肉，從而影響內臟血液供應，進一步引起消化系統、泌尿系統、神經系統、內分泌系統乃至生化和免疫系統功能的改變。長時間在高溫環境下暴露會引起熱病，包括全身性的中暑、熱衰竭、皮膚病和精神障礙等。當環境溫度高于33.3℃時，發生環境熱病的危險性增大，發病率隨最低氣溫的增加而增加。當皮膚溫度達到41～44℃時會感到灼痛，若溫度繼續升高即會導致燙傷，甚至死亡。人員在28～32℃的環境中工作，肌肉用力的工作效率會下降，并且促使人體疲勞加速。當溫度在32℃以上時，需要較大注意力的工作及精密工作的工作效率會受到影響。在高溫環境條件下作業，不僅會引起人體不適，影響身體健康，而且會隨著溫度的升高和氣流速度的降低，作業效率將明顯降低。

另外，事故發生率與溫度也有關系。據研究，意外事故發生率最低的溫度在20℃左右，溫度高于28℃或降到10℃以下時，意外事故發生率將增加30%。

2.1.1.2 室內溫度影響

人員在通常的室內工作和生活環境中，其舒適性在溫度方面主要表現為人體與周圍環境的換熱狀態。人體與周圍環境的換熱方式有對流、輻射和蒸發3種，人體達到熱舒適的必要條件就是通過換熱達到人體熱平衡。據相關研究表明，當人體達到熱平衡時，對流換熱量占25% ～30%，輻射換熱量占45% ～50%，呼吸和有感覺的蒸發換熱量占25% ～30%［8］。人體達到熱舒適的充分條件就是周圍環境能夠滿足這種適宜的換熱比例。

從對工作效率的影響來看，相關研究表明:空氣溫度在25℃左右時，腦力勞動工作效率最高，低于18℃或高于28℃會導致工作效率急劇下降。如果以25℃時的工作效率為100%，則35℃時只有50%，10 ℃時只有30%［9］。

綜合各種研究成果，在室內供暖方面提出了適宜的房間空氣溫度為17.4～20.9℃，從人員健康角度出發提出的室內適宜溫度為夏季22～24℃、冬季20～22℃、其他23～25℃。

2.1.2 濕度影響

濕度對人員工作和生活環境舒適性的影響也很大，研究表明:室內相對濕度大于70%時，人員能夠感覺到空氣濕度的變化，與小于70%時明顯不同。可以說相對濕度(70%)是一個人員敏感界限［10］，多數研究成果認為相對濕度在50%～60%時人體最舒適。

從人員健康角度分析，相對濕度高于65%或低于38%時病菌繁殖滋生速度最快，相對濕度在45% ～55%時病菌死亡率較高。據此提出的適宜相對濕度為夏季50%、冬季40%、其他45% ～65%。

另外，濕度與溫度是密切相關的，濕度隨溫度的變化非常明顯，基本都是結合溫度綜合考慮的。

2.1.3 風速影響

風速主要影響人體的對流散熱。當空氣溫度低于體溫時，風速增大則對流散熱也增大;當空氣溫度等于體溫時，對流換熱完全停止，不受風速的影響;當空氣溫度高于體溫時，人體不僅不能散熱，反而得熱，且空氣流速愈大，得熱愈快。

考慮風速對人體舒適性的影響時，目前主要研究風速頻譜對人體熱舒適性的影響，研究成果表明:1)風速頻譜曲線越接近自然風，則吹風愈易被接收，即愈舒適;2)人體對風速波動的感覺上限值約為1 Hz，下限值在0.244～0.488 mHz;3)可以通過模擬自然風頻譜調整風速來實現舒適性要求。

2.1.4 分析結論

目前，對室內環境舒適性調節主要側重于溫度和濕度調節，風速一般考慮得較少，三者結合在一起進行綜合調節的情況就更少了;且室內環境舒適性調節主要依靠空調來完成，將室內環境近似為封閉空間來考慮，熱濕影響因素較少，比較容易調整到舒適狀態。對隧道施工環境舒適性調節主要側重于溫度和風速，下面將單獨詳細分析。

2.2 隧道施工環境舒適性分析

2.2.1 舒適性建議標準

隧道施工作業環境與室內環境差別較大，其空間較大，并且是開敞的，施工過程中熱濕影響因素較多，環境調控時必須綜合考慮隧道氣候三要素(溫度、濕度和風速)，調整到舒適狀態比較困難。隧道氣候三要素中比較好調控的是溫度和風速，這兩項通常也是采取調整措施時的主要調控對象，而濕度是較難調控的，因為多數隧道施工作業環境濕度都比較大，且基本是恒定的，出現不舒適狀況時基本都是濕冷或悶熱，很少出現干冷或燥熱狀況。

隧道施工屬四級勞動強度，是人體活動較劇烈、耗能較高的工作，人員在工作時會產生大量的熱量，因此，必須滿足前文所述的人體與作業環境之間的換熱比例，方可達到舒適性要求。通過多年的現場實測和調研，對檢測數據和調研成果進行分析總結后，提出隧道施工環境舒適性建議標準為:溫度在15～28℃、濕度在 45% ～65%、風速在 0.4 m/s左右［1-4，8-10］。

2.2.2 分析結論

1)當溫度滿足舒適性要求時，如果濕度較大，風速無論大小都會感覺偏冷;如果濕度較小，會感覺干燥，隨著風速的增大干燥感增強，并且因人體表面蒸發散熱過快而有冷的感覺。

2)當濕度滿足舒適性要求時，如果溫度偏高但低于35℃時，感覺較熱，隨著風速的適當增大可調整到接近舒適的狀態;當溫度高于35℃時，感覺很熱，風速將失去調節作用。如果溫度偏低但高于5℃時，感覺較冷，隨著風速的適當減小可減輕冷感;而溫度低于5℃時，感覺很冷，風速將失去調節作用。

3)當風速滿足舒適性要求時，如果溫度偏高，則濕度偏高會感覺悶熱，濕度偏低會感覺燥熱;如果溫度偏低，則濕度增高會增加冷感(感覺是舒適性較差的濕冷)，降低濕度會減輕冷感。

上述結論都是在特定條件下得出的，而在隧道施工過程中出現以上特定條件的概率較小，尤其是濕度達到舒適性要求的特定條件是最困難的，并且隧道施工環境舒適性是由隧道氣候三要素綜合作用的結果，所以不能簡單地依據上述特定條件下的結論進行分析評價和調節。但是，在實際對隧道施工環境舒適性進行分析評價和調節時，可以將上述特定條件下得出的結論合理地應用其中。即先將隧道氣候三要素中某一要素調節到舒適性標準范圍內，使其出現上述的特定條件，然后再依據上述結論進行調節。在調節過程中各種特定條件會因三要素的相互影響而發生改變，需要反復地分析評價和調節，所以這是一個檢測—分析評價—調節—檢測不斷循環的過程，直到滿足或者接近舒適性要求為止，并且在施工過程中還需要依據施工通風階段的調整進行舒適性調節，調節階段劃分得更細一些，貫穿施工過程的始終。從中我們也可以看出，隧道施工環境舒適性分析評價是需要合理檢測作為支撐，為舒適性調節提供依據的，所以隧道施工環境舒適性檢測和調節也是非常重要的，下面將分別進行介紹。

3 隧道施工環境舒適性檢測與評價方法

由于隧道氣候舒適性標準不確定，導致其檢測與評價方法也不確定，目前相關行業采用的檢測與評價方法主要有3種。

3.1 通常方法

利用儀器測得干球溫度、濕度(或濕球溫度)和風速，依據相關規范規定，利用濕空氣焓濕圖［9］進行熱濕計算分析，主要利用濕球溫度和等效溫度來反映環境對人體熱濕平衡的影響，進而得出評價結論。此方法主要側重于溫度和濕度因素，而風速因素主要依據規范和經驗感覺評價，沒能將隧道氣候三要素合理地結合在一起，所以存在一定不足。

3.2 卡他度法［7］

卡他度是1916年由英國的Leonard.Hill等提出的，其大小用卡他計(見圖1)測定。卡他計是一種酒精溫度計，下端有個貯液球，上端有個小空腔，玻璃管上只有35℃和38℃2個刻度，其平均溫度恰好為人體正常體溫(36.5℃)。測定時，先把貯液球置于熱水中加熱，當酒精柱升至上端空腔一半時取出，擦干貯液球表面水分，然后懸掛于待測空氣中，液球散熱會使酒精柱下降，用秒表記錄從38℃降到35℃所需的時間，即可求得卡他度

式中:Kd為卡他度，W/m2;F為卡他計常數，卡他計上均標有;t為從38℃ 降到35℃ 所需的時間，s。

卡他度分為干卡他度和濕卡他度。干卡他度反映了氣溫和風速對氣候條件的影響，但沒有反映空氣濕度的作用。濕卡他度則反映了氣溫、濕度和風速對氣候條件的綜合影響，它是在卡他計貯液球上包裹一層濕紗布時測得的卡他度，其實測和計算方法與干卡他度完全相同。根據Hill的研究，不同勞動強度時較適宜的卡他度值如表1所示。

圖1 卡他溫度計Fig.1 Kata thermometer

表1 不同勞動強度時適宜的卡他度Table 1 Kata degree of different working intensity W/m2

卡他度比用單一因素評價要好些，但是卡他計散熱效果和人體有很大差別，有的研究資料表明，空氣對卡他計的冷卻能力是對人體的2～3倍。雖然有很多學者試圖從量上來反應卡他度同人體生理反應間的關系，但是沒有得到滿意的結果，所以卡他度也只是一個參考評價指標。

3.3 同感溫度法

同感溫度也稱有效溫度，是1923年由美國采暖工程師協會通過受試者對環境的感覺實驗而得出的。試驗時，先將3個受試者置于一個溫度為t、相對濕度為φ、風速為v的已知環境中，并記下他們的感受;然后，把他們請到另一個濕度為100%，風速為0，溫度為t1的可調環境中，通過調節溫度t1使他們的感受與第一個環境相同，那么則稱t1為第一個環境的同感溫度［7］。這個指標反映出氣溫、濕度和風速對人體熱平衡的綜合作用，同感溫度越高，人體的舒適感就越差。

根據實驗可以繪制出同感溫度計算圖，如圖2所示。只要測出空氣的干球溫度、濕球溫度和風速，就可以利用該圖查出被測環境的同感溫度。例如，4組對應溫度情況如表2所示，其在圖2中分別畫出了同感溫度線，從中可以看出在干球溫度相同時，濕度大則同感溫度高，舒適性差，隨著風速的增大，同感溫度降低，舒適性增強。

圖2 同感溫度圖Fig.2 Effective temperature

同感溫度圖可以印證風速調節作用的溫度范圍為5～35℃，高于35℃或者低于5℃時風速變化引起同感溫度變化值很小，基本失去調節作用。同感溫度圖是結合人體實驗提出的，從中還可以看出其與前面總結提出的隧道氣候舒適性建議標準基本相符，所以采用同感溫度結合控制標準進行舒適性評價是比較準確合理的。

4 隧道施工環境舒適性調控方法

由隧道氣候三要素可知，隧道環境舒適性調控方法主要針對三要素采取調節措施。由于隧道內除濕很難實現(多數施工工序都會導致濕度增大)，所以目前隧道內基本沒有采用除濕調節方法，主要是針對溫度和風速采取調節措施，常用調節方法如下。

4.1 溫度調節方法

隧道氣候溫度調節方法主要有2個。1)調節送風溫度。隧道內作業環境溫度高時，在送風動力源處采取制冷低溫送風措施;隧道外自然環境溫度過低(低于2℃)時，在送風動力源處采取加熱高溫送風措施。2)調節局部溫度。此方法只針對作業人員相對集中的工作面，工作面環境溫度高時采用冰塊、噴淋冰水或噴灑水霧等方法降低溫度;工作面環境溫度低時采用電熱器、暖風機或暖燈光照射等方法升高溫度。

表2 4組同感溫度對應值Table 2 Corresponding value of 4 groups of effective temperature

4.2 風速調節方法

隧道氣候風速調節方法主要也有2個。1)調節通風系統風速。隧道內作業環境溫度在22～35℃時，適當增大送風量來提高整個通風系統的風速，從而加快通風換氣速度和風流換熱速度，這是加強通風經常采取的措施;隧道內作業環境溫度在5～15℃時，在規范和設計允許范圍內適當減小送風量來降低整個通風系統的風速，減緩冷的不適感。2)調節局部風速和風流方式。采用小型射流風機、空氣引射器、工業風扇或空調扇等對作業人員集中的局部地段進行風速調節，主要是針對高溫環境采取局部增大風速措施。另外，還可以采用特殊裝置對工作面風流進行旋轉處理，使工作面局部風流處于旋轉紊流狀態，有利于均勻換熱，并使其接近自然風，增強舒適感。

5 結論與討論

通過對隧道施工環境舒適性進行初步研究，得出隧道施工環境舒適性建議標準為:溫度在15～28℃、濕度在45% ～65%、風速在0.4 m/s左右;隧道施工環境舒適性檢測與評價采用同感溫度法比較合理;隧道施工環境舒適性調節與控制主要針對溫度和風速進行調控，濕度的可調控性很差。

我國隧道與地下工程施工技術水平正在趕超國外發達國家，但是在管理方面還存在較大差距，導致對隧道施工環境控制標準不夠重視，采用的設備和采取的措施不夠完善。目前隧道施工環境中暴露出的問題多數是溫度過高，采取的措施主要是增大送風量和噴灑水霧，另外再配合一些局部措施，真正采用制冷與通風相結合的案例很少。國外在掘進機系統中多數采用水循環制冷降溫系統，主要針對設備降溫;在國內掘進機施工中很少采用制冷降溫系統，這也是目前國內掘進機施工條件下導致設備和環境溫度過高的主要原因。希望有關部門能對隧道施工環境給予高度重視，提供相應的配套調控資金，完善相關設備和措施，為隧道施工提供良好的環境條件，從而保證作業人員能安全、健康、高效地從事施工生產。

［1］ TB 10003—2005鐵路隧道施工規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］ JTJ 026.1—1999公路隧道通風照明設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［3］ 國家安全生產監督管理局、國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程［S］.北京:中國法制出版社，2011.

［4］ 冶金工業部、中國有色金屬工業總公司、勞動部.冶金地下礦山安全規程［S］.［sn］:［sl］，1990.

［5］ 楊立新，洪開榮，劉招偉，等.現代隧道施工通風技術［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［6］ 趙以蕙.礦井通風與空氣調節［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1990.

［7］ 張國樞.通風安全學［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2004.

［8］ 葉歆.建筑熱環境［M］.北京:清華大學出版社，1995.

［9］ 徐小林，李百戰，羅明智.室內熱濕環境對人體舒適性的影響分析［J］.制冷與空調，2004(4):55-58.(XU Xiaolin，LI Baizhan，LUO Mingzhi.Influence of indoor thermal environment on thermal comfort of human body［J］.Refrigeration ＆ Air-condition，2004(4):55-58.(in Chinese))

［10］ 田元媛，許為全.熱濕環境下人體熱反應的實驗研究［J］.暖通空調，2003，33(4):27-30.(TIAN Yuanyuan，XU Weiquan.Experiment of human thermal response in warm and humid environment［J］.Hv ＆ Ac，2003，33(4):27-30.(in Chinese))