馮赟杰 李明揚(yáng) 何博 張中華

摘? ?要： 地鐵隧道盾構(gòu)施工環(huán)境處于地下，工作面高濕高熱，給施工人員健康和設(shè)備安全帶來嚴(yán)重危害。針對原有通風(fēng)系統(tǒng)僅能改善局部環(huán)境，無法從根本上實現(xiàn)散熱的問題，提出通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案：在壓入式通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，加裝二次風(fēng)機(jī)、水冷主機(jī)、冷水循環(huán)泵等裝置，提高熱交換效率;綜合考慮盾構(gòu)機(jī)各機(jī)電設(shè)備熱功率和施工人員發(fā)熱量，對工作區(qū)域冷負(fù)荷進(jìn)行計算，并據(jù)此設(shè)計冷凍水箱參數(shù)指標(biāo);根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的布局和空間結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的總體布置。經(jīng)實際應(yīng)用，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)主機(jī)功率為35 kW時，制冷量可達(dá)158 kW，盾構(gòu)施工環(huán)境降溫可達(dá)10～15℃，能夠滿足《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程（TB 10304-2020）》中施工環(huán)境溫度不超過28℃的要求。

關(guān)鍵詞： 盾構(gòu)施工;盾構(gòu)機(jī);地鐵隧道;通風(fēng)系統(tǒng);TB 10304-2020;散熱系統(tǒng)

引言

為改善城市交通狀況，地鐵建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行。隧道盾構(gòu)施工是地鐵建設(shè)的主要方式，在這種施工方式下，由于施工地點處于地下，面積狹小，機(jī)器密集，因此施工環(huán)境酷熱難耐。如果隧道內(nèi)外溫差太大，就容易使施工人員患上風(fēng)濕等疾病，對施工人員的健康和安全造成不利影響。

針對地下空間施工環(huán)境惡劣的問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了深入研究，提出了各種通風(fēng)方式，例如有學(xué)者提出了壓入式、抽出式和混合式等方式。但實踐證明，僅僅從通風(fēng)方式上進(jìn)行處理是無法改善獨(dú)頭隧道工作環(huán)境的，即使加入常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)，也無法解決冷凝器散熱問題，其根本原因是采用這些方式雖然可以使局部環(huán)境有所改善，但其他位置溫度反而升高，沒有從根本上解決隧道中的高濕高熱問題[1]。

當(dāng)前盾構(gòu)施工在地鐵建設(shè)中應(yīng)用廣泛，地鐵隧道內(nèi)的施工環(huán)境、設(shè)施散熱、預(yù)防風(fēng)險等問題亟待解決。本文首先根據(jù)盾構(gòu)施工環(huán)境，提出優(yōu)化目標(biāo);然后在壓入式通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化的設(shè)計方案，計算得到工作區(qū)域冷負(fù)荷，據(jù)此設(shè)計冷凍水箱參數(shù)指標(biāo);最后提出新的通風(fēng)系統(tǒng)布置方案，并評估其在項目中的應(yīng)用效果。

1? 盾構(gòu)施工環(huán)境及優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，在我國南方大部分城市，地鐵隧道盾構(gòu)施工經(jīng)常會使工作面附近作業(yè)區(qū)域的溫度達(dá)到40℃以上。在廣州的一些小斷面盾構(gòu)施工作業(yè)區(qū)域，夏天的環(huán)境溫度甚至高達(dá)50℃左右，而環(huán)境相對濕度可高達(dá)90%以上。通過通風(fēng)管道壓入工作區(qū)域的新鮮空氣時常在35℃以上，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到有效降低環(huán)境溫度的目的了[3]。

根據(jù)《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程（TB 10304-2020）》[4]，盾構(gòu)施工時，隧道內(nèi)氧氣含量按體積比不應(yīng)小于20%，氣溫不應(yīng)超過28℃，噪聲不應(yīng)大于90 dB。顯然，目前的情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到上述規(guī)程的要求，這對施工人員健康和盾構(gòu)設(shè)備性能都有不可忽視的影響。盾構(gòu)設(shè)備產(chǎn)生熱量不可避免，而通過通風(fēng)、冷卻水和渣土等帶走的熱量又有限，因此若要降低施工區(qū)域的溫度、濕度等，就必須考慮新的途徑和方法。

出于成本控制以及在以往項目中實際使用效果的綜合考慮，采用壓入式通風(fēng)方式最為恰當(dāng)。壓入式通風(fēng)方式是指將風(fēng)機(jī)安裝在隧道外，風(fēng)機(jī)通過通風(fēng)管把隧道外的新鮮空氣直接壓入工作面，并使隧道內(nèi)被污染的空氣沿隧道流出的一種通風(fēng)方式?？紤]到風(fēng)管的接長需要實時判斷，不是連續(xù)過程，為使工作面隨時有新鮮空氣壓入，在盾構(gòu)機(jī)上安裝了二次通風(fēng)系統(tǒng)，供風(fēng)量為10.5 m3/s。為保證盾構(gòu)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，無論主機(jī)是否啟停，供水系統(tǒng)都要自始至終運(yùn)轉(zhuǎn)。要求盾構(gòu)施工供水量不少于50 m3/h，水壓4～8 bar，額定進(jìn)水溫度28℃。

2? 通風(fēng)方案設(shè)計與參數(shù)指標(biāo)計算

2.1? 機(jī)理分析

如第1章所述，為改善作業(yè)區(qū)域的高濕高熱環(huán)境，使盾構(gòu)施工作業(yè)環(huán)境達(dá)到要求，需要在盾構(gòu)機(jī)的二次通風(fēng)系統(tǒng)中加入空調(diào)?？照{(diào)的運(yùn)作機(jī)理主要是逆卡諾循環(huán)，其中包括蒸發(fā)過程和冷凝過程：蒸發(fā)過程是空調(diào)降溫制冷的過程;冷凝過程是通過外部冷源來降低制冷系統(tǒng)中冷媒溫度，從而提升制冷系統(tǒng)效率的過程。在盾構(gòu)施工相對密閉的空間中，空調(diào)產(chǎn)生的熱量會直接排放到作業(yè)區(qū)域，稱不上真正改善作業(yè)區(qū)域的溫濕度，且高濕高熱空氣會流經(jīng)整個隧道，使得隧道中部的作業(yè)環(huán)境進(jìn)一步惡化。結(jié)合盾構(gòu)機(jī)的既有條件，為了使空調(diào)系統(tǒng)與盾構(gòu)機(jī)有機(jī)結(jié)合，必須將通風(fēng)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)相結(jié)合，將蒸發(fā)器接入到盾構(gòu)機(jī)的二次通風(fēng)系統(tǒng)中，首先讓通入的空氣通過熱交換降低溫度，然后再令其進(jìn)入施工區(qū)域?？照{(diào)系統(tǒng)的冷凝器與供水系統(tǒng)相連的另一個作用是將冷凝器與空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量帶出隧道。

2.2? 方案設(shè)計與優(yōu)化

結(jié)合水路、電路、通風(fēng)管路的具體條件，盾構(gòu)機(jī)各個位置都處于工作主要區(qū)域，整個環(huán)境溫度均應(yīng)是空調(diào)的影響范圍，因此借鑒中央空調(diào)的模式，采用工業(yè)水冷主機(jī)并設(shè)置冷水箱，首先通過冷凝翅片進(jìn)行熱交換，將水溫降至5℃;然后用冷水循環(huán)泵將水送至二次風(fēng)機(jī)出風(fēng)口位置的蒸發(fā)器中，進(jìn)行低溫水與高溫空氣之間的熱交換;最后將降溫后的空氣通過送風(fēng)管送至出風(fēng)口，以達(dá)到降溫目的。若要對冷凝器進(jìn)行降溫，則需將水冷主機(jī)的冷凝器接入盾構(gòu)機(jī)水系統(tǒng)的回水管中進(jìn)行熱交換。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，在盾構(gòu)機(jī)工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計中，與冷凝器進(jìn)行熱交換的水的溫度大致在35℃左右，而根據(jù)相關(guān)規(guī)定，冷凝器進(jìn)出水溫為32℃（進(jìn)水）、37℃（出水）時最合適，顯然進(jìn)水溫度略高于規(guī)定值。為解決這一問題，裝設(shè)回水增壓泵，以提高冷凝器的熱交換效率[6]。通風(fēng)方案設(shè)計原理如圖1所示。

2.3? 工作區(qū)域冷負(fù)荷計算

圖2所示為盾構(gòu)機(jī)布置簡圖。從圖2中可以看出，在盾構(gòu)區(qū)域范圍內(nèi)都存在發(fā)熱源。為使工作區(qū)域基本達(dá)到舒適條件，避免溫度和濕度過高，需要計算冷負(fù)荷，并以此進(jìn)行空調(diào)選型及管路布置。盾構(gòu)區(qū)域發(fā)熱源主要來源于四大模塊：電氣、液壓、傳動、潤滑，具體體現(xiàn)為機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行作業(yè)時產(chǎn)生的熱量、盾構(gòu)刀盤在掘進(jìn)工程中與掌子面摩擦和泥漿泵攪動而產(chǎn)生的熱量、施工人員在進(jìn)行正常作業(yè)時產(chǎn)生的熱量、隧道外空氣延隧道進(jìn)入施工作業(yè)區(qū)域而帶來的熱量等。以上大部分熱量都可以由冷卻水系統(tǒng)和盾構(gòu)渣土帶走，只是渣土在輸送過程中會有部分散失在隧道中。在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)布置方案設(shè)計時，主要考慮的是工作平臺、設(shè)備橋、拖車上面的機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的熱量。以目前在城市地鐵施工中的主流盾構(gòu)——6.3 m直徑土壓平衡盾構(gòu)為樣本，對所需的冷負(fù)荷進(jìn)行計算。表1所示為盾構(gòu)機(jī)各機(jī)電設(shè)備熱功率情況。

其中：

—隧道內(nèi)施工人員發(fā)熱功率，kW;

—隧道內(nèi)施工人數(shù)，取20;

—每個施工人員發(fā)熱功率，在重體力勞動時取0.1 kW。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），得=2 kW。

化零為整，制冷量需不少于106 kW，才能使隧道工作面溫度與送風(fēng)溫度持平，考慮《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程（TB 10304-2020）》[4]中氣溫不應(yīng)超過28℃的規(guī)定，以及渣土在輸送過程中表面散失的熱量和極端空氣條件下的降溫能力，選用空調(diào)機(jī)的制冷能力應(yīng)大于計算制冷功率并采用變頻調(diào)節(jié)功率。

2.4? 冷凍水箱參數(shù)指標(biāo)計算

在工業(yè)水冷系統(tǒng)中，冷凍水箱的作用主要是裝載冷卻水，其目的是排氣散熱、保持恒溫、快速補(bǔ)水等。冷卻水箱內(nèi)的蓄冷量必須要滿足冷水機(jī)在卸載狀態(tài)下啟動，到待機(jī)狀態(tài)，再到加載到滿載這段時間內(nèi)，供冷水機(jī)組（即整個空調(diào)管路）的循環(huán)水量。冷凍水的水溫不能超過允許的最高溫度。

其中：

—冷卻水箱容積，m3;

—冷水機(jī)制冷量，kW;

—冷水機(jī)防止頻繁啟動時間間隔，min;

—冷水機(jī)從啟動到滿載的加載時間，min;

—安全系數(shù)，取1.1;

—冷凍水要求的最低溫度，℃;

—冷卻水要求的最高溫度，℃;

—水的比熱容，取4.2×103 J/（kg·℃）。

根據(jù)章節(jié)2.3對冷負(fù)荷的計算，確定冷水機(jī)的型號，其制冷量為114 kW。壓縮機(jī)要求1 h內(nèi)最大啟停次數(shù)為12次，則循環(huán)時間為300 s，最小運(yùn)行時間為120 s，進(jìn)而時間間隔=3 min，冷水機(jī)加載時間=2 min。冷凍水最低溫度為7℃，最高溫度為9℃，冷凍水溫度精度為2℃。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（2）中求得冷凍水箱要求的容積≈4.5 m3。

考慮到盾構(gòu)機(jī)空間條件，初步確定冷卻水箱外形尺寸為2 000 mm×1 000 mm×2 250 mm。

3? 通風(fēng)系統(tǒng)布置

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的布局和空間結(jié)構(gòu)，在距盾構(gòu)機(jī)二次通風(fēng)系統(tǒng)主機(jī)較近且具備安裝條件的4號臺車加裝工業(yè)水冷主機(jī)及冷水箱，通風(fēng)系統(tǒng)在盾構(gòu)上的布置如圖3所示。

利用水冷空調(diào)主機(jī)對冷水箱中的冷水進(jìn)行降溫，通過水泵將冷卻后的冷水泵送至在二次通風(fēng)管道內(nèi)設(shè)計加裝的蒸發(fā)器，使風(fēng)機(jī)輸送的新鮮空氣經(jīng)蒸發(fā)器完成熱交換，并將降溫后的冷空氣送至掌子面附近工作區(qū)域，同時連接盾構(gòu)機(jī)外循環(huán)水系統(tǒng)將水冷空調(diào)主機(jī)工作產(chǎn)生的熱量帶出隧道[7]。

為保證蒸發(fā)器表面效率和空氣潔凈度，在二次風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口加入可以反復(fù)使用的尼龍材質(zhì)0.2 mm網(wǎng)格風(fēng)管過濾器。制冷機(jī)組根據(jù)盾構(gòu)空間位置量身定制，安裝方便，采用環(huán)保冷媒，壓縮機(jī)具有高壓縮比，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻控制，可根據(jù)季節(jié)或特殊要求對通風(fēng)溫度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，確保出風(fēng)口溫度恒定。為水冷空調(diào)冷卻水提供足夠的背壓，保證盾構(gòu)機(jī)土倉等對水流水壓的需求。在隧道外的回水管路上安裝回水增壓泵。

4? 應(yīng)用效果評估

經(jīng)實際應(yīng)用，通風(fēng)系統(tǒng)主機(jī)功率為35 kW，可以達(dá)到的制冷量高達(dá)158 kW，主機(jī)電源與盾構(gòu)機(jī)其他裝置供電制式一致，冷凝器額定水量34 m?/h（制冷），蒸發(fā)器額定水量27.2 m3/h（制冷），從1號拖車至盾構(gòu)尾部，環(huán)境降溫達(dá)到10～15℃。

該研究成果得到了相關(guān)廠家和地鐵隧道盾構(gòu)施工項目的支持，在安徽省合肥市軌道交通4號線采用的中鐵裝備φ6 280 mm開挖直徑復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上得到了成功應(yīng)用。該地的地質(zhì)條件為粉質(zhì)粘土及細(xì)粉沙。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)：刀盤轉(zhuǎn)速0～3.7 r/min，最大設(shè)計壓力5 bar，最大推力35 000 kN，循環(huán)冷卻水流量40 m?/h，二次供風(fēng)系統(tǒng)直徑φ600 mm。在近半年的使用中，隧道內(nèi)密閉空間能夠滿足預(yù)期要求，改善了工作面的高濕高熱狀況，通過自動控制，已經(jīng)適應(yīng)了冬、春兩季的考驗。根據(jù)空調(diào)廠家產(chǎn)品的適應(yīng)范圍，能夠?qū)囟冉档?0℃左右，即使按壓入式通風(fēng)進(jìn)入空氣溫度最高35℃計算，也能夠?qū)⒍軜?gòu)工作面環(huán)境溫度控制在規(guī)定的溫度范圍，整機(jī)運(yùn)行良好。通風(fēng)系統(tǒng)對解決當(dāng)前地鐵隧道盾構(gòu)施工工作面環(huán)境具有非常明顯的作用，施工人員在施工過程中不再感到高濕高熱，無需脫掉工作服或卸載安全裝置，有效保障了施工安全，提升了施工體驗。

5? 結(jié)論與展望

（1）本文為地鐵隧道盾構(gòu)施工環(huán)境優(yōu)化了通風(fēng)系統(tǒng)，該成果經(jīng)項目實際測試，能夠良好實現(xiàn)盾構(gòu)作業(yè)區(qū)降溫，改善施工環(huán)境，是值得借鑒的模式和方法;

（2）目前在盾構(gòu)機(jī)選型方面僅僅對一種型號的盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了配置、測試以及溫度采樣，后續(xù)設(shè)計還需要適應(yīng)更多種類型的盾構(gòu)機(jī)，使通風(fēng)系統(tǒng)受到更為廣泛的應(yīng)用;

（3）目前空調(diào)主機(jī)需安裝在后配套拖車尾部，但因各施工項目拖車加裝設(shè)備不完全一致，后續(xù)還需對主機(jī)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使其具備更好的適應(yīng)性。

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